1種反應(yīng)釜溫度隨循環(huán)水流量控制的新方法

姚曉艷，代現(xiàn)躍，李志永

（浙江巨化技術(shù)中心有限公司，國家氟材料工程技術(shù)研究中心，浙江 衢州 324004）

某氟化工產(chǎn)品中試項(xiàng)目以偏氟乙烯（VDF）為原料。其中的加成反應(yīng)在反應(yīng)釜中進(jìn)行，通過質(zhì)量流量計(jì)控制VDF 的進(jìn)料流量。反應(yīng)放熱，VDF 的進(jìn)料流量影響反應(yīng)速度，進(jìn)而影響放熱量，反應(yīng)溫度需控制在(80±2)℃。溫度控制通過循環(huán)水調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)釜溫度連鎖實(shí)現(xiàn)[1-2]。這種控制是一種常用的方法，簡便可行，缺點(diǎn)是被動(dòng)滯后，很難精準(zhǔn)控溫。反應(yīng)如果不能精準(zhǔn)控溫，產(chǎn)品雜質(zhì)就會(huì)增多。此雜質(zhì)與產(chǎn)品相似相溶，很難除去，所以應(yīng)盡可能減少其生成，這就需要精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度。而要達(dá)到精準(zhǔn)控溫，必須對(duì)原有的控制方法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，能將被動(dòng)控制變成主動(dòng)控制，迅速靈敏地對(duì)溫度波動(dòng)進(jìn)行修正。

1 原有控制方法

原有的控制方法參見圖1。

圖1 原有的釜溫控制方法Fig 1 The original vessel temperature control method

VDF 流量大小引起釜溫變化，根據(jù)釜溫變化來調(diào)節(jié)循環(huán)水閥門的開度。當(dāng)釜溫大于80 ℃時(shí)，循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度變大，釜溫開始下降；當(dāng)釜溫小于80 ℃時(shí)，循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度變小，溫度開始上升。

該控制方法的缺點(diǎn)及對(duì)反應(yīng)的影響：

1）反應(yīng)溫度先受到VDF流量的影響，再開始反向調(diào)節(jié)循環(huán)水。溫度始終先后受到冷熱2股能量的沖擊，很難平穩(wěn)調(diào)控，溫度會(huì)在(80±6)℃波動(dòng)。

2）VDF流量變化會(huì)產(chǎn)生多少熱量，控制系統(tǒng)未能及時(shí)預(yù)判，因此不能及時(shí)準(zhǔn)確的補(bǔ)給冷卻量，是一種模糊的被動(dòng)控制。

3）溫度波動(dòng)過大，反應(yīng)雜質(zhì)增多；且雜質(zhì)難除去，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4）當(dāng)釜溫沖高時(shí)，VDF 緊停，反應(yīng)被迫中斷，使反應(yīng)不得平穩(wěn)進(jìn)行。

5）當(dāng)釜溫繼續(xù)沖高時(shí)，只能使用安全泄放裝置，造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 優(yōu)化的控制方法

2.1 控制原理

溫度波動(dòng)的源頭是VDF 的流量波動(dòng)。流量波動(dòng)不可控，所以只能改進(jìn)控制系統(tǒng)。如果控制系統(tǒng)能預(yù)判流量波動(dòng)產(chǎn)生的放熱量，系統(tǒng)將可以進(jìn)行主動(dòng)控制。

由于VDF 屬于危險(xiǎn)介質(zhì)，不便測(cè)量其反應(yīng)放熱，只能從循環(huán)水的控制想辦法：假定釜溫恒定不變，反應(yīng)放出的熱量等效于循環(huán)水帶走的熱量。而循環(huán)水吸收的熱量，可以通過監(jiān)測(cè)并計(jì)算。

循環(huán)水吸收的熱量：

式中，cp為水的比熱容，qm為循環(huán)水的質(zhì)量流量，Δθ為進(jìn)出口循環(huán)水的溫度差。

由此可知，需監(jiān)測(cè)循環(huán)水進(jìn)出口溫度及循環(huán)水的質(zhì)量質(zhì)量。

2.2 控制方法

改進(jìn)后的控制方法參見圖2。

圖2 優(yōu)化后的釜溫控制方法Fig 2 Optimized vessel temperature control method

取消釜溫與循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的連鎖。在循環(huán)水進(jìn)出口增加3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（進(jìn)口質(zhì)量流量、進(jìn)口和出口溫度），并將進(jìn)口流量與調(diào)節(jié)閥連鎖，實(shí)現(xiàn)溫度的主動(dòng)控制。

該控制方法的優(yōu)點(diǎn)：

1）將原來滯后的被動(dòng)控制改進(jìn)成了預(yù)先的主動(dòng)控制。增加的流量計(jì)F2 對(duì)應(yīng)于VDF 流量的波動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)控，精準(zhǔn)補(bǔ)給，及時(shí)有效地修正反應(yīng)放熱造成的溫度波動(dòng)。

2）增加的流量計(jì)F2 安裝在循環(huán)水進(jìn)口管路上，與此路上的調(diào)節(jié)閥連鎖調(diào)控，將流量調(diào)節(jié)成系統(tǒng)給定的數(shù)值，不多不少地及時(shí)補(bǔ)充冷卻量。F2 流量通過DCS 設(shè)定的公式進(jìn)行計(jì)算，把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)代入后，即可得到循環(huán)水的需求量，并賦值給流量計(jì)F2。

2.3 后臺(tái)處理邏輯的構(gòu)建

在后臺(tái)邏輯構(gòu)建之前，先進(jìn)行1～2 批實(shí)驗(yàn)，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。然后分5步進(jìn)行邏輯構(gòu)建：

1）前臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水的質(zhì)量流量（qm2）和進(jìn)出口溫度（t2、t3），后臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算出吸收的熱量Q’C：

式中，qm2為循環(huán)水的質(zhì)量流量，θ3和θ2分別為和循環(huán)水出口和進(jìn)口溫度。

2）經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)（t=0～n），再利用DCS 在后臺(tái)計(jì)算出這段時(shí)間循環(huán)水吸收的的總熱量QT。

3）同時(shí)段監(jiān)測(cè)的還有VDF 質(zhì)量流量qm1，產(chǎn)生的反應(yīng)熱QH：

式中，q為VDF 反應(yīng)放熱當(dāng)量，即每克VDF反應(yīng)放出的熱量。

QH理論上等于循環(huán)水吸收的總熱量QT。

4）由放出熱量與吸收熱量的等效關(guān)系，可推導(dǎo)出VDF的反應(yīng)放熱當(dāng)量q：

5）VDF 的反應(yīng)放熱當(dāng)量q計(jì)算出來以后，qm1即使實(shí)時(shí)變化，它的放熱量也會(huì)根據(jù)公式自動(dòng)算出。再根據(jù)其與qm2的關(guān)系式，自動(dòng)計(jì)算出需要的qm2，并賦值給流量計(jì)F2，由此調(diào)控循環(huán)水的開度。

經(jīng)過后臺(tái)構(gòu)建，循環(huán)水質(zhì)量流量qm2實(shí)現(xiàn)了與VDF質(zhì)量流量qm1的直接關(guān)聯(lián)，可以很好地對(duì)應(yīng)可能的溫度波動(dòng)。但控制的最終目標(biāo)是釜溫θ1。所以還需要將qm2直接與θ1進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而鎖定釜溫進(jìn)行控制。

實(shí)踐中，當(dāng)把釜溫θ1與設(shè)定的溫度θ（θ=80 ℃）進(jìn)行對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ-θ1≥0 時(shí)，循環(huán)水qm2減??；反之亦然，當(dāng)θ-θ1≤0時(shí)，循環(huán)水qm2增大。

由此進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將后臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行修正，使控制對(duì)象qm2直接鎖向目標(biāo)對(duì)象釜溫θ1，得到關(guān)系式：

從而實(shí)現(xiàn)溫控升級(jí)。

3 方案的實(shí)施

實(shí)踐中，隨機(jī)抽取了2種控制方式下的1組溫度與流量數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 2種控制方法下的溫度與流量Fig 3 Temperature and flow under two control methods

由圖3可知，反應(yīng)釜溫度的波動(dòng)從(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原來的0.53%降低到0.22%。

4 結(jié)束語

反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)通過改造優(yōu)化，加裝3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后臺(tái)運(yùn)算得出的結(jié)果作為控制參數(shù)輸出，調(diào)控整個(gè)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)從被動(dòng)變成主動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了溫度的精準(zhǔn)控制。釜溫波動(dòng)從(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，產(chǎn)品雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原來的0.53%降低到0.22%，保障了產(chǎn)品質(zhì)量。此方案是一種簡便可行的溫控優(yōu)化方案。