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UW500集散控制系統在環保增塑劑行業中的應用

行業方案

一、概況

近年來,我國已成為亞洲地區增塑劑生產量和消費最多的國家,隨著人們環境保護意識的增強,醫藥以及食品包裝、日用品、玩具等塑料制品對增塑劑提出了更高的衛生要求。長期以來增塑劑主要是以鄰苯類產品為主,但是人們發現該類增塑劑有毒性,具有潛在的致癌的危險。歐盟食品安全機構EFSA規定了DOP、DOA等濃度的限量,所以無毒環保類的增塑劑成為全球增塑劑研究的重點。

環保增塑劑是比較好的無毒、環保、可再生資源,是美國食品藥物管理局(FDA)批準的唯一可用于儀器包裝材料的增塑劑,具有良好的耐熱性、耐光性、互滲性、低柔韌性,而且發揮度極低,應用非常廣泛,特別是用于食品、藥品塑料包裝材料、兒童玩具以及家庭裝飾材料的助劑等方面。

二、環保增塑劑的生產工藝

2.1 過氧甲酸氧化法
    該工藝以苯為溶劑,以硫酸作催化劑。甲酸和雙氧水在硫酸存在下,生成過氧甲酸,再與大豆油進行環氧化反應,生成環氧大豆油,工藝流程見圖1。以苯作溶劑,溶解性好,反應快,溫度低;但工藝生產流程長且復雜,產品質量不穩定,環氧值在5%左右,生產成本高,設備多,“三廢”處理量大,溶劑苯有一定的毒性。


圖1 苯溶劑過氧甲酸氧化法合成環保增塑劑的工藝流程圖



2.2 過氧羧酸氧化法

過氧羧酸氧化法屬于無溶劑法合成環保增塑劑,主要采用強酸如濃硫酸等作催化劑, 用 27%-50%的雙氧水作為氧的給體, 用甲酸作為活性氧載體進行環氧化反應, 產品的環氧化值 6.0%-6.3%。, 甲酸或乙酸與雙氧水在催化劑硫酸的作用下反應生成環氧化劑, 在一定溫度范圍內將環氧化劑滴加到大豆油中, 反應完畢后經堿洗, 水洗, 減壓蒸餾, 得到最終產品。工藝流程見圖 2。

 

圖2 過氧羧酸氧化法合成環保增塑劑的工藝流程圖

三、系統配置

以杭州優穩設計并成功實施的年產某環保增塑劑項目為例。工程采用中央控制室和現場控制室分離設置的方式,各工段的裝置采用相互獨立的DCS系統,并將控制站和操作站布置在相應的現場控制室。所有現場儀表信號傳到現場控制室,在現場實現監控,再通過冗余光纖交換機將各個獨立的現場控制站的數據通訊到中央控制室進行集中監測、報警、報表和打印操作,另外,在中央控制室設計大屏系統。其系統結構圖和各車間IO點數分布圖分別如圖3和表1所示。

 

圖3  系統結構圖

信號類型

酸化

環氧

酯化

灌區

合計

AI

60

80

210

80

430

AO

10

32

18

16

76

DI

128

256

224

96

704

DO

48

96

80

48

272

總計

1482

表1  I/O點位表

3.1配置說明

 本工程配置4個控制站,分別位于酸化、環氧、酯化和灌區車間。6臺操作員站(可兼作工程師站),其中4臺放在現場,另外2臺放在中央控制室。環氧、酯化和灌區車間配置現場控制室;

 各車間還配置了Modbus模塊與觸摸屏實現通訊。環氧和酯化車間的觸摸屏用于就地顯示數據和就地操作,灌區的4臺觸摸屏用于裝桶裝車數據的顯示,如裝車時間、裝車量、裝車閥門開度和物料濃度等;

 配置冗余光纖交換機,將各現場控制站的數據通訊到中央控制室,中央控制室配置兩臺監控站,實現全廠信息的集中監控。其中一臺監控站和打印機相連,實現日常的生產控制、監測、報警及報表輸出等操作,另外還配置了大屏顯示系統;


3.2產品特點

 全冗余設計方式:電源模件、控制模件、I/O模件、控制網絡、系統網絡均支持硬件雙重化(三重化)冗余,零切換時間,保證控制的連續性;

 高可靠I/O模塊:點點隔離、點點互隔、點點配電、在線點點更換,可滿足核電、緊急停車等高可靠性高安全性領域要求;

 部件智能設計:模件、模塊均配置微處理器或多處理器,少類型多功能,軟件選擇信號類型,減少備品備件,在線校正,自動補償;

 低功耗設計:無需強制散熱,適應惡劣的工業環境;

 運行安全設計:實時數據庫掉電保持,冗余校驗,快速恢復,保證系統信息安全;

 開放式模塊化結構設計:取消機籠、底板、端子板等,雙面安裝,節省轉接電纜與機柜;

 分布式全局實時數據庫,數據規模10萬點,高效壓縮算法,數據全局直接引用;

 IEC61131-3標準,FBD、LD、SFC、ST、IL多種語言混合編程環境,在線編程、模擬調試;

 實時數據質量戳功能,保證實時數據的可靠性與可信度;

 C/S或B/S模式,Web訪問,PC機、iPAD、iPhone、Android等智能終端可直接瀏覽;


四、控制方案

4.1酸化工段

 

圖4酸化工段

酸化硫酸中間罐設置液位控制,中間罐液位高于80%時,自動關閉進料管線上的氣動開關閥,同時發出停泵信號;皂角預熱器皂角出料溫度設置自動控制,通過檢測出料溫度控制加熱蒸汽管上的氣動調節閥,控制出料溫度在93攝氏度;酸化釜皂角進料流量和硫酸進料流量比自動控制,通過皂角管和硫酸管道上的遠傳流量計流量比值,調節硫酸管道上的氣動調節閥,控制皂角流量和硫酸流量在20:1左右。


4.2環氧工段

 

圖5環氧工段

環氧反應過程中,影響產品性能的因素主要包括反應釜的溫度、壓力、雙氧水的濃度、反應時間等。UW500控制系統分別對這幾個重要的點進行了控制。

壓力分段控制:環氧釜設置壓力自動控制,環氧釜上的遠傳壓力表跟環氧釜放空管上設置的氣動調節閥聯鎖,分段控制:在滴加雙氧水時,氣動調節閥全開,滴加完畢后,控制環氧釜的壓力在0.05MPa;

溫度自動控制:大豆油與過氧酸的反應是放熱反應,反應溫度過高或過氧酸的滴加過快,不利于反應的進行,還會使原料中部分C=C鍵聚合生成著色物,在室溫中從增塑劑產品中析出。當溫度低于65℃時,提高反應溫度有利于環氧化反應,但高于65℃過后會加速產物的分解,影響產品的環氧值,同時會使副反應加劇。所以反應溫度應控制在60~65℃左右為最佳。環氧釜上的遠傳溫度計跟夾套蒸汽管及循環水冷卻管上的調節閥聯鎖,當釜內溫度高于55攝氏度時,自動關閉蒸汽管上的氣動開關閥,自動打開蒸汽疏水旁路氣動開關閥,通過循環水管上的氣動調節閥,控制釜內溫度在63℃;

雙氧水滴加速度自動控制:一定量的甲酸和雙氧水在酸性催化劑作用下反應生成過氧甲酸,再把過氧甲酸緩慢滴加到精制大豆油中進行環氧化反應。在一定范圍內雙氧水用量越多環氧反應越充分,環氧值也越高。但是超過一定量副反應就會增多,樣品色澤也變深。過氧甲酸在高溫條件下不穩定,應緩慢滴加到精制的大豆油中。滴加速度過快會導致過氧甲酸分解,環氧化反應不完全,致使環氧大豆油的環氧值降低,滴加過慢,會產生副反應。應勻速滴加,時間控制在2.0~2.5h為宜。滴加速度對環氧值的影響如圖所示。在雙氧水管道上分別設置流量計和氣動調節閥,根據反應釜溫度(控制在63℃)調節氣動調節閥,并控制流量(瞬時)不超過1.5m3/h,并帶有重置流量功能;


圖6  滴加速度對環氧值的影響

.    環氧反應緊急停車系統:UW500憑借其高可靠性、高安全性等特征滿足環氧反應緊急停車機構要求。環氧反應釜壓力超過0.08MPa,溫度超過80℃時,啟動緊急停車系統。

 持續攪拌;

 自動關閉雙氧水進料氣動調節閥;

 自動開啟循環水進口氣動調節閥開口至最大;

 自動開啟放空氣動調節閥開口至最大;

4.3酯化工段

 

圖7  酯化工段

精餾停車系統:在甲酯精餾塔釜液設置溫度自控,通過調節導熱油管上的氣動調節閥控制釜液溫度,甲酯精餾泵出口總管上設置氣動開關閥、導熱油循環泵電機設置遠程控制,當出現超溫、超壓等緊急情況時,自動關閉氣動開關閥、停止導熱油循環泵電機。甲醇塔進料總管上設置氣動開關閥,甲醇精餾塔再沸器及甲醇精餾塔釜液罐加熱蒸汽總管上設置氣動開關閥,當甲醇塔出現超溫、超壓等緊急情況時,自動關閉上述啟動開關閥。

酯化酯交換反應釜設置溫度自動控制:通過調節蒸汽流量調節溫度,當溫度超過設定值時,自動關閉加熱蒸汽管上的氣動開關閥。

4.4灌區

 

圖8罐區

罐區包括油脂罐區和?;饭迏^,?;饭迏^各儲罐設置磁翻板液位計,高液位聲光報警;甲醇出罐泵、雙氧水出罐泵電機跟車間內中間罐液位連鎖,當車間內中間罐液位高于80%時,自動關閉出罐泵;濃硫酸出罐泵電機跟車間內中間罐液位連鎖,當車間內各中間罐液位均高于80%時,自動關閉出罐泵;每個罐高液位首先是關閉進料開關閥,全部高液位后,才關泵。各泵卸車進罐總管、各泵出料去車間總管上均設置遠傳流量計;甲醇儲罐、雙氧水儲罐設置遠傳溫度計,超溫(超過35攝氏度)聲光報警;雙氧水儲罐軟水進管上設置遠程控制開關閥。

裝車系統:裝車系統與上位機聯機,構成完整的集散控制系統,現場和控制室形成一個整體,達到集中管理分散控制的目的。并設置現場觸摸屏,對裝車時間、裝車量、裝車閥門開度和物料濃度等進行顯示操作;


五、實施效果

通過對環氧反應釜壓力控制、溫度控制、催化劑用量控制和雙氧水滴加速度等難點的控制,環氧反應的環氧值穩定在最優的6.20%,明顯增加了產品的產量并提高了產品的質量;裝車系統與DCS系統的結合使自動化控制成為一個更加完整的整體,加上觸摸屏的就地顯示操作,使裝桶裝車更加直觀、操作更簡便,也更易受控制。集中控制改善了工人的工作環境、降低勞動強度、節約人力成本。整體上來,UW500系統幫助客戶提高了經濟效益,在同行業中增強了競爭力。


六、相關業績

序號

省份

用戶

項目

1

安徽

安徽天意環??萍加邢薰?

年產10萬噸環保增塑劑和5萬噸生物柴油項目

2

江蘇

南通海珥瑪植物油脂有限公司

年產10萬噸環氧大豆油和10萬噸大豆油多元醇項目

3

湖南

湖南信匯生物能源有限公司

5萬噸/年生物柴油裝置擴能改造項目

4

山東

山東鈺源生物能源科技有限公司

5萬噸/年生物柴油項目


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