本體法PVC聚合反應溫度自動控制方法與流程

本發明涉及一種本體法pvc聚合釜溫度控制方法，特別是一種能夠更精確的控制反應釜釜溫的方法。

背景技術：

本體法pvc聚合生產裝置是在聚合釜中加入氯乙烯單體、氯乙烯種子和助劑，聚合釜升溫到聚合反應溫度時，通過調節聚合釜釜溫，以保證生成的聚氯乙烯產品質量，通常溫度控制精度要求為設定反應溫度±0.2℃。釜溫的調節主要是靠調節配套的釜頂冷凝器、聚合釜冷卻夾套、聚合釜冷卻攪拌器和脫氣裝置的循環冷卻水量來實現的，所述循環冷卻水量對應的調節閥通常以dcs控制系統來自動調節。

現有釜溫自動調節的現有方式主要有兩種：第一種是懸浮法pvc聚合釜循環冷卻水出口水溫與聚合釜溫組成的串級調節方式，以聚合溫度調節器為主調節器，它檢測和控制聚合釜的溫度，以冷卻水出口溫度調節器為副調節器，它檢測和控制聚合釜的冷卻水出口溫度，以冷卻出水溫度作為副回路干擾信號，以聚合釜釜溫作為主回路干擾信號，聚合釜溫度傳感器采集的釜溫信號運算后輸入主調節器，主調節器輸出信號與冷卻水出口溫度傳感器采集的溫度信號運算后輸入副調節器，副調節器輸出信號分程控制聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜內冷管冷卻水調節閥。第二種是本體法pvc聚合釜循環冷卻水量與聚合釜氣相壓力組成的分程調節方式，以釜壓調節器為調節器，它檢測和控制聚合釜的壓力，由聚合釜壓力傳感器采集釜壓信號，聚合釜壓力傳感器采集的釜壓信號與給定的釜壓控制設定值運算后輸入調節器，調節器輸出信號以分程控制方式控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥。這兩種調節方式中，根據控制水量的大小或精度需要，調節閥可以是單個閥，也可以是設置大小流量閥組成并聯的閥組進行分程控制。

但是，本體法pvc聚合生產裝置中，隨著聚合反應過程的進行，聚合轉化率達到20％時，自由單體轉化為膠態粒子(膠態粒子再聚合成固態樹脂顆粒)，形成膠態粒子后聚合釜內的介質的黏度急劇上升，傳熱系數也會隨著發生不規則變化，聚合釜內介質溫度分布不均勻增加，對聚合釜溫度檢測(釜溫的檢測一般在聚合釜上中下各安裝溫度傳感器，一般取聚合釜中部溫度作為聚合釜溫)帶來測量干擾，致使夾套內的冷卻液量與釜內溫度之間的變化產生嚴重的非線性。因此采用前述的第一種方式控制釜溫時，當反應進行到一定程度后，其控制精度會受到影響而降低。若采用聚合釜氣相壓力作為控制參數，自控方面存在一些不足，尤其是表現在聚合反應前期聚合反應劇烈控制容易出現釜壓超壓現象和釜壓波動較大，會導致工藝控制參數的波動，給聚合氯乙烯質量和安全造成一定的影響。

技術實現要素：

為了克服本體法pvc裝置聚合反應前期采用聚合釜氣相壓力控制釜溫控制精度差和聚合反應由液相向膠態粒子轉換后所造成的溫度測量干擾問題，本發明提出：在本體法pvc聚合裝置反應初期，采用“聚合釜溫度”(簡稱“釜溫”)與“聚合釜氣相壓力”(簡稱“釜壓”)串級-分程控制模式；在聚氯乙烯轉化率達到設定值，膠態粒子影響溫度傳感器檢測之時，則轉換為聚合釜氣相壓力分程控制模式，從而提高聚合反應整個過程中聚合釜溫度控制精度，提高本體法聚氯乙烯產品質量。

以上控制方法是基于對本體法聚氯乙烯生產特點的以下分析。

在反應前期階段氯乙烯聚合體系處于均相聚合階段，聚合升溫達到聚合反應溫度時進入聚合反應階段，在進入聚合反應時反應劇烈且壓力較難控制，此時溫度測量相對容易，此時可采取聚合釜溫度與聚合釜氣相壓力串級-分程控制模式；隨著聚合反應的進行，液相單體逐漸減少，有膠體聚合物出現，聚合釜內介質為液膠混合物，這期間也宜采取聚合釜溫度與聚合釜氣相壓力串級-分程控制模式；在聚合反應至一定階段后，聚合釜內液膠混合物中膠態粒子比例增加，此時可根據聚合裝置控制系統實時計算的轉化率來判斷，但當轉化率超過設定值以后，由于大量膠體物的存在，聚合釜內的溫度分布不均勻，此時可采取釜壓分程調節的方式。

以上控制方法還基于轉化進程的可量化。轉化進程可以用轉化率指標來量化。本體法pvc聚合反應中，轉化率通常的定義為聚合反應后生成的pvc(聚氯乙烯)量與聚合反應前氯乙烯單體量的比值的百分數，基于該定義，在不同的控制系統中，其計算方法可能有所差別，舉出一種可應用的本體法pvc聚合反應轉化率的計算方法如下。

首先，氯乙烯單體的聚合反應屬于非均相的游離基型連鎖聚合機理，反應的活性中心是游離基，其反應式如下：

整個聚合反應的放熱量：

q總＝m單體△h，式中，

m單體含義為加入釜內單體的質量，單位kg；

q總含義為加入釜內單體全部參與反應放出的熱量，單位，kj；

△h含義每千克氯乙烯反應生成聚氯乙烯放出的熱量，單位kj/kg；

聚合反應傳熱量主要由夾套冷卻水、釜頂冷凝器、攪拌冷卻水、反應期間氯乙烯脫氣帶走，具體計算如下：

(1)夾套冷卻水換熱量計算，

q1＝m1cp△t1，式中，

q1含義為夾套冷卻水換熱量，單位，kcal；

m1含義為夾套冷卻水流量，單位kg；

cp含義為冷卻水的比熱容，單位kcal/kg·℃；

△t1含義為夾套冷卻水進出口溫度差，單位℃。

(2)釜頂冷凝器冷卻水換熱量計算，

q2＝m2cp△t2，式中，

q2含義為釜頂冷凝器冷卻水換熱量，單位，kcal；

m2含義為釜頂冷凝器冷卻水流量，單位kg；

cp含義為冷卻水的比熱容，單位kcal/kg·℃；

△t2含義為釜頂冷凝器冷卻水進出口溫度差，單位℃。

(3)攪拌冷卻水換熱量計算：

q3＝m3cp△t3，式中，

q3含義為攪拌冷卻水換熱量，單位，kcal；

m3含義為攪拌冷卻水流量，單位kg；

cp含義為冷卻水的比熱容，單位kcal/kg·℃；

△t3含義為攪拌冷卻水進出口溫度差，單位℃。

(4)脫氣冷卻水換熱量計算，

q4＝m4△h1，式中，

q4含義為脫氣冷卻水換熱量，單位，kcal；

m4含義為氯乙烯脫氣量，單位kg；

△h1含義為在反應溫度下氯乙烯單體的潛熱，單位kcal/kg；

(5)其它

因聚合釜外壁對空氣傳熱量較小，此處忽略不計。

根據以上計算，則反應傳熱總量q傳＝q1+q2+q3+q4

則q總＝m單體△h，式中，

m單體含義為加入釜內單體的質量，單位kg；

q總含義為加入釜內單體全部參與反應放出的熱量，單位，kj/mol；

△h含義每摩爾氯乙烯反應生成聚氯乙烯放出的熱量，單位kj/mol；通常認為△h是一個常量，取108.9kj/mol，換算單位后△h＝0.0017424kj/kg

則，聚合pvc的轉化率η按下式計算得到：

η＝kq傳/q總*100％＝k((q1+q2+q3+q4)/q總)*100％，式中，

k為修正值，根據經驗設定。

基于上述分析，本發明提出的技術方案是：本體法pvc聚合反應溫度自動控制方法，包括dcs自動控制系統，所述自動控制系統作用于聚合釜的釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥，所述dcs自動控制系統中具有可切換的兩種控制模式：一種是釜溫和釜壓串級-分程控制模式，另一種是釜壓分程控制模式，反應起始時使用釜溫和釜壓串級-分程控制模式，在達到設定的切換條件時，切換到釜壓分程控制模式。

所述方案相對于現有技術的核心改進在于：在聚合反應前期，摒棄釜壓控制模式，借鑒懸浮法pvc聚合釜循環冷卻水出口水溫與聚合釜溫組成的串級調節方式，仔細分析本體法pvc聚合過程及其釜溫影響因素，創造性地提出了以釜溫和釜壓串級-分程控制模式控制釜溫，從而較為理想地解決了聚合反應前期的釜溫控制精度問題，進一步提高了反應安全性和產品質量，本發明方法實質為兩段式的分階段控制方式，而反應全程兩段的分界點的確定或者說切換條件的設定，是基于對反應過程的分析。由于反應過程不能被直接觀察到，推薦使用轉化率作為切換溫度自動控制模式的指征，原因是轉化率是控制系統可檢測計算并實時監測的，轉化率能表征切換溫度自動控制模式的臨界點，對于長期應用同一套生產工藝的系統，也可以在大量采樣后簡化為自某一原料開始投料所達到的時長，或者是能可靠衡量反應進程的其它指征。

為實現所述的分階段控制的自動化操作并便于控制的優化，所述dcs自動控制系統中預設了轉化率的計算方法和轉化率第一設定值，當轉化率的值低于轉化率第一設定值之間時，采用釜溫和釜壓串級-分程控制模式控制釜溫，當轉化率的值達到轉化率第一設定值后，采用釜壓分程控制模式控制釜溫。所述的轉化率第一設定值的具體數值，可以以釜溫控制的波動大小為評判基準，根據試驗優化得到。

更具體地，所述釜溫和釜壓串級-分程控制模式是指：以tc調節器為主調節器，它檢測和控制聚合釜的溫度，以pc調節器為副調節器，它檢測和控制聚合釜的壓力，由聚合釜壓力傳感器采集釜壓干擾信號，由聚合釜溫度傳感器采集釜溫干擾信號，聚合釜溫度傳感器采集的釜溫信號運算后輸入主調節器，主調節器輸出信號與聚合釜壓力傳感器采集的釜壓信號運算后輸入副調節器，副調節器輸出信號分程控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥。

更具體地，所述釜壓分程控制模式是指：以pc調節器為調節器，它檢測和控制聚合釜的壓力，由聚合釜壓力傳感器采集釜壓干擾信號，聚合釜壓力傳感器采集的釜壓信號與給定的釜壓控制設定值運算后輸入調節器，調節器輸出信號以分程控制方式控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥、脫氣裝置冷卻水調節閥。

進一步的是，為實現連續的自動控制，所述dcs自動控制系統中預設了轉化率第二設定值，當轉化率的值達到轉化率第二設定值后，即認為聚合反應結束，進入后續程序。后續程序通常是入卸料程序和沖洗程序，之后，準備進入下一輪聚合反應程序。

本發明的有益效果是：避免了聚合反應過程中液相向膠體轉化時對溫度傳感器的釜溫信號采集以及釜壓劇烈波動對釜溫自動控制的不利影響，提高了聚合反應整個過程中聚合釜溫度的控制精度，有利于提高本體法聚氯乙烯產品質量。

附圖說明

圖1為本發明全程聚合反應控制的邏輯控制原理圖。

圖2為本發明中釜溫和釜壓串級-分程控制模式的控制原理圖。

圖3為本發明中釜壓分程控制模式的控制原理圖。

具體實施方式

某本體法pvc聚合反應裝置，包括聚合釜、釜頂冷凝器、聚合釜攪拌器、脫氣裝置和夾套水冷裝置等，其中聚合釜有稱重傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和夾套冷卻水調節閥，釜頂冷凝器有溫度傳感器和冷卻水調節閥，聚合釜攪拌器有溫度傳感器和冷卻水調節閥、脫氣裝置有溫度傳感器和冷卻水調節閥。

如圖1所示，其采用dcs自動控制系統控制釜溫，所述自動控制系統作用于聚合釜的釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥、脫氧裝置冷卻水調節閥，所述dcs自動控制系統中具有兩種控制模式：一種是釜溫和釜壓串級-分程控制模式，另一種是釜壓分程控制模式；在所述dcs控制系統中還預先設定了轉化率的計算方法以及轉化率第一設定值、轉化率第二設定值，其中轉化率第一設定值小于轉化率第二設定值，反應開始后，根據實時計算所得的轉化率，對應選擇反應溫度的自動控制方式：當轉化率的值低于轉化率第一設定值時，采用釜溫和釜壓串級-分程控制模式控制，當轉化率的值達到轉化率第一設定值后，采用釜壓分程控制模式控制，當轉化率的值達到轉化率第二設定值后，即認為聚合反應結束，則聚合反應程序結束，進入卸料程序和沖洗程序，再進入下一輪聚合反應程序。

如圖2所示，所述釜溫和釜壓-分程串級控制模式是指：以tc調節器為主調節器，它檢測和控制聚合釜的溫度，以pc調節器為副調節器，它檢測和控制聚合釜的壓力，由聚合釜壓力傳感器采集釜壓干擾信號，由聚合釜溫度傳感器采集釜溫干擾信號，聚合釜溫度傳感器采集的釜溫信號運算后輸入主調節器，主調節器輸出信號與聚合釜壓力傳感器采集的釜壓信號運算后輸入副調節器，副調節器輸出信號分程控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥。tc調節器、pc調節器可參考現有自動控制系統選用。

如圖3所示，所述釜壓分程控制模式是指：以pc調節器為調節器，它檢測和控制聚合釜的壓力，由聚合釜壓力傳感器采集釜壓信號，聚合釜壓力傳感器采集的釜壓信號與給定的釜壓控制設定值運算后輸入調節器，調節器輸出信號以分程控制方式控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥。

根據圖1，當轉化率小于轉化率第一設定值時，聚合釜溫度與聚合釜氣相壓力串級控制方式如圖2所示，tc調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱為主變量(主被控參數)，即聚合釜的溫度；pc調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱為副變量(副被控參數)，即聚合釜的壓力，是為了穩定主變量而引入的輔助變量。主調節器(tc調節器)輸出作為副調節器(pc調節器)設定值，系統通過副調節器(pc調節器)分程控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥的動作，實現對主參數釜溫的定值控制。

當轉化率達到轉化率第一設定值以后，此時由于溫度測量的干擾因素增加的影響，此時釜溫的控制通過釜壓的分程調節來實現。如圖2所示，即，給定釜壓控制設定值，當壓力偏離所述設定值時，pc調節器輸出控制信號，根據控制信號的值，分別分程控制釜頂冷凝器的冷卻水調節閥、聚合釜夾套冷卻水調節閥、聚合釜攪拌冷卻水調節閥和脫氣裝置冷卻水調節閥，根據工藝的不同要求，分程調節信號可作調整，以滿足壓力控制的要求，最終達到精確控制聚合釜釜溫的目的。

預設于該dcs自動控制系統中的轉化率的計算方法可采用發明內容部分中詳述的方法。應用所述控制方法多次試驗后證明，該轉化率第一設定值優選范圍為15％～20％。

圖2、圖3中，調節閥1、調節閥2……調節閥n，分別指用于釜頂冷凝器的冷卻水調節、聚合釜夾套冷卻水調節、聚合釜攪拌冷卻水調節、脫氣裝置冷卻水調節的各單個閥，在不脫離本發明思想的范圍內，還可進一步細化各調節閥的分程構成、調節順序、調節范圍等，以達到精確控制之目的。