光气合成过程中双闭环比值控制系统的应用分析

郭建文

(银光化学工业集团有限公司仪表计量检测中心,甘肃 白银 730900)

随着聚氨酯工业的迅速发展，作为聚氨酯工业重要原料的甲苯二异氰酸酯(TDI)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的产量逐年增加。由于聚氨酯产品具有高强度、耐腐蚀、抗压及灵活轻便等特性，可替代木材和钢材，因此被广泛应用于电子电器、建筑、密封剂、绝热及制冷等领域。

目前TDI及MDI等大吨位异氰酸酯产品的生产广泛采用的是直接光气化生产工艺，其中光气(COCl2)是TDI和MDI光气化生产过程中的一种重要原料。但光气合成过程是一个强烈的放热反应且光气具有剧毒性，因此在TDI和MDI的光气化生产过程中为保证反应安全进行，温度控制、对反应工艺参数的控制和反应过程中反应物加入量的准确控制显得非常重要[1]，对过程测量仪表的选型和控制方案的确定应严格按设计规范进行，为此笔者对光气合成过程中氯气和一氧化碳加料量的典型双闭环比值控制系统进行应用分析，以期对行业中类似生产过程工艺提供借鉴。

光气又称碳酰氯，微溶于水，较易溶于苯及甲苯等。光气常温下为无色气体，比空气重，有腐草味，化学性质不稳定，遇水迅速水解生成氯化氢和二氧化碳。光气是剧烈窒息性毒气，高浓度吸入可致肺水肿，毒性比氯气大10倍，但在体内无蓄积作用。

工业上通常采用一氧化碳与氯气的混合物通过活性炭反应制得光气，为了获得高质量的光气同时减少设备腐蚀，经过彻底干燥的一氧化碳在与氯气混合时，应保持适当过量。如果没有催化剂且杂质含量低于规定浓度时，该混合物在常温下是稳定的。

满足工艺要求的氯气和一氧化碳通过双闭环比值控制分别进入混合器，气体混合物自上而下进入光气反应器，在活性炭催化剂和一定压力下作用生成光气，生成的光气进入下一流程。

2 比值控制系统

在化工、炼油和其他工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，一旦比例失调，轻则造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险[2]。比值控制的目的就是为了实现几种物料按一定比例关系混合，使生产安全、正常运行[3]。

在比值控制系统中，一种物料的流量需要跟随另一种物料流量而变化，前者称为从动量(副物料)，后者称为主动量(主物料)，也就是说副物料流量要跟随主物料流量按一定比例关系进行变化[2]。

比值控制系统根据不同的工艺控制要求和使用场合分为开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。在此笔者主要以双闭环比值控制系统为对象进行阐述。双闭环比值控制系统(图1)在主物料对象中引入一个闭环回路，解决了单闭环比值控制系统中主物料流量不受控制的问题。双闭环比值控制系统既能实现主-副物料流量比值的恒定，又能实现进入系统的总负荷平稳，同时方便提降负荷。如果改变系统的反应负荷，只要缓慢改变主物料流量的给定值就可以提降主物料流量，同时副物料流量也自动跟踪提降，并保持两者比值不变，系统控制精度较高，安全可靠。但该系统所用仪表数量较多，投资较高[4]。

图1 双闭环比值控制系统框图

在光气合成过程中，氯气和一氧化碳的加料控制就是一个经典的双闭环比值控制。

3 应用分析

在光气合成物料加入过程中，由于氯气和一氧化碳都是剧毒性气体，为保证系统安全和生成物质量，对氯气和一氧化碳的加入量有严格要求，氯气和一氧化碳必须按照一定量准确地加入混合器，同时在加入过程中氯气和一氧化碳必须保持所设定的比例关系，并且对氯气和一氧化碳的加入设置安全联锁方案，当工艺参数出现异常时，可紧急联锁停止加料[1]。

光气合成过程中氯气和一氧化碳加料控制工艺流程如图2所示。根据工艺流程图，满足工艺要求的氯气和一氧化碳分别经过各自的加料管线进入混合器并按比例进行混合，混合后气体进入反应器，在活性炭催化剂作用下根据一定工艺条件反应生成光气，反应生成物送入下一流程。

图2 氯气和一氧化碳加料控制工艺流程

在氯气加料过程中，TI-101用来检测氯气温度，要求实现低温报警；PI-101用来检测氯气压力，要求实现氯气压力高低限报警；FC-101为氯气加料流量计，用来检测氯气流量，并与FV-101调节阀组成氯气加料流量调节回路，实现氯气低流量报警；PD-102用来测量氯气加料过程中的压差，要求实现压差的高低限报警；HSV-101为氯气加料切断控制阀。

在一氧化碳加料过程中，TI-102用来检测一氧化碳温度，要求实现高温报警；PI-103用来检测一氧化碳压力，要求实现高低限压力报警；FC-103为一氧化碳加料流量计，用来测量一氧化碳的流量，并通过比值控制模块FC-102与FV-102调节阀组成一氧化碳加料流量控制回路，同时实现低流量报警；PD-104用来检测一氧化碳加入过程中的压差，要求实现压差高低限报警；HSV-102为一氧化碳加料切断控制阀。

以上工艺参数的检测控制方案均通过DCS系统来实现。

为保证加料过程和化学反应过程的安全，设置了由独立ESD安全联锁紧急停车系统实现的安全联锁方案[5]。当氯气压力达到高限联锁值时、当氯气(一氧化碳)流量达到低限联锁值时、当氯气(一氧化碳)加料过程压差达到低限联锁值时或比值控制模块运算结果达到低限联锁值时，将联锁关闭氯气控制调节阀FV-101、氯气切断控制开关阀HSV-101、一氧化碳调节阀FV-102和一氧化碳切断控制开关阀HSV-102，防止在工艺异常时氯气和一氧化碳进入混合器。即当两种物料加入的温度、压力、流量和压差任意条件不满足工艺控制要求时，都会禁止向混合器加料。

氯气和一氧化碳流量测量仪表选型是控制方案中的关键点，为保证测量精度和可靠性，一般选用质量流量计。

双闭环比值控制系统中氯气是主物料，一氧化碳是副物料。氯气流量计测量值通过PID运算来控制氯气流量调节阀FV-101的开度，实现氯气的加料控制；同时氯气流量计测量值送给FC-102比值运算模块，与事先设置好的比值系数进行运算，运算后的结果作为一氧化碳流量PID控制的给定值，与一氧化碳流量计送来的测量值进行比较，通过PID运算去控制一氧化碳流量调节阀FV-102的开度，从而实现一氧化碳加料的控制。比值运算模块在DCS系统中有专用的控制模块可供选择[6,7]。一氧化碳按照一定的比值跟随氯气流量变化，同时氯气作为主物料有完整的控制调节回路，以保证氯气加料的闭环可控。只要缓慢改变氯气的加料量，一氧化碳的加料量随之按比例跟随改变，即可实现改变系统的反应负荷。

上述方案实现过程中所用仪表数量较多，较复杂。除氯气和一氧化碳质量流量计外，为保证系统安全可靠，防止毒气泄漏，系统还配置了毛细管式单法兰远传压力变送器、毛细管式双法兰远传压力变送器[8]、金属波纹管密封式调节阀和三重密封型气动旋塞阀[9]。

系统开车投运前由于氯气和一氧化碳都受各自低压差的联锁导致阀门无法打开，因此在系统开车投运前必须通过模拟加入假信号，使其先满足加料条件以保证加料阀的正常打开，保证系统正常启动。

4 结束语

笔者对光气合成过程中氯气和一氧化碳加料双闭环比值控制系统进行了分析。由于反应过程所采用的氯气和一氧化碳以及生成物光气具有剧毒性，因此设置了安全联锁系统以保证反应过程加料精确、安全可靠。该方案在实际聚氨酯原料TDI生产过程中已投入运行，能够满足工艺控制要求，同时保证了生产的安全，是经典的双闭环比值控制系统的实际应用，在同类生产中具有一定的借鉴意义。

[1] 陈毅峰,吕洪杰.浅谈光气及光气化生产装置安全和防护措施[J].中国安全科学学报,2005,15(11):73～77.

[2] 翁维勤,孙洪程.过程控制系统[M].北京:化学工业出版社,2009:64～68.

[3] 王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,1991:157～162.

[4] 王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5] 荆胜南,张继,王洪元.紧急停车系统(ESD)的实现[J].计算机与应用化学,2010,27(8):1123～1126.

[6] 何衍庆,黄海燕.集散控制系统原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2009.

[7] 云苏和,王维,刘彦芳,等.TPS系统比值控制在工业生产中的应用[J].石油化工自动化,2011,47(4):80～81.

[8] 范玉久.化工测量及仪表[M].北京:化学工业出版社,2008.

[9] 蔡世基.浅谈阀门选型应注意的问题[J].石油化工自动化,2011,47(2):67～69.