MTBE裝置DCS控制系統解決方案
MTBE plant DCS control system solutions
劉永志
北京遠東儀表有限公司（北京，100013）
摘要：本文介紹了HPCS3000在MTBE裝置生產中的應用，分別對其應用的DCS硬件、軟件和網絡特點、關鍵控制進行分析。
關鍵詞：HPCS3000、MTBE裝置控制、比值調節
Abstract: this paper introduces the MTBE plant DCS control system solutions, respectively, on the application of DCS hardware, software and network characteristics, key control to carry on the analysis.
Key words: HPCS3000, MTBE device control, ratio regulation.
一、 MTBE概述
隨著高性能汽油發動機的發展，給煉油廠提出了生產高辛烷值汽油的任務。要提高汽油辛烷值，一是要設法提高基礎組分汽油的辛烷值，二是要調入適量的高辛烷值組分。高辛烷值組分主要有烷基化油、疊合油、異構化油以及甲基叔丁基醚（簡稱MTBE）等。MTBE它的沸點是55度，相對密度是0.746，分子量為88，性質與汽油相近，與烴類完全互溶，對汽油的理化性質沒有不良影響，其本身的辛烷值很高，具有良好的抗爆性。甲基叔丁基醚的性質和用途。
甲基叔丁基醚（MTBE），結構式CH3-O-C (CH3）3.。是一種無色、透明、易揮發液體。有毒。分子量 88.1。馬達法辛烷值101，研究法辛烷值117。常壓下沸點為55.2℃，25℃時的密度為735.5kg/m3。微溶于水，水中溶解度6.9%（V/V）。醚能溶解于強酸中；醚和空氣接觸生成過氧化物分解后發生強烈爆炸，空氣中濃度達1.6～8.4%發生爆炸。
二、 工藝介紹
甲基叔丁基醚（簡稱MTBE）是在酸性催化劑的作用下，由甲醇與C4餾分中的異丁烯進行合成反應而得到的，這一反應為可逆放熱反應，反應溫度越低，平衡常數越大，轉化率越高；該反應在液相條件下完成，速度非常快。
本項目屬于兩段深化轉化工藝流程（THC），流程是原料（C4餾分）與甲醇混合進入一段反應器，反應產物進入共沸分餾塔。從塔底出來的MTBE作為產品送出裝置，塔頂出來的甲醇和C4餾分共沸物補充甲醇后進入二段反應器繼續進行反應。二段反應生成物進入C4分餾塔，C4餾分和甲醇共沸物從塔頂排出，進入甲醇水抽提塔；塔底出來的二段反應生成物（MTBE+甲醇）可與共沸分餾塔底出來的MTBE一起送出裝置，也可返回一段反應器再次進行反應。C4餾分、甲醇混合物在甲醇水抽提塔內得到分離，C4餾分送出裝置；甲醇水溶液進入甲醇回收塔。分離出來的甲醇打回反應器循環使用。
三、 操作條件
影響反應轉化率及選擇性的因素要有反應溫度及甲醇與異丁烯的摩爾比。
1．反應溫度：在一定的異丁烯濃度和醇烯比下，反應溫度的高低不僅影響異丁烯的轉化率，而且也影響生成MTBE的選擇性、催化劑的壽命和反應速率。在低溫時反應速度慢，反應轉化率由動力學控制，隨著反應溫度的增加，平衡轉化率下降，反應速度增加，達到平衡所需時間縮短，因此在高溫時，反應轉化率受熱力學控制。為了增加平衡轉化率，延長催化劑的壽命，減少副反應，提高選擇性，應當采用較低的反應溫度。適宜溫度為50～80℃。提高反應溫度，雖可提高反應速度，但二甲醚的生成量也隨反應溫度的提高而增加。而且反應溫度超過140℃時，催化劑將被燒壞。根據放熱反應的特點，反應溫度低時異丁烯轉化率較高。因此當裝置設有兩臺反應器時，常使一臺在較高溫度下操作，以提高反應速度，另一臺在較低溫度下操作，以保證所要求達到的高轉化率。
2． 醇烯比：甲醇與異丁烯的摩爾比增大，可減少異丁烯二聚物和三聚物的生成，所以選擇性增加。另外甲醇與異丁烯的摩爾比上升，異丁烯的平衡轉化率也增加，故提高甲醇與異丁烯的摩爾比是有益的。但是，高的甲醇與異丁烯的摩爾比，將使反應生成物的甲醇濃度增加，從而提高了分離、回收系統的操作費用。因此，綜合考慮，甲醇與異丁烯之比取1.1 ～l.2 ：1 較適宜。
3．反應壓力：反應壓力必須保持物料在液相反應，一般為0.8～1.4MPa。
4．原料純度：強酸陽離子交換樹脂催化劑中的H＋會被金屬離子所置換而使催化劑失活，因此要求進入反應器的原料中金屬陽離子的含量小于1mg/kg；如原料中有堿性物質也會中和催化劑的磺酸根，所以這類雜質也要脫除；C4餾分中水含量必須限制，一般為300～500mg/kg。因為水與異丁烯發生副反應生成民丁醇。
原料C4餾分中異丁烯含量的多少，因來源不同差別很大。催化裂化的C4餾分中異丁烯含量含量較低，適宜作煉油型的，下游產品可作烷基化原料；而裂解C4餾分經過抽提丁二烯后的萃取剩余C4餾分，異丁烯含量高達40%～60%，可作為化工型的，即轉化率＞99.5%，才能滿足下游生產1－丁烯的需要。
四、 系統控制實現方案
基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化環保工程的思想，著眼于企業“管控一體化”信息系統的建設，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監視和計算機調度管理于一體并且具備良好開放性的監控系統，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制，實現“現場無人值守，總站少人值班”的目標。我們用HPCS3000系統對工程進行生產數據的監視、控制回路的控制，完美的實現對生產系統的自動化監控。另外，在設計的時候，在確保先進、可靠、開放、安全的前提下，始終堅持控制成本的原則。
a) 運用國際先進技術和當今高科技成果，建設高可靠性、高效率、高度自動化的控制系統。
b) 檢測儀表配置滿足工藝流程檢測要求、工藝設備控制要求和安全生產要求。
c) 儀表選型立足于可靠性、先進性，并確保工藝的精度要求和實時要求，以及維護方便，運行穩定。
d) 自控系統對MTBE生產過程以分散控制為主，集中調度，達到國際先進水平。
e) 自控系統的軟硬件的配置符合國家和國際上有關標準，確保產品的可靠性、開放性，以滿足產品的擴展的需要。
f) 成套設備的控制系統利用廠商提供的專用控制設備，并通過通信口實現和監控系統的數據通訊。通訊網絡采用開放性的符合國際標準的通訊協議及規約，便于系統的擴展及升級。
1 系統硬件配制
1) 整套HPCS3000系統配置3個操作員站、其中1個兼工程師站、1對冗余現場控制站及I/O 模塊。 其中網絡，電源和重要I/O模塊冗余配置。
2) 工程師站（由操作員站兼任）完成組態修改及下裝，包括：數據庫、圖形、控制算法、報表的組態，參數配置，操作員站、現場控制站及過程I/O模塊的配置組態，數據下裝等。
3) 操作員站進行生產現場的監視和管理，包括：工藝流程圖顯示，報表打印，控制操作，歷史趨勢顯示，報警管理等。
4) 現場控制站又稱I/O站，是系統實現數據采集和過程控制的重要站點，主要完成數據采集、工程單位變換、控制和聯鎖算法、控制輸出、通過系統網絡將數據和診斷結果傳送至上位機等功能。
5) 現場控制站由DPU、智能I/O單元、電源單元和專用機柜四部分組成，在DPU和智能I/O單元上，分別固化了實時控制軟件和I/O單元運行軟件。
6) 現場控制站內部采用了分布式的結構，與系統網絡相連接的是現場控制站的DPU，冗余配置。DPU通過控制網絡與各個智能IO單元實現連接。
7) 系統采用I/O模塊DPU組成現成控制站，采用MODBUS 現場總線技術，構成先進的、可靠的DCS分布式控制系統。I/O模塊和底座組成現場模塊單元，。現場控制站主要由I/O模塊、機箱、電源切換箱組成。
8) 系統網絡構架：系統的網絡由上到下分為、控制網和系統網兩個層次，控制網絡實現現場控制站與過程I/O模塊的通訊；系統網實現工程師站、操作員站，現場控制站之間的與互連。
9) 系統網絡采用可靠性高的雙冗余結構，應用時可以保證在任何一條網絡失效的情況下都不影響系統通信。
10) 系統網絡由100M工業以太網構成，用于工程師站、操作站與現場控制站的連接，完成現場控制站、通訊控制站的數據下裝，上位機與現場控制站、通訊控制站之間的實時數據通訊。
11) 控制網絡由MODBUS 總線構成，用來實現現場控制站與過程I/O模塊的通訊，完成實時輸入、輸出數據的傳送。Modbus是專門為自動控制系統與在設備級分散I/O之間進行通訊而設計的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實用、經濟性強等特點。
2 工藝及控制要求：
MTBE生產工藝：異丁烯與甲醇在加壓后混合，進入反應塔后先反應，再分餾（在同一塔體內完成）生成甲基叔丁基醚（一種汽油添加劑，用以提高汽油標號），簡稱為MTBE。
3萬噸／年MTBE裝置中包含22個PID控制回路，其中3個串級控制回路，一個比值控制回路；
串級回路1：以回收塔底部TI2238為外環，E210蒸汽流量FIC2212 為內環；
串級回路2：以C4原料罐物位LICA2201為外環，C4自罐區來流量FIC2201為內環。串級回路3：回收塔液位LICA2208為外環，萃取水流量FIC2210為內環。
C4丁烯物料流量FT－2203與甲醇流量FT－2204實施摩爾量的比值控制，其中甲醇流量比值略高于C4丁烯物料，比值可修改。FT－2203、FT－2204均為質量流量計，其控制框圖如下：
F1mol=F／m1 F 甲醇的質量流量，
m1 甲醇的分子量，
F1mol甲醇的摩爾流量，
F2＝F1mol * m2 * K1 ／ K m2 異丁烯的分子量，
K1 可修改的比值系數
K 可修改的C4成分含量
F2 C4物料的流量。
五、 主要工藝流程控制
1. 醚化單元
1.1、醇烯比是操作的一個關鍵指標，如果醇烯比過低或甲醇中斷，都會引起反應器床層溫度高于指標控制范圍，甚至會燒壞催化劑，因此要做到精心調整，保證醇洗比穩定在1.03±0.1。若發現甲醇中斷時，立即停止抽余碳四向反應器進料，避免燒壞催化劑的事故發生；同時儀表計量和分析要準確；
1.2、醚化催化劑的脫水要干凈，否則會產生大量的副產物，延長產品合格的時間，因此甲醇浸泡的時間要充分，才能將醚化催化劑中的水脫干凈；
1.3、在投料的初始階段，床層溫度的控制是難點，主要控制手段如下：
密切注意催化劑床層溫度及溫度升高的趨勢，及時向火炬氣排放系統泄壓；投料量要小，以減少放熱量；調節好醇烯比，在投料初期寧可甲醇過量一些；盡快建立外循環；
2. 反應精餾單元
2.1、醚化催化劑的脫水要干凈，否則會產生大量的副產物，延長產品合格的時間，因此甲醇浸泡的時間要充分，才能將醚化催化劑中的水脫干凈；
2.2、調節好醇烯比，在投料初期寧可甲醇過量一些；
2.3、塔升溫時，要嚴格控制升溫速度，升溫過快會造成干塔或液泛，延長了產品合格的時間；
2.4、在投料的初期甲醇過量，為減少甲醇對反應精餾塔操作的影響，在維持反應精餾塔的液位的前提下，將不合格的MTBE排至自備罐區不合格品罐；
2.5、在反應精餾塔操作的過程中，要盡可能地維持操作壓力的穩定，減少塔壓波動，否則MTBE易閃蒸到塔頂，使反應精餾塔A塔頂采出產品合格時間延長；
3.1料水比甲醇回收單元的一個重要指標，料水比的高低既影響到水洗后碳四的質量，又影響到回收塔的操作。料水比高，萃余碳四中的甲醇容易超標；料水比低，使萃取水中的甲醇濃度低，從而會導致回收塔塔頂采出的甲醇產品不合格或為達到相同的回收甲醇品質使操作費用增加（即加大回流比）。因此，要維持料水比在5～6，并將之間的甲醇濃度維持在7～10％（重量），通常維持在8％（重量）
3.2、要維持水洗操作壓力穩定。操作壓力抵，使萃余碳四中的甲醇和水超標；操作壓力高，會影響設備安全或安全閥起跳。可以從以下幾個方面來維持水洗塔的操作壓力：
1）醚后碳四進料要穩定；
2）塔壓調節靈敏；
3）穩定進水量；
4）穩定界面；
5）穩定進水溫度。
3.3、回收塔的操作：首先要維持塔的操作壓力，減少塔壓波動，否則易將水閃蒸到塔頂，使回收甲醇不合格；其次是要穩定水洗塔的界面和循環水量，減少進入回收塔的碳四量.
六、 HPCS系統簡介
HPCS-3000、4000+分散過程控制系統是在多年研究國內外多種DCS產品技術基礎上，匯集了多年發電、造紙、化工等生產過程控制經驗最新推出的新一代DCS產品；是一個融計算機、網絡、數據庫、信息技術和自動控制技術為一體的工業信息技術系列產品。
HPCS是英語HUAWEN Processing Control System的縮寫，中文含義為華文過程控制系統。系統的開放式結構、模塊化設計技術、合理的軟硬件功能配置和易于擴展的特點，可廣泛用于電站的分散控制、電廠調度和管理信息系統、變電站監控、電網自動化、鋼鐵企業的高爐監控、化工企業的過程自動化和造紙廠過程自動化。
