國產(chǎn)110 m 3 聚氯乙烯生產(chǎn)熱水入料工藝優(yōu)化控制

楊廣鑫，張玉標，宋 磊

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津300455；2.山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧272350）

目前，中國聚氯乙烯工業(yè)在智能操作和智能控制方面還有很大空間，需要去探索、挖掘和創(chuàng)新。根據(jù)目前聚氯乙烯生產(chǎn)狀況， 等溫水及熱水入料工藝、 升溫反應(yīng)恒溫控制及產(chǎn)品質(zhì)量等都得到了改善，且相對穩(wěn)定。但產(chǎn)量和安全控制方面仍需要進一步的探索和創(chuàng)新，在保證安全的前提下，發(fā)揮最大的產(chǎn)能，降低成本，經(jīng)濟運行。

人工智能涵蓋了先進的自動控制理念、傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)、軟測量技術(shù)、模糊算法、多變量非線性控制以及陣列控制，從一維、二維到多維。

1 熱水入料工藝生產(chǎn)現(xiàn)狀

以往中國氯乙烯懸浮聚合入料均采用常溫水入料、夾套升溫工藝，而熱水入料的生產(chǎn)工藝是由夾套升溫期改為熱純水入釜升溫，縮短了聚合的輔助時間，提高了聚氯乙烯樹脂的生產(chǎn)能力。目前，國內(nèi)一些PVC 生產(chǎn)企業(yè)在熱水入料的運行中，常溫純水溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化，熱水溫度與加入量相對恒定，由此會出現(xiàn)入料結(jié)束后釜內(nèi)溫度達不到反應(yīng)溫度，由此造成過渡時間長、釜內(nèi)溫度波動大，致使恒溫反應(yīng)初期難以控制；氯乙烯懸浮聚合反應(yīng)放熱速率為非線性，前期及中后期換熱平衡值也有變化，調(diào)節(jié)參數(shù)必須兼顧整個過程的前、中、后期，影響恒溫控制的品質(zhì)；聚合速率調(diào)整則根據(jù)操作者的認識而進行。

2 優(yōu)化熱水入料工藝的控制方案

針對上述問題，結(jié)合山東魯泰化學氯乙烯懸浮聚合（國產(chǎn)110 m3聚合釜）熱水入料工藝控制進行優(yōu)化，得到了較好的效果。從聚氯乙烯樹脂生產(chǎn)特點看，控制產(chǎn)量的因素有2 點，一是調(diào)整水油比，利用反應(yīng)過程單體體積收縮（高達39%）中間注水工藝提高樹脂產(chǎn)量；二是縮短反應(yīng)周期，在反應(yīng)溫度可控（保證安全）的工藝條件下，調(diào)整引發(fā)劑的用量（反應(yīng)階段的前、中、后期），使聚合反應(yīng)周期縮短，提高設(shè)備的利用率。

2.1 熱水入料工藝

針對熱水入料對聚合分散體系及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，得出熱水入料的加料順序，并采用高濁點的分散劑，得到適合熱水入料的分散劑體系。通過對聚合體系進行熱量衡算，控制冷、熱純水加入量比例，使得入料結(jié)束后釜內(nèi)溫度等于或接近于聚合反應(yīng)溫度。冷純水受環(huán)境溫度影響一般在15~30 ℃，而熱純水基本都控制在100~135 ℃，冷、熱純水的比例約為1∶1~1∶1.1。

氯乙烯懸浮聚合系將液態(tài)VCM 在攪拌作用下分散成液滴，懸浮于水介質(zhì)中的聚合過程。鑒于分散介質(zhì)純水與油相的流動性，冷純水加入量不宜太少，所以確定為1∶1.1。

冷純水溫度受四季氣溫變化較大， 熱純水溫度必須適應(yīng)其變化，從而達到熱水入料工藝條件，根據(jù)當?shù)貧鉁丶袄浼兯疁囟龋?計算出熱純水溫度需求值。利用Q＝cm（t2－t1）公式，就有Q1=cm1（t－t1）、Q2=cm2（t2－t），設(shè)Q1＝Q2（吸收的熱量等于釋放的熱量），即可求得加入熱純水溫度值。但此方法在夾套循環(huán)冷卻水調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)內(nèi)漏等因素時，會導致入料后溫度偏低。

另一方面，隨著釜內(nèi)溫度的不斷上升，引發(fā)劑吸熱也在不斷分解成自由基，并引發(fā)VCM 單體自由基聚合反應(yīng)放熱（放熱速率與選用引發(fā)劑的半衰期有關(guān)）。為保證不出現(xiàn)升溫過調(diào)，必須控制溫升速率，即在熱純水加入管線補加冷純水。溫升速率的計算：根據(jù)熱純水加入速度、釜內(nèi)溫度與反應(yīng)溫度之差，計算出溫升速率。冷、熱純水工藝流程示意圖見圖1。

2.2 補熱措施

為防止入料過程中非正常情況的出現(xiàn)，程序設(shè)計時應(yīng)考慮夾套補熱水升溫措施。

2.3 聚合速率調(diào)整

隨著生產(chǎn)的需求，在穩(wěn)定質(zhì)量、保證安全運行的前提下，充分利用設(shè)備、縮短聚合反應(yīng)時間，最大限度提高生產(chǎn)能力。

在氯乙烯自由基聚合的基元反應(yīng)中，引發(fā)反應(yīng)特別是引發(fā)劑分解反應(yīng)是控制總速率的前一步反應(yīng)。引發(fā)劑分解一般屬于一級反應(yīng)，即分解速率Rd與引發(fā)劑濃度［I］一次方成正比，其數(shù)學表達式如下。

式中：kd為分解速率常數(shù)（s-1），kd值是衡量引發(fā)劑活性的指標，通常約10-4~10-6s-1。

引發(fā)劑是調(diào)節(jié)聚合速率的重要助劑，是縮短反應(yīng)時間、提高產(chǎn)量（設(shè)備利用率）的主要因素之一。在這一方面，均使用半衰期短的高活性和半衰期長的低活性復合型引發(fā)劑，以滿足反應(yīng)過程不同階段的聚合速率。

圖1 冷、熱純水工藝流程示意圖

根據(jù)工藝設(shè)備的移熱能力及時調(diào)整引發(fā)劑的用量，是解決上述問題的主要途徑和手段。各企業(yè)在這一方面也做了大量的工作，以提高產(chǎn)量。

氯乙烯聚合速率與聚合釜傳熱速率相等，是保證聚合反應(yīng)溫度恒定的必要條件。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)引發(fā)劑用量的功能，必須解決聚合裝置移熱能力的在線檢測。

傳熱速率Q（kJ/h 或kcal/h）與傳熱面積F（m2）、溫差ΔTm（℃）成正比，比例系數(shù)是傳熱系數(shù)

因此，要提高傳熱速率需從增加傳熱面、擴大溫差、提高傳熱系數(shù)3 方面著手。對于現(xiàn)有的氯乙烯聚合工藝，傳熱面積、傳熱系數(shù)已由設(shè)備而定，擴大溫差也由工藝所限制（風冷卻循環(huán)水受環(huán)境溫度影響），應(yīng)在線檢測換熱效率，及時調(diào)整引發(fā)劑用量，以達到最佳的生產(chǎn)工況。

設(shè)計了對循環(huán)冷卻水溫度的在線監(jiān)視和聚合釜移熱效率的在線檢測計算，通過系統(tǒng)分析評估結(jié)果，對引發(fā)劑的使用量進行調(diào)整。

循環(huán)水溫度的在線檢測主要提供日最高溫度和最低溫度、發(fā)生的時間段等信息。移熱效率的在線檢測主要根據(jù)循環(huán)水溫度的變化、循環(huán)水流速及流通面積、移出的最大熱量來計算整個聚合裝置的平均移熱效率（0%～100%）及風險指數(shù)（0～1）。

本文僅以山東正華生產(chǎn)的引發(fā)劑（BNP、CNP）為例，實現(xiàn)引發(fā)劑自動調(diào)整的控制過程。

為確保安全生產(chǎn)，在不影響PVC 樹脂顆粒形態(tài)的前提下，將平均移熱效率控制在75%～85%，風險指數(shù)控制在0.95 以下。引發(fā)劑的調(diào)整量分為低活性0.2～0.6 kg，高活性0.1～0.3 kg，微增快降逐次逼近，確保安全。

應(yīng)急措施：設(shè)定釜溫、釜壓的最高限，當達到該值后，檢測其變化速率，以點加終止劑將其控制在零以下。

2.4 精確控制反應(yīng)溫度

PVC 的聚合度與引發(fā)劑濃度、轉(zhuǎn)化率無關(guān)，僅決定于溫度。氯乙烯自由基聚合主要由鏈引發(fā)、鏈增長、歧化終止、向單體鏈轉(zhuǎn)移四步基元反應(yīng)組成。聚合反應(yīng)溫度控制的好壞直接影響樹脂性能，對后續(xù)深加工有很大的影響。

多年來，在氯乙烯聚合反應(yīng)恒溫階段一直沿用著串級調(diào)節(jié)控制方法，基本滿足生產(chǎn)要求。但由于反應(yīng)初期得不到有效的控制， 使反應(yīng)溫度起伏較大，難以控制。雖然熱水入料工藝通過合理計算出冷熱純水的加入比例和溫度，但由于各地區(qū)氣候環(huán)境的差異以及工藝配管長短和保溫，熱量損失也不同，由此造成從升溫到反應(yīng)階段的溫度變化較大，給串級調(diào)節(jié)帶來較大的困難，須經(jīng)過較長一段時間才能夠穩(wěn)定。

為此，該公司經(jīng)過多方面的研究和實踐，利用衛(wèi)星發(fā)射運載火箭原理設(shè)計了運載控制模塊，通過該模塊完成過渡控制。設(shè)計思路：熱水入料工藝的理想狀態(tài)是入料升溫后釜內(nèi)溫度偏差、 變化率均為零；從另一角度分析，聚合一級反應(yīng)則是引發(fā)劑吸熱分解，當釜內(nèi)溫度上升到某一程度時，引發(fā)劑分解與單體自由基引發(fā)反應(yīng)放熱，此時無需升溫可節(jié)省熱源，同時也將使升溫過調(diào)的機率降低。

啟動一階運載控制模塊對釜內(nèi)溫度進行平穩(wěn)過渡，當釜內(nèi)溫度進入反應(yīng)溫度軌跡，即偏差＜±0.5 ℃、偏差變化率＜0.015 時，一階運載控制模塊關(guān)閉，由二階串級調(diào)節(jié)恒溫控制聚合反應(yīng)； 另一方面就是抗干擾問題， 在反應(yīng)過程中最大的干擾源為釜頂冷凝器的啟用。在反應(yīng)階段恒溫控制過程中，增設(shè)了智能模糊控制的三道防線，即偏差±0.05 ℃、±0.15 ℃和±0.2 ℃。當反應(yīng)溫度越過防線后，智能算法根據(jù)偏差及偏差變化率進行模糊修正，以此提高了恒溫階段抗干擾能力。

經(jīng)過一個階段的運行，反應(yīng)初期最高為57.36 ℃，中期最低位57.11 ℃，后期最低為57.10 ℃，反應(yīng)溫度超差均長周期穩(wěn)定在±0.10 ℃左右，整個過程控制精度誤差在±0.2 ℃以內(nèi)，達到了理想的效果。

2.5 出料工序的優(yōu)化控制

在熱水入料聚合物后處理工序中普遍存在的問題：一是由于僅以釜內(nèi)壓力和出料泵電流來判斷水沖洗條件，當出料過濾器不順暢時，出料泵電流同樣會降低，并非出料過程即將結(jié)束；二是原工藝設(shè)計出料量由出料槽的液位來判斷，致使倒料過程不能實現(xiàn)自動啟停，即出料不能倒料，倒料不能出料的被動局面，制約了聚合物后處理的順暢運行。

一些企業(yè)采用了壓差測量（釜壓與管壓之差）來判定出料結(jié)束條件。針對這些問題，在原有工藝不增加設(shè)備的前提下，利用軟測量技術(shù)，在線綜合計算出單臺釜出料量，以此作為判定條件，解決了出料不盡和出料、倒料互不干預，實現(xiàn)了倒料過程的自動控制。

3 結(jié)語

針對國產(chǎn)110 m3聚合釜熱水入料工藝的PVC樹脂生產(chǎn)過程控制中， 引入了新的控制理念，實施智能自動控制，自動化水平得到了進一步提升。反應(yīng)溫度、控制精度高且穩(wěn)定性好；對工藝、設(shè)備的風險在線評估，及時調(diào)整引發(fā)劑用量，提高設(shè)備的利用率；通過采用各種檢測設(shè)備（含軟測量技術(shù)）、控制算法（模型）及DCS 等智能自動化技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)流程進行在線檢測、監(jiān)測、診斷和智能控制，以實現(xiàn)各種最佳的經(jīng)濟指標，提高了經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率，同時節(jié)約能源、改善勞動條件、保護環(huán)境。為企業(yè)穩(wěn)定產(chǎn)量、質(zhì)量及環(huán)境保護、安全生產(chǎn)提供了必要的保證。