醋酸乙烯化工毕业设计论文

1 (23)
6.1 组态的概念 (23)
6.2 DCS系统基本配置态 (23)
1 引言
1.1 课题意义
醋酸乙烯是一种无色透明、有强烈气味的液体，是世界上产量最大的50种化工原料之一[10]。

醋酸乙烯单体(VAM)是醋酸及其衍生物中最主要的初级衍生物加工产品，也是有机合成(聚合物工艺学)中的主导型原料之一，有较高的生产制备及衍生加工的技术经济价值：作为醋酸的再加工物，醋酸乙烯的生产状况对醋酸行业的整体发展具有日益显著的影响作用[14]。

醋酸乙烯主要用来生产聚乙烯醇、醋酸乙烯共聚物等；聚乙烯醇的主要用途是生产维纶、纺织浆料、粘合剂、涂料、纸张增强剂及涂层、产业聚合助剂等[12]。

在我国典型的VAc电石法生产工艺占绝对的统治地位。

我国在引进技术、消化吸收的基础上 ,在工艺和催化剂研究方面也取得了显著的成果[16]。

但从全球的发展看，在催化剂的水平和时空收率的应用上，和最先进的流化床技术的差距还是显而易见的。

因此，我们有必要引进国外的先进技术，发展我国的流化床技术。

DISTRIBL TED CONTR0L SYSTEM，就是我们常说的集散控制系统。

这门技术常应用于模拟量回路控制较多的行业。

把所设计到的危险分别管理控制，这样就缩小了发生危险的可能性，这种自动化的高技术产品将显示与管理集合于一体。

真正实现了自动控制，加快了工业产业化步伐。

分级分布式控制，是集散控制系统实现了在物理上真正的分散控制。

通过一根总线，把总站和分站连接在一起，数据的一致性得到了保证，由此，也进一步提高系统的可靠性、实时性和准确性。

（1）DCS完善了管理体系的科学性与实践性，是资源得到了优化配置（2）DCS 还使得企业更具有竞争力，使开发的产品的品质和数量大幅增加，同时也提高了生产的效率，有利于技术的进步（3）DCS系统使得对于设备的维修与更换更加简单，快捷和
经济（4）采用DCS可以实现统一控制和管理，节省了大量的人力、物力资源（5）化工产业通过对DCS的应用，是管理更加规范，同时也在一定程度上降低了运营成本。

1.2 相关技术的国内外发展状况
在工业化的过程中，一共出现过三种合成醋酸乙烯的方法，分别是石油乙烯法、天然气乙炔法和电石乙炔法，三种方法各有利弊，下面我将三种方法介绍如下：（1）石油乙烯法
用石油裂解联产得到的乙烯，通过多管型固定床反应器，合成醋酸乙烯。

这种方法在国内采用的比较多。

（2）天然气乙炔法
四川川维公司使用的是天然气乙炔法，顾名思义，原料就是平常常见的天然气，这种技术多用固定床反应器，也是应用比较广泛的技术。

（3）电石乙炔法
在国内，还有一种比较常见的方法，就是电石乙炔法，它是用水与电石发生反应产生乙炔，一般采用沸腾床反应器合成醋酸乙烯，国内大概有10家公司采用此种方法进行生产。

Leap 技术作为一种新兴的乙烯气相法工艺 ,无论是工艺原理还是操作过程 ,都与传统的乙烯气相法的醋酸乙烯工业化生产技术(Bayer 技术与 USI技术)非常相似[16]。

但是 ,BP 公司开发的 Leap 技术 ,采用流化床反应器,改善了反应过程的传热 ,从而提高了醋酸乙烯的产率 ,单台反应器生产能力与传统的乙烯气相法相比提高了一倍，催化剂寿命也延长一倍以上[16]。

对于流化床反应器的应用，从而使很多设备变得不再不可或缺，比如说气体预热交换器等，这样和固定床工艺所需要的设备相比较，流化床技术可以使工艺过程变得简单，经济，也可以使设备的投资减少大概30%左右，综合上述的介绍与实践，用乙烯气相法制备醋酸乙烯的Leap技术目前走在了工业化生产技术的最前端，将是醋酸乙烯合成的趋势与进步的关键。

1.3 本课题要求
本课题拟从理论上，利用最新的流化床技术，设计出合成醋酸乙烯的工艺流程，缩
小与国外的差距，加快工艺规模放大和工业化进程。

选择合适的催化剂，提高空时收率，将发展策略转向流化床工艺技术。

运用DCS集散控制系统，通过对反应器中文的控制以及反应物料的调节，提高醋酸乙烯的合成技术。

我国提升VAM生产能力势在必行，但解决由流化床乙烯法替代高能耗，高污染的电石乙炔法尤为重要。

从以上几点完成本次工程设计，以提高国内的醋酸乙烯产量以及对环境保护问题予以解决。

本课题在保证醋酸乙烯生产过程稳定、高产、优质、低耗和安全的前提下，对生产过程的主要技术参数如温度，压力，液位以及流量等加以严格控制。

因此要求我们认真收集资料，进行调查研究，技术经济分析和方案比较，选出先进可靠、合理的自控方案。

采用合适的仪表控制回路，如单回路，串级控制回路，分程控制回路等。

选择合适的检测仪表及DCS卡件，即各个管道控制部位的温度、压力、流量等。

贯彻执行国家、部颁的标准、规范和规定，认真进行设计文件的编制工作，绘制正确、可行的施工图纸，并写出设计报告。

2 工艺流程简介及控制要求
2.1基本原理简介
2.1.1 合成工段的基本任务
本工段通过罗茨鼓风机将乙炔气鼓入气体混合槽，同时将来自于醋酸加料槽的醋酸经由醋酸加料泵送入倒醋酸蒸发器，在醋酸蒸发器中通过水蒸气加热将醋酸汽化，送入气体混合槽。

在气体混合槽中乙炔气与醋酸蒸汽混合，经过混合气体第一预热器和第二预热器，进入合成反应器中，在一定的温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸锌的催化作用下进行反应生成醋酸乙烯。

2.1.2 影响合成反应的因素及控制要求
在主反应聚合反应中影响反应的因素很多，主要包括以下五个因素：
（1）活性炭的影响
活性炭本身即是触媒的载体，另一方面活性炭上的羰基起着活性中心的作用，所以活性炭在这里起着双重作用。

（2）反应温度的影响
合成醋酸乙烯的反应是醋酸与乙炔通过吸附在活性炭上的醋酸锌的而发生的。

而首先就要使乙炔在活性炭表面上产生化学吸附，这个吸附温度最低也要160 ℃左右，所以要使反应能够进行起码也要将温度控制在160 ℃以上。

随着反应温度的提高，反应速度常数也增大，触媒的活性也就提高，空间收率也就高，但同时付产品增加，反应液质量下降。

所以选用反应温度要综合各项指标，考虑到产品质量、产量、触媒的消耗等方面因素，并根据当时的主要矛盾来确定。

一般情况下每个列之间相差10 ℃左右能最大发挥触媒的作用。

（3）压力的影响
由于乙炔与醋酸合成醋酸乙烯的反应是一个体积减少的反应所以理论上讲增加压力对合成是有利的。

当反应系统压力上升时（例如，由于反应出口管被聚合物附着而阻力升高时）对反应来讲是有利的，但这就要求鼓风机打出更高的压头，对设备的要求也更
高，尤其对鼓风机的加工、安装要求更严格也比较困难。

另外乙炔在压力高时不太稳定，再者由于大部分气体循环使用，乙炔的转化率只有10 %左右，对整个系统来讲，体积的减少是有限的。

增加一些压力对反应的效果影响不是很大，而同时却带来一系列问题，所以本反应是在常压下操作，系统内保持正压。

在反应器底部为克服触媒的压力，压力般在0.8 kg/cm左右。

（4）其它因素的影响
对合成反应的影响因素，除上述主要方面外，还有一些次要因素，如沸腾床流化状态的好坏，分布板的设计是否恰当，床内是否有构件。

另外操作水平也对合成反应有影响。

反应温度的控制是否平稳，中温忽高低都影响到触媒的活性和寿命。

2.2合成工艺流程叙述
本工序的任务是将原料乙炔与原料醋酸蒸气混合，在适当的条件下进行反应得到醋酸乙烯并把未反应的乙炔分离、回收进行循环使用。

采用吸附在活性炭上的醋酸锌为触媒的沸腾床操作法生产。

工艺流程主要包括： (1)乙炔与醋酸蒸气的混合;(2)混合体的预热;(3)反应器的控制.
3 系统控制方案的设计
合成工段主要是对醋酸蒸发器、合成反应器以及鼓风机的控制系统方案的设计。

被控变量的选择原则：
①从间接标准参数的方面考虑，这个参数需要有充足的灵活性，这样才能更细致
的反应产品的质量程度。

②在直接标准参数的选择上，作为首选的应该是质量标准参数。

③当没有直接参数作为被控变量时，我们可以选择一个和主要参数有直接对应关
系的间接标准参数作为参考和被控变量。

④除了需要考虑被控变量的参数外，我们还需要综合考虑工艺的可实施性以及国
内外的生产水平及状况。

操作变量的选择原则：
①作为控制变量，最基础和重要的一点就是变量具有可控性。

②当扰动通道的放大倍数是一定时，我们选择的变量最好应该是通道放大倍数中
比较大的参数。

③选择较小的控制时间通道参数有助于操作变量的记录，而比较大的扰动通道时
间参数也可以达到此目的。

④选择较小的通道纯滞后时间。

⑤还有一点需要注意的就是干扰点的选择——接近控制阀，远离被控参数，
⑥同样，除此之外，还需考虑工艺的可实施性以及生产水平。

控制阀的选择：
①开闭形式的选择。

②口径大小的选择。

③流量特性的选择。

④结构形式的选择。

控制阀开闭形式的选择原则：
合成工段选用的为气动薄膜调节阀，控制阀接收电气转换器传来的信号，压力与控制阀的开度成正相关，两者同时增大或减小，这种情况称为气开阀。

同理，当压力与控制阀的开度成负相关，则为气闭阀。

当具体给定系统情况时，选择哪种形式的控制阀，没有固定的模式，要根据具体的工艺流程及要求来考虑。

一般来说，要根据以下几条原则进行选择：
①安全生产为第一要素。

②在安全的基础上，要尽量提高质量水平。

③降低成本，节省资源也需要考虑在内。

④从实际出发，具体情况具体分析。

3.1合成反应器中温控制系统
（1）合成是乙炔和醋酸发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，醋酸乙烯的浓度要求非常高，达到99.9%以上。

为保证合成气的质量，工艺要求对反应器反应温度进行控制。

合成反应器的中温要求178±0.5摄氏度。

（2）合成反应的简单工艺过程为乙炔气和醋酸气在混合器中混合后，分别经冷路和有预热器加热的热路合成一定温度的混和气体热气体后，进入醋酸乙烯合成反应器（沸腾床），在一定温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸锌的作用下，进行合成化学反应。

但在反应器反应温度控制系统的控制通道中包含了两个具有非线性的热交换器，因而使整个对象的特性随负荷的变化而变化，采用单回路控制系统已不能满足控制要求，为此，在热交换器的出口设置了一个温度监测点，并以他为副变量组成一个温度与温度的串级控制系统。

在串级控制系统方案中，由于热交换器这个具有非线性特性的环节包含在副回路中，负荷的变化所引起的对象影响就被副回路所克服，因此对主回路的影响就很小了。

本系统采用串级回路控制，它能有效的提高控制效率，完善单一控制不能全面控制的缺点，串级控制系统就是将两个单回路控制系统以适当的方式整合为一个控制系统。

它与单回路控制最大的不同点是其对控制的精密程度有了很大的提高，它所谓的“串级”是在结构上副回路的数量有所增加，当存在干扰时，它具有保持稳定的性能。

在工作性能方面，其有如下优点：
①对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。

②改善了控制系统的动态特性，提高了工作效率。

③对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。

（3）反应温度的控制是通过反应器入口的混合气的温度来控制的，即反应温度有所上升时，则通过降低入口气体温度的方法来控制，可以通过调节第一预热加热器的蒸汽量来调节，但由于传热滞后比较大，调节不灵敏，故增设了一套正逆阀装置来调节反应器入口温度，混合气体从气体混合槽出来后分成两路，一路不加热，称为冷路，另一路经加热器，称为热路，在冷热路上各加一调节阀，用调节阀来调节冷热路混合比例，就很容易调节反应器入口温度，也就比较容易调节反应器中温。

正逆阀有一个信号指挥，一个开，另一个就关，两开度加起来为100%。

主被控变量：合成反应器中温
副被控变量：热交换器的出口温度
操纵变量：冷热路气体混合比例
冷路控制阀：气闭阀热路控制阀：气开阀
主控制器：反作用副控制器：反作用
（4）控制流程图，如图3.1所示：
图3.1 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统流程图
图3.2 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统方框图
从串级控制系统的方框图可以看出，该系统有两个环路：一个内环和一个外环。

习惯上称内环为副环，外环为主环。

处于副环上的控制器、对象和变送器分别称副控制器、副对象和副变送器。

副对象的输出称副变量。

处于主环上的控制器、对象和变送器分别称主控制器、主对象和主变送器主对象的输出称主变量。

在此串级控制系统中，温度控制器为主控制器，温度为主变量，流量控制器为副控制器，流量为副变量。

主控制器的输出作为副控制器的给定值，控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。

串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统[28]。

副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量并不是不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统[28]。

3.2 醋酸蒸发器液位控制系统
（1）为了保证合成反应的速度和生成醋酸乙烯的浓度，通过醋酸蒸发器的液面来调整加入醋酸量，用加热蒸汽来控制蒸发量。

加入醋酸量一定，釜液排出量一定，用加热蒸汽将蒸发器液面维持一定，则蒸发量一定。

（2）综合以上考虑。

选择了单回路反馈控制系统。

单回路系统是实际生产过程中最基本，同时也是最常见应用最多的系统，大部分的其他控制系统一般都是以单回路系统为基础的，所以说单回路控制系统的分析方法以及分析结论是所有控制系统的基础。

复杂控制系统分析设计都是以单回路控制系统的分析设计为基础的。

单回路系统由四部分相互独立又相互联系的结构组成，这四部分分别是被控制的参数，变送设备以及控制器和阀。

（3）被控变量：醋酸蒸发器液位
操纵变量：加入醋酸蒸发器的蒸汽流量
控制阀：气开阀
控制器：正作用
（4）控制流程图，如图3.3所示：
图3.3 醋酸蒸发器液位控制流程图
方框图，如图3.4所示：
图3.4 醋酸蒸发器液位控制方框图
3.3 醋酸加料泵出口管道流量控制系统
（1）合成反应是乙炔和醋酸蒸汽发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，为了保证化学反应中的摩尔比（物质的量之比），使反应速度一定且生成醋酸乙烯的浓度较高，必须对醋酸加料泵出口管道流量进行控制。

（2）采用直接节流法的控制方案，即可满足设计要求。

（3）被控变量：醋酸加料泵出口管道流量
操纵变量：醋酸加料泵出口管道流量
控制阀：气开阀
控制器：反作用
（4）控制流程图，如图3.5所示：
图3.5 醋酸加料泵出口管道流量控制流程图
方框图，如图3.6所示：
图3.6 醋酸加料泵出口管道流量控制方框图
3.4 乙炔鼓风机入口管道流量控制系统
（1）合成反应是乙炔和醋酸蒸汽发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，为了保证
化学反应中的摩尔比（物质的量之比），使反应速度一定且生成醋酸乙烯的浓度较高，必须对乙炔鼓风机入口管道流量进行控制。

（2）控制采用改变旁路回流量的方案，既可满足设计要求。

（3）被控变量：乙炔鼓风机入口管道流量
操纵变量：乙炔鼓风机入口管道回流量 控制阀：气开阀 控制器：正作用
（4）控制流程图，如图3.7所示：
图3.7 乙炔鼓风机入口管道流量控制流程图
方框图，如图3.8所示：
图3.8 乙炔鼓风机入口管道流量控制方框图
4 仪表选型
4.1 检测仪表选型
4.1.1 温度仪表
该工段共有13个温度参数需要检测并集中显示，这13个温度参数的范围是25℃-185℃，如下表4.1所示：
表 4.1 温度信号
位号描述温度℃
TE-101 混合气第一预热器出口145
TE-102 混合气第二预热器出口180
TE-103 醋酸蒸发器100
TE-104 醋酸蒸发器出口78
TE-105 乙炔鼓风机出口60
TE-106 吸附槽出口25
TE-107 醋酸加料槽35
TE-108 合成反应器出口178
TE-109 粉末分离器出口25
TE-110 合成反应器下部160
TE-111 合成反应器中部178
TE-112 合成反应器上部185
TE-113 合成反应器178 由表中数据可以看出这些温度参数都属于较低温，所以可选择热电阻进行测量，所以选择WZP-120热电阻，该型热电阻主要技术参数为：分度号：Pt100，温度范围：-200~420℃，热响应时间＜90S。

4.1.2 压力仪表
本工段需要检测的压力参数共有9个，如表4.2所示，分别为：
表 4.2 压力信号
位号描述压力(KPa) 备注
PZ-101 醋酸蒸发器82 集中
PZ-102 乙炔鼓风机入口 5 集中
PZ-103 醋酸加料泵出口497 集中
PZ-104 反应器出口23 集中
PZ-105 反应器入口69 集中
PZ-106 预热器蒸汽入口600 集中
PZ-107 新乙炔压力报警7.5 集中
PZ-108 鼓风机出口压力报警75 集中
PZ-109 触媒取出槽顶 5 集中
反应器出口采用型号为WP201A-60kpa-5D24E2的差压变送器，其主要技术参数为：测量范围：0～60kpa；准确度度等级：0.5级；工作电源：24VDC。

醋酸蒸发器、反应器入口、鼓风机出口压力报警均采用型号为YTP-100的防腐膜片压力表，其主要技术参数为：精确度等级：1.6级；测量范围：-0.1～0.5MPa。

醋酸加料泵出口、预热器蒸汽入口采用型号为WP401A-1.6Mp-5G24E2的压力变送器，其主要技术参数为：量程：0～1.6 Mp；工作温度：-40～85℃；输出信号：4～20Ma;工作电源：24VDC。

4.1.3 流量仪表
合成工段的流量参数一共有2个，如表4.3所示，分别为：
表 4.3 流量信号
位号描述流量备注
GT-101 乙炔鼓风机入口管道 3 M3/H 集中
GT-102 醋酸加料泵出口管道0.8 M3/H 集中乙炔鼓风机入口管道、醋酸加料泵出口管道采用H250系列金属转子流量计，H250型系列金属转子流量计为全金属结构。

基于模块化设计设计，远传信号输出，开关信号输出，累计量显示，HART协议执行，Profibus-PA总线，均可以全部根据用户需求即时安装与使用。

高温、高压设计，防腐材料选用，X－射线探伤，可以保证产品适用于任何现场需求。

其主要技术指标为：
量程范围：0-100%
精度等级1,6
工作温度-80-300/-112-572
最高环境温度70 / 158
4.1.4 液位仪表选型及原则标准
选型原则：以被测介质的性质指标为基准，便于安装和维护为参考。

①对于材质的选择，我们应充分考虑所测量介质对仪表的负面作用，比如说腐蚀、结晶，这样会使仪表的使用期限变短或者测量不准确，更严重的会出现危险或事故，所以充分考虑所测介质的性质很重要。

②对于仪表的测量，还应该注意所在测量环境的温度，根据所在的温度选择适当的仪表，会使测量更加精确。

③与温度同样需要考虑的还有压力，压力的大小也将影响仪表检测的性能，所以应充分考虑压力值，选择适当的仪表。

从投资的方面来看，选择普通型的变送器，会节约大量的资金，但使用这种变送器的前提是所要检测的介质没有腐蚀或者结晶等性质，还就是这样也要求工作人员需要定期进行维护和检修。

从选择仪表的精确性方面来讲，变送器都有自身的测量范围，如果没有特殊要求，应当把所测介质的范围设置在仪表的1/4到3/4处，对于现场情况，需要对仪表测量范围进行迁移的，应当采用科学的计算方法，是迁移量不对测量结果产生影响，这样也可以提高测量的精确性。

4.1.5液位仪表
本工段液位参数有1个，集中显示，如表4.4所示，为：
表 4.4 液位信号
位号描述液位（%）
HLT-101 醋酸蒸发器液位0～100 醋酸蒸发器液位采用型号为EJA118W的双法兰差压变送器，其优点是精度高，温度影响可忽略不计, 静压影响可忽略不计，具有双向通讯功能（BRAIN/HART协议，FF 现场总线）和完善的自诊断功能。

4.2 电气阀门定位器选型
在调节阀的附件中，最为重要的就是电气阀门定位器。

它一方面接收调节器的输出信号，另一方面，它也控制调节阀的开闭，起到了中转接收控制的作用，所以选择合适的电气阀门定位器是控制过程中的一个重要环节。

阀门定位器能增大调节阀的输出功率，减少调节信号传递滞后，加快阀杆移动速度，能够提高阀门线性度，克服阀杆磨擦力并消除不平衡力影响——从而保证调节阀的正确定位[15]。

阀门定位器按照其工作原理和结构形式可以分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能式阀门定位器。

该工段的阀门定位器选用的是电气阀门定位器，其是按力平衡原理设计的，工作原理是在气动阀门定位器的基础上开发而成的电流信号来控制阀门定位器。

本工段采用YT-1000系列电气阀门定位器，YT-1000型电气阀门定位器。

其与气动调节阀联合使用，构成闭环控制回路，把系统给出的直流电信号转换成驱动调节阀的气信号，控制调节阀的动作。

同时根据调节阀开度进行反馈，使阀门位置能够按系统输出的信号进行正确定位。

该电气定位器可用于单作用型和双作用型气动执行机构.由于本定位器具有防爆结构，故能使用于危险场所。

其特点有：
①该定位器在很大范围内不会产生共振效果；②定位器中的磁电部分应用了新的动圈
技术，是定位器更加安全，稳定，数据线性程度高；③安全性能有了很大提高，除接线盒外，其他组件均可以在危险场所直接打开并进行检修与维护；④拥有IP66的级别确认，同样拥有防爆级别确认；⑤该定位器的配件与其他设备大部分都相符，所以安装，维修简单快捷；⑥控制方式简单，我们可以轻易的在正反作用以及单双。