聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程溫度的控制對策

王多榮，包宏康，馬寶琪，張仁寬

(天業(yè)集團(tuán)天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

聚氯乙烯樹脂生產(chǎn)主要以懸浮聚合間歇生產(chǎn)技術(shù)為主，而且以相對分子質(zhì)量對數(shù)值類型進(jìn)行劃分，所以相對分子質(zhì)量變化直接關(guān)系到生產(chǎn)質(zhì)量。在聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程中，聚合溫度會影響到相對分子質(zhì)量，因此采取有效措施對聚合溫度科學(xué)控制，可以達(dá)到對相對分子質(zhì)量的控制。由于聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程主要通過強(qiáng)放熱反應(yīng)實現(xiàn)，所以采取有效措施將反應(yīng)熱適時撤出，降低聚合溫度，可以保證相對分子質(zhì)量固定。

1 聚氯乙烯聚合溫度的科學(xué)控制

1.1 分析聚氯乙烯懸浮聚合反應(yīng)過程基本原理

聚氯乙烯聚合反應(yīng)是指充分?jǐn)嚢枰簯B(tài)氯乙烯，將其迅速轉(zhuǎn)換為分散滴液，進(jìn)行氯乙烯懸浮聚合。氯乙烯是懸浮聚合的主要原料，要求純度≥99.98%，因為微量雜質(zhì)的存在對產(chǎn)物的質(zhì)量有很大影響。同時因為在水介質(zhì)中要添加適量分散劑，所以部分氯乙烯會懸浮在介質(zhì)中，形成獨立的聚合體系，并且在催化劑與聚合溫度的影響上被迫分解，在此基礎(chǔ)上形成氯乙烯聚合[1]。在氯乙烯聚合反應(yīng)階段，遵循聚合溫度恒定原則，必須注意對聚合溫度嚴(yán)格控制。因此，在反應(yīng)過程中要通過冷卻水將多余熱量釋放，才能確保聚合反應(yīng)的聚合度。

1.2 聚氯乙烯聚合溫度控制方法

在聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程中，相對分子質(zhì)量受到聚合溫度的增加而降低，因此聚合溫度控制尤為關(guān)鍵。目前在化工生產(chǎn)中，聚氯乙烯聚合溫度控制主要包括兩方面：一是升溫控制；二是恒溫控制。

1.2.1 升溫控制階段

升溫控制階段主要目的是加快聚合釜在反應(yīng)中物料的升溫速度，達(dá)到反應(yīng)溫度[2]。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度達(dá)到拐點后，及時應(yīng)用冷水對熱水進(jìn)行置換，保證溫度穩(wěn)定。

1.2.2 恒溫控制階段

聚氯乙烯聚合反應(yīng)中恒溫控制階段是指平衡聚合釜溫度及夾套溫度，使其達(dá)到平衡狀態(tài)，進(jìn)而使生產(chǎn)反應(yīng)趨勢比較平穩(wěn)[3]。尤其是待聚氯乙烯聚合反應(yīng)時間≥3 h后，聚合反應(yīng)進(jìn)入加劇階段，反應(yīng)熱迅速增加，需借助冷凝器及時吸納與轉(zhuǎn)移剩余熱量，維持反應(yīng)穩(wěn)定[4]。圖1是聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程溫度控制基本流程示意圖，結(jié)合圖1對聚合反應(yīng)中溫度控制的梳理展開深層次研究。

圖1 聚氯乙烯聚合反應(yīng)過程溫度控制基本流程示意圖

2 聚氯乙烯聚合反應(yīng)溫度控制具體操作

2.1 聚氯乙烯聚合反應(yīng)溫度控制流程

此次主要以某化工企業(yè)聚氯乙烯生產(chǎn)時的聚合釜溫度控制為例展開研究，選擇夾套水串級分程控制回路，搭配回流冷凝器，科學(xué)控制聚合反應(yīng)溫度，同時在實際操作中，要求全部以程序控制完成[5]。聚合反應(yīng)升溫之前，提前控制工藝中的2個回路，同時將副調(diào)節(jié)器TC222輸出值設(shè)定為69%，可以使整個流程達(dá)到核定溫度后，關(guān)掉3個調(diào)節(jié)閥，即TV222-1/2/3。做好準(zhǔn)備后啟動升溫程序，立即關(guān)閉程控閥SV-262，打開程控閥SV-261，保證聚合釜反應(yīng)中熱水順利進(jìn)入夾套，加熱釜內(nèi)物料。待聚合釜反應(yīng)溫度達(dá)到規(guī)定值，打開SV-262，關(guān)閉SV-261，副調(diào)節(jié)器TC222便進(jìn)入自動運行程序。這期間主調(diào)節(jié)器TC221并未運行，在隨后的聚合反應(yīng)流程中，全部依靠副調(diào)節(jié)器TC222支撐并控制，并且系統(tǒng)中的TV222-3(控制熱水閥)處于打開狀態(tài)。此時聚合釜反應(yīng)流程持續(xù)升溫運行，隨著反應(yīng)時間的延長，溫度升高至一定值，靈活調(diào)整調(diào)節(jié)閥TV222-3，直至將其關(guān)閉。當(dāng)溫度測量值逐漸接近于主調(diào)節(jié)器(TC221)設(shè)定值，并待最小值≤0.5 ℃期間，升溫過程接近尾聲，聚氯乙烯生產(chǎn)正式進(jìn)入聚合反應(yīng)控制階段。

在聚合反應(yīng)≥3 h后，聚氯乙烯回流冷凝程序的啟動，回流冷凝器迅速接收氣相氯乙烯并進(jìn)行冷凝處理，得到液態(tài)氯乙烯，將其匯集整理后沉降，迅速進(jìn)入回流冷凝器底部[6]。在過程中對SV236、SV238的啟動與停止調(diào)整，需結(jié)合控溫具體情況靈活控制。循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的開關(guān)即FV222，主要調(diào)整依據(jù)為聚合釜終止劑加入時間，隨著其關(guān)閉，代表著聚合反應(yīng)中回流冷凝處理完畢。隨后工作人員可適當(dāng)調(diào)整單回路定值，嚴(yán)格控制冷卻水流量，待冷卻水流量進(jìn)入恒定狀態(tài)，表明聚合釜夾套水流量必須做出調(diào)整，這樣才能有效控制聚氯乙烯聚合反應(yīng)溫度。

2.2 聚合釜夾套水溫度控制

該階段的控制主要以串級分程控制技術(shù)完成，實際控制中需從以下方面著手：

首先是主回路控制，涉及主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器，即TC221、TC222；聚合反應(yīng)溫度測量，即TA221；調(diào)節(jié)閥與夾套水溫度測量，即TV222-1/2/3、TA222。

其次是副回路控制，涉及副調(diào)節(jié)器與夾套水溫度測量等，其作用是輔助主回路對冷卻水流量進(jìn)行調(diào)整，并控制聚合反應(yīng)溫度，將壓力波動的影響降到最低[7]。

通過超前調(diào)節(jié)計劃的制定，利用輸出信號分配器控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥，即TIC2-F，切實落實分程調(diào)節(jié)操作。具體聚合釜夾套水溫控制原理示意圖如圖2所示。

圖2 聚合釜夾套水溫控制原理示意圖

在聚合釜夾套水溫控制中，有以下方面需要注意：

注意對溫度拐點的設(shè)置，及時對聚合釜溫度控制中超調(diào)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防，聚合反應(yīng)溫度波動必須控制在規(guī)定溫度合理值范圍之內(nèi)；對升溫方面的控制，根據(jù)對主調(diào)節(jié)器的觀察，判斷是否出現(xiàn)積分飽和情況，在此基礎(chǔ)上對切除、投用等方案做出調(diào)整；對恒溫方面的監(jiān)測與控制，重點在于冷水閥分程調(diào)節(jié)，通過對聚合釜夾層水溫控制原理的分析與對應(yīng)的分程調(diào)節(jié)，靈活切換控制閥門，以此達(dá)到對聚合反應(yīng)溫度平衡的目的。

2.3 超調(diào)量抑制

在聚氯乙烯聚合反應(yīng)中，聚合釜溫度在短時間內(nèi)升高較快，控制難度增大，所以對反應(yīng)溫度超調(diào)量抑制至關(guān)重要。根據(jù)聚合釜溫度標(biāo)準(zhǔn)，要求反應(yīng)溫度必須在規(guī)定范圍內(nèi)，嚴(yán)格控制超調(diào)量，制定完善的超調(diào)量抑制方案[8]。

聚合反應(yīng)期間，初期溫度控制以單回路定值調(diào)節(jié)完成，包括副回路調(diào)節(jié)器與熱水閥，即TC222、TV222-3。結(jié)合聚合反應(yīng)實況，可借助PD的調(diào)節(jié)去縮短升溫時間，并預(yù)防超調(diào)量過大問題，科學(xué)抑制溫度波動。若聚合釜溫度比標(biāo)準(zhǔn)溫度小超過3.0 ℃，工作人員需及時切換閥門，并檢查夾套水自循環(huán)情況，及時通過TV222-3閥為聚合釜補(bǔ)充適當(dāng)熱水；若聚合釜溫度比標(biāo)準(zhǔn)值≤0.5 ℃，只需調(diào)整手動模式，借助主調(diào)節(jié)器(TC221)完成自動模式設(shè)定。有時只用主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)溫度，所以需副調(diào)節(jié)器(TC222)配合完成，這種串級控制系統(tǒng)下可以更容易使聚合反應(yīng)溫度差消除。同時通過對聚合釜溫度變化的觀察發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)下的溫度與規(guī)定溫度值差值逐漸縮小的過程中，會出現(xiàn)輕微超調(diào)情況，超調(diào)溫度值為1.0～2.0 ℃，但這種情況會迅速消失，證明此次超調(diào)量抑制調(diào)整有效。

2.4 防積分飽和

在反應(yīng)過程中若發(fā)生積分飽和情況，是因為聚氯乙烯生產(chǎn)期間，聚合釜在聚合反應(yīng)初期階段溫度較低且升溫緩慢，直至溫度達(dá)到副回路定值范圍，才進(jìn)入到快速升溫階段。這期間溫度控制主要依靠主調(diào)節(jié)器完成，所以會出現(xiàn)偏差累積的情況，而且隨著聚合釜內(nèi)溫度升高，累積現(xiàn)象不斷加劇，加快聚合反應(yīng)到達(dá)飽和狀態(tài)的速度，使熱水閥受到積分飽和的影響不斷開大，回調(diào)時間延長，造成聚合反應(yīng)期間溫度波動變大。

針對上述情況，以程序控制為基礎(chǔ)，應(yīng)用積分切除法對積分飽和問題科學(xué)對這個問題進(jìn)行提前預(yù)防。在聚合反應(yīng)的升溫階段，利用主調(diào)節(jié)器將積分作用及時切除，并將比例微分保存。待升溫階段結(jié)束，由程序控制中主調(diào)節(jié)器的調(diào)整，將積分作用重新加入，設(shè)置PID參數(shù)，具體調(diào)節(jié)詳如表1所示。

表1 積分作用下調(diào)節(jié)器PID的參數(shù)調(diào)整

按照參考表1數(shù)據(jù)的調(diào)整，積分飽和現(xiàn)象得到明顯改善，不僅溫度無較大波動，并且取得理想的控制效果。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對聚氯乙烯聚合反應(yīng)溫度控制的研究，對聚合反應(yīng)中溫度控制方法創(chuàng)新與策略優(yōu)化有了重新認(rèn)識。因為在聚合反應(yīng)過程中，溫度變化滯后性明顯，所以為取得更理想的溫度控制效果，必須采取合理措施對升溫時間適當(dāng)縮短，并嚴(yán)格控制超調(diào)量，應(yīng)用串級控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器對積分作用適當(dāng)屏蔽與加入，科學(xué)抑制聚合反應(yīng)中溫度波動情況，靈活調(diào)整PID參數(shù)，預(yù)防積分飽和問題?；诖耍_(dá)到優(yōu)化聚氯乙烯聚合反應(yīng)溫度控制策略和提高溫度控制水平的目的。