國產110 m 3 聚氯乙烯生產熱水入料工藝優化控制

楊廣鑫，張玉標，宋 磊

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津300455；2.山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧272350）

目前，中國聚氯乙烯工業在智能操作和智能控制方面還有很大空間，需要去探索、挖掘和創新。根據目前聚氯乙烯生產狀況， 等溫水及熱水入料工藝、 升溫反應恒溫控制及產品質量等都得到了改善，且相對穩定。但產量和安全控制方面仍需要進一步的探索和創新，在保證安全的前提下，發揮最大的產能，降低成本，經濟運行。

人工智能涵蓋了先進的自動控制理念、傳統的PID 調節、軟測量技術、模糊算法、多變量非線性控制以及陣列控制，從一維、二維到多維。

1 熱水入料工藝生產現狀

以往中國氯乙烯懸浮聚合入料均采用常溫水入料、夾套升溫工藝，而熱水入料的生產工藝是由夾套升溫期改為熱純水入釜升溫，縮短了聚合的輔助時間，提高了聚氯乙烯樹脂的生產能力。目前，國內一些PVC 生產企業在熱水入料的運行中，常溫純水溫度隨環境溫度的變化而變化，熱水溫度與加入量相對恒定，由此會出現入料結束后釜內溫度達不到反應溫度，由此造成過渡時間長、釜內溫度波動大，致使恒溫反應初期難以控制；氯乙烯懸浮聚合反應放熱速率為非線性，前期及中后期換熱平衡值也有變化，調節參數必須兼顧整個過程的前、中、后期，影響恒溫控制的品質；聚合速率調整則根據操作者的認識而進行。

2 優化熱水入料工藝的控制方案

針對上述問題，結合山東魯泰化學氯乙烯懸浮聚合（國產110 m3聚合釜）熱水入料工藝控制進行優化，得到了較好的效果。從聚氯乙烯樹脂生產特點看，控制產量的因素有2 點，一是調整水油比，利用反應過程單體體積收縮（高達39%）中間注水工藝提高樹脂產量；二是縮短反應周期，在反應溫度可控（保證安全）的工藝條件下，調整引發劑的用量（反應階段的前、中、后期），使聚合反應周期縮短，提高設備的利用率。

2.1 熱水入料工藝

針對熱水入料對聚合分散體系及產品質量的影響，得出熱水入料的加料順序，并采用高濁點的分散劑，得到適合熱水入料的分散劑體系。通過對聚合體系進行熱量衡算，控制冷、熱純水加入量比例，使得入料結束后釜內溫度等于或接近于聚合反應溫度。冷純水受環境溫度影響一般在15~30 ℃，而熱純水基本都控制在100~135 ℃，冷、熱純水的比例約為1∶1~1∶1.1。

氯乙烯懸浮聚合系將液態VCM 在攪拌作用下分散成液滴，懸浮于水介質中的聚合過程。鑒于分散介質純水與油相的流動性，冷純水加入量不宜太少，所以確定為1∶1.1。

冷純水溫度受四季氣溫變化較大， 熱純水溫度必須適應其變化，從而達到熱水入料工藝條件，根據當地氣溫及冷純水溫度， 計算出熱純水溫度需求值。利用Q＝cm（t2－t1）公式，就有Q1=cm1（t－t1）、Q2=cm2（t2－t），設Q1＝Q2（吸收的熱量等于釋放的熱量），即可求得加入熱純水溫度值。但此方法在夾套循環冷卻水調節閥出現內漏等因素時，會導致入料后溫度偏低。

另一方面，隨著釜內溫度的不斷上升，引發劑吸熱也在不斷分解成自由基，并引發VCM 單體自由基聚合反應放熱（放熱速率與選用引發劑的半衰期有關）。為保證不出現升溫過調，必須控制溫升速率，即在熱純水加入管線補加冷純水。溫升速率的計算：根據熱純水加入速度、釜內溫度與反應溫度之差，計算出溫升速率。冷、熱純水工藝流程示意圖見圖1。

2.2 補熱措施

為防止入料過程中非正常情況的出現，程序設計時應考慮夾套補熱水升溫措施。

2.3 聚合速率調整

隨著生產的需求，在穩定質量、保證安全運行的前提下，充分利用設備、縮短聚合反應時間，最大限度提高生產能力。

在氯乙烯自由基聚合的基元反應中，引發反應特別是引發劑分解反應是控制總速率的前一步反應。引發劑分解一般屬于一級反應，即分解速率Rd與引發劑濃度［I］一次方成正比，其數學表達式如下。

式中：kd為分解速率常數（s-1），kd值是衡量引發劑活性的指標，通常約10-4~10-6s-1。

引發劑是調節聚合速率的重要助劑，是縮短反應時間、提高產量（設備利用率）的主要因素之一。在這一方面，均使用半衰期短的高活性和半衰期長的低活性復合型引發劑，以滿足反應過程不同階段的聚合速率。

圖1 冷、熱純水工藝流程示意圖

根據工藝設備的移熱能力及時調整引發劑的用量，是解決上述問題的主要途徑和手段。各企業在這一方面也做了大量的工作，以提高產量。

氯乙烯聚合速率與聚合釜傳熱速率相等，是保證聚合反應溫度恒定的必要條件。實現自動調節引發劑用量的功能，必須解決聚合裝置移熱能力的在線檢測。

傳熱速率Q（kJ/h 或kcal/h）與傳熱面積F（m2）、溫差ΔTm（℃）成正比，比例系數是傳熱系數

因此，要提高傳熱速率需從增加傳熱面、擴大溫差、提高傳熱系數3 方面著手。對于現有的氯乙烯聚合工藝，傳熱面積、傳熱系數已由設備而定，擴大溫差也由工藝所限制（風冷卻循環水受環境溫度影響），應在線檢測換熱效率，及時調整引發劑用量，以達到最佳的生產工況。

設計了對循環冷卻水溫度的在線監視和聚合釜移熱效率的在線檢測計算，通過系統分析評估結果，對引發劑的使用量進行調整。

循環水溫度的在線檢測主要提供日最高溫度和最低溫度、發生的時間段等信息。移熱效率的在線檢測主要根據循環水溫度的變化、循環水流速及流通面積、移出的最大熱量來計算整個聚合裝置的平均移熱效率（0%～100%）及風險指數（0～1）。

本文僅以山東正華生產的引發劑（BNP、CNP）為例，實現引發劑自動調整的控制過程。

為確保安全生產，在不影響PVC 樹脂顆粒形態的前提下，將平均移熱效率控制在75%～85%，風險指數控制在0.95 以下。引發劑的調整量分為低活性0.2～0.6 kg，高活性0.1～0.3 kg，微增快降逐次逼近，確保安全。

應急措施：設定釜溫、釜壓的最高限，當達到該值后，檢測其變化速率，以點加終止劑將其控制在零以下。

2.4 精確控制反應溫度

PVC 的聚合度與引發劑濃度、轉化率無關，僅決定于溫度。氯乙烯自由基聚合主要由鏈引發、鏈增長、歧化終止、向單體鏈轉移四步基元反應組成。聚合反應溫度控制的好壞直接影響樹脂性能，對后續深加工有很大的影響。

多年來，在氯乙烯聚合反應恒溫階段一直沿用著串級調節控制方法，基本滿足生產要求。但由于反應初期得不到有效的控制， 使反應溫度起伏較大，難以控制。雖然熱水入料工藝通過合理計算出冷熱純水的加入比例和溫度，但由于各地區氣候環境的差異以及工藝配管長短和保溫，熱量損失也不同，由此造成從升溫到反應階段的溫度變化較大，給串級調節帶來較大的困難，須經過較長一段時間才能夠穩定。

為此，該公司經過多方面的研究和實踐，利用衛星發射運載火箭原理設計了運載控制模塊，通過該模塊完成過渡控制。設計思路：熱水入料工藝的理想狀態是入料升溫后釜內溫度偏差、 變化率均為零；從另一角度分析，聚合一級反應則是引發劑吸熱分解，當釜內溫度上升到某一程度時，引發劑分解與單體自由基引發反應放熱，此時無需升溫可節省熱源，同時也將使升溫過調的機率降低。

啟動一階運載控制模塊對釜內溫度進行平穩過渡，當釜內溫度進入反應溫度軌跡，即偏差＜±0.5 ℃、偏差變化率＜0.015 時，一階運載控制模塊關閉，由二階串級調節恒溫控制聚合反應； 另一方面就是抗干擾問題， 在反應過程中最大的干擾源為釜頂冷凝器的啟用。在反應階段恒溫控制過程中，增設了智能模糊控制的三道防線，即偏差±0.05 ℃、±0.15 ℃和±0.2 ℃。當反應溫度越過防線后，智能算法根據偏差及偏差變化率進行模糊修正，以此提高了恒溫階段抗干擾能力。

經過一個階段的運行，反應初期最高為57.36 ℃，中期最低位57.11 ℃，后期最低為57.10 ℃，反應溫度超差均長周期穩定在±0.10 ℃左右，整個過程控制精度誤差在±0.2 ℃以內，達到了理想的效果。

2.5 出料工序的優化控制

在熱水入料聚合物后處理工序中普遍存在的問題：一是由于僅以釜內壓力和出料泵電流來判斷水沖洗條件，當出料過濾器不順暢時，出料泵電流同樣會降低，并非出料過程即將結束；二是原工藝設計出料量由出料槽的液位來判斷，致使倒料過程不能實現自動啟停，即出料不能倒料，倒料不能出料的被動局面，制約了聚合物后處理的順暢運行。

一些企業采用了壓差測量（釜壓與管壓之差）來判定出料結束條件。針對這些問題，在原有工藝不增加設備的前提下，利用軟測量技術，在線綜合計算出單臺釜出料量，以此作為判定條件，解決了出料不盡和出料、倒料互不干預，實現了倒料過程的自動控制。

3 結語

針對國產110 m3聚合釜熱水入料工藝的PVC樹脂生產過程控制中， 引入了新的控制理念，實施智能自動控制，自動化水平得到了進一步提升。反應溫度、控制精度高且穩定性好；對工藝、設備的風險在線評估，及時調整引發劑用量，提高設備的利用率；通過采用各種檢測設備（含軟測量技術）、控制算法（模型）及DCS 等智能自動化技術工具，對整個生產流程進行在線檢測、監測、診斷和智能控制，以實現各種最佳的經濟指標，提高了經濟效益和勞動生產率，同時節約能源、改善勞動條件、保護環境。為企業穩定產量、質量及環境保護、安全生產提供了必要的保證。