聚苯硫醚聚合釜溫度控制方案

李 榮

(四川信息職業技術學院電氣工程系)

聚苯硫醚聚合釜溫度控制方案

李 榮

(四川信息職業技術學院電氣工程系)

分析聚苯硫醚(PPS)的生產工藝流程。針對PPS聚合釜各階段溫度的特點，提出相應的溫度控制方案。各控制方案使聚合釜溫度得到了精確控制，使PPS的質量和產量得到了提高。

溫度控制方案 PPS聚合釜 調節閥

聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,PPS)是一種新型高性能熱塑性樹脂，因具有優良的耐熱性、電絕緣性、粘結性、適當的強度和自息性[1]，已成為電子信息、航天、能源、環保及汽車等高新技術行業的重要基礎材料。目前，我國PPS的生產已經進入了一個飛速發展的時期。

PPS是一種結晶性聚合物，聚合度是其最重要的質量指標之一。生成PPS的聚合反應是一個放熱反應，具有復雜性和難以控制的特點。在反應過程中，PPS聚合釜的各工藝參數相互影響、相互制約，參數的控制效果將直接影響PPS的質量，因此對聚合釜各工藝參數的控制精度要求非常高。聚合釜的各工藝參數中，溫度控制是最大的難點，是影響PPS質量的關鍵參數，同時對聚合度的影響也極大，因此只有使聚合釜的溫度得到最佳控制，才能得到高質量的PPS。

1 工藝流程簡介

PPS生產工藝流程可分為合成工序、冷卻工序、分離工序、洗滌工序、干燥工序和包裝工序。其中合成工序是PPS生產最為關鍵的工序，聚合釜是合成工序中的關鍵設備。

合成工序的工藝流程為：各原料按照一定比例和順序加入聚合釜中并進行攪拌，然后將聚合釜的溫度上升到工藝所需溫度，使各原料在該溫度下在聚合釜內進行聚合反應，反應完成后，合成的PPS料漿進入下一工序，經過冷卻、分離、洗滌及干燥等工序后，最終完成成品包裝。

2 聚合釜溫度控制方案

2.1 溫度控制過程

聚合釜溫度控制過程(圖1)包括升溫、過渡、恒溫和降溫4個階段。第1階段為升溫階段，將各原料加入聚合釜并攪拌后，通過蒸汽加熱的方式將聚合釜內的溫度快速上升至工藝要求的溫度，然后進行聚合反應。第2階段為過渡階段，在聚合釜升溫后期，在聚合釜內物料溫度接近反應溫度的同時，聚合反應釋放的熱量也逐漸加大，此時需要抑制反應溫度的上升速率，使升溫吸熱的溫度平滑過渡到聚合放熱的溫度，這一溫度稱為拐點溫度。第3階段為恒溫階段，由于聚合反應釋放出大量的熱量，工藝需要將此熱量平穩地轉移，但是聚合反應釋放的熱量是不均勻的，因此控制好此階段聚合釜的溫度使之保持平穩，是保證PPS質量的關鍵。第4階段為降溫階段，聚合釜內因液相物料的減少，壓力開始下降，聚合反應的速度也迅速降低，最后隨著溫度的降低反應終止。

圖1 聚合釜反應溫度曲線

目前，PPS聚合釜的溫度控制方案很多，針對PPS聚合釜反應溫度的特點，筆者采用溫度拐點優化控制、串級調節控制等方案相結合的方式，對聚合釜溫度進行控制，以滿足生產工藝的要求。

2.2 升溫階段溫度控制

升溫階段溫度控制采用溫度-蒸汽單回路變給定值調節方案，即根據聚合釜溫度的上升速率，每隔一段時間由DCS程序自動設定溫度升溫曲線，跟隨時間修改溫度設定值，使溫度迅速達到工藝設定值。為了縮短升溫時間，聚合釜開始升溫階段，對聚合釜加熱蒸汽流量采取位式控制，即全開蒸汽調節閥，將蒸汽通入聚合釜夾套層內，使釜內溫度迅速升高。同時，為了使聚合釜溫度能夠平穩地過渡到恒溫階段，避免溫度超過設定值，需要結合工藝操作人員的經驗設置一個切換溫度值(低于溫度設定值)。當聚合釜溫度達到切換溫度時，溫度控制程序進入過渡階段的緩沖控制程序，使聚合釜溫度平穩地過渡到溫度設定值。

2.3 過渡階段溫度控制

過渡階段溫度控制采用溫度拐點優化控制方案，即升溫階段切向恒溫階段時，使溫度波動最小、穩定時間最短、拐點溫度控制在期望值以內的優化控制方案。該方案具有較強的自適應能力，能夠克服工況波動。具體的溫度控制過程如下：

a. 根據升溫速率、聚合釜內溫度偏差和夾套蒸汽溫度決定切斷蒸汽調節閥和打開冷卻水調節閥的時機；

b. 根據聚合釜內溫度的變化(偏差和偏差變化率)、夾套冷卻水的壓力和溫度，自動計算夾套冷卻水調節閥的開度與時間，并根據計算結果確定恒溫階段控制開啟時機，即將串級控制系統投入自動控制的時機。

2.4 恒溫階段溫度控制

為了克服聚合釜溫度滯后的問題，恒溫階段采用串級調節控制方案。如圖2所示，選取聚合釜內溫度為主調節對象，聚合釜夾套內冷卻水溫度為副調節對象，構成一個閉環負反饋控制調節系統。串級控制系統的副控制回路不僅能及時克服夾套冷卻水溫度變化引起的干擾，而且能加速克服聚合釜溫度主回路的干擾，從而減少對聚合釜溫度的擾動，使控制系統品質大幅提高。

圖2 串級調節控制系統框圖

在結構上，串級調節控制由主回路和副回路兩個閉合回路組成，主調節器與副調節器串聯工作；主調節器的輸出作為副調節器的設定值，最后由副調節器輸出控制執行器的動作，實現對主參數的控制。系統中，主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用[2,3]，通過兩者的協同配合，使主參數能夠準確地控制在工藝要求范圍內。

2.5 降溫階段溫度控制

降溫階段溫度控制采用位式控制方法，即在恒溫階段反應結束時，開始對聚合釜降溫，全開夾套冷卻水調節閥，使聚合釜溫度降至工藝要求的預定值，最后完成降溫過程，生成的PPS漿液進入下一道工序。

3 結束語

PPS聚合釜溫度的控制效果直接影響PPS的質量，為此，筆者針對聚合釜聚合反應不同階段的溫度特點，采取了不同的溫度控制方案，使聚合釜的溫度達到聚合反應溫度的設定值，實現溫度的精確控制，解決了聚合釜溫度控制難的問題，滿足了工藝需要，使PPS的質量和產量得到了大幅提高。

[1] 左景伊,左禹.腐蝕數據與選材手冊[M].北京:化學工業出版社,1995:1041.

[2] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2000:340.

[3] 張華莎.石油化工罐區自動控制系統和生產管理系統[J].石油化工自動化,2016,52(1):7～14.

李榮(1965-)，高級工程師，從事工業企業節能、電氣傳動控制、過程自動化設計、自動控制的教學與研究，285911250@qq.com。

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