聚氯乙烯生产中的聚合釜温度控制系统

摘 要：介绍了聚合釜生产聚氯乙烯工艺中的温度控制策略，根据工艺包要求及生产厂要求，仪表控制系统使聚合反应温度控制在合理范围之内。

关键词：127 m3聚合釜 聚氯乙烯温度控制系统 串级控制系统

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0091-01

聚氯乙烯聚合工艺简单来说就是将氯乙烯、水、分散剂等按一定比例加入聚合釜，经搅拌形成悬浮体系，然后加入引发剂引发聚合反应。聚合反应温度是聚氯乙烯成型最重要的控制指标之一，在聚合反应期间，聚合温度过高会影响产品质量，聚合温度过低会导致聚合反应缓慢或停滞，直接影响反应速度和树脂质量。因此，如何保持聚合期间反应温度的恒定成为聚合反应的一个重点特征。聚合反应是一个放热反应，撤热系统主要由夹套、回流冷凝器、内冷挡板三部分组成。它们都是通过聚合釜主温度控制点进行调节来控制冷却水的流量，使聚合釜的温度保持在设定范围内。

1 聚合反应的机理分析

聚合反应为放热反应，而且是放出热量剧烈的反应。聚合反应在釜内进行时，放出的热量中大部分由夹套内充入的冷却水带走，其余热量由回流冷凝器、或内冷挡板带走，目标是使聚合温度在反应期间保持恒定。因为大部分的热量由夹套水带走，因此，聚合釜温度控制方案一般都是以夹套水为主要变量。此过程一般说具有以下动态环节：冷却水，反应物，聚合釜本身的热容，夹套及内层，测温元件的滞后等等。而且每个环节在进行动态下的热平衡分析时又都是相互影响的。我们知道尽管测温元件的热容很小，但时间常数约有几十秒，所以作为一动态环节进行理论分析时，总是希望能把一些问题简单化。如上述环节中，夹套中有一定的热容，但不锈钢材料的导热系数相对较大，另外，夹套内尽管热阻很大，但毕竟较薄，所以一般把夹套内层和夹套温度看成均匀的。由于聚合釜在结构上设置了搅拌器（搅拌器分上、中、下三层叶片），在聚合时，我们可以把釜内各处的温度看成是均匀的，这样聚合温度的动态平衡主要决定于釜内瞬时热量的平衡，即聚合釜内温度变化过程应等于反应放出的热量与夹套冷却水除去热量的差值。在聚合反应期间，一旦受到某一随机性干扰，使聚合温度上升，此时系统如不及时增加冷却水量用来降温，那么瞬时产生的热量就会上升，反过来又促使聚合温度升高，这样带来了温度的一个恶性增长。反之，若某一随机干扰使温度稍有下降，恶性循环进一步使温度下降，可能使聚合反应因其停止。另外，随着聚合反应时间的增加，反应速度加快，放出热量增加，所以冷却水量也要不断增加。从以上分析可看出，对夹套冷却水的控制是必不可少的。再是，随着聚合过程的进行，传热过程的热阻在增加，且聚合釜内总物料的热容量在不断增加，（因为PVC的比热CPVC=0.42大于VCM的比热CVC=0.35）热阻、热容的增加，使得对象的时间常数增加，滞后现象严重，特别到了反应后期这种现象更为严重，使对象的动态特性越来越坏。

为了克服随机干扰对反应温度的影响，克服时间常数的增加和滞后时间增加对对象的影响，对于聚合釜温度控制必须选用一个理想的控制方案，以满足生产需要。

聚合放热由夹套、回流冷凝器、内冷挡板三部分吸收，三个变量同时计算，将增加控制难度，因此，聚氯乙烯两套装置的温度控制系统都将内冷挡板的撤热量固定，1#聚氯乙烯装置的回流冷凝器的撤热量也固定，聚合釜温度控制系统只有夹套水一个变量。

2 聚氯乙烯装置的温度控制方案

采用了釜内温度为主参数，夹套入口水温度为副参数的串级、分程调节系统。在组成串级调节系统中，将夹套入口温度到釜内反应温度这条容量滞后较大的通道包含在主回路中。系统中的3台调节阀（一台热水，二台冷水）实行分程调节。聚合温度调节由程序控制进行。控制如下：升温前，回路切除，由程序控制，使输出值固定，使三台调节阀都处于全部关闭状态。聚合升温开始后，程控阀SV-261/N开，SV-262/N关，夹套通入90 ℃～100 ℃的热水，在釜内物料加热。此时调节规律为PD调节（通过程序控制调节规律）。系统采用定值调节，主调节器温度设定为T1，使调节阀TV-222/N-3（气开阀）也处于开的位置；当釜内温度升高到一定值时（与设定值T1差H1=3℃）时，由程序控制SV-261/N关，SV-262/N开，热水进行循环，此时通过调节阀TV-222/N-3补充HW，继续升温，随着温度的升高，调节阀TV-222/N-3逐渐关小，此时主调节器设定值T1与测量值之差逐渐缩小，当二者之差为H2=0.5 ℃时，调节规律由PD作用改为PID作用，加积分作用的目的是为了消除系统余差，提高调节品质指标。聚合反应开始后，为了带走反应放出的热量，保持釜温恒定，需改变进入夹套的冷却水量，其量通过调节阀TV-222/N-1，2进行调节。反应一开始，由于反应速度慢，放出热量少，只用TV-222/N-2小口径阀门调节即可，随着反应时间的延续，反应速度加快，放出热量增加，冷却水量需加大，此时TV-222/N-1，2两阀同时进行调节，以带走反应热，使聚合温度控制不超过规定偏差。聚合反应结束后，为了减少聚氯乙烯浆液中VCM的含量，对釜中没有反应的VCM气体要进行回收。回收前要对釜内物料升温，使气体从聚氯乙烯浆料中分离，以便使VCM气体能充分回收。

在回收中主调节器温度设定到T2，主、副调节器参数由PD方式到PID方式，与聚合阶段控制方法一样。对于每种牌号产品的聚合温度设定值，预先设定在控制器设计库中，在聚合升温、聚合和回收升温过程中控制器的指标值是一定的（如：58 ℃）调节阀采用分程调节，不但适应了生产需要，对多种介质（HW，RW）进行调节，而且扩大了调解阀的可调整范围，改善了调节阀的工作特性，从而提高了系统的调节精度。此系统调节阀可调比扩大了五倍。在此串级调节系统中，由于副回路的存在使对象的动态特性有了很大的改善，时间常数减小，滞后时间也有所缩短，提高了系统克服干扰的能力（这是串级调节系统的优点，不再论证。），另外把一些干扰因素（如：RW的温度变化，压力变化）纳入副环中，使得干扰得到迅速克服，加快调节。该系统调节介质用恒定的冷冻水（7℃～10℃）作为冷却水，而不用循环水，这一措施克服了由于环境温度变化而带来的干扰因素，从而使系统控制稳定。该系统检测元件采用了双支电阻体，可以在控制面板上互相切换，而不产生扰动，保证了系统测量的可靠性和准确性以及这个系统的运行。

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].国际工业出版社.