本体法PVC聚合反应温度自动控制方法与流程

本发明涉及一种本体法pvc聚合釜温度控制方法，特别是一种能够更精确的控制反应釜釜温的方法。

背景技术：

本体法pvc聚合生产装置是在聚合釜中加入氯乙烯单体、氯乙烯种子和助剂，聚合釜升温到聚合反应温度时，通过调节聚合釜釜温，以保证生成的聚氯乙烯产品质量，通常温度控制精度要求为设定反应温度±0.2℃。釜温的调节主要是靠调节配套的釜顶冷凝器、聚合釜冷却夹套、聚合釜冷却搅拌器和脱气装置的循环冷却水量来实现的，所述循环冷却水量对应的调节阀通常以dcs控制系统来自动调节。

现有釜温自动调节的现有方式主要有两种：第一种是悬浮法pvc聚合釜循环冷却水出口水温与聚合釜温组成的串级调节方式，以聚合温度调节器为主调节器，它检测和控制聚合釜的温度，以冷却水出口温度调节器为副调节器，它检测和控制聚合釜的冷却水出口温度，以冷却出水温度作为副回路干扰信号，以聚合釜釜温作为主回路干扰信号，聚合釜温度传感器采集的釜温信号运算后输入主调节器，主调节器输出信号与冷却水出口温度传感器采集的温度信号运算后输入副调节器，副调节器输出信号分程控制聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜内冷管冷却水调节阀。第二种是本体法pvc聚合釜循环冷却水量与聚合釜气相压力组成的分程调节方式，以釜压调节器为调节器，它检测和控制聚合釜的压力，由聚合釜压力传感器采集釜压信号，聚合釜压力传感器采集的釜压信号与给定的釜压控制设定值运算后输入调节器，调节器输出信号以分程控制方式控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀。这两种调节方式中，根据控制水量的大小或精度需要，调节阀可以是单个阀，也可以是设置大小流量阀组成并联的阀组进行分程控制。

但是，本体法pvc聚合生产装置中，随着聚合反应过程的进行，聚合转化率达到20％时，自由单体转化为胶态粒子(胶态粒子再聚合成固态树脂颗粒)，形成胶态粒子后聚合釜内的介质的黏度急剧上升，传热系数也会随着发生不规则变化，聚合釜内介质温度分布不均匀增加，对聚合釜温度检测(釜温的检测一般在聚合釜上中下各安装温度传感器，一般取聚合釜中部温度作为聚合釜温)带来测量干扰，致使夹套内的冷却液量与釜内温度之间的变化产生严重的非线性。因此采用前述的第一种方式控制釜温时，当反应进行到一定程度后，其控制精度会受到影响而降低。若采用聚合釜气相压力作为控制参数，自控方面存在一些不足，尤其是表现在聚合反应前期聚合反应剧烈控制容易出现釜压超压现象和釜压波动较大，会导致工艺控制参数的波动，给聚合氯乙烯质量和安全造成一定的影响。

技术实现要素：

为了克服本体法pvc装置聚合反应前期采用聚合釜气相压力控制釜温控制精度差和聚合反应由液相向胶态粒子转换后所造成的温度测量干扰问题，本发明提出：在本体法pvc聚合装置反应初期，采用“聚合釜温度”(简称“釜温”)与“聚合釜气相压力”(简称“釜压”)串级-分程控制模式；在聚氯乙烯转化率达到设定值，胶态粒子影响温度传感器检测之时，则转换为聚合釜气相压力分程控制模式，从而提高聚合反应整个过程中聚合釜温度控制精度，提高本体法聚氯乙烯产品质量。

以上控制方法是基于对本体法聚氯乙烯生产特点的以下分析。

在反应前期阶段氯乙烯聚合体系处于均相聚合阶段，聚合升温达到聚合反应温度时进入聚合反应阶段，在进入聚合反应时反应剧烈且压力较难控制，此时温度测量相对容易，此时可采取聚合釜温度与聚合釜气相压力串级-分程控制模式；随着聚合反应的进行，液相单体逐渐减少，有胶体聚合物出现，聚合釜内介质为液胶混合物，这期间也宜采取聚合釜温度与聚合釜气相压力串级-分程控制模式；在聚合反应至一定阶段后，聚合釜内液胶混合物中胶态粒子比例增加，此时可根据聚合装置控制系统实时计算的转化率来判断，但当转化率超过设定值以后，由于大量胶体物的存在，聚合釜内的温度分布不均匀，此时可采取釜压分程调节的方式。

以上控制方法还基于转化进程的可量化。转化进程可以用转化率指标来量化。本体法pvc聚合反应中，转化率通常的定义为聚合反应后生成的pvc(聚氯乙烯)量与聚合反应前氯乙烯单体量的比值的百分数，基于该定义，在不同的控制系统中，其计算方法可能有所差别，举出一种可应用的本体法pvc聚合反应转化率的计算方法如下。

首先，氯乙烯单体的聚合反应属于非均相的游离基型连锁聚合机理，反应的活性中心是游离基，其反应式如下：

整个聚合反应的放热量：

q总＝m单体△h，式中，

m单体含义为加入釜内单体的质量，单位kg；

q总含义为加入釜内单体全部参与反应放出的热量，单位，kj；

△h含义每千克氯乙烯反应生成聚氯乙烯放出的热量，单位kj/kg；

聚合反应传热量主要由夹套冷却水、釜顶冷凝器、搅拌冷却水、反应期间氯乙烯脱气带走，具体计算如下：

(1)夹套冷却水换热量计算，

q1＝m1cp△t1，式中，

q1含义为夹套冷却水换热量，单位，kcal；

m1含义为夹套冷却水流量，单位kg；

cp含义为冷却水的比热容，单位kcal/kg·℃；

△t1含义为夹套冷却水进出口温度差，单位℃。

(2)釜顶冷凝器冷却水换热量计算，

q2＝m2cp△t2，式中，

q2含义为釜顶冷凝器冷却水换热量，单位，kcal；

m2含义为釜顶冷凝器冷却水流量，单位kg；

cp含义为冷却水的比热容，单位kcal/kg·℃；

△t2含义为釜顶冷凝器冷却水进出口温度差，单位℃。

(3)搅拌冷却水换热量计算：

q3＝m3cp△t3，式中，

q3含义为搅拌冷却水换热量，单位，kcal；

m3含义为搅拌冷却水流量，单位kg；

cp含义为冷却水的比热容，单位kcal/kg·℃；

△t3含义为搅拌冷却水进出口温度差，单位℃。

(4)脱气冷却水换热量计算，

q4＝m4△h1，式中，

q4含义为脱气冷却水换热量，单位，kcal；

m4含义为氯乙烯脱气量，单位kg；

△h1含义为在反应温度下氯乙烯单体的潜热，单位kcal/kg；

(5)其它

因聚合釜外壁对空气传热量较小，此处忽略不计。

根据以上计算，则反应传热总量q传＝q1+q2+q3+q4

则q总＝m单体△h，式中，

m单体含义为加入釜内单体的质量，单位kg；

q总含义为加入釜内单体全部参与反应放出的热量，单位，kj/mol；

△h含义每摩尔氯乙烯反应生成聚氯乙烯放出的热量，单位kj/mol；通常认为△h是一个常量，取108.9kj/mol，换算单位后△h＝0.0017424kj/kg

则，聚合pvc的转化率η按下式计算得到：

η＝kq传/q总*100％＝k((q1+q2+q3+q4)/q总)*100％，式中，

k为修正值，根据经验设定。

基于上述分析，本发明提出的技术方案是：本体法pvc聚合反应温度自动控制方法，包括dcs自动控制系统，所述自动控制系统作用于聚合釜的釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀，所述dcs自动控制系统中具有可切换的两种控制模式：一种是釜温和釜压串级-分程控制模式，另一种是釜压分程控制模式，反应起始时使用釜温和釜压串级-分程控制模式，在达到设定的切换条件时，切换到釜压分程控制模式。

所述方案相对于现有技术的核心改进在于：在聚合反应前期，摒弃釜压控制模式，借鉴悬浮法pvc聚合釜循环冷却水出口水温与聚合釜温组成的串级调节方式，仔细分析本体法pvc聚合过程及其釜温影响因素，创造性地提出了以釜温和釜压串级-分程控制模式控制釜温，从而较为理想地解决了聚合反应前期的釜温控制精度问题，进一步提高了反应安全性和产品质量，本发明方法实质为两段式的分阶段控制方式，而反应全程两段的分界点的确定或者说切换条件的设定，是基于对反应过程的分析。由于反应过程不能被直接观察到，推荐使用转化率作为切换温度自动控制模式的指征，原因是转化率是控制系统可检测计算并实时监测的，转化率能表征切换温度自动控制模式的临界点，对于长期应用同一套生产工艺的系统，也可以在大量采样后简化为自某一原料开始投料所达到的时长，或者是能可靠衡量反应进程的其它指征。

为实现所述的分阶段控制的自动化操作并便于控制的优化，所述dcs自动控制系统中预设了转化率的计算方法和转化率第一设定值，当转化率的值低于转化率第一设定值之间时，采用釜温和釜压串级-分程控制模式控制釜温，当转化率的值达到转化率第一设定值后，采用釜压分程控制模式控制釜温。所述的转化率第一设定值的具体数值，可以以釜温控制的波动大小为评判基准，根据试验优化得到。

更具体地，所述釜温和釜压串级-分程控制模式是指：以tc调节器为主调节器，它检测和控制聚合釜的温度，以pc调节器为副调节器，它检测和控制聚合釜的压力，由聚合釜压力传感器采集釜压干扰信号，由聚合釜温度传感器采集釜温干扰信号，聚合釜温度传感器采集的釜温信号运算后输入主调节器，主调节器输出信号与聚合釜压力传感器采集的釜压信号运算后输入副调节器，副调节器输出信号分程控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀。

更具体地，所述釜压分程控制模式是指：以pc调节器为调节器，它检测和控制聚合釜的压力，由聚合釜压力传感器采集釜压干扰信号，聚合釜压力传感器采集的釜压信号与给定的釜压控制设定值运算后输入调节器，调节器输出信号以分程控制方式控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀、脱气装置冷却水调节阀。

进一步的是，为实现连续的自动控制，所述dcs自动控制系统中预设了转化率第二设定值，当转化率的值达到转化率第二设定值后，即认为聚合反应结束，进入后续程序。后续程序通常是入卸料程序和冲洗程序，之后，准备进入下一轮聚合反应程序。

本发明的有益效果是：避免了聚合反应过程中液相向胶体转化时对温度传感器的釜温信号采集以及釜压剧烈波动对釜温自动控制的不利影响，提高了聚合反应整个过程中聚合釜温度的控制精度，有利于提高本体法聚氯乙烯产品质量。

附图说明

图1为本发明全程聚合反应控制的逻辑控制原理图。

图2为本发明中釜温和釜压串级-分程控制模式的控制原理图。

图3为本发明中釜压分程控制模式的控制原理图。

具体实施方式

某本体法pvc聚合反应装置，包括聚合釜、釜顶冷凝器、聚合釜搅拌器、脱气装置和夹套水冷装置等，其中聚合釜有称重传感器、温度传感器、压力传感器和夹套冷却水调节阀，釜顶冷凝器有温度传感器和冷却水调节阀，聚合釜搅拌器有温度传感器和冷却水调节阀、脱气装置有温度传感器和冷却水调节阀。

如图1所示，其采用dcs自动控制系统控制釜温，所述自动控制系统作用于聚合釜的釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀、脱氧装置冷却水调节阀，所述dcs自动控制系统中具有两种控制模式：一种是釜温和釜压串级-分程控制模式，另一种是釜压分程控制模式；在所述dcs控制系统中还预先设定了转化率的计算方法以及转化率第一设定值、转化率第二设定值，其中转化率第一设定值小于转化率第二设定值，反应开始后，根据实时计算所得的转化率，对应选择反应温度的自动控制方式：当转化率的值低于转化率第一设定值时，采用釜温和釜压串级-分程控制模式控制，当转化率的值达到转化率第一设定值后，采用釜压分程控制模式控制，当转化率的值达到转化率第二设定值后，即认为聚合反应结束，则聚合反应程序结束，进入卸料程序和冲洗程序，再进入下一轮聚合反应程序。

如图2所示，所述釜温和釜压-分程串级控制模式是指：以tc调节器为主调节器，它检测和控制聚合釜的温度，以pc调节器为副调节器，它检测和控制聚合釜的压力，由聚合釜压力传感器采集釜压干扰信号，由聚合釜温度传感器采集釜温干扰信号，聚合釜温度传感器采集的釜温信号运算后输入主调节器，主调节器输出信号与聚合釜压力传感器采集的釜压信号运算后输入副调节器，副调节器输出信号分程控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀。tc调节器、pc调节器可参考现有自动控制系统选用。

如图3所示，所述釜压分程控制模式是指：以pc调节器为调节器，它检测和控制聚合釜的压力，由聚合釜压力传感器采集釜压信号，聚合釜压力传感器采集的釜压信号与给定的釜压控制设定值运算后输入调节器，调节器输出信号以分程控制方式控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀。

根据图1，当转化率小于转化率第一设定值时，聚合釜温度与聚合釜气相压力串级控制方式如图2所示，tc调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量(主被控参数)，即聚合釜的温度；pc调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量(副被控参数)，即聚合釜的压力，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。主调节器(tc调节器)输出作为副调节器(pc调节器)设定值，系统通过副调节器(pc调节器)分程控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀的动作，实现对主参数釜温的定值控制。

当转化率达到转化率第一设定值以后，此时由于温度测量的干扰因素增加的影响，此时釜温的控制通过釜压的分程调节来实现。如图2所示，即，给定釜压控制设定值，当压力偏离所述设定值时，pc调节器输出控制信号，根据控制信号的值，分别分程控制釜顶冷凝器的冷却水调节阀、聚合釜夹套冷却水调节阀、聚合釜搅拌冷却水调节阀和脱气装置冷却水调节阀，根据工艺的不同要求，分程调节信号可作调整，以满足压力控制的要求，最终达到精确控制聚合釜釜温的目的。

预设于该dcs自动控制系统中的转化率的计算方法可采用发明内容部分中详述的方法。应用所述控制方法多次试验后证明，该转化率第一设定值优选范围为15％～20％。

图2、图3中，调节阀1、调节阀2……调节阀n，分别指用于釜顶冷凝器的冷却水调节、聚合釜夹套冷却水调节、聚合釜搅拌冷却水调节、脱气装置冷却水调节的各单个阀，在不脱离本发明思想的范围内，还可进一步细化各调节阀的分程构成、调节顺序、调节范围等，以达到精确控制之目的。