1、 概述
甲醛用途廣泛、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原料供應(yīng)充足的大眾化工產(chǎn)品，是甲醇下游產(chǎn)品的主干，世界年產(chǎn)量在2500萬(wàn)噸左右，30%左右的甲醇都用來(lái)生產(chǎn)甲醛。甲醛生產(chǎn)過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于甲醛裝置的操作，以前人們是憑借實(shí)踐檢驗(yàn)和單元組合式儀表來(lái)進(jìn)行的，由于缺乏生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和實(shí)時(shí)控制，使得甲醛產(chǎn)品成本高、操作費(fèi)用大、產(chǎn)品在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。為此，需要對(duì)甲醛實(shí)行優(yōu)化操作和控制。
UW500集散控制系統(tǒng)具有可靠性高、系統(tǒng)開放、功能強(qiáng)大、維護(hù)簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)兹┥a(chǎn)提供高效優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控，提高控制的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成品并提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
2、工藝簡(jiǎn)介
空氣氧化法制備甲醛有兩條工藝路線：1、以電解銀，浮石銀為催化劑的銀法工藝，使用這種方法時(shí)，甲醇在原料混合氣中的濃度高于爆炸極限區(qū)上限（36%），即在甲醇過(guò)量的情況下操作，由于反應(yīng)氧化不足，反應(yīng)溫度較高（一般為600~720℃），有脫氫反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，所以又稱氧化-脫氫工藝。2、以Fe2O3-MoO作為催化劑的鐵法工藝，此法是在空氣-甲醇混合氣中甲醇濃度低于爆炸區(qū)的下限（小于6.7%），即在含有過(guò)量的空氣情況下操作，由于空氣過(guò)剩，甲醇幾乎全部被氧化，所以又稱此法為純粹的氧化工藝。
圖1 甲醛工藝流程
原料甲醇由甲醇計(jì)量槽經(jīng)甲醇泵輸送至甲醇高位槽，保持一定流量經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入甲醇蒸發(fā)器，同時(shí)由羅茨風(fēng)機(jī)將經(jīng)過(guò)濾后的空氣送入甲醇蒸發(fā)器底部。甲醇經(jīng)過(guò)加熱氣化及空氣夾帶，與空氣形成二元混合氣；再和通入一定流量的蒸汽相混合，形成三元混合氣，三元混合氣經(jīng)過(guò)熱器過(guò)熱后，進(jìn)入阻火過(guò)濾器，再次過(guò)濾后的三元混合氣進(jìn)入氧化器，在氧化室加熱元件的高溫與電解銀催化劑的作用下，發(fā)生氧化脫氫反應(yīng)。反應(yīng)氣體快速經(jīng)過(guò)氧化器急冷段并在急冷段的冷卻下，進(jìn)入1#吸收塔循環(huán)吸收，循環(huán)液部分采出即為成品甲醛溶液（濃度37%左右），并進(jìn)入甲醛計(jì)量槽及甲醛成品槽。經(jīng)1#吸收塔循環(huán)吸收后的尾氣進(jìn)入2#吸收塔，以脫鹽水作為吸收劑，經(jīng)2#吸收塔循環(huán)吸收收的尾氣，經(jīng)尾氣液封槽，最終進(jìn)入尾氣處理裝置作為燃料燃燒，燃燒后的尾氣直接進(jìn)入大氣，達(dá)到零污染排放。
只要是以甲醇為原料，總是離不開甲醇的輸送、蒸發(fā)、原料氣（空氣、配料、甲醇?xì)猓┑膬艋?、過(guò)濾阻火、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、冷卻吸收、產(chǎn)品貯運(yùn)等環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)手段不同以及不同的組合方式形成不同的工藝路線。
3、控制策略
氧化器的溫度是生產(chǎn)控制的一個(gè)重要指標(biāo)，溫度控制的穩(wěn)定可以提高觸媒的運(yùn)行周期，從而可以大大降低生產(chǎn)成本。由上可知，氧化器溫度是整個(gè)甲醛生產(chǎn)控制的關(guān)鍵，影響氧化器溫度的變量主要有：（1）蒸發(fā)器的溫度和壓力；（2）干空氣的流量；（3）配料蒸汽的流量；（4）冷卻器出口的甲醛溫度。當(dāng)然，甲醇的濃度、空氣的含氧量、空氣的溫度、蒸汽的溫度、壓力都會(huì)影響到氧化器的溫度。
在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)氧化器的溫度影響最大的是空氣流量，空氣變化量如果大于5%，氧溫波動(dòng)可達(dá)到10~20℃。因此，從控制角度來(lái)說(shuō)，空氣流量是用來(lái)調(diào)節(jié)氧化器溫度的一個(gè)很好的變量。
圖2 氧化器溫度控制框圖
在該方案的實(shí)施過(guò)程中，控制系統(tǒng)事先允許操作人員設(shè)定或確認(rèn)最佳允許狀態(tài)的一組參數(shù)（包括空氣流量、蒸汽流量、氧化溫度、蒸發(fā)溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等），系統(tǒng)將這些參數(shù)記錄在運(yùn)行系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。具體方案是恒定風(fēng)速，當(dāng)外界干擾引起的氧溫變化時(shí)，首先通過(guò)氧溫-蒸汽流量串級(jí)調(diào)節(jié)回路結(jié)合蒸發(fā)器溫度調(diào)節(jié)回路快速調(diào)節(jié)氧溫：當(dāng)氧水比出現(xiàn)偏離時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的最佳運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)的現(xiàn)在，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算來(lái)修正蒸發(fā)溫度，改變氧醇比，再次引起氧溫的小幅變化，然后由氧溫-蒸汽流量串級(jí)調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)氧溫恢復(fù)正常，從而恢復(fù)氧水比正常，繼而氧醇比也得到了恢復(fù)。
圖3 UW500氧醇比控制算法
圖4 UW500氧醇比子程序
另外，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程特別是點(diǎn)火階段，我們充分利用DCS信息共享、歷史數(shù)據(jù)查詢及簡(jiǎn)便的自定義控制算法編制等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體的工藝情況編制了控制程序。不但提高了控制水平，使產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)定和增強(qiáng)，并且大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)保證了生產(chǎn)的安全性，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了積極的作用。
4、控制工程
氧化器溫度是控制的重點(diǎn)，影響到甲醛成品的質(zhì)量，浙大優(yōu)穩(wěn)的控制方案中，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和主路旁路調(diào)節(jié)閥的控制來(lái)達(dá)到氧化器溫度的控制。UW500集散控制系統(tǒng)在甲醛生產(chǎn)的應(yīng)用，硬件配置、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工藝流程圖。
圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖5 氧化工段
5、小結(jié)
甲醛生產(chǎn)在使用了UW500集散控制系統(tǒng)之后，能夠明顯改善工人的工作強(qiáng)度，生產(chǎn)自動(dòng)化水平得以實(shí)現(xiàn)，利用DCS強(qiáng)大集散控制能力，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行。甲醛產(chǎn)量和質(zhì)量得到明顯提升，DCS特有的聯(lián)鎖控制也提高了甲醛生產(chǎn)安全性，UW500集散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也使得生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定易控。
