氟苯生产中亚硝酸钠自动投料系统的研究与应用

一、引言

氟苯（CAS 462-06-6）作为含氟芳香族化合物，是合成氟西汀（抗抑郁药）和氟虫腈（杀虫剂）的关键中间体，全球年需求量超 50 万吨。其生产工艺中，亚硝酸钠（ NaNO₂ ）作为重氮化反应的核心原料，投料精度需控制在 ±1% 以内以确保反应转化率。传统人工投料方式存在显著缺陷：

1. 劳动强度大以16 台反应釜为例（单班次需12 名操作员）

2. 投料误差率高（统计达 3.2%-5.7% ）

3. 批次一致性差（CV 值 >8% ）

本研究基于工业 4.0 理念，构建了包含智能称重补偿、多轴协同控制的自适应投料系统，有效解决了上述问题。

二、系统设计与实现

2.1 系统架构设计

系统采用三级分布式控制结构（图1）：

设备层：包含16 套反应釜单元（容积 5m³ ，设计压力 0.6MPa ）控制层：西门子 S7-1500PLC+WinCCHMI 构成的双冗余控制系统数据层：SQL Server 实时数据库实现生产数据追溯

2.2 关键子系统创新

2.2.1 防架桥上料系统

采用振动破碎（频率 25Hz ，振幅 3mm ） $$ 斗式提升（速度 0.8m/s ）→双螺旋输送（ Φ300mm ，转速 0-60rpm 可调）的三级处理工艺，通过离散元法（EDEM）仿真优化，使粉体流动性指数（FF）从 52 提升至78。

2.2.2 高精度配料系统

称重模块：梅特勒 - 托利多 C2H3 型称重传感器（量程 0-600kg ，精度 0.05% ）

给料控制：螺旋给料机采用矢量变频驱动（ABB ACS880），结合模糊PID 算法实现动态补偿，实测投料RSD 值 ⩽0.38% （ n=30 ）

2.3 控制策略框架

三、工业验证与效益分析

3.1 验证方案

在年产5 万吨氟苯装置中连续运行12 个月，记录关键参数：

3.2 质量改进

通过 HPLC 检测（ _Agilent1260 ，C18 色谱柱）：氟苯纯度从 99.12% 提升至 99.54% 副产物邻氟硝基苯含量从 0.38% 降至 0.17%

3.3 经济效益

采用全生命周期成本模型计算：

年节约人工成本：12 人 ×8 万元/ 人 ⁼⁹⁶ 万元

原料损耗减少：92 吨/ 年 ×1.35 万元 / 吨 =124.2 万元

设备投资回收期：1.8 年（ 1RR=26.4% ）

结论与展望

本系统实现了亚硝酸钠投料过程的无人化、精准化操作，下一步拟进行：1. 集成数字孪生技术实现预测性维护2. 开发基于机器视觉的异物检测模块3. 构建MES 系统接口实现全流程数字化管理