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黃成勇（1975-）男，重慶墊江人，主任儀表工程師。1998年畢業(yè)于四川瀘州化工學(xué)校化工儀表及其自動化專業(yè)；2005年～2007年就讀重慶化醫(yī)技師學(xué)院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)；2007年～2010年就讀四川大學(xué)電氣工程自動化專業(yè)。現(xiàn)從事化工新項目開發(fā)、化工儀表設(shè)計、過程控制管理等工作。
摘要：本文通過對硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了兩鈉生產(chǎn)過程的連續(xù)性，提高了兩鈉生產(chǎn)過程的自動化程度，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和安全，大大減輕了勞動者的勞動強度。
關(guān)鍵詞：硝酸鈉；亞硝酸鈉；結(jié)晶；蒸發(fā)；單雙槽自動控制；連續(xù)性；轉(zhuǎn)化中和
Abstract: This paper focuses on describing the design the systemic production control of Sodium nitrate and Sodium nitrite. This systematic design implements the continuous production of Sodium nitrate and Sodium nitrite,,improves the automation level of production of the“two sodium”, reduces the labor intensity of workers, in this manner, and meanwhile guarantees the quality and safety of the products. This demonstrates that the systemic production control of“two sodium”should be used as reference and extended to more Chinese firms.
Key words: Sodium Nitrate; Sodium Nitrite; Crystallization; Evaporation;Single/ double groove automatic control; Continuity; transformation and neutralization
1 項目背景
重慶富源化工股份有限公司最初以生產(chǎn)硝酸、硝酸銨、碳酸氫銨為主，只是在尾氣洗滌回收過程中生產(chǎn)少量的硝酸鈉和亞硝酸鈉，其“硝酸鈉、亞硝酸鈉”最大生產(chǎn)能力不過1萬噸/年。隨著國內(nèi)外硝鹽市場的發(fā)展，該公司自2001年至今通過不斷的改造與擴產(chǎn)，硝鹽年產(chǎn)量迅速達到了3萬噸，產(chǎn)品銷售至國內(nèi)十余個省市，并出口國外，收到了明顯的經(jīng)濟效益。并且，該公司在發(fā)展過程中經(jīng)歷了尾氣法、配氣法等硝鹽生產(chǎn)工藝過程，為企業(yè)積累了大量的硝鹽生產(chǎn)經(jīng)驗與技術(shù)力量。
日前，該公司為抓住市場機遇，經(jīng)多方面的考察論證擬將目前硝酸尾氣吸加以改造，同時將硝鹽生產(chǎn)增至60kt/a。部分裝置采用目前成熟可靠的直接吸收、連續(xù)轉(zhuǎn)化、雙效蒸發(fā)、OSLO真空結(jié)晶等技術(shù)，使企業(yè)硝鹽生產(chǎn)水平再上一個新的臺階。
2 產(chǎn)品特性以及工藝簡述
2.1 產(chǎn)品特性
工業(yè)硝酸鈉（NaNO3）為無色透明結(jié)晶或白色小結(jié)晶或粉末。工業(yè)亞硝酸鈉（NaNO2）為白色或微帶淡黃色斜方晶小結(jié)晶或粉末。
2.2 工藝簡述
工藝裝置包括：溶堿工段、氨氧化工段、堿吸收工段（注：以上工段DCS控制系統(tǒng)已經(jīng)常規(guī)化，這里不再敘述）及后處理工段（蒸發(fā)、結(jié)晶、轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品分離干燥）。
在后處理工段中，中和液經(jīng)中和液泵送入亞鈉一效蒸發(fā)器，蒸發(fā)后進入二效真空蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)到溶注液呈飽和狀態(tài)后，放入OSLO結(jié)晶器進行真空蒸發(fā)結(jié)晶，亞鈉產(chǎn)品設(shè)置兩套相同能力的蒸發(fā)、結(jié)晶系統(tǒng)。兩套結(jié)晶器內(nèi)析出含亞硝酸鈉晶體的過飽和溶液經(jīng)稠厚器進入離心機分離出亞硝酸鈉成品，稱量、包裝，分離出的母液進入亞鈉一次母液槽。
為了實現(xiàn)硝酸鈉、亞硝酸鈉產(chǎn)品比例在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，在設(shè)計中應(yīng)考慮部分亞鈉母液返回到一套蒸發(fā)系統(tǒng)經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶、分離再次提取亞硝酸鈉。另一部分一次母液和二次分離后的母液進入轉(zhuǎn)化塔進行轉(zhuǎn)化生產(chǎn)硝酸鈉。
亞鈉母液、稀硝酸經(jīng)預(yù)熱后分別由泵送至轉(zhuǎn)化塔上部在塔內(nèi)噴淋而下，在填料表面進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)：3NaNO2＋2HNO3＝3NaNO3＋H2O＋2NO中和后的轉(zhuǎn)化液經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶、分離得硝酸鈉產(chǎn)品。
3 控制系統(tǒng)特點概述
3.1 DCS系統(tǒng)
本裝置DCS系統(tǒng)分兩部分（氨氧化DCS系統(tǒng)和后處理DCS系統(tǒng)）。因為氨氧化DCS控制系統(tǒng)全國已經(jīng)常規(guī)化、普遍化，投用率很高。故這里不再敘述。但是后處理工段中的各類工藝介質(zhì)由于沸點低、容易結(jié)晶，在實際生產(chǎn)過程中很容易對工藝管道、閥門、設(shè)備等造成堵塞（特別是系統(tǒng)的開、停車，操作工不精心操作的時候），生產(chǎn)的連續(xù)性、長周期性、安全性根本無法保障。開開停停、跑、冒、滴、漏是硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)企業(yè)的慣性。另外，產(chǎn)量低、能耗高、勞動強度大、對環(huán)境的污染程度高等嚴重阻礙了我國硝酸鈉、亞硝酸鈉行業(yè)的發(fā)展。目前，全國的硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)企業(yè)都是簡單的、少量的使用諸如現(xiàn)場壓力表、溫度計等低端儀表。DCS系統(tǒng)運用于硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)更是天方夜譚。重慶富源化工股份公司經(jīng)過充分開發(fā)和利用先進的自動化控制技術(shù)，結(jié)合工藝特點和多年的實際操作經(jīng)驗，設(shè)計出成熟、可靠和實用的控制系統(tǒng)。目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)正常投運，這里著重介紹后處理工段（蒸發(fā)、結(jié)晶、轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品分離干燥）DCS設(shè)計、使用情況。
3.2 Hollysys MACSV 系統(tǒng)特點與組成
整套裝置的聯(lián)鎖及自動控制部分設(shè)計采用北京和利時公司生產(chǎn)的基于現(xiàn)場總線控制技術(shù)的Hollysys MACSV DCS控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用成熟的先進控制算法，并全面支持IEC61131-3國際組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，支持OPC技術(shù)、Axtive X技術(shù)，并且能方便的與第三方系統(tǒng)和上層管理網(wǎng)Real MIS系統(tǒng)、ERP企業(yè)資源管理系統(tǒng)之間進行無縫信息流傳送，能方便的實現(xiàn)工廠智能化、管控一體化。
Hollysys MACSV 系統(tǒng)具有強大的控制功能、操作監(jiān)視功能、數(shù)據(jù)管理功能，能夠滿足各類化工工藝過程的控制需要，該系統(tǒng)以最先進的軟件、硬件技術(shù)和可靠性、通用性、開放性、穩(wěn)定性，在化工行業(yè)被廣泛采用。根據(jù)該項目規(guī)模及特點，系統(tǒng)配置有：蒸發(fā)崗位（1臺控制柜、1臺工程師站兼操作員站、2臺操作員站），轉(zhuǎn)化崗位（1臺操作員站）。
3.2.1 硝酸鈉、亞硝酸鈉蒸發(fā)崗位的單、雙槽的手、自動運行
現(xiàn)以亞鈉蒸發(fā)崗位的工藝控制加以說明，硝鈉蒸發(fā)崗位工藝控制同理，如圖1所示。
圖1 亞納蒸發(fā)界面圖
硝酸鈉、亞硝酸鈉蒸發(fā)崗位的關(guān)鍵在于進料和放料的連續(xù)性。由圖1可知：中和液泵P0101A/B從中和液槽打料進亞鈉一效蒸發(fā)器E0101A 和E0101B。在進兩個一效蒸發(fā)器前設(shè)置了兩個切斷閥XV102和XV101。通過程序設(shè)置：一效蒸發(fā)器E0101A 和E0101B的液位LT0102和LT0101如果低于設(shè)定值時，進料切斷閥XV102和XV101同時打開，開始對一效蒸發(fā)器進料。設(shè)置在中和槽回流口的回流切斷閥XV107同時關(guān)閉。隨著進料液位的上升，當(dāng)兩槽液位同時高于設(shè)定值時，切斷閥XV102和XV101同時關(guān)閉，不再進料。為了防止憋壓，回流切斷閥XV107同時打開，以便料回流到中和槽。
當(dāng)一效蒸發(fā)器的溫度和壓力合格時，操作工就可以通過DCS打開放料閥XV108和XV105，以便放料進二效蒸發(fā)器E0102A和E0102B，二效蒸發(fā)器的料溫度和壓力合格后，就可以打開下料閥XV109和XV106，將料放進至結(jié)晶器M0101A/B。
以上是雙槽同時運行的情形。本程序也設(shè)置了單槽運行的情形，以便單、雙槽在不同條件下運行。另外，在解除自動和聯(lián)鎖的情況下，可對所有的切斷閥進行手動開、關(guān)。結(jié)晶、分離控制界面如圖2所示。
圖2 亞納結(jié)晶、分離界面
蒸發(fā)崗位單、雙槽控制程序，如圖3所示。
圖3 蒸發(fā)崗位單、雙槽控制程序
通過以上的控制，整個蒸發(fā)系統(tǒng)的進料和放料完全連續(xù)起來。以前需要一、兩小時才能蒸一槽，現(xiàn)在十來分鐘就可以蒸一槽，大大提高了效率，并且大量節(jié)省蒸汽用量。節(jié)能降耗作用十分明顯。更為重要的是：以前進料和放料都需要操作工手動去關(guān)、開截止閥。勞動強度極大，現(xiàn)在有DCS控制，勞動強度大大降低。
3.2.2 轉(zhuǎn)化中和控制說明（如圖4所示）
圖4 轉(zhuǎn)化中和界面圖
進轉(zhuǎn)化塔的物料控制是常規(guī)PID控制，這里不再著重敘述。為了減輕操作工的勞動強度。中和槽的進出物料口，分別設(shè)立了進出切斷閥。當(dāng)轉(zhuǎn)化塔的物料合格后，就可以通過DCS系統(tǒng)打開進料切斷閥XV115和XV116。當(dāng)中和槽V0112A和VX0112B中的物料酸度合格后，就可以通過DCS系統(tǒng)打開放料閥XV117和VX118。通過這樣的控制，操作工的勞動強度大大降低，使得生產(chǎn)連續(xù)性得以實現(xiàn)，保證了后工段的物料連續(xù)性。
以前硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)中，從溶堿崗位通過泵打到高位堿槽的堿溶液，如果堿液遇冷、操作工不精心用蒸汽吹堵以及管線長等原因，整個送液管線很溶液結(jié)晶堵滿堿液管。堿液管的結(jié)晶堵塞，對整個硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)影響很大，需要企業(yè)花費大量人力和時間疏通管道，對生產(chǎn)影響很大。解決方法：將高位堿液槽的遠傳液位信號一路引進DCS系統(tǒng)，即LT0107，并將溶堿崗位送堿液泵P8003A的運行狀態(tài)引入DCS界面。讓轉(zhuǎn)化崗位的操作人員知道液位的變化和泵的啟、停狀態(tài)。另一方面，把液位LT0107信號引到溶堿崗位操作室，融堿崗位操作人員可以知道液位的高低，一般規(guī)約為液位高于75%，就停送堿液泵P8003A，然后打開回流閥，通知轉(zhuǎn)化崗位的操作工，打開蒸汽吹掃閥XV119，對整個堿液管線進行吹掃。通過這樣的控制操作，整個送堿管線暢通有順，有效避免了高位堿液槽滿槽的情況。
3.2.3 產(chǎn)品干燥、洗滌
這一崗位主要是把各類動力設(shè)備（諸如：泵、風(fēng)機、輸送機、烘干機、包裝機等）的運行狀態(tài)引入DCS系統(tǒng)，以便操作工知曉。整個崗位控制屬于常態(tài)，這里不再敘述。
4 其他
由于整套裝置的工藝介質(zhì)容易結(jié)晶，儀表選型和設(shè)計對此必須要加以考慮。各類溶液槽的液位計選用簡單直觀的浮標(biāo)液位計和磁翻板液位計；轉(zhuǎn)化塔溫度計需選用耐氯根離子腐蝕的（316L套管）現(xiàn)場和遠傳的溫度計；蒸發(fā)和轉(zhuǎn)化中和槽崗位的切斷閥選用角行程的球形切斷閥并具有快動裝置；電磁閥選用ASCO電磁閥；流量計選用科隆原裝進口電磁流量計；所用變送器均選用橫河川儀EJA變送器。以上先進儀表的安裝使用，保證了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，調(diào)節(jié)的及時、無誤。
5 效果和意義
全國首套硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)控制系統(tǒng)自投運后，不僅實現(xiàn)了節(jié)能降耗，大大降低了操作工的勞動強度，而且確保了裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行，提高了一級產(chǎn)品的合格率。對我國硝酸鈉、亞硝酸鈉生產(chǎn)企業(yè)以及相似產(chǎn)品的新建、擴建等都值得借鑒，具有重大意義。
摘自《自動化博覽》2010年第十期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號