国产110 m 3 聚氯乙烯生产热水入料工艺优化控制

杨广鑫，张玉标，宋 磊

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津300455；2.山东鲁泰化学有限公司，山东 济宁272350）

目前，中国聚氯乙烯工业在智能操作和智能控制方面还有很大空间，需要去探索、挖掘和创新。根据目前聚氯乙烯生产状况， 等温水及热水入料工艺、 升温反应恒温控制及产品质量等都得到了改善，且相对稳定。但产量和安全控制方面仍需要进一步的探索和创新，在保证安全的前提下，发挥最大的产能，降低成本，经济运行。

人工智能涵盖了先进的自动控制理念、传统的PID 调节、软测量技术、模糊算法、多变量非线性控制以及阵列控制，从一维、二维到多维。

1 热水入料工艺生产现状

以往中国氯乙烯悬浮聚合入料均采用常温水入料、夹套升温工艺，而热水入料的生产工艺是由夹套升温期改为热纯水入釜升温，缩短了聚合的辅助时间，提高了聚氯乙烯树脂的生产能力。目前，国内一些PVC 生产企业在热水入料的运行中，常温纯水温度随环境温度的变化而变化，热水温度与加入量相对恒定，由此会出现入料结束后釜内温度达不到反应温度，由此造成过渡时间长、釜内温度波动大，致使恒温反应初期难以控制；氯乙烯悬浮聚合反应放热速率为非线性，前期及中后期换热平衡值也有变化，调节参数必须兼顾整个过程的前、中、后期，影响恒温控制的品质；聚合速率调整则根据操作者的认识而进行。

2 优化热水入料工艺的控制方案

针对上述问题，结合山东鲁泰化学氯乙烯悬浮聚合（国产110 m3聚合釜）热水入料工艺控制进行优化，得到了较好的效果。从聚氯乙烯树脂生产特点看，控制产量的因素有2 点，一是调整水油比，利用反应过程单体体积收缩（高达39%）中间注水工艺提高树脂产量；二是缩短反应周期，在反应温度可控（保证安全）的工艺条件下，调整引发剂的用量（反应阶段的前、中、后期），使聚合反应周期缩短，提高设备的利用率。

2.1 热水入料工艺

针对热水入料对聚合分散体系及产品质量的影响，得出热水入料的加料顺序，并采用高浊点的分散剂，得到适合热水入料的分散剂体系。通过对聚合体系进行热量衡算，控制冷、热纯水加入量比例，使得入料结束后釜内温度等于或接近于聚合反应温度。冷纯水受环境温度影响一般在15~30 ℃，而热纯水基本都控制在100~135 ℃，冷、热纯水的比例约为1∶1~1∶1.1。

氯乙烯悬浮聚合系将液态VCM 在搅拌作用下分散成液滴，悬浮于水介质中的聚合过程。鉴于分散介质纯水与油相的流动性，冷纯水加入量不宜太少，所以确定为1∶1.1。

冷纯水温度受四季气温变化较大， 热纯水温度必须适应其变化，从而达到热水入料工艺条件，根据当地气温及冷纯水温度， 计算出热纯水温度需求值。利用Q＝cm（t2－t1）公式，就有Q1=cm1（t－t1）、Q2=cm2（t2－t），设Q1＝Q2（吸收的热量等于释放的热量），即可求得加入热纯水温度值。但此方法在夹套循环冷却水调节阀出现内漏等因素时，会导致入料后温度偏低。

另一方面，随着釜内温度的不断上升，引发剂吸热也在不断分解成自由基，并引发VCM 单体自由基聚合反应放热（放热速率与选用引发剂的半衰期有关）。为保证不出现升温过调，必须控制温升速率，即在热纯水加入管线补加冷纯水。温升速率的计算：根据热纯水加入速度、釜内温度与反应温度之差，计算出温升速率。冷、热纯水工艺流程示意图见图1。

2.2 补热措施

为防止入料过程中非正常情况的出现，程序设计时应考虑夹套补热水升温措施。

2.3 聚合速率调整

随着生产的需求，在稳定质量、保证安全运行的前提下，充分利用设备、缩短聚合反应时间，最大限度提高生产能力。

在氯乙烯自由基聚合的基元反应中，引发反应特别是引发剂分解反应是控制总速率的前一步反应。引发剂分解一般属于一级反应，即分解速率Rd与引发剂浓度［I］一次方成正比，其数学表达式如下。

式中：kd为分解速率常数（s-1），kd值是衡量引发剂活性的指标，通常约10-4~10-6s-1。

引发剂是调节聚合速率的重要助剂，是缩短反应时间、提高产量（设备利用率）的主要因素之一。在这一方面，均使用半衰期短的高活性和半衰期长的低活性复合型引发剂，以满足反应过程不同阶段的聚合速率。

图1 冷、热纯水工艺流程示意图

根据工艺设备的移热能力及时调整引发剂的用量，是解决上述问题的主要途径和手段。各企业在这一方面也做了大量的工作，以提高产量。

氯乙烯聚合速率与聚合釜传热速率相等，是保证聚合反应温度恒定的必要条件。实现自动调节引发剂用量的功能，必须解决聚合装置移热能力的在线检测。

传热速率Q（kJ/h 或kcal/h）与传热面积F（m2）、温差ΔTm（℃）成正比，比例系数是传热系数

因此，要提高传热速率需从增加传热面、扩大温差、提高传热系数3 方面着手。对于现有的氯乙烯聚合工艺，传热面积、传热系数已由设备而定，扩大温差也由工艺所限制（风冷却循环水受环境温度影响），应在线检测换热效率，及时调整引发剂用量，以达到最佳的生产工况。

设计了对循环冷却水温度的在线监视和聚合釜移热效率的在线检测计算，通过系统分析评估结果，对引发剂的使用量进行调整。

循环水温度的在线检测主要提供日最高温度和最低温度、发生的时间段等信息。移热效率的在线检测主要根据循环水温度的变化、循环水流速及流通面积、移出的最大热量来计算整个聚合装置的平均移热效率（0%～100%）及风险指数（0～1）。

本文仅以山东正华生产的引发剂（BNP、CNP）为例，实现引发剂自动调整的控制过程。

为确保安全生产，在不影响PVC 树脂颗粒形态的前提下，将平均移热效率控制在75%～85%，风险指数控制在0.95 以下。引发剂的调整量分为低活性0.2～0.6 kg，高活性0.1～0.3 kg，微增快降逐次逼近，确保安全。

应急措施：设定釜温、釜压的最高限，当达到该值后，检测其变化速率，以点加终止剂将其控制在零以下。

2.4 精确控制反应温度

PVC 的聚合度与引发剂浓度、转化率无关，仅决定于温度。氯乙烯自由基聚合主要由链引发、链增长、歧化终止、向单体链转移四步基元反应组成。聚合反应温度控制的好坏直接影响树脂性能，对后续深加工有很大的影响。

多年来，在氯乙烯聚合反应恒温阶段一直沿用着串级调节控制方法，基本满足生产要求。但由于反应初期得不到有效的控制， 使反应温度起伏较大，难以控制。虽然热水入料工艺通过合理计算出冷热纯水的加入比例和温度，但由于各地区气候环境的差异以及工艺配管长短和保温，热量损失也不同，由此造成从升温到反应阶段的温度变化较大，给串级调节带来较大的困难，须经过较长一段时间才能够稳定。

为此，该公司经过多方面的研究和实践，利用卫星发射运载火箭原理设计了运载控制模块，通过该模块完成过渡控制。设计思路：热水入料工艺的理想状态是入料升温后釜内温度偏差、 变化率均为零；从另一角度分析，聚合一级反应则是引发剂吸热分解，当釜内温度上升到某一程度时，引发剂分解与单体自由基引发反应放热，此时无需升温可节省热源，同时也将使升温过调的机率降低。

启动一阶运载控制模块对釜内温度进行平稳过渡，当釜内温度进入反应温度轨迹，即偏差＜±0.5 ℃、偏差变化率＜0.015 时，一阶运载控制模块关闭，由二阶串级调节恒温控制聚合反应； 另一方面就是抗干扰问题， 在反应过程中最大的干扰源为釜顶冷凝器的启用。在反应阶段恒温控制过程中，增设了智能模糊控制的三道防线，即偏差±0.05 ℃、±0.15 ℃和±0.2 ℃。当反应温度越过防线后，智能算法根据偏差及偏差变化率进行模糊修正，以此提高了恒温阶段抗干扰能力。

经过一个阶段的运行，反应初期最高为57.36 ℃，中期最低位57.11 ℃，后期最低为57.10 ℃，反应温度超差均长周期稳定在±0.10 ℃左右，整个过程控制精度误差在±0.2 ℃以内，达到了理想的效果。

2.5 出料工序的优化控制

在热水入料聚合物后处理工序中普遍存在的问题：一是由于仅以釜内压力和出料泵电流来判断水冲洗条件，当出料过滤器不顺畅时，出料泵电流同样会降低，并非出料过程即将结束；二是原工艺设计出料量由出料槽的液位来判断，致使倒料过程不能实现自动启停，即出料不能倒料，倒料不能出料的被动局面，制约了聚合物后处理的顺畅运行。

一些企业采用了压差测量（釜压与管压之差）来判定出料结束条件。针对这些问题，在原有工艺不增加设备的前提下，利用软测量技术，在线综合计算出单台釜出料量，以此作为判定条件，解决了出料不尽和出料、倒料互不干预，实现了倒料过程的自动控制。

3 结语

针对国产110 m3聚合釜热水入料工艺的PVC树脂生产过程控制中， 引入了新的控制理念，实施智能自动控制，自动化水平得到了进一步提升。反应温度、控制精度高且稳定性好；对工艺、设备的风险在线评估，及时调整引发剂用量，提高设备的利用率；通过采用各种检测设备（含软测量技术）、控制算法（模型）及DCS 等智能自动化技术工具，对整个生产流程进行在线检测、监测、诊断和智能控制，以实现各种最佳的经济指标，提高了经济效益和劳动生产率，同时节约能源、改善劳动条件、保护环境。为企业稳定产量、质量及环境保护、安全生产提供了必要的保证。