氨基钠生产过程计算机控制系统

，许向阳1，赵忠明21北京理工大学自动控制系，北京（100081）2内蒙泰丰化工公司，内蒙乌海（750336）E-mail：[e-mail]摘要：分析了高温法制备氨基钠的反应机理及生产工艺，并设计了一套计算机控制系统，投运后取得了较好的控制效果。关键词：氨基钠，靛蓝，计算机控制系统，PID，前馈中图分类号：TP1.引言氨基钠是生产还原染料靛蓝的中间产品。目前国内企业一般采用高温法制备氨基钠，即在高温下将氨气通入熔融的金属钠，反应后经冷却制得成品。该反应对温度和压力的控制要求非常严格。本文分析了高温法制备氨基钠的反应机理及生产工艺，并针对内蒙泰丰公司的钠氨工段设计了一套计算机控制系统，投运后取得了较好的控制效果，大大减轻了工人的劳动强度，提高了产品收率，同时保证了生产过程的安全与平稳。2.反应机理及工艺分析高温法制备氨基钠的化学反应方程式为：↑+=+223222HNaNHNaNH。图1反应器示意图氨基钠生产的反应器为间歇式、非绝热式反应釜。反应器结构如图1所示，钠氨釜内为气液非均相系统。先一次投入固态钠，加热至高温氨气通过气体分布器进入釜内，与熔融的金属钠反应，得到液态氨基钠，生成的氢气直接点燃消耗掉。工业生产对过程控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求，即安全性、经济性和稳定性[1]。（1）安全性反应达到350℃才开始进行，反应中大量放热，而氨基钠在400℃便开始沸腾并分解，℃迅速分解。因此对反应期间温度和反应器内压力的控制要求非常严格。（2）经济性主要考虑产品氨基钠的纯度（收率）和反应时间。影响氨基钠纯度和反应时间的因素很多，如氨气流速、分布器所产生的气泡的大小、液面高度、温度、有效相界面积、原料的纯度等等。在此我们只考虑主要因素。首先考虑氨基钠的纯度。气液相反应的传递过程与流动过程都很复杂，难以对其建立准确的数学模型，目前有关的数学模型也仅限于针对特定反应器的简化了的理想模型。对于生成氨基钠的反应，其反应速度较慢，因而反应主要在液相主体中进行。由于原料纯度基本不变，要提高氨基钠的纯度，就要尽量使气泡分布均匀，与金属钠充分反应。气体分布器选定后，最重要的是控制通入反应釜的氨气流量稳定，使气泡以稳定的速率进入液相，与液体充分接触。通入钠氨釜的氨气来自液氨蒸发环节，由氨气总管通入钠氨釜，阀门由人工操作控制。设定手动截止阀位置，则通入的氨气温度一定时，氨气流量与压力成正比，因此只需控制氨气缓冲罐的压力，如图2所示。图2氨蒸发工艺流程图再来看反应速率。由反应动力学可知，对特定的反应，影响反应速率的主要因素是反应物的浓度和温度。因此，除了要控制所通入氨气的流量，还要在反应过程中严格控制温度稳定，在保证安全生产的前提下维持理想的反应速率。（3）稳定性主要是抑制外部干扰，保证生产平稳进行。综上，对氨基钠生产过程的控制可以归结为对液氨蒸发环节的压力控制和对钠氨釜温度的控制。3.液氨蒸发压力控制3.1控制要求氨蒸发部分是钠氨部分的氨气来源。由于氨在常温下为气态，可将液氨通入液氨蒸发器，在蒸发器中喷入水使液氨蒸发为气态氨。得到的氨气通入缓冲罐，通过干燥塔干燥后进入钠氨釜。控制要求：一是控制氨气缓冲罐的压力稳定；二是控制液氨蒸发器出口氨气温度稳定。3.2控制策略3.2.1氨气缓冲罐压力控制主要是对液氨阀门（PV1201）的控制，通过控制液氨流量以控制氨气缓冲罐的压力稳定，忽略非线性，即认为液氨经蒸发器可完全蒸发为气态氨。控制回路如下图。采用PID控制，流量的时间常数小，因而PID的比例参数也较小。图3压力控制回路系统框图3.2.2液氨蒸发器出口氨气温度控制即对喷淋水阀门（TV1201）的控制，通过调节液氨蒸发器喷淋水的量，以控制液氨蒸发器出口氨气温度稳定。生产过程输入和输出之间的关系通常是很复杂的，各变量之间可能有很强的耦合性。一个输入可能会改变几个输出；反之，一个输出可能会受到多个输入的影响。因此，都用单回路来控制这类系统时，各回路之间就会相互影响[1]。当进入蒸发器的氨气流量变化时，喷淋水阀门由于反馈的延迟不会立刻改变，即参加热交换的水量不变，蒸发得的氨气温度会降低，过一段时间才能恢复到给定值。流量的变化可看作是对温度回路的一种较强的干扰，因此我们加进了前馈控制，如图4所示。PSP1PID1液氨阀开度缓冲罐+—液氨蒸发器出口氨气温度前馈控制示意图前馈控制实质上是一种直接按照扰动量而不是按偏差进行校正的控制方式，即对干扰进行补偿。但是要实现完全补偿必须要有精确的数学模型，因此工程上广泛将前馈控制与反馈控制结合起来使用，构成前馈—反馈控制系统（FFC-FBC）。这样既发挥了前馈控制对特定扰动有强烈抑制的特点，又保留了反馈控制能克服各种干扰和对控制效果最终检验的长处[2]。此处我们采用了前馈—反馈PID控制。温度一定时，所需进行热交换的喷淋水量与氨气流量成正比，故喷淋水阀门开度应与液氨阀开度成正比（均为气关阀）。前馈—反馈PID控制系统如下图所示。图5液氨蒸发器出口氨气温度前馈—反馈PID控制系统框图4.钠氨釜温度控制4.1工艺要求主要从以下几方面考虑：（1）物料平衡氨气温度T温度检测++水喷淋水阀门液氨蒸发器前馈控制器温度控制器压力检测液氨阀开度SP2T+喷淋水阀门开度蒸发器+—K+PID2氨气流量Q即反应物的配比，可以由资料查得，主要通过控制通入的氨气量来实现。（2）能量平衡对高温下的放热反应，反应前要加热，反应过程中要抵消反应释放的热量，反应结束后要移热。（3）约束条件该反应达到350℃才开始进行，而氨基钠在400℃便开始沸腾并分解，因此需设定温度控制范围，超出范围则要报警。4.2工艺流程反应器温度随时间变化曲线如图6所示。图6反应器温度随时间变化曲线t0时开始加热，温度升至1T时通入氨气，此时反应逐渐开始进行，由于反应放热温度升至2T时即关闭电磁炉停止加热，升至3T时启动温度控制系统，自动切入保温阶段，将温度严格控制在4T。4.3控制要求从温度控制角度可分为三个阶段：（1）[t0,t3]升温阶段通过电磁炉加热，此时温度控制系统处于关闭状态。（2）[t3,t6]保温阶段温度控制系统启动，通过变频器控制风机降温，将温度严格控制在4T，要求控制准确和及时。一旦温度低于3T或高于5T则触发报警。（3）[t6,t7]冷却阶段T温度(℃)t时间（小时）5T0Tt1t2t0t3t7t6t41T2T3T4T反应结束，提示工人关闭系统，风机全关，钠氨釜自然冷却至常温。4.4控制策略在第二阶段，主要通过PID进行控制。工业加热炉一般具有较大的时间常数，需要给风机一个较大的初始值，PID的比例参数也较大。比例参数由于要抵消反应中放出的热，应为负值。此外需要加一定的积分，微分系数可视情况而定。5.结束语本文分析了高温法制备氨基钠的反应机理及生产工艺，并设计了一套计算机控制系统。目前该系统已于内蒙泰丰公司的靛蓝生产线投运，经一段时间的观察调试，钠氨釜温度和通入的氨气流量都非常稳定，钠氨釜温度控制在±1℃，氨气缓冲罐压力控制在±0.1kg,液氨蒸发器出口氨气温度控制在±0.1,℃满足了工艺要求，同时提高了产品收率，缩短了反应时间。参考文献[1]鲁明休，罗安．《化工过程控制系统》[M]，北京：化学工业出版社，2006．[2]姜学军．《计算机控制技术》[M]，北京：清华大学出版社，2005．[3]许向阳，祝和云，孙优贤等．间歇蒸煮过程计算机优化控制系统［J］．《中国造纸学报》，2000，Vol.15：98-102．[4]杨志才．《化工生产中的间歇过程――原理、工艺及设备》[M]，北京：化学工业出版社，2001．[5]罗康碧，罗明河，李沪萍．《反应工程原理》[M]，北京：科学出版社，2005．[6]J.R.Hopper,J.M.SalehandS.Waghchoureetal．Muti-phaseandcatalyticchemicalreactorsdesignsimulationtoolforpollutionprevention[J]．HungarianJournalofIndustrialChemistry,v28,n1:17-22,2000TheComputerControlSystemofSodamideProductionProcessZhaoFei1,XuXiangyang1,ZhaoZhongming21DepartmentofAutomationControl,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,PRC(100081)2NeimengTaifengChemistryCompany,Wuhai,PRC(750336)AbstractThereactionmechanismandproductiontechnicsofthepreparationofsodamideinhightemperatureareanalyzed,andacomputercontrolsystemisdesigned.Thecontroleffectprovesgoodafterthesystemwasputintoproduction.Keywords:sodamide,indigotin,computercontrolsystem,PID,feedforward