聚羧酸減水劑溫度控制優化

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）等產品預反應與主反應滴加環氧乙烷（EO）時，受設備及現場實際運行情況的影響，工藝包原溫度控制方案無法有效控制反應釜溫度的問題，分析原因后優化設計控制方案。投運后，溫度控制效果顯著改善，明顯提升了聚合反應釜溫度控制的穩定性和生產過程的可重復性，在滿足工藝要求的前提下縮短了生產周期。

關鍵詞 分程控制 拆線表功能塊 溫度控制 聚合反應 減水劑

中圖分類號 TP273?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0559?04

作者簡介：練建華（1972-），工程師，從事儀表自動化的維護與管理工作，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化[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：559-562.

聚羧酸減水劑是一種新型環保減水劑，是國內外減水劑研究的熱點。隨著國內減水劑產品需求量的不斷增加以及對產品性能指標要求的提升，目前聚羧酸減水劑生產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過程中，反應溫度對于反應速度的影響較大，如果溫度過低，反應會變緩，不利于效率的提升;如果反應溫度過高，聚合速度會變快，但是會使原料的雙鍵發生斷裂，失去活性，導致產品質量下降。因此，需將溫度控制在合宜的范圍之內（在催化劑用量保持一定水平的情況下，將HPEG溫度調整至125～135 ℃，TPEG溫度控制在120～130 ℃）。在通過聚合反應規模化生產減水劑大單體的過程中，反應釜的溫度控制是重中之重。

1 裝置簡介

聚醚大單體生產工藝已經發展了近百年，成為一種相對成熟的技術，該工藝使用EO作為生產原料，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）進行加成聚合反應，生產不同規格的聚醚大單體產品。該生產工藝包括配置鏈起始劑、原料進料、預反應、主反應、反應熟化、反應卸料、中和反應、排料等步驟;它是一種強放熱反應，并且是間歇性的，部分產物在低溫下容易凝結，黏度較大，易堵塞管道、閥門及測量儀表;參與反應的原料中含有EO氣體，這是一種易燃易爆且高毒的物質，一旦泄漏極易引發火災和爆炸，造成嚴重的安全事故。

隨著該生產工藝的發展，聚醚大單體生產技術也不斷地優化和改進，依次經歷了傳統的攪拌工藝、噴霧式生產工藝以及環路噴射式生產工藝。本裝置工藝技術在Press三代的基礎上進行了放大和多項工藝優化，強化了傳質、傳熱效果，技術具有單線產能大、產品質量好、各批次產品指標穩定、物耗能耗低、裝置安全性高、全自動生產等優點，裝置的主要產品有TPEG、HPEG、EPEG等。工藝流程如圖1所示，預反應如圖2所示，主反應如圖3所示。

2 存在的問題與原因分析

該裝置的主要反應是聚合反應，其反應機理非常復雜，表現出較大的滯后性、慣性和非線性特征。因此，對反應溫度和壓力的精確控制成為確保產品質量的關鍵因素。裝置TPEG、HPEG、EPEG等產品預反應與主反應滴加環氧乙烷（EO）時，受設備及現場實際運行情況的影響，原溫度控制方案無法有效控制反應釜溫度，主要存在四大問題：

a. 反應釜溫度波動大，經常超溫，反應重復性不好;

b. 反應釜溫度的冷、熱水調節閥動作極為頻繁，閥門大幅開關磨損嚴重，導致維修成本高，維修勞動強度大;

c. 無法最大限度地利用系統回收熱;

d. 導熱水余熱回收閥、大循環泵出口調節閥、溫控設定值等處于手動操作，需時刻關注，不斷調整，操作人員操作難度大、勞動強度高。

在反應過程中，反應釜溫度主要通過導熱水系統控制，導熱水溫度通過調節冷水與熱水的配比控制。原溫度控制系統采用了串級加分程控制方案，串級控制的主、副環分別是反應釜物料循環溫度及冷熱水混合后的溫度。導熱水系統的冷水閥和熱水閥分別執行副環的控制任務，并采用分程控制策略。然而，由于反應釜中的聚合反應是強放熱反應，冷水閥和熱水閥均采用了調節性能較差的蝶閥，導致原溫度控制偏離目標值高達±8 ℃，并且常出現超溫現象，無法滿足產品的生產要求。經分析發現，主要是因為溫度變量有滯后性、聚合反應過程的慣性和非線性以及溫度控制系統受到多種干擾因素的影響，同時，反應釜的換熱系統也相當復雜，這些因素都對控制效果產生了不利影響。

3 改進控制方案

3.1 改進思路

針對原控制方案的改進應秉承“簡明實用，易于在控制系統上實施”的原則。

改進的重點放在減少引入的非必要擾動，找到相對穩定的、可控的、對反應釜影響最直接的點進行溫度控制。

通過長時間的觀察，受制于導熱水冷、熱水閥門的選型，冷熱水混合后的溫度控制不穩定，無法作為串級控制的副環，控制方案需要改變;導熱水的余熱回收由操作人員手動控制，余熱回收不及時，導熱水系統不穩定，需要通過程序實現余熱自動回收;主反應大循環泵出口閥由操作人員手動控制，影響大循環的穩定，需要通過程序實現閥門自動調節。

3.2 控制系統改進方案

取消原串級分程控制，由反應釜換熱器出口物料溫度作為控制點直接進行分程控制，同時不采用傳統分程功能塊，由更便于修改和分程方式更多樣化的折線表功能塊代替;將導熱水余熱回收和大循環泵出口閥投自動控制。

3.2.1 預反應釜溫度調節方案

以預反應換熱器E2005出口物料溫度為控制點進行TT2006溫度PID調節，調節器輸出直接分程控制冷、熱水閥門TV2008A和TV2008B，為了便于調整分程點，用兩個折線表功能塊代替分程控制功能塊，除預反應釜溫度調節控制方案進行調整外，其他預反應釜溫度保護措施不變，如圖4所示。

3.2.2 主反應釜溫度調節方案

分別以主反應換熱器E3001和E3002出口物料溫度為控制點進行TT3008和TT3006的溫度PID調節，調節器輸出直接分程控制冷、熱水閥門TV3017A和TV3017B以及TV3016A和TV3016B，為了便于調整分程點，用兩個折線表功能塊代替分程控制功能塊，分別控制主反應小循環和大循環（圖5、6），除主反應釜溫度調節控制方案進行調整外，其他主反應釜溫度保護措施不變。

調整控制方案后，反應釜冷、熱水閥門可以根據需要隨意調整開度，可設置成圖7所示（橫坐標對應的是邏輯塊0～100的輸出）的效果，通過溫度設定值，控制器可高效地對冷、熱水閥門開度進行控制，打破了傳統的分程方式，達到了穩定反應釜溫度的目的。

3.2.3 新增導熱水溫度調節閥TV6001/TV6002的分程調節

對導熱水泵出口溫度TT6029進行PID調節，以及導熱水泵出口溫度TT6029與導熱水罐溫度TT6002做差進行PID調節，兩個控制器的輸出做低選后分程控制導熱水溫度調節閥TV6001和TV6002，如圖8所示。

3.2.4 新增主反應大循環泵出口閥HIC3007的選擇調節和超馳調節

調節器1以單釜EO滴加總量作為變量，調節器2以主反應釜和大循環泵出口壓差（PDIC3008）作為變量，兩個調節器低選，進而控制閥門HIC3007，主反應釜液位設定值作為超馳點，當液位低于設定值時，HIC3007手操器覆蓋選擇控制，直接控制閥門HIC3007，如圖9所示。

上述調整完成后，根據不同生產線有針對性地設置冷、熱水閥門的折線表以及其他控制參數，反應釜溫度控制穩定程度顯著提升，整個聚合過程反應釜不再超溫，溫度控制在目標值±1 ℃，同時生產過程的自控水平得到了很大的提升，整個生產過程均由控制系統自動控制完成，易于控制和操作，減輕了操作人員的勞動強度。

4 結束語

控制方案改進投運后，顯著提升了聚合反應釜溫度控制的穩定性和生產過程的可重復性，還縮短了生產周期。由此可見，選擇相對穩定的反應釜換熱器出口物料溫度作為直接控制點，實施簡單易行，對于冷、熱水閥門的控制也更便于調整，可以適應各類不同產品的溫度控制。

（收稿日期：2023-02-03，修回日期：2023-12-06）