王立偉

摘 要：介紹了聚合釜生產(chǎn)聚氯乙烯工藝中的溫度控制策略，根據(jù)工藝包要求及生產(chǎn)廠要求，儀表控制系統(tǒng)使聚合反應(yīng)溫度控制在合理范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：127 m3聚合釜 聚氯乙烯溫度控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0091-01

聚氯乙烯聚合工藝簡單來說就是將氯乙烯、水、分散劑等按一定比例加入聚合釜，經(jīng)攪拌形成懸浮體系，然后加入引發(fā)劑引發(fā)聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)溫度是聚氯乙烯成型最重要的控制指標(biāo)之一，在聚合反應(yīng)期間，聚合溫度過高會影響產(chǎn)品質(zhì)量，聚合溫度過低會導(dǎo)致聚合反應(yīng)緩慢或停滯，直接影響反應(yīng)速度和樹脂質(zhì)量。因此，如何保持聚合期間反應(yīng)溫度的恒定成為聚合反應(yīng)的一個(gè)重點(diǎn)特征。聚合反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，撤熱系統(tǒng)主要由夾套、回流冷凝器、內(nèi)冷擋板三部分組成。它們都是通過聚合釜主溫度控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制冷卻水的流量，使聚合釜的溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

1 聚合反應(yīng)的機(jī)理分析

聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而且是放出熱量劇烈的反應(yīng)。聚合反應(yīng)在釜內(nèi)進(jìn)行時(shí)，放出的熱量中大部分由夾套內(nèi)充入的冷卻水帶走，其余熱量由回流冷凝器、或內(nèi)冷擋板帶走，目標(biāo)是使聚合溫度在反應(yīng)期間保持恒定。因?yàn)榇蟛糠值臒崃坑蓨A套水帶走，因此，聚合釜溫度控制方案一般都是以夾套水為主要變量。此過程一般說具有以下動態(tài)環(huán)節(jié)：冷卻水，反應(yīng)物，聚合釜本身的熱容，夾套及內(nèi)層，測溫元件的滯后等等。而且每個(gè)環(huán)節(jié)在進(jìn)行動態(tài)下的熱平衡分析時(shí)又都是相互影響的。我們知道盡管測溫元件的熱容很小，但時(shí)間常數(shù)約有幾十秒，所以作為一動態(tài)環(huán)節(jié)進(jìn)行理論分析時(shí)，總是希望能把一些問題簡單化。如上述環(huán)節(jié)中，夾套中有一定的熱容，但不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，另外，夾套內(nèi)盡管熱阻很大，但畢竟較薄，所以一般把夾套內(nèi)層和夾套溫度看成均勻的。由于聚合釜在結(jié)構(gòu)上設(shè)置了攪拌器（攪拌器分上、中、下三層葉片），在聚合時(shí)，我們可以把釜內(nèi)各處的溫度看成是均勻的，這樣聚合溫度的動態(tài)平衡主要決定于釜內(nèi)瞬時(shí)熱量的平衡，即聚合釜內(nèi)溫度變化過程應(yīng)等于反應(yīng)放出的熱量與夾套冷卻水除去熱量的差值。在聚合反應(yīng)期間，一旦受到某一隨機(jī)性干擾，使聚合溫度上升，此時(shí)系統(tǒng)如不及時(shí)增加冷卻水量用來降溫，那么瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量就會上升，反過來又促使聚合溫度升高，這樣帶來了溫度的一個(gè)惡性增長。反之，若某一隨機(jī)干擾使溫度稍有下降，惡性循環(huán)進(jìn)一步使溫度下降，可能使聚合反應(yīng)因其停止。另外，隨著聚合反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)速度加快，放出熱量增加，所以冷卻水量也要不斷增加。從以上分析可看出，對夾套冷卻水的控制是必不可少的。再是，隨著聚合過程的進(jìn)行，傳熱過程的熱阻在增加，且聚合釜內(nèi)總物料的熱容量在不斷增加，（因?yàn)镻VC的比熱CPVC=0.42大于VCM的比熱CVC=0.35）熱阻、熱容的增加，使得對象的時(shí)間常數(shù)增加，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，特別到了反應(yīng)后期這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，使對象的動態(tài)特性越來越壞。

為了克服隨機(jī)干擾對反應(yīng)溫度的影響，克服時(shí)間常數(shù)的增加和滯后時(shí)間增加對對象的影響，對于聚合釜溫度控制必須選用一個(gè)理想的控制方案，以滿足生產(chǎn)需要。

聚合放熱由夾套、回流冷凝器、內(nèi)冷擋板三部分吸收，三個(gè)變量同時(shí)計(jì)算，將增加控制難度，因此，聚氯乙烯兩套裝置的溫度控制系統(tǒng)都將內(nèi)冷擋板的撤熱量固定，1#聚氯乙烯裝置的回流冷凝器的撤熱量也固定，聚合釜溫度控制系統(tǒng)只有夾套水一個(gè)變量。

2 聚氯乙烯裝置的溫度控制方案

采用了釜內(nèi)溫度為主參數(shù)，夾套入口水溫度為副參數(shù)的串級、分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在組成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，將夾套入口溫度到釜內(nèi)反應(yīng)溫度這條容量滯后較大的通道包含在主回路中。系統(tǒng)中的3臺調(diào)節(jié)閥（一臺熱水，二臺冷水）實(shí)行分程調(diào)節(jié)。聚合溫度調(diào)節(jié)由程序控制進(jìn)行?？刂迫缦拢荷郎厍埃芈非谐?，由程序控制，使輸出值固定，使三臺調(diào)節(jié)閥都處于全部關(guān)閉狀態(tài)。聚合升溫開始后，程控閥SV-261/N開，SV-262/N關(guān)，夾套通入90 ℃～100 ℃的熱水，在釜內(nèi)物料加熱。此時(shí)調(diào)節(jié)規(guī)律為PD調(diào)節(jié)（通過程序控制調(diào)節(jié)規(guī)律）。系統(tǒng)采用定值調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器溫度設(shè)定為T1，使調(diào)節(jié)閥TV-222/N-3（氣開閥）也處于開的位置；當(dāng)釜內(nèi)溫度升高到一定值時(shí)（與設(shè)定值T1差△H1=3℃）時(shí)，由程序控制SV-261/N關(guān)，SV-262/N開，熱水進(jìn)行循環(huán)，此時(shí)通過調(diào)節(jié)閥TV-222/N-3補(bǔ)充HW，繼續(xù)升溫，隨著溫度的升高，調(diào)節(jié)閥TV-222/N-3逐漸關(guān)小，此時(shí)主調(diào)節(jié)器設(shè)定值T1與測量值之差逐漸縮小，當(dāng)二者之差為△H2=0.5 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)規(guī)律由PD作用改為PID作用，加積分作用的目的是為了消除系統(tǒng)余差，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)。聚合反應(yīng)開始后，為了帶走反應(yīng)放出的熱量，保持釜溫恒定，需改變進(jìn)入夾套的冷卻水量，其量通過調(diào)節(jié)閥TV-222/N-1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)。反應(yīng)一開始，由于反應(yīng)速度慢，放出熱量少，只用TV-222/N-2小口徑閥門調(diào)節(jié)即可，隨著反應(yīng)時(shí)間的延續(xù)，反應(yīng)速度加快，放出熱量增加，冷卻水量需加大，此時(shí)TV-222/N-1，2兩閥同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以帶走反應(yīng)熱，使聚合溫度控制不超過規(guī)定偏差。聚合反應(yīng)結(jié)束后，為了減少聚氯乙烯漿液中VCM的含量，對釜中沒有反應(yīng)的VCM氣體要進(jìn)行回收?；厥涨耙獙Ω獌?nèi)物料升溫，使氣體從聚氯乙烯漿料中分離，以便使VCM氣體能充分回收。

在回收中主調(diào)節(jié)器溫度設(shè)定到T2，主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)由PD方式到PID方式，與聚合階段控制方法一樣。對于每種牌號產(chǎn)品的聚合溫度設(shè)定值，預(yù)先設(shè)定在控制器設(shè)計(jì)庫中，在聚合升溫、聚合和回收升溫過程中控制器的指標(biāo)值是一定的（如：58 ℃）調(diào)節(jié)閥采用分程調(diào)節(jié)，不但適應(yīng)了生產(chǎn)需要，對多種介質(zhì)（HW，RW）進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且擴(kuò)大了調(diào)解閥的可調(diào)整范圍，改善了調(diào)節(jié)閥的工作特性，從而提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。此系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥可調(diào)比擴(kuò)大了五倍。在此串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于副回路的存在使對象的動態(tài)特性有了很大的改善，時(shí)間常數(shù)減小，滯后時(shí)間也有所縮短，提高了系統(tǒng)克服干擾的能力（這是串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，不再論證。），另外把一些干擾因素（如：RW的溫度變化，壓力變化）納入副環(huán)中，使得干擾得到迅速克服，加快調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)調(diào)節(jié)介質(zhì)用恒定的冷凍水（7℃～10℃）作為冷卻水，而不用循環(huán)水，這一措施克服了由于環(huán)境溫度變化而帶來的干擾因素，從而使系統(tǒng)控制穩(wěn)定。該系統(tǒng)檢測元件采用了雙支電阻體，可以在控制面板上互相切換，而不產(chǎn)生擾動，保證了系統(tǒng)測量的可靠性和準(zhǔn)確性以及這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].國際工業(yè)出版社.endprint