聚羧酸減水劑溫度控制優(yōu)化

練建華 王寶文

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403028

摘 要 針對聚羧酸減水劑聚醚大單體生產(chǎn)過程中，乙二醇單乙烯基聚乙二醇醚（EPEG）、改性聚醚（TPEG）、烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）等產(chǎn)品預(yù)反應(yīng)與主反應(yīng)滴加環(huán)氧乙烷（EO）時(shí)，受設(shè)備及現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況的影響，工藝包原溫度控制方案無法有效控制反應(yīng)釜溫度的問題，分析原因后優(yōu)化設(shè)計(jì)控制方案。投運(yùn)后，溫度控制效果顯著改善，明顯提升了聚合反應(yīng)釜溫度控制的穩(wěn)定性和生產(chǎn)過程的可重復(fù)性，在滿足工藝要求的前提下縮短了生產(chǎn)周期。

關(guān)鍵詞 分程控制 拆線表功能塊 溫度控制 聚合反應(yīng) 減水劑

中圖分類號(hào) TP273?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號(hào) 1000?3932（2024）03?0559?04

作者簡介：練建華（1972-），工程師，從事儀表自動(dòng)化的維護(hù)與管理工作，lianjianhua@weixing.com.cn。

引用本文：練建華，王寶文.聚羧酸減水劑溫度控制優(yōu)化[J].化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（3）：559-562.

聚羧酸減水劑是一種新型環(huán)保減水劑，是國內(nèi)外減水劑研究的熱點(diǎn)。隨著國內(nèi)減水劑產(chǎn)品需求量的不斷增加以及對產(chǎn)品性能指標(biāo)要求的提升，目前聚羧酸減水劑生產(chǎn)工藝采用的聚醚大單體主要是TPEG、HPEG和EPEG。在聚醚大單體的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)溫度對于反應(yīng)速度的影響較大，如果溫度過低，反應(yīng)會(huì)變緩，不利于效率的提升;如果反應(yīng)溫度過高，聚合速度會(huì)變快，但是會(huì)使原料的雙鍵發(fā)生斷裂，失去活性，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此，需將溫度控制在合宜的范圍之內(nèi)（在催化劑用量保持一定水平的情況下，將HPEG溫度調(diào)整至125～135 ℃，TPEG溫度控制在120～130 ℃）。在通過聚合反應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)減水劑大單體的過程中，反應(yīng)釜的溫度控制是重中之重。

1 裝置簡介

聚醚大單體生產(chǎn)工藝已經(jīng)發(fā)展了近百年，成為一種相對成熟的技術(shù)，該工藝使用EO作為生產(chǎn)原料，在催化劑的作用下與各類起始劑（如2-甲基烯丙醇醇、異戊烯醇、二乙二醇等）進(jìn)行加成聚合反應(yīng)，生產(chǎn)不同規(guī)格的聚醚大單體產(chǎn)品。該生產(chǎn)工藝包括配置鏈起始劑、原料進(jìn)料、預(yù)反應(yīng)、主反應(yīng)、反應(yīng)熟化、反應(yīng)卸料、中和反應(yīng)、排料等步驟;它是一種強(qiáng)放熱反應(yīng)，并且是間歇性的，部分產(chǎn)物在低溫下容易凝結(jié)，黏度較大，易堵塞管道、閥門及測量儀表;參與反應(yīng)的原料中含有EO氣體，這是一種易燃易爆且高毒的物質(zhì)，一旦泄漏極易引發(fā)火災(zāi)和爆炸，造成嚴(yán)重的安全事故。

隨著該生產(chǎn)工藝的發(fā)展，聚醚大單體生產(chǎn)技術(shù)也不斷地優(yōu)化和改進(jìn)，依次經(jīng)歷了傳統(tǒng)的攪拌工藝、噴霧式生產(chǎn)工藝以及環(huán)路噴射式生產(chǎn)工藝。本裝置工藝技術(shù)在Press三代的基礎(chǔ)上進(jìn)行了放大和多項(xiàng)工藝優(yōu)化，強(qiáng)化了傳質(zhì)、傳熱效果，技術(shù)具有單線產(chǎn)能大、產(chǎn)品質(zhì)量好、各批次產(chǎn)品指標(biāo)穩(wěn)定、物耗能耗低、裝置安全性高、全自動(dòng)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，裝置的主要產(chǎn)品有TPEG、HPEG、EPEG等。工藝流程如圖1所示，預(yù)反應(yīng)如圖2所示，主反應(yīng)如圖3所示。

2 存在的問題與原因分析

該裝置的主要反應(yīng)是聚合反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，表現(xiàn)出較大的滯后性、慣性和非線性特征。因此，對反應(yīng)溫度和壓力的精確控制成為確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。裝置TPEG、HPEG、EPEG等產(chǎn)品預(yù)反應(yīng)與主反應(yīng)滴加環(huán)氧乙烷（EO）時(shí)，受設(shè)備及現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況的影響，原溫度控制方案無法有效控制反應(yīng)釜溫度，主要存在四大問題：

a. 反應(yīng)釜溫度波動(dòng)大，經(jīng)常超溫，反應(yīng)重復(fù)性不好;

b. 反應(yīng)釜溫度的冷、熱水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作極為頻繁，閥門大幅開關(guān)磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致維修成本高，維修勞動(dòng)強(qiáng)度大;

c. 無法最大限度地利用系統(tǒng)回收熱;

d. 導(dǎo)熱水余熱回收閥、大循環(huán)泵出口調(diào)節(jié)閥、溫控設(shè)定值等處于手動(dòng)操作，需時(shí)刻關(guān)注，不斷調(diào)整，操作人員操作難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。

在反應(yīng)過程中，反應(yīng)釜溫度主要通過導(dǎo)熱水系統(tǒng)控制，導(dǎo)熱水溫度通過調(diào)節(jié)冷水與熱水的配比控制。原溫度控制系統(tǒng)采用了串級(jí)加分程控制方案，串級(jí)控制的主、副環(huán)分別是反應(yīng)釜物料循環(huán)溫度及冷熱水混合后的溫度。導(dǎo)熱水系統(tǒng)的冷水閥和熱水閥分別執(zhí)行副環(huán)的控制任務(wù)，并采用分程控制策略。然而，由于反應(yīng)釜中的聚合反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，冷水閥和熱水閥均采用了調(diào)節(jié)性能較差的蝶閥，導(dǎo)致原溫度控制偏離目標(biāo)值高達(dá)±8 ℃，并且常出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，無法滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)闇囟茸兞坑袦笮浴⒕酆戏磻?yīng)過程的慣性和非線性以及溫度控制系統(tǒng)受到多種干擾因素的影響，同時(shí)，反應(yīng)釜的換熱系統(tǒng)也相當(dāng)復(fù)雜，這些因素都對控制效果產(chǎn)生了不利影響。

3 改進(jìn)控制方案

3.1 改進(jìn)思路

針對原控制方案的改進(jìn)應(yīng)秉承“簡明實(shí)用，易于在控制系統(tǒng)上實(shí)施”的原則。

改進(jìn)的重點(diǎn)放在減少引入的非必要擾動(dòng)，找到相對穩(wěn)定的、可控的、對反應(yīng)釜影響最直接的點(diǎn)進(jìn)行溫度控制。

通過長時(shí)間的觀察，受制于導(dǎo)熱水冷、熱水閥門的選型，冷熱水混合后的溫度控制不穩(wěn)定，無法作為串級(jí)控制的副環(huán)，控制方案需要改變;導(dǎo)熱水的余熱回收由操作人員手動(dòng)控制，余熱回收不及時(shí)，導(dǎo)熱水系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要通過程序?qū)崿F(xiàn)余熱自動(dòng)回收;主反應(yīng)大循環(huán)泵出口閥由操作人員手動(dòng)控制，影響大循環(huán)的穩(wěn)定，需要通過程序?qū)崿F(xiàn)閥門自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2 控制系統(tǒng)改進(jìn)方案

取消原串級(jí)分程控制，由反應(yīng)釜換熱器出口物料溫度作為控制點(diǎn)直接進(jìn)行分程控制，同時(shí)不采用傳統(tǒng)分程功能塊，由更便于修改和分程方式更多樣化的折線表功能塊代替;將導(dǎo)熱水余熱回收和大循環(huán)泵出口閥投自動(dòng)控制。

3.2.1 預(yù)反應(yīng)釜溫度調(diào)節(jié)方案

以預(yù)反應(yīng)換熱器E2005出口物料溫度為控制點(diǎn)進(jìn)行TT2006溫度PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出直接分程控制冷、熱水閥門TV2008A和TV2008B，為了便于調(diào)整分程點(diǎn)，用兩個(gè)折線表功能塊代替分程控制功能塊，除預(yù)反應(yīng)釜溫度調(diào)節(jié)控制方案進(jìn)行調(diào)整外，其他預(yù)反應(yīng)釜溫度保護(hù)措施不變，如圖4所示。

3.2.2 主反應(yīng)釜溫度調(diào)節(jié)方案

分別以主反應(yīng)換熱器E3001和E3002出口物料溫度為控制點(diǎn)進(jìn)行TT3008和TT3006的溫度PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出直接分程控制冷、熱水閥門TV3017A和TV3017B以及TV3016A和TV3016B，為了便于調(diào)整分程點(diǎn)，用兩個(gè)折線表功能塊代替分程控制功能塊，分別控制主反應(yīng)小循環(huán)和大循環(huán)（圖5、6），除主反應(yīng)釜溫度調(diào)節(jié)控制方案進(jìn)行調(diào)整外，其他主反應(yīng)釜溫度保護(hù)措施不變。

調(diào)整控制方案后，反應(yīng)釜冷、熱水閥門可以根據(jù)需要隨意調(diào)整開度，可設(shè)置成圖7所示（橫坐標(biāo)對應(yīng)的是邏輯塊0～100的輸出）的效果，通過溫度設(shè)定值，控制器可高效地對冷、熱水閥門開度進(jìn)行控制，打破了傳統(tǒng)的分程方式，達(dá)到了穩(wěn)定反應(yīng)釜溫度的目的。

3.2.3 新增導(dǎo)熱水溫度調(diào)節(jié)閥TV6001/TV6002的分程調(diào)節(jié)

對導(dǎo)熱水泵出口溫度TT6029進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以及導(dǎo)熱水泵出口溫度TT6029與導(dǎo)熱水罐溫度TT6002做差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，兩個(gè)控制器的輸出做低選后分程控制導(dǎo)熱水溫度調(diào)節(jié)閥TV6001和TV6002，如圖8所示。

3.2.4 新增主反應(yīng)大循環(huán)泵出口閥HIC3007的選擇調(diào)節(jié)和超馳調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)器1以單釜EO滴加總量作為變量，調(diào)節(jié)器2以主反應(yīng)釜和大循環(huán)泵出口壓差（PDIC3008）作為變量，兩個(gè)調(diào)節(jié)器低選，進(jìn)而控制閥門HIC3007，主反應(yīng)釜液位設(shè)定值作為超馳點(diǎn)，當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，HIC3007手操器覆蓋選擇控制，直接控制閥門HIC3007，如圖9所示。

上述調(diào)整完成后，根據(jù)不同生產(chǎn)線有針對性地設(shè)置冷、熱水閥門的折線表以及其他控制參數(shù)，反應(yīng)釜溫度控制穩(wěn)定程度顯著提升，整個(gè)聚合過程反應(yīng)釜不再超溫，溫度控制在目標(biāo)值±1 ℃，同時(shí)生產(chǎn)過程的自控水平得到了很大的提升，整個(gè)生產(chǎn)過程均由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制完成，易于控制和操作，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

控制方案改進(jìn)投運(yùn)后，顯著提升了聚合反應(yīng)釜溫度控制的穩(wěn)定性和生產(chǎn)過程的可重復(fù)性，還縮短了生產(chǎn)周期。由此可見，選擇相對穩(wěn)定的反應(yīng)釜換熱器出口物料溫度作為直接控制點(diǎn)，實(shí)施簡單易行，對于冷、熱水閥門的控制也更便于調(diào)整，可以適應(yīng)各類不同產(chǎn)品的溫度控制。

（收稿日期：2023-02-03，修回日期：2023-12-06）