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      F46聚合反應釜溫度智能控制設計及應用

      發布日期:[ 2013年7月17日 ] 共閱[ 3042 ]次

      前言

      聚合產品質量控制極其復雜,產品質量對反應條件非常敏感,投料、升溫、恒溫中的任何一個環節都有可能影響產品質量,因此聚合產品生產采取閉環控制很困難,聚合釜運行參數的高度非線性、產品質量無法實時在線測量、聚合產物的目標函數難以獲取等都是控制中的難點。本文首先分析了聚合反應釜的工藝特點,根據間歇操作聚合釜造成的工藝條件不確定的問題提出了采用分段切換控制的方法,在聚合反應的不同階段根據其反應特點采用相應的智能控制方法。該方案在原有DCS控制系統中通過SCX編程語言實現,實際運行的結果表明,智能控制方案對聚合溫度的控制明顯優于原有PID方案,其穩定情況和溫度超調都符合工藝要求。

      工藝背景

      F46聚合反應釜工藝流程,控制反應溫度的冷水閥和蒸汽閥位于反應釜體側面。聚合反應過程從工藝上劃分可分為升溫階段、恒溫過渡階段、恒溫反應階段、反應結束降溫階段。根據工藝要求,反應溫度的控制精度應為±1℃左右。由于本對象聚合反應屬于放熱過程,且在高溫狀態下,反應更加劇烈,為保證安全生產,原則上在恒溫反應階段,蒸汽閥一直處于關閉狀態,溫度調節通過控制冷水閥來實現。

      F46聚合反應溫度控制中的主要問題及其解決方案

      2.1 F46聚合反應溫度控制中的主要問題

      F46聚合過程的聚合釜采用間歇式操作,由于無法對產品質量進行實時檢測,故將反應釜內溫度作為控制產品質量的主要指標,一般聚合過程分為升溫、過渡、恒溫反應、降溫4個階段,反應釜溫度通過往夾套中注入的蒸汽和冷卻水來控制,反應裝置控制采用DCS集散控制系統,雖然可以對反應過程中的過程量進行實時監控,但原有控制方案采用傳統的PID控制,無法克服聚合對象的非線性、大時滯造成的超調問題,其聚合釜溫度控制效果如圖2所示,溫度測量值波動約為溫度設定值±5℃之間;同時原有控制方案的自動化程度較低,人工操作比重很大,對操作人員的操作水平要求高,勞動強度比較大。由于操作人員的水平差異,產品質量時好時壞,合格率低,經常出現溫度嚴重超標或停釜現象,產品質量和經濟效益受到嚴重影響。

      2.2 F46聚合反應溫度控制的解決方案

      聚合釜的溫度是整個生產過程中最主要的控制參數,如果聚合溫度超出一定的偏差,就會影響產品的質量。因此,只有將釜溫控制在工藝要求的范圍內,才可以保證產品質量和生產的穩定運行。

      在整個過程中,由于聚合反應的復雜性和難以在線測量反應物的組分,因此,對間歇聚合反應器的控制從根本上來說就是對反應溫度的控制。結合 F46聚合的工藝特點,可以把聚合釜的溫度控制分為:升溫、過渡、恒溫反應和降溫4個階段。針對每個不同階段采取不同的控制方案,具體介紹如下。

      2.2 .1升溫階段

      在加入水、單體以及各種助劑后,用蒸汽把聚合釜內混合物料升到一定的溫度,以引發聚合反應。這一階段的主要作用是通過夾套循環水加熱升溫通過釜壁傳熱將聚合釜內的物料溫度升至工藝要求的反應溫度控制點。實際上在升溫的過程中物料已開始反應,這時生成的聚合物往往分子量偏低,這是應該避免的,因此,這一階段的關鍵點是以最快的速度升至要求的反應溫度,減小聚合度的散布。使聚合釜內溫度迅速接近反應設定溫度,這樣既縮短了反應周期,又提高了聚合釜的利用率。為了實現快速達到反應溫度,也可以將加入聚合釜內的水先預熱到接近目標溫度。

      2.2 .2過渡階段

      從關閉蒸汽到釜內溫度升到反應的設定溫度,這一階段稱為過渡階段。這個階段需要使釜內物料溫度快速、平穩地升到設定溫度??刂聘獌葴囟鹊纳仙俣扰c設定的反應溫度曲線保持一致。在這一階段,由于釜內物料溫度接近反應溫度控制點時,已經是放熱反應,為防止反應熱的滯后效應引起的溫度過度上升,關鍵點是如何實現升溫吸熱和聚合放熱的平滑過渡。同時,過渡階段還有一個目的是用循環冷卻水將夾套內的蒸汽置換出去,使夾套溫度降到某一適當溫度,以滿足反應釜從夾套加熱轉換為將釜內熱量向夾套內冷卻介質傳遞。過渡階段中聚合釜溫度及夾套溫度的變化對整個聚合反應期間的溫度控制精度及平衡度有相當大的影響。

      2. 2. 3恒溫反應階段

      當釜內溫度達到聚合設定溫度以后,一直到出料為止稱為恒溫反應階段。在這一階段,要求平穩地轉移聚合反應過程中所釋放的反應熱,保證聚合溫度的控制精度。這個階段的主要目標是使釜內溫度穩定在聚合反應的設定溫度附近,溫度波動小于土l℃。此外,由于在聚合反應過程恒溫階段釜內壓力和釜內溫度是非線性的,釜內的壓力是隨釜內壓力和釜內溫度是非線性的,釜內的壓力是隨釜內溫度變化而變化的,它的變化規律與溫度滿足一定的關系。且壓力對釜內反應狀況的響應要比溫度快,在方案設計上把釜壓作為一個前饋量補償到串級回路的輸出端。分程控制閥門的開度與輸出關系如圖3所示。

      由于聚合釜溫度是一個純滯后、大慣性的控制對象,在恒溫階段PID串級調節中,由于積分作用是消除余差的,也就是說,只要有偏差,就會不斷地積分。而聚合反應過程中會長期存在較小的偏差,這樣積分就容易飽和造成過調。實踐證明,所提方案在聚合控制中十分有效。

      2 .2 .4降溫階段

      反應后期,當轉化率達到70%以上時,反應器內釜壓開始下降,反應速度迅速降低,這時需要加入終止劑終止反應,同時關閉熱水閥,打開冷水閥進行聚合釜降溫處理。

      智能控制器設計及實施效果

      該智能控制方案實際應用的結果表明所采用的智能控制方案對聚合溫度的控制明顯優于原有PID 方案,其穩定情況和溫度超調都符合工藝要求。分段切換控制解決了對反應質量影響較大的初期溫度振蕩問題,大大減輕了操作人員的勞動強度,并提高了整個系統的操作質量,具體的實現過程及實際運行效果如下。

      3.1升溫自動控制

      自動升溫過程中一直存在關閉蒸汽時間點問題,人工控制的情況下,由于經驗問題,可能會過早關閉蒸汽,導致反應釜升溫不足而進行二次升溫,反應效率降低;由于觀測不及時也可能導致升溫過度,夾套和反應釜溫度很高,從而可能超過安全界限,導致生產事故。對此,采用基于專家知識的控制方案來解決,根據反應釜內測量溫度與升溫設定溫度之差,依據經驗和實際對象的現場調試,來得到相應的蒸汽閥開度。

      在方案設計中,升溫設定值可以通過人工在線修改,同時還需要設置手/自動切換開關,從而在工藝條件發生改變或者安全需要時,控制系統能夠及時調整而不影響生產。

      升溫自動控制效果如圖4所示。

      3.2恒溫過渡控制

      對于恒溫過渡階段而言,此時的聚合反應還處 于初步階段,反應并不劇烈,放熱很少,反應釜溫度 對冷卻介質非常敏感。對于恒溫過渡階段經常出現 的夾套溫度下降過快或者下降緩慢造成的內溫超調問題,經過改進后果取了變夾套溫度設定值的單回路串級切換控制方案,這種設計既避免夾套溫度下降太快造成釜溫下降,又可以將夾套溫度快速降到適當溫度,保證釜溫快速平穩地過渡到設定的反應溫度。

      3.3恒溫反應控制

      恒溫反應階段,聚合反應開始時隨著反應的進行放出大量的熱,溫度越高則反應越劇烈,放熱越多,放熱越多則溫度越高,這個過程是一個不平衡的過程。對于恒溫反應階段的問題,設計了專用智能控制器,控制器能夠根據溫度偏差和偏差變化率及時調整控制器的參數.有效地抑制了溫度的超調和振蕩。恒溫反應階段的溫度基本控制在±l℃偏差內,恒溫反應控制效果如圖5所示。從而明顯提高力產品質量。

      結論

      根據聚合反應不同階段的特點,設計r基于智能控制的控制方案,其中針對聚合反應升溫階段的特點設計了升溫結束節點自動控制方案,在恒溫過渡階段設計了變設定值單回路一串級控制,對于恒溫反應階段設計了專用智能控制器。通過新控制方案與原有方案在各個反應階段的控制效果比較表明,新的控制方案解決了原有控制方案下存在溫度控制波動犬的問題,獲得了滿意的工藝精度,并顯著提高了控制系統的自動化程度。

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