PTA装置密度控制系统研究与改造.docx

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PTA装置密度控制系统研究与改造

分类号

密级

硕士学位论文

题目

PTA装置密度控制系统研究与改造

申请人

朱国琴

指导教师姓名

吴伟

申请学位专业

机械工程

提交论文日期

2008年月日

学位论文创新性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

论文作者签名：

____________日期：

____________

学位论文使用授权的说明

本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。

学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。

本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。

论文作者签名：

__________日期：

__________

导师签名：

__________日期：

__________

论文题目：

PTA装置密度控制系统研究与改造

专业：

机械工程

硕士生：

朱国琴（签名）

指导教师：

吴伟（签名）

摘要

PTA装置精制单元浆料调制罐（F1-1206）的密度控制原设计为自动控制，因为下料管线较细，且质量流量计无法投用，自95年9月PTA装置投产以来，F1-1206的密度控制一直无法投自动，而是由DCS主操手动操作，操作频次高，造成密度波动频繁，并多次出现超密度的恶性事故，造成了重大损失。

F1-1206的密度控制成为困扰装置平稳运行的难题。

本文通过对装置状况、下料性质及下料工艺过程的全面分析，设计一种新的浆料密度控制系统，既不需要增加质量流量计，也不需要改造成旋转阀或计量罐方式，而是利用原有的DCS系统来实现，解决了浆料密度控制这一难题。

本文中新的浆料密度控制系统的技术创新点：

（1）采用脉冲设计，克服固体粉料下料不畅的问题。

（2）引入分区控制和增变调节的概念，克服滞后，提高精度。

（3）引入密度速率、液位速率联锁及密度测量值超标联锁的安全模块设计，具有安全联锁的能力。

（4）使用成本低，适用于不易计量物料量的物料密度调节。

本文还对新的浆料密度控制系统的实际应用效果进行分析，结果表明，此密度控制系统完全能够满足乌石化PTA装置生产的实际需要，使密度控制实现程序自动控制。

关键词：

浆料密度控制脉冲设计分区控制增变调节

论文类型：

应用研究

Subject：

AStudyAndRebuildingOfDencityControlSystemInPTAPlant

Speciality：

MechanicalEngineering

Name：

ZhuGuoqin（signature）

1nstructor：

WuWei（signature）

ABSTRACT

   ThedensitycontrolsystemforFEEDSLURRYDRUM（abbreviatedtoF1-1206below）inPTAplantpurificationunitisdesignedoriginallyasanautomaticcontrolsystem.However,thedensitycontrolsystemforF1-1206hadbeenhandledmanuallybythemasteroperatorforDCSsystemsincethePTAplantwasputintooperationinSeptemberat1995becausethepipelineformaterialtransportationwastoothin,andthemassflowmeterwasservicedabnormally.Atthattime,thedensitycontrolsystemcouldnotbecontrolledautomatically.ItwascontrolledmanuallybytheDCSmasteroperator.Operatedtwentytimeseveryday.Suchmanualcontrolresultedinhighfrequencyofdensityfluctuationsandsomanytimesofovernormaldensityvalue.ThedensitycontrolsystemforF1-1206hasbeenbecomeanobstaclesforassuringthesmoothrunningforplant.

Inthispaper，withthemethodofanalysingtheplantsituation、meterialconditionandflowingprocess,anewslurrydensitycontrolsystemisestablishedbyusingexistingDCSsystem,neitherusethemassflowmeter,norusetherotaryvalveormeasuringtank.Finally,thedifficultyproblemforslurrydensitycontrolissolved.

Inthispaper,thetechnicalinnovationpointsoftheslurrydensitycontrolsystemareshowingasfollows:

（1）Adoptpulsedesign,toovercometheproblemofsolidpowdertransportationdifficulty.

（2）Leadintheconceptofpartitioncontrolandincrease-then-changecontrol,overcomethehysteresis,improvetheaccuracy.（3）Designsecuritymoduleforthedensityrateinterlock,thelevelratetripanddensitymeasurementssuperscalarinterlock,withtheabilityofthesecuritytrip.（4）Canbeapplicabletocontrolthedensityofthematerialswhicharedifficulttomeasure.，withthelowuse-cost

Thispaperalsocarriesoutaresultana1ysisforpracticalapplicationonnewslurrydensitycontrolsystem.Itshowsthat,thisdensitycontrolsystemcanmeetallofrequirementofPTAplant.andbecontrolledautomaticallyatlast.

Keywords:

Slurry,Densitycontrol,Pulsedesign,Partitioncontrol,Increase-then-changeControl

Thesis:

FundamentStudy

目录

第一章绪论……………………………………………………………………………………1

1.1课题背景及意义……………………………………………………………………………1

1.2国内外相关领域的研究和应用状况………………………………………………………2

1.3本文的主要研究工作………………………………………………………………………4

1.4论文结构……………………………………………………………………………………5

第二章PTA装置浆料配置控制………………………………………………………………6

2.1氧化生产工艺原理………………………………………………………………………6

2.2氧化单元工艺流程………………………………………………………………………7

2.2.1进料准备…………………………………………………………………………………7

2.2.2氧化反应…………………………………………………………………………………7

2.2.3结晶………………………………………………………………………………………8

2.2.4过滤………………………………………………………………………………………9

2.2.5干燥……………………………………………………………………………………10

2.3精制单元工艺流程………………………………………………………………………10

2.3.1TA进料料仓……………………………………………………………………………10

2.3.2原料制备和预热………………………………………………………………………10

2.3.3溶解和反应……………………………………………………………………………11

2.3.4结晶……………………………………………………………………………………11

2.3.5离心分离………………………………………………………………………………12

2.3.6干燥……………………………………………………………………………………12

2.3.7日料仓…………………………………………………………………………………12

2.4精制浆料配制密度控制…………………………………………………………………13

2.5存在的问题………………………………………………………………………………16

第三章相关控制理论………………………………………………………………………18

3.1PID控制…………………………………………………………………………………18

3.2模糊控制…………………………………………………………………………………21

3.2.1模糊控制理论的基本思想……………………………………………………………23

3.2.2模糊控制的特点………………………………………………………………………23

3.2.3模糊控制应用…………………………………………………………………………24

3.3比值控制…………………………………………………………………………………26

3.4串级控制…………………………………………………………………………………26

第四章控制方案的设计……………………………………………………………………28

4.1DCS介绍…………………………………………………………………………………28

4.2TDC-3000系统概述………………………………………………………………………29

4.2.1TDC-3000系统构成……………………………………………………………………29

4.2.2局部控制网络及其模件………………………………………………………………30

4.2.3万能控制网络及其管理器……………………………………………………………31

4.2.4数据高速通道及其设备………………………………………………………………32

4.2.5TDC-3000系统的特点…………………………………………………………………32

4.3TDC-3000CL语言介绍…………………………………………………………………32

第五章DCS控制方案的实现………………………………………………………………34

5.1工艺分析及思路………………………………………………………………………34

5.1.1下料分析………………………………………………………………………………34

5.1.2密度变化曲线分析……………………………………………………………………34

5.1.3密度控制失控时的控制………………………………………………………………35

5.2控制方案设计原则………………………………………………………………………35

5.3控制流程图………………………………………………………………………………35

5.4程序设计及实施…………………………………………………………………………36

5.4.1参数表…………………………………………………………………………………36

5.4.2控制过程………………………………………………………………………………38

5.4.3密度控制曲线…………………………………………………………………………42

5.4.4程序运行时要求………………………………………………………………………43

5.4.5程序实施效果…………………………………………………………………………44

参考文献……………………………………………………………………………………46

致谢…………………………………………………………………………………………48

研究成果及发表的学术论文…………………………………………………………………49

第一章绪论

1.1课题背景及意义

化纤行业是我国化学工业重要组成部分之一，化纤产品是重要的战备物资和民生物资，其发展历来受到国家的关注，深入研究中国化纤工业并促进发展是摆在我们面前的一项重要任务。

化纤是纺织纤维的一类。

纺织纤维分为：

天然纤维和化学纤维。

纺织纤维是指用来纺织布的纤维。

纺织纤维的特点：

具有一定的长度、细度、弹性、强力等良好物理性能，还具有较好的化学稳定性。

化学纤维是用天然的或合成的高分子化合物作原料，经过化学和物理方法加工而制得的纤维的统称。

因所用高分子化合物的来源不同，可分为人造纤维和合成纤维两大类。

一般是将高分子化合物制成溶液或熔体，再从喷丝头细孔中压出，即成为纤维。

产品可以是连绵不断的长丝，也可以是未曾切断的丝束和切成一定长度的短纤维。

我国是一个人口大国，纤维制品如果全部依靠天然原料无法满足生活和生产的需要，化纤产品是一个很好的选择。

特别是改革开放后，随着人民生活水平的提高，对生活质量也有了较高的要求，化纤工业得到了突飞猛进的发展，国家在政策上给予一定的扶持，重点生产企业从国外引进了先进技术和设备，并在消化吸收的基础上实现了国产化，使我国工业在技术和装备上有了很大的提高，这无疑促进了我国化纤工业技术水平的提高，缩小了与国际水平的差距。

涤纶就是这样一种在我们的生活中必不可少的化学纤维。

涤纶的学名为聚对苯二甲酸乙二酯纤维，简称为聚酯纤维。

它的强度高，弹性好，耐磨。

耐日晒、耐酸而不耐碱。

作为衣着原料尚存一些缺点，例如吸湿性和染色性差，易起球等。

故涤纶短纤常与棉、毛、麻、粘纤等混纺，从而使其织物既保持了涤纶的坚牢、耐磨、挺括、易收藏等特点，又兼有天然纤维吸湿、保暖、静电少等特点。

生产聚酯纤维的主要原料为精对苯二甲酸，生产精对苯二甲酸的主要原料为对二甲苯，以对二甲苯为原料生产纤维级的精对苯二甲酸的装置为氧化装置，简称PTA装置。

乌石化公司化纤厂PTA装置以高纯度对二甲苯（PX）为原料，醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，氢溴酸为促进剂进行空气催化氧化，经结晶、分离、干燥，得到粗对苯二甲酸（TA），再利用PX氧化生成4－CBA的逆反应原理，在280℃和7．2MPag条件下，通过碳一钯催化剂的作用进行加氢还原，使4－CBA转化为易溶于水的对甲基苯甲酸（PT酸），从而从TA中除去，与此同时，芴酮类有色体被分解。

乌石化公司化纤厂PTA装置生产工艺采用英国帝人化学工业公司（ICI）专利，为高温氧化法生产PTA装置，装置的自动化水平较高，本装置的生产控制除部分温度和压力用双金属温度计和压力表在现场指示外，重要的参数都引到控制室，由分散控制系统DCS进行控制和监视。

分散控制系统具有良好的人机接口及控制功能，通过数据组态及编程可以完成本装置常规PID控制及复杂控制功能；完成装置安全联锁、报警操作和数据记录的功能。

因此操作人员能在带操作键盘和CRT屏幕显示器的操作站进行操作，画面集中监视和控制、信息报警、打印报表，提高了装置的控制和生产管理水平。

又因为DCS采用冗余技术，大大提高了硬件的可靠性，保证装置能平稳、连续、安全生产。

在化工行业中，生产的原料往往是混合物料，多种物料混合在一起，在一定的条件下在容器内反应得到所需要的成品或中间产品。

这些物料有固相、液相甚至气相的，而其必选招一定的比率混合。

这样就对控制系统，计量仪表，控制阀门一剖较高的要求。

PTA装置生产过程中，有多处为混合原料，在这里，要求原料的配比非常精确，否则，产品就可能不合格。

PTA装置精制单元浆料调制罐（以下简称F1-1206）的密度控制原设计为自动控制，但因为下料管线较细，且质量流量计无法投用，自95年9月PTA装置投产以来，F1-1206的密度控制一直是DCS主操手动控制，每小时手动操作20次左右，多次出现超密度的恶性事故，给装置造成重大损失，同时，密度波动频率高。

F1-1206的密度控制一直是困扰装置平稳运行的障碍。

我厂PTA装置采用先进的DCS控制，我们在不增加硬设施投资的情况下，通过对装置状况、下料性质及下料工艺过程的全面分析，创新控制方法，确定设计原则，按照数学模型编制相应的程序，解决了浆料密度控制这一难题。

1.2国内外相关领域的研究和应用状况

在化工生产中有大量的起反应物料是两种或多种物料按一定的比例混合的情况，国内外的浆料配置系统广泛采用如下两种方式来解决这个比例问题：

（1）螺旋—旋转阀的组合方式

如图1-1所示，这种配置系统主要用于需要连续进行浆料配置的情况下。

进入浆料罐的物料包括从料仓下来的粉料和液体溶剂，它们进入浆料罐进行搅拌混合。

通过一个比值调节起来控制两种物料的比率。

进入浆料罐的溶剂量由流量计测量，当浆料罐液位偏高时，减少溶剂进料量，同时相应降低螺旋-旋转阀系统的转速，避免在溶剂量减少时粉料过多造成的密度偏高；当浆料罐液位偏低时，增加溶剂进料量，同时相应提高螺旋-旋转阀系统转速，避免在溶剂量增加时粉料过少造成的密度偏低。

当液位处于正常波动时，因为粉料下料不匀等造成密度波动，通过密度计测量的数据对螺旋-旋转阀系统的转速做相应的调整，达到校正密度的目的。

图1-1螺旋—旋转阀浆料配置系统

（2）称重罐的方式

如图1-2所示，这种配置系统主要用于非连续按批进行浆料配置的情况。

首先，通过称量元件，按照预先设定的重量，控制料仓下料阀，当称量重量=设定的重量时，关闭料仓下料阀。

打开溶剂控制阀，根据溶剂进料量控制粉料的下料量（下料量的速率由旋转阀的转速控制），密度计的测量数据对溶剂和下料量的比率进行校正。

图1-2称重罐浆料配置系统

上述两种控制系统都存在维护复杂、投资成本高的缺陷。

1.3本文的主要研究工作

本文研究的主要内容从以下几个方面着手:

（1）明确了课题背景以及对乌石化公司化纤厂的现实意义。

（2）分析了国内外的有关浆料配置工艺的现状以及乌石化公司氧化装置精制浆料配置工艺流程，得出系统存在的问题。

（3）从氧化装置精制浆料配置工艺出发，并结合了氧化装置采用的DCS以及相关控制理论，得到具体的解决办法。

（4）在DCS上使用PM/CL语言编写程序解决控制中存在的问题，在程序控制中有安全控制模块，能够根据液位速率、密度速率以及密度绝对值进行安全联锁，使装置在安全状态下运行，可靠性高。

1.4论文结构

全文共分五章。

论文的第一章首先对课题的背景及意义进行了介绍，无论从国外还是国内的发展现状来看，浆料配置控制系统都在向着自动化、高精度的方向发展。

随后在课题的相关领域，包括浆料配置控制系统的应用状况和复杂的控制在浆料配置工艺中的应用等方面，对国内和国外研究状况进行了分析。

最后简要阐述了本课题的主要研究内容和作者在本文中完成的主要研究工作。

第二章从氧化生产工艺原理出发，介绍了氧化单元和精制单元工艺流程，重点介绍了本论文要解决的精制浆料配制工艺以及其存在的问题，并提出了解决方案。

第三章主要对制浆料配制控制相关的控制理论进行了介绍。

第四章主要对DCS以及乌石化化纤厂氧化装置的TDC3000进行了介绍，另外还介绍了控制方案实施时采用的PM/CL语言。

第五章从生产工艺出发，分析了下料性质和密度变化曲线以及对滞后和失控时的处理，提出了控制的设计原则，给出了控制流程图，并根据控制流程图在DCS上实现，实施后效果得到了验证。

第二章PTA装置浆料配制控制

2.1氧化生产工艺原理

以高纯度对二甲苯（PX）为原料，醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，氢溴酸为促进剂进行空气催化氧化，经结晶、分离、干燥，得到粗对苯二甲酸（TA），再利用PX氧化生成4－CBA的逆反应原理，在280℃和7．2MPag条件下，通过碳一钯催化剂的作用进行加氢还原，使4－CBA转化为易溶于水的对甲基苯甲酸（PT酸），从而从TA中除去，与此同时，芴酮类有色体被分解。

以高纯度对二甲苯（PX）为原料，醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，氢溴酸为促进剂进行空气催化氧化，经结晶、分离、干燥，得到粗对苯二甲酸（TA）。

其反应方程式如下：

CH3COOH

Co2+,Mn2+,Br_,HAc

+3O2+2H2O

201℃,1.50MPa

CH3COOH

图2-1氧化反应化学方程式

氧化反应实际上是分步进行的，各步的反应方程式表示如下：

CH3CH3CH3CHOCOOH

O2

1/2O2O2

O2

K1K2K3K4

CH3CHOCOOHCOOHCOOH

（PX）（PT酸）（4-CBA）（TA）

图2-2氧化反应化学方程式分解

各步的反应速度不同，以K4相对应的反应速度最慢。

所以由对羧基苯甲醛（4－CBA）进一步氧化成为对苯二甲酸的反应，便成为整个反应的控制步骤。

因此，对羧基苯甲醛（4－CBA）成为氧化反应的主要副产物。

影响氧化反应的主要因素有：

催化剂浓度与配比、反应温度与压力、氧浓度、溶剂比。

反应液中水含量以及停留时间、尾气中CO2含量等等。

氧化工艺生产的粗对苯二甲酸（TA）产品中所含的杂质的主要成份是对羧基苯甲醛（4－CBA），这种杂质危害较大，不但影响聚酯的熔点；而且影响纺丝，另有少量芴酮类衍生物，这种杂质即便是含量极微，在缩聚过程中也足以使产品着色，影响聚酯色度。

除去的方法是利用PX氧化生成4－CBA的逆反应原理，在280℃和7．2MPag条件下，通过碳一钯催化剂的作用进行加氢还原，