张宇飞
东莞市盛和化工有限公司
摘要：近年来，塑料行业迅猛发展，我国成为了世界塑料产能第一的国家。由于增塑剂生产企业大多仍采用人工手动控制，导致增塑剂产品质量不稳定，转化率低。随着人力成本的上升和产品质量要求的提高，不少企业都希望通过技术改造，采用自动化过程控制系统来代替原有人工控制系统。PLC作为一种通用型的自动化控制器，被广泛应用于工业自动化领域。组态软件以其良好的人机交互，强大的数据处理和管理功能成为了过程控制中最常用的软件平台。基于PLC和组态软件构建的增塑剂生产过程控制自动化系统，将提高产品质量和转化率，减少能耗。
关键词：过程控制；PLC；增塑剂
引言
塑料是以小分子单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，俗称塑料或树脂。塑料己经与钢铁、木材、水泥一样成为材料领域的支柱。目前用量最大的两种塑料是聚乙烯(Poly Ethylene，PE)和聚氯乙稀(Polyvinyl Chloride，PVC)。PE是由乙烯聚合而成的聚合物，产品发展至今己经有60年左右历史，居全球五大泛用树脂之首。
本文主要介绍的是邻苯酯类增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate，DOP)、对苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Terephthalate Phthalate，DOTP)、邻苯二甲酸二异壬酯(Diisononyl Phthalate，DINP)三种増塑剂生产过程控制系统的研宄与实现。本系统采用PLC和组态软件相结合的方案，实现了增塑剂的全过程自动化控制。
一、过程控制系统生产工艺分析与总体设计
化工主要生产的增塑剂产品有DOP、DOTP和DINP三种。三种增塑剂的生产过程原材料不同，但是反应都属于酯化反应。企业要求将三种反应生产车间设计在同一个控制系统之中，且每种反应能够独立运行。以确保每个反应釜所生产的产品的高转化率和生产效率以及低的建设成本。
1.1DOP生产过程系统分析
DOP生产过程系统分析主要包括对DOP生产工艺分析和对DOP生产控制参数分析。
1.1.1DOP生产工艺
DOP是通用型增塑剂，它的生产制备早在1963年就被批准为专利。DOP的工业化生产至今已有50多年历史。早期以间歇式作业为主，60年代出现半连续化工艺，即酯化部分为间歇式，酯化以后各工序改成连续式，目前国内普遍采用此法。DOP生产工艺有浓硫酸催化法、均相催化法和固体超强酸催化法。
1.浓硫酸催化法
浓硫酸催化法反应速度快，苯酐转化率高，硫酸价格便宜，并且只需低压蒸汽便可完成反应；但缺点是:酯化过程中的副反应多，酯化后的粗酯需进行中和、水洗、精制等工艺处理，浓硫酸对生产设备腐蚀严重，原材料消耗较尚。主要副产物是醚、烯、硫酸酯。
2.均相催化法
均相催化法生产特点是，生产过程不需真空，对生产设备没有腐蚀作用，酯化反应属于均相络合反应，反应效率较高，相对于硫酸法副反应较少。但是该种生产方式控制要求比较高，建设成本高。
3.固体超强酸催化法
使用硫酸作催化剂工艺成熟，设备简单，但产品质量差。采用非酸催化工艺，大多取消了水洗，减少了废水量，产物后处理简单，但催化剂价格高，回收困难。选用无催化剂工艺，副反应少，不存在金属催化剂的分离问题，不用水洗，废水量更少，但设备多，产品质量不如非酸催化剂。综合以上工艺，采用固体超强酸或固载钛酸酯催化剂，以醇作带水剂，连续法合成DOP，减少DOP中催化剂的残余量，降低反应温度，缩短反应时间，是当前研宄和开发的方向。固体超强酸催化剂是一种新型的催化材料，具有催化活性高、选择性好、耐热、耐水、稳定性好、不污染环境、不腐蚀生产设备和可重复使用等特点，有极好的发展前景。固体酸作为催化剂，其特点是容易与产物DOP分离，催化剂可以回收重复利用，酯化催化剂不需中和便可回收，无中和废水产生。DOP工业生产主要采用酯化反应，酯化反应的核心是催化剂。在增塑剂行业竞争越来越激烈的国际背景下，国内外的科研人员纷纷对DOP酯化催化剂进行研究，并应用于DOP产品的研制。
1.2DINP生产过程系统分析
1.2.1DINP生产工艺
DINP是良好的增塑剂，与DOP相比其分子更大，碳链更长，更有利于环保。DINP的生产工艺比较单一，目前工业上常用的只有直接酯化法。直接酯化法主要也分为四个步骤。
（1）按照体积比3.6:1往初级酯化反应釜中加入壬醇和苯酐。在温度为175°C和催化剂的条件下加入反应生成单酯。其化学反应的公式如下所示。
（2）将温度上升到230°C，保持这一温度3个小时。使得反应釜内的二级酯化反应充分进行。其化学反应方程式如下所示。
（3）降温到190°C减压脱醇，得到DINP的粗品。一般为了使得酯化反应更充分需要添加过量的醇。由于醇的沸点较低，此时需要降温降压脱去过量的壬醇。
（4）脱色过滤完成DINP成品生产。利用活性炭的多孔性.将粗酯中的色素、可见絮状物等杂质吸附出来。脱色时间为30min左右，温度为I20°C以下。将吸附脱色好的粗酯进行过滤。
1.3DOTP生产过程系统分析
1.3.1DOTP生产工艺分析
DOTP为为无色低粘度液体，它是聚氯乙烯塑料用的一种优良的增塑剂，分子式为C22H3804。与DOP相比，具有耐热、耐寒、难挥发、柔软性和电绝缘性能好等优点。添加DOTP的塑料制品显示出良好的耐肥皂水性、持久性和低温柔软性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆DOTP广泛应用于70°C电缆料(国际电工委员会1EC标准)以及各种PVC软制品中。此外，具有优良的相溶性，也可用于丙烯腈衍生物、聚乙烯醇缩丁醛、丁腈橡胶、硝酸纤维素等的增塑剂。还可用于合成橡胶的增塑剂、涂料添加剂、精密仪器润滑剂、润滑剂添加剂，亦可作为纸张的软化剂。DOTP是化工最主要的产品之一。
1976年美国成功研制成DOTP并正式进入工业应用领域。我国从1985年开始着手DOTP生产工艺研究。1990年实现工业化生产至今，主要有三种生产工艺被大量应用:
(1)直接酯化法，对苯二甲酸和辛醇在催化剂存在的情况下直接酯化而成，该种反应最为简单；
(2)酯交换法，对苯二甲酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇废料与辛醇与辛醇在催化剂存在下进行酯化交换反应；
(3)醇解法，对苯二甲酰氯与辛醇进行醇解反应。该种方法的副产物较多，产品质量不佳。
二、目前常用系统方案介绍
目前，国内增塑剂连续反应控制系统发展水平差别较大。按照控制类型分为全手动控制方案、半自动控制方案、全自动控制方案。
1.全手动控制方案
该种类型的控制方案是利用现场常规控制仪表对反应釜内温度、液位、酸值、流量进行监测。现场工作人员读取实时数据，对相关阀门、电机开关进行手动控制。该控制方案在早期人工成本极低、控制精度要求不高的时候被大量采用。但是控制过程完全依靠人工去执行操作，工作强度大、产品质量难以保证。现在已经逐渐被自动控制方案所取代。
2.半自动控制方案
该种类型的控制方案是利用数据采集卡将增塑剂反应系统中的各项参数采集到主控室中，经过数据处理之后，将反应釜中的温度、流量、液位、酸值、搅拌电机转速等参数以及阀、抽料栗等的工作状态通过显示仪表进行显示。现场工作人员按照工艺要求和仪表读数。对阀门和电机进行操作，保证反应釜中的反应顺利进行。该方案对操作工人责任心和操作经验要求较髙。由于该反应是连续反应，工人在晚上工作时，没有及时进行相关的操作，会导致产品生产效率或者质量下降。该方案在国内常用于中小型的增塑剂生产厂家。
3.全自动控制方案
该控制方案按照增塑剂的生产工艺要求，采用智能仪表将反应过程中温度、流量、液位、压力、酸值、搅拌电机速度等通过现场总线传给PLC。可实现与上位机信息交换与共享；并能连接控制室；上位机连接打印机进行打印报表输出。在PLC这个桥梁的连接下，传感器在现场采集到的数据集中显示在上位机上，通过上位机实现对系统的集中监控。通过编写PLC程序，实现生产过程的全自动控制。
本文采用PLC和工控机相结合的自动化方案代替以往一些化工企业所采用的手动控制方案。经过实际运行可知，该系统减少了人工操作，提高了生产效率。
三、本过程控制系统功能
本系统要求可实现对车间各设备的参数及各种操作监控，并能及时自动生成各类报表，便于职能部门管理及领导决策以及责任追溯。可监控所有设备，该系统具备可扩展性，能够根据公司未来需要，实现车间全自动化和对能源消耗进行监控。系统主要功能如下:
1.过程控制的参数采集和控制。
增塑剂酯化反应过程中主要采集的参数有流量、固体粉末量、温度、酸值、液位等。预热釜中主要控制的量是液体原料的流量、固体粉末的重量、温度。反应釜中主要控制的是反应温度、粗品的酸值、催化剂的投入、碱液体积等。成品槽主要控制的量是液体的液位。其中液体流量通过流量计采集、通过电磁阀或者电动阀来控制。固体粉末重量通过称来测量、通过舱门的开合来控制。温度通过温度传感器来测量，通过控制液没有的循环泵来控制。酸值为反应过程中的一个变量，通过酸值检测仪器来测量。通过控制反应时间、反应条件来调节。液位通过液位传感器来测量、通过控制进料阀门来控制。
2.现场设备自动控制
现场设备要根据工艺流程进行顺序控制和逻辑控制。如DOP预热釜需要先分别加入邻苯二甲酸和辛醇。然后开启热煤油循环泵对其进行加热。各个阀门、泵的动作遵循着工艺流程。现场温度的控制通过PLC来调节热煤油栗的功率来实现。而最终中和酸所需的碱液的量，再通过PLC中的PID功能指令来调节碱液电磁阀开度来实现。
3.反应过程的实时监测和管理
为了更高效的进行生产调度，整个过程系统需要实时反馈生产状态。本文所述的过程控制系统需要对现场数据进行监测和管理。传感器采集数据，通过PLC的RS-485总线或者串口服务器的工业以太网将数据传入工业控制计算机。工业控制计算机通过易控组态软件将各数据在组态界面上显示出来。与此同时，组态软件能够提供控制界面。工人在符合权限的条件下能够通过操作工控机来操作现场阀门、电机从而实现生产调度。系统具有WEB访问功能，公司管理人员在其他能上网的区域访问系统，了解系统运行情况。
4.实时报警
生产过程中可能会出现各种故障。如循环泵坏损、阀门不动作等等。这些需要及时反馈给上位机提示工人检修。同时检验槽成品槽的液位过高的话会造成成品溢出。这些需要工人进行生产调度，关闭液位过高的槽的入料阀，开启其他成品槽或者检验槽的入料阀。
5.数据存储、报表的查询和打印
生产过程中的重要数据需要存档保存，如过程控制的温度、酸值等等生产数据和生产批次等产品数据都需要建立档案。同时组态软件需要提供近三个月的历史数据查询功能。
结束语
本问分析了三种增速剂的生产过程控制的工艺流程。根据其工艺流程，总结出自动化控制系统所涉及的主要控制参数。在此基础上，提出增塑剂过程控制系统结构框架和要实现的功能。
参考文献:
[1] 李钟宝等.邻苯二甲酸酯类增塑剂合成与应用研究进展[J].塑料助剂,2010
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[3] 钱伯章.增塑剂的国内外发展现状(上)[J].上海化工,2016
[4] 柴天佑.工业过程控制系＆研究现状与发展方向[J].中国科学:信息科学,2016
论文作者:张宇飞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/22
标签：增塑剂论文; 催化剂论文; 酸值论文; 方案论文; 酯化论文; 生产过程论文; 温度论文; 《防护工程》2018年第32期论文;