文 献 综 述

1 选题与研究意义

本课题简述了对乙酰氨基酚应用背景;介绍了制备对乙酰氨基酚的一种工艺流程；叙述了Aspen Plus发展简介和主要功能以及在本课题中的作用；浅述了化工生产过程控制系统设计的总原则和几种常用的控制系统；最后，介绍了本课题研究的主要内容。

对乙酰氨基酚，俗名扑热息痛，为一种临床常用的解热镇痛药物，由于此药的解热作用缓慢而持久,副作用少,是乙酰苯胺类最好的品种。用于感冒，牙痛等症状。另外，几乎所有的解热镇痛药剂都是以它为主要成分配制而成,如泰诺、百服泞等。对乙酰氨基酚还可用于合成药物扑炎痛、照相用化学药品和过氧化氢稳定剂等。

扩大对乙酰氨基酚的常量，实现厂级的化工工艺自动控制，提高该产品的生产效率，具有很大的现实医疗意义。本课题以某工厂一万吨/年的对乙酰氨基酚工艺控制系统设计为目的，在熟悉生产对乙酰氨基酚工艺流程基础上，设计相应的控制方案，再应用aspen plus软件实现系统的稳态模拟和动态模拟，最终要实现实验仿真运行，查看实验结果。

2 国内外研究发展及现状

近几年我国对氨基苯酚产能增长很快，2002年产能为5万吨/年，2005 年增加到9万吨/年，2007年为11.6万吨/年，2009年达到18.8万吨/年，2002~2009年我国对氨基苯酚产能年均增长率为 20.8%。产量从2002年的3.5万吨上升到2009年的10.万吨，2002~2009年我国对氨基苯酚产量年均增长率为 17.3%。

上世纪 90 年代，我国对氨基苯酚生产企业只有上世纪 90 年代，我国对氨基苯酚生产企业只有十几家，生产企业均为产量在 5000 吨以内的中小企业，包括江苏泰兴扬子医药化工厂、吉林化学公司、安徽蚌埠八一化工厂和河北承德化肥厂等四大对氨基苯酚生产商的年产量均只有 2000～3000 吨， 其它几家国内对氨基苯酚生产商的年产量均为 1000 吨或 800 吨上下。 当时甚至还没有一家工厂的年产量超过 5000 吨。进入 21 世纪后的头几年，我国化工行业迎来了对氨基苯酚产量高速增长期。迄今为止，国内已涌现出多家”航母级”产量的对氨基苯酚生产商。 如号称全球第一氨基苯酚生产商的安徽蚌埠八一化工集团，利用”对硝基苯酚催化氢化法”新工艺建成年产 6.0 万吨/年对氨基苯酚新生产线；辽宁世星药化有限公司已将其对氨基苯酚产能提高至4.0 万吨/年。^[19]本课题以某工厂一万吨/年的对乙酰氨基酚工艺控制系统设计为目的，对产能的提高具有重要的现实意义。

2.1 对乙酰氨基酚制备工艺流程

将冰醋酸和酸母液由酸罐（V0101）压入酰化反应罐（R0101），搅拌约2分钟后，取样，浓度gt;63%后，方可投料对氨基苯酚（PAP）。开搅拌，投入PAP，反应罐夹套通蒸汽。酰化反应罐顶部的蒸汽（主要成分为醋酸和水）通入醋酸精馏塔（T0101），补充夹带剂由塔顶输入。

精馏塔塔顶蒸汽由冷凝器（E0102）冷凝，进入油水分离器（D0101）静置分相。富夹带剂相由回流泵（P0101A/B）输回塔顶，含低浓度醋酸的水相由废酸泵（P0102A/B）送进废酸处理罐（V0102）用微生物法降解处理。

精馏塔塔低设置再沸器（E0101），初始再沸器全回流，等塔底醋酸达到一定浓度后，开阀输回酰化反应罐。反应结束后，产物对乙酰氨基酚（APAP）由反应罐底放出。如图所示：

2.2 过程控制系统的设计^[16]

工业生产过程控制，是对化工生产过程进行连续监测和外界干预（控制），借助人工参与（设计者、操作者）和合理配置仪器设备（检测元件、执行元件、控制装置）组成控制系统。化工生产过程控制系统设计的总原则：第一，确保生产过程安全、稳定、高效运行；第二，抑制控制系统外部扰动影响；第三，使整个化工生产过程的操作工况最优。

根据不同的控制要求，设计简单控制系统、串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、选择控制系统、分程控制系统以及先进控制系统。

2.2.1 精馏塔过程控制系统

精馏是依据各组分挥发性差异来分离液体混合物的一种单元操作。精馏过程是在精馏塔中进行的，精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，而且不同塔工艺结构差别很大，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要而又相当困难的。精馏塔的总控制目标是在保证质量合格的前提下，使塔的总收益最大化或总成本最小化。具有4个方面的基本要求：第一，产品质量控制。塔顶或者塔底产品之一必须合乎规定的纯度，另一端成品维持在规定的范围内，保证产品损失小于规定值。第二，物料平衡和能量平衡控制。第三，约束条件控制。为保证精馏塔的正常、安全操作，必须使某些操作限制在约束条件内。第四，经济效益控制。

2.2.2化学反应器过程控制系统

化学反应器是化工过程中的一类重要的设备，由于化学反应过程涉及物料、热量、物质传递以及能量平衡和物料平衡等过程，因此反应器的操作一般比较复杂，且反应器的自动控制直接关系到产品质量和生产安全等问题。设计反应器控制方案，要从质量指标、物料平衡和能量平衡、约束条件三个方面考虑。反应器的基本控制方案包括出料成分控制、PH值控制和稳定外围控制等。

2.2.3检测变送系统设计

一般化工工艺中使用的仪表设备主要有流量仪表、液位仪表、压力仪表、温度仪表、

调节阀。选型原则如下：第一，工艺过程条件。工艺过程的温度、压力、流量、黏度、腐蚀性、毒性、脉动等因素，是决定仪表选型的主要条件。第二，操作上的重要性。各检测点的参数在操作上的重要性是仪表的就地显示、集成监控、报警、控制、遥控等功能选定的依据。第三，经济性和统一性。仪表的选型决定投资的规模，应在满足工艺和自控要求的前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性价比。为了便于仪表的维修和管理，在选型时也要注意到仪表的统一性，尽可能选用同一系列、同一规格型号以及同一生产厂家的产品。

2.2.4计算机集成监控系统设计

DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统（Distributed Control System），它利用计算机技术将所有的二次显示仪表集中在电脑上显示，同时所有的一次仪表及调节阀等仍然分散安装在生产现场。它具有高可靠性、开放性、灵活性、易于维护、协调性、控制功能齐全等主要优势。DCS系统的核心是布置在机柜室的现场控制站。DCS控制方案设计主要包括：硬件设计、软件设计、人机接口的设计。

2.3 Aspen Plus进行稳态模拟和动态模拟

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。Aspen Plus可广泛应用于新工艺开发、装置设计优化，对本课题的系统设计具有重要的作用。此稳态模拟工具具有丰富的物性数据库，可以处理非理想、极高的复杂物系；并独具联立方程法和序贯模块法相结合的解算方法，以及一系列拓展的单元模型库。

Aspen Plus横跨整个工艺生命周期，可以用来：①利用详细的设备模型进行工艺过程的严格能量和质量平衡计算；②预测物流的流速、组成和性质；③预测操作条件、设备尺寸；④减少装置的设计时并进行各种装置的设计方案比较；⑤在线优化完整的工艺装置；⑥回归实验数据。

3参考文献

[1] Deshpande,P.B.；Ash，R.A.Computer process control with advanced control applications,2nd ed.,67 Alexander Drive, P.O. Box 12277[D].Research Triangle Par,North Carolina 277,Instrument Society of America,1988.

[2] lyeben aspen 动态Distillation Design and Control Using Aspen TM Simulation

[3] Multiplicity Analysis in Reactive Distillation Column Using ASPEN PLUS，2006

[4] Kalbani, Fahad Al ,Zhang, Jie . Inferential Active Disturbance Rejection Control of a Distillation Column. School of Chemical Engineering and Advanced Materials, Newcastle University, Newcastle upon Tyne NE1 7RU, UK Tel: 44-2087240n 9th IFAC Symposium on Advanced Control of Chemical Processes ADCHEM 2015, IFAC PapersOnLine 2015 48(8):403-408

[5] Krolikowski, Lechoslaw J. Distillation limit dependence on feed quality and column equipment. Department of Chemical Engineering, Wroclaw University of Technology, Norwida 4/6, 50-373 Wroclaw, Poland. In Distillation and Absorption, Chemical Engineering Research and Design July 2015 99:149-157

[6] 王爱广，王琦.过程控制技术[M].北京：化学工业出版社，2011

[7] 徐爱钧，徐阳.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[8] Aspen plus软件使用手册

[9] 王树青.工业过程控制工程[M]. 北京：化学工业出版社,2003.

[10] 何衍庆,俞金寿,蒋慰孙.工业生产过程控制[M].北京:化学工业出版社,2008.

[11] 陈宗海.过程系统建模与仿真[M].安徽：中国科技大学出版社1997.

[12] 黄永杰. 精馏塔自动控制系统设计与应用[A]. 化工技术与开发,671-9905（2012）01-0052-03

[13] 张兰义.化工流程模拟实训：Aspen plus 教程[M]. 北京：化学工业出版社,2012

[14] 熊杰明，杨索和.Aspen plus 教程[M]. 北京：化学工业出版社,2013

[15] 张哲.基于Aspen Plus的常压蒸馏装置流程优化[J].北京化工大学学报，2009,36.

[16] 管国峰，董金善，薄翠梅.化工多学科工程设计与实例[M]. 北京：化学工业出版社,2016

[17] 曾红，周秋贵．对乙酰氨基酚合成工艺研究[J]． 广东化工，2013，40(18)：30-31.

[18] 左文耀. 精馏塔操作及自动控制系统的改进研究[J]．化学工程与装备,2012,8

[19] 李泽江. 我国对氨基苯酚生产现状分析及发展建议[J]. 精细化工原料及中间体2010,11:25-29

[20] 刘兴高.精馏过程的建模、优化与控制[M].北京:科学出版社,2007.

[21] 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京:机械工业出版社,2005.1.