聚氯乙烯氣流干燥過程的仿真研究

張燁，張雷，王永威

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500)

聚氯乙烯(PVC)是世界上最早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的塑料品種之一[1–3]，有光澤，半透明，微黃色，不溶于水。PVC 的熱穩(wěn)定性較差，長時間加熱會導(dǎo)致分解，可廣泛用于建筑材料、日用品和纖維等方面。由于PVC 在工業(yè)上一直得到廣泛應(yīng)用，對PVC 的質(zhì)量要求也在不斷提高，也進(jìn)一步提高了對干燥工藝的要求。多年的發(fā)展與研究，逐漸發(fā)展出多種干燥工藝，例如直管氣流干燥，氣流—沸騰床干燥和氣流—旋風(fēng)干燥。因為氣流—旋風(fēng)干燥工藝對黏性溶液、懸浮液以至糊狀物等可用泵輸送的物料，以旋轉(zhuǎn)運動進(jìn)行干燥，具有工藝先進(jìn)、降低能耗和生產(chǎn)成本的優(yōu)點，所以選擇氣流—旋風(fēng)干燥進(jìn)行控制仿真。

PVC 加工中的重要環(huán)節(jié)是氣流干燥，其控制性能直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量[4–7]。氣流干燥是一個典型的過程控制系統(tǒng)，其特點是反應(yīng)滯后大、時間長、容易被干擾[14–15]。目前，國內(nèi)對于氣流干燥控制技術(shù)的總體水平還不高，主要采用傳統(tǒng)PID 控制算法，充分發(fā)揮微分先導(dǎo)作用，實現(xiàn)提前控制，具有直觀、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域被廣泛使用，但存在控制超調(diào)大、響應(yīng)速度慢的缺點。因此周黎英等[8]將模糊控制和PID 控制應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)，極大地改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性，比單一PID 優(yōu)勢更大。為了使系統(tǒng)具有更高的可靠性，劉曉川[9]建立復(fù)合模糊PID 控制。為了更好的解決氣流干燥過程控制系統(tǒng)的大時滯、非線性、多擾動等特點，筆者提出了復(fù)合模糊PID 的閉環(huán)壓力控制方案。

1 PVC 氣流干燥的模擬

1．1 研究內(nèi)容

PVC 氣流干燥工藝是將經(jīng)過預(yù)加熱的空氣與PVC 濕物料混合并流，在經(jīng)過進(jìn)口泵的加壓后進(jìn)入氣流干燥塔中，在塔中大部分水分蒸發(fā)出來，然后進(jìn)入旋風(fēng)干燥器，利用離心力對物料和氣體進(jìn)行分離，同時使物料水分含量下降到0.3%。為了達(dá)到篩選的條件，必須保證一定的壓力，使粒徑合格的物料流出。達(dá)到生產(chǎn)要求的PVC 產(chǎn)品被篩分后進(jìn)行進(jìn)一步包裝。設(shè)計目標(biāo)是：年產(chǎn)PVC 6 萬t，經(jīng)過干燥后物料出干燥器濕含量為0.003 kg／kg，物料出口溫度55℃和平均直徑小于105 μm，干燥器進(jìn)口熱風(fēng)溫度150℃，干燥器排氣溫度60℃。進(jìn)一步進(jìn)行計算后，得到工藝設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 工藝設(shè)計參數(shù)

1．2 模擬過程

如圖 1 所示，通過 Aspen Plus，建立 PVC 氣流干燥模擬流程。PVC 濕物料和熱空氣通過泵輸送到氣流干燥塔，后進(jìn)入旋風(fēng)干燥器，進(jìn)行進(jìn)一步干燥同時利用離心力對物料和氣體進(jìn)行分離。

圖1 PVC 干燥模擬流程

因為在模擬過程中只有水、空氣和PVC 3 種物質(zhì)，所以不需考慮顆粒團(tuán)聚、水滴成型等情況，采用IDEAL 體系進(jìn)行模擬計算。

將對應(yīng)的參數(shù)輸入Aspen Plus，得到輸入和輸出參數(shù)如表2，得到PVC 的溫度為50.34℃，平均直徑為101.55 μm，含水量為2.53 g／kg，產(chǎn)品符合生產(chǎn)要求。能耗為2 664.45 kW。

表2 輸入和輸出參數(shù)

1．3 靈敏度分析

對模擬流程進(jìn)行靈敏度分析，改變泵的出口壓力、空氣的質(zhì)量流量和溫度，分析其對能耗、產(chǎn)品溫度、產(chǎn)品平均直徑和產(chǎn)品濕度的影響，如圖2 和圖3所示。

圖2 能耗、產(chǎn)品溫度的影響靈敏度分析

圖3 產(chǎn)品平均直徑和濕度的影響靈敏度分析

根據(jù)圖2 和圖3 得出泵的出口壓力、空氣的質(zhì)量流量和溫度的改變對能耗、產(chǎn)品溫度、產(chǎn)品平均直徑和產(chǎn)品濕度的影響，見表3。

表3 能耗、產(chǎn)品溫度、平均直徑和濕度的影響靈敏度分析

2 PVC 氣流干燥的控制

2．1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)計以進(jìn)口壓力為變量對壓力泵進(jìn)行調(diào)節(jié)的閉環(huán)壓力控制系方案，無法建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，因此在保證有足夠的精度前提下，被控對象通常使用一階傳遞函數(shù)來擬合，傳遞函數(shù)如式(1)：

τ為延遲時間，T為系統(tǒng)的時間常數(shù)，s為時間，k為放大系數(shù)。對PVC 氣流干燥塔進(jìn)行階躍響應(yīng)測試，得到τ為 0 s，T為 16 s，取k=1，進(jìn)口壓力反饋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式(2)：

2．2 氣流干燥過程的控制模型

利用MATLAB 建立壓力控制系統(tǒng)的仿真模型，分別建立PID 控制系統(tǒng)(圖4a)，模糊控制系統(tǒng)(圖4b)和模糊PID 控制系統(tǒng)(圖4c)。

圖4 三種不同控制方法的控制系統(tǒng)

在整個PVC 干燥過程中，壓力控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了提升產(chǎn)品的質(zhì)量和加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，采用進(jìn)口壓力為變量對壓力泵進(jìn)行調(diào)節(jié)的閉環(huán)壓力控制系方案。根據(jù)本設(shè)計控制方案，模糊控制器的輸入量由干燥塔進(jìn)口壓力誤差e及進(jìn)口壓力誤差的變化率ec 組成，離散論域均為[–5，5]。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。通過調(diào)節(jié)函數(shù)確定權(quán)重系數(shù)a，b的值，再通過模糊控制器和PID 控制器模糊復(fù)合輸出作為下級壓力的設(shè)定值[12–13]。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際PVC 氣流干燥的條件，結(jié)合專業(yè)人員的工作經(jīng)驗，制定了25 條模糊控制規(guī)則，見表4。由于復(fù)合模糊PID 控制器不能直接操控被控對象，采用bisector 方法對模糊控制器進(jìn)行了解模糊化處理。其中NS 表示負(fù)小，ZE 表示零，PS 表示正小，NB 表示負(fù)大，PB 表示正大。在模糊控制編輯窗口建立以壓力泵開度為輸出的模型，壓力偏差、壓力偏差變化率為輸入[10–11]。

表4 模糊控制規(guī)則表

2．3 模擬與結(jié)果分析

對3 種控制模型分別進(jìn)行仿真實驗，得到進(jìn)口壓力系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如圖6 所示。

圖6 三種控制模型仿真實驗結(jié)果

由圖6a 可知，單一PID 控制壓力曲線波動較大，600 s 后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時間長。由圖6b可知，模糊控制壓力曲線在400 s 后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，相對穩(wěn)定但控制精度較低，難以除去控制中的誤差。由圖6c 可知，模糊PID 控制曲線400 s 后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)定過程較快，控制品質(zhì)好，有良好的控制效果。

2．4 控制方案在干擾條件下的對比

在干燥過程中，系統(tǒng)可能受到很多不同來源的干擾，因此系統(tǒng)需要良好的穩(wěn)定性，快速的糾正。因此通過MATLAB 上的signal builder 模塊輸入端加入擾動信號。在800～1 000 s 間添加一個擾動信號，得到3 種控制系統(tǒng)的壓力變化曲線如圖7 所示。

圖7 加入擾動的3 種控制模型仿真曲線

通過以上仿真實驗可看出，3 種控制方法均是壓力曲線在擾動信號發(fā)生作用的時間處發(fā)生一定的波動。從圖7a 可以看出，PID 控制的調(diào)節(jié)時間長，波動很大，抗干擾的能力差，經(jīng)過較長時間才再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。模糊控制(圖7b)經(jīng)過較短調(diào)整再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，波動很大，抗干擾的能力差。模糊PID 控制系統(tǒng)(圖7c)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)快，響應(yīng)曲線波動小，控制品質(zhì)良好。

3 結(jié)論

(1)分析了PVC 的氣流干燥過程的特點和工藝流程，通過Aspen Plus 仿真PVC 氣流干燥的過程，生產(chǎn)合格的PVC，平均直徑為101.55 μm，含水量為2.53 g／kg，能耗為2 664.45 kW。以氣流干燥原理和工藝流程為基礎(chǔ)，得到壓力的變化對氣流干燥系統(tǒng)具有較大影響。

(2)在MATLAB 的軟件中建立了仿真模型，比較了PID 控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和模糊PID 控制系統(tǒng)對PVC 的氣流干燥過程的影響，證明了模糊PID 控制系統(tǒng)有較強的抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性，同時控制品質(zhì)優(yōu)良，適合在氣流干燥過程控制中應(yīng)用。