聚偏氯乙烯樹脂裝置的智能化提升

童昕，呂穎琦

（浙江衢州巨塑化工有限公司，浙江 衢州 324004）

聚偏氯乙烯（PVDC）樹脂是以偏二氯乙烯（VDC）單體為主要成分的共聚物，是一種無毒無味、安全可靠的高阻隔性的包裝材料。除具有塑料的一般性能外，還具有耐油性、耐腐蝕性、保味性以及優(yōu)異的防潮、防霉性能，可直接與食品進(jìn)行接觸等性能[1]。廣泛應(yīng)用于食品、藥品和軍工等領(lǐng)域。PVDC 樹脂的特性，使之在塑料包裝行業(yè)，特別是食品包裝行業(yè)占據(jù)著重要的位置，被譽(yù)為“綠色包裝”材料。

國內(nèi)僅有衢州巨塑化工有限公司和南通匯羽豐公司2家生產(chǎn)商。其中巨塑化工有限公司PVDC車間樹脂生產(chǎn)裝置已發(fā)展成為國內(nèi)最大的PVDC樹脂生產(chǎn)裝置。但就現(xiàn)有PVDC樹脂裝置自動化水平較國外先進(jìn)控制相比，仍存在一定差距，員工操作不一致使得生產(chǎn)的產(chǎn)品批次之間的穩(wěn)定性不足，對樹脂品質(zhì)造成影響。

而下游客戶對樹脂產(chǎn)品的要求越來越高，因此必須升級改造聚合裝置的硬件和軟件，提高自動化控制水平，減少人為對裝置的干預(yù)，提高樹脂批次之間的穩(wěn)定性，最終使得產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、產(chǎn)量雙提升，以提高PVDC聚合裝置全球競爭力。

1 工藝流程

PVDC樹脂工藝流程見圖1。

圖1 PVDC樹脂工藝流程Fig 1 PVDC resin production process

根據(jù)準(zhǔn)備生產(chǎn)的樹脂號確定配方，先將降溫合格的一定量去離子水加入聚合釜中，并啟動攪拌，同時向釜內(nèi)加入緩沖劑。然后封釜用N2試壓，合格后，對聚合釜抽真空，在規(guī)定時間內(nèi)釜內(nèi)壓力變化符合要求后進(jìn)行投料操作。待所有原料投完后調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速并升溫至規(guī)定量開始進(jìn)行聚合反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，未反應(yīng)的單體經(jīng)過泡沫捕集器后走尾氣回收系統(tǒng)進(jìn)行單體的回收。釜內(nèi)樹脂進(jìn)入脫析槽后用熱真空方式進(jìn)行脫析，單體殘留合格的樹脂懸浮液送離心工序進(jìn)行分離，離心機(jī)下料的濕物料由螺旋輸送機(jī)送入流化床，用熱風(fēng)進(jìn)行干燥，干燥后的樹脂通過篩分后采用脈沖輸送的方式送至成品包裝。

2 存在主要問題

2.1 助劑配置系統(tǒng)

樹脂助劑種類多，配置和計(jì)量系統(tǒng)手動操作仍較多。如緩沖劑配置加水、氯乙烯（VC）備料和投料水槽液位控制均需人工手動配置和調(diào)節(jié)，此外分散劑、緩沖劑等助劑升溫均需人工操作確認(rèn)，確認(rèn)指標(biāo)多，目前存在較多手動操作次數(shù)容易出現(xiàn)人為的失誤，助劑配置好壞決定樹脂的品質(zhì)。

2.2 聚合投料系統(tǒng)

樹脂投料過程仍存在助劑計(jì)量手動操作確認(rèn)，聚合入料需要部分人工確認(rèn)，操作頻次較高；引發(fā)劑黏性比較大，殘留的引發(fā)劑會逐漸與VDC 單體自聚反應(yīng)，造成三通閥、管道阻塞，引發(fā)劑入料量波動大對樹脂批次之間的穩(wěn)定性存在較大風(fēng)險(xiǎn)；另聚合釜試壓試漏過程均需人工操作確認(rèn)，過程操作較為頻繁且復(fù)雜，人工確認(rèn)指標(biāo)數(shù)據(jù)較多，容易出現(xiàn)人為的失誤，造成生產(chǎn)事故。

2.3 聚合釜溫控程序

聚合溫控過程屬于變溫、攪拌變速過程，聚合反應(yīng)對溫控要求較高，且影響溫控偏差因素較多，閥門、儀表測量點(diǎn)和循環(huán)水溫變化等對其都有影響。聚合溫控過程共分3個階段：一是升溫階段，二是溫控斜率不變時的溫控階段，三是溫控拐點(diǎn)階段（溫控斜率突然變化）。其中升溫階段的操作復(fù)雜要求較高，崗位員工操作水平參差不齊，操作強(qiáng)度較大，若員工操作不仔細(xì)容易出現(xiàn)操作人為干預(yù)偏差較大，操作重復(fù)性不高，操作難度大，拐點(diǎn)較多，拐點(diǎn)位置偏差最大可到0.8 ℃，大大影響樹脂質(zhì)量的穩(wěn)定性。最終導(dǎo)致樹脂分子量波動，吹膜不均勻，晶點(diǎn)多易破泡，后加工處理困難，下游廠家投訴率高。

2.4 脫析系統(tǒng)

手動操作樹脂脫析系統(tǒng)易產(chǎn)生黑黃點(diǎn)。出現(xiàn)黑黃點(diǎn)問題的原因主要是己二蒸汽壓力波動大引起新聚合脫析槽蒸汽溫度波動，最高達(dá)280 ℃，而原有脫析DCS 操作過程中，脫析槽蒸汽管線上的根部蒸汽切斷閥始終處于開的狀態(tài)，故此脫析槽蒸汽盤管處存在明顯樹脂烤焦積料。此外現(xiàn)有脫析槽蒸汽切斷閥和手閥存在內(nèi)漏現(xiàn)象，容易使得脫析槽內(nèi)的樹脂倒入蒸汽管道內(nèi)，把樹脂烤焦，存在較大的樹脂質(zhì)量隱患。

2.5 成品混料系統(tǒng)

成品部分工藝落后，如部分助劑為人工稱量并添加，包裝下料口采用磁棒箱來除去金屬雜質(zhì)，亦采用人工拆除清理磁棒箱極易將外來雜質(zhì)帶入裝置系統(tǒng)的可能，此外隨著產(chǎn)量增加，尤其夏季水溫偏高，混料系統(tǒng)恒溫過程較難控制，導(dǎo)致攪和機(jī)經(jīng)常跳停，影響樹脂產(chǎn)品質(zhì)量。

3 裝置的智能化提升

3.1 聚合備料和助劑裝置

新增引發(fā)劑、分散劑、緩沖劑等配置槽DCS攪拌開停信號，并結(jié)合將手工操作（升溫和降溫）全部糅合到DCS 系統(tǒng)中，模仿人工操作編輯程序化，實(shí)現(xiàn)各助劑一鍵配料，大幅減少配方工勞動強(qiáng)度，同時提高助劑配置的穩(wěn)定性。

VC備料過程操作較為頻繁，人工確認(rèn)指標(biāo)數(shù)據(jù)較多，容易出現(xiàn)人為的失誤，造成生產(chǎn)事故。故此模擬人工手動VC 進(jìn)料，同時根據(jù)VC 儲槽液位、壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化編輯VC備料程序，實(shí)現(xiàn)一鍵VC備料，避免人為確認(rèn)各指標(biāo)失誤造成裝置安全事故。

由于高純水系統(tǒng)涉及各水槽液位關(guān)聯(lián)性大，DCS 操作頻繁，故此取消各水槽液位的定量設(shè)定控制，根據(jù)產(chǎn)水量、用水負(fù)荷和權(quán)重自動調(diào)整各水槽液位目標(biāo)量，實(shí)現(xiàn)零操作。

因引發(fā)劑存放溫度要求較高，溫度波動對安全存在一定隱患。故此將引發(fā)劑儲槽控溫加入前饋控制，當(dāng)引發(fā)劑液位變化時全開閥門進(jìn)行降溫，消除人員操作，提高溫控的控制精度和裝置的本質(zhì)安全。

3.2 投料裝置

針對引發(fā)劑管經(jīng)常堵塞問題，將引發(fā)劑入料切斷閥更換為入料角閥，避免引發(fā)劑殘留在管壁上，減少閥門自聚現(xiàn)象。該舉措大幅降低投料過程引發(fā)管堵造成引發(fā)劑入料不準(zhǔn)影響聚合反應(yīng)，最終使得樹脂產(chǎn)品品質(zhì)波動；同時延長引發(fā)劑管清洗周期，降低檢維修工作量。

聚合投料過程各單元相關(guān)性較大，程序復(fù)雜，為避免聚合投料因閥門故障引起程序緊停，導(dǎo)致人為DCS 誤操作。將在投料前對重要閥門進(jìn)行程序預(yù)檢，同時增加重要儀表點(diǎn)的故障判斷，實(shí)現(xiàn)一鍵投料過程零操作，減少人工干預(yù)對投料影響。此外聚合一鍵投料過程中增加了投料偏差自動修正功能，提高投料精準(zhǔn)度，從而保證各釜樹脂之間的穩(wěn)定性。

通過對每臺釜的放空管線增加1 個DCS 程控閥，并將整個試壓試漏過程需要人工操作確認(rèn)的步驟進(jìn)行程序化固定操作，不僅降低了員工勞動強(qiáng)度，同時減少了人為干擾誤操作。

3.3 聚合溫控程序

1）完善聚合升溫程序，如升溫前需手動開循環(huán)水泵（增加聚合循環(huán)泵DCS信號開停），指標(biāo)優(yōu)化，減少人工確認(rèn)頻次。

2）聚合釜拐點(diǎn)采用循環(huán)水溫度、釜溫變化率、釜溫二次變化率及夾套溫度綜合判斷，綜合考慮各個因素的影響，首次實(shí)現(xiàn)零手動過拐點(diǎn)，溫控全流程零手動操作；其中升溫拐點(diǎn)目前在人工在原有溫控曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)，提前進(jìn)行干預(yù)控制，并進(jìn)行PID參數(shù)微調(diào)，經(jīng)過多次測試修改后，目前升溫時溫控偏差已由原有的±0.8 ℃降低至現(xiàn)有的±0.5 ℃以下；拐點(diǎn)溫控偏差由原有的±0.3 ℃降低至現(xiàn)有的±0.2 ℃以下。

3）當(dāng)聚合釜反應(yīng)到末期時，自動判斷打終止劑。在反應(yīng)過程中，程序自動檢測壓降，然后根據(jù)壓降和反應(yīng)時間彈出操作界面提示，提示操作員終止反應(yīng)。

4）對聚合熱水槽溫度和液位進(jìn)行批量PID整定優(yōu)化，減少熱水對升溫過程影響，同時可降低蒸氣耗。

3.4 脫析溫控程序

針對脫析槽中易產(chǎn)生黑黃點(diǎn)影響樹脂品質(zhì)，在蒸汽調(diào)節(jié)閥前新增一個切斷閥，同時進(jìn)脫析槽前蒸汽管線上增加DCS 壓力，并將脫析槽壓力與蒸汽管壓力做DCS 聯(lián)鎖，避免蒸汽現(xiàn)場手閥內(nèi)漏和脫析槽內(nèi)樹脂倒竄進(jìn)蒸汽管道內(nèi)。同時優(yōu)化脫析升溫程序，將蒸汽控溫從PID控制改為二段式控制，增加蒸汽用完后立即高壓水自動沖洗，避免樹脂積料因溫度過高烤焦產(chǎn)生質(zhì)量問題。另對脫析槽蒸汽盤管改造，優(yōu)化蒸汽盤管形式，減少蒸汽盤管樹脂積料問題。

3.5 成品混料裝置

新增粉料自動添加裝置，取代人工添加助劑，一方面提高稱粉精度，避免雜質(zhì)混入系統(tǒng)；另一方面降低員工勞動強(qiáng)度，減少誤操作，提高混料效率。

混料系統(tǒng)恒溫過程較難控制，導(dǎo)致攪和機(jī)經(jīng)常跳停（尤其夏季水溫高），樹脂產(chǎn)量和質(zhì)量也受影響，故此改用5 ℃水來進(jìn)行溫控，同時優(yōu)化攪和機(jī)溫控程序，使得混料過程更加穩(wěn)定。

改造易清潔磁棒除鐵器，降低員工操作強(qiáng)度，同時減少異物雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)帶入對樹脂質(zhì)量的影響。

4 效益分析

PVDC聚合裝置智能化改造、優(yōu)化后，大幅降低員工勞動強(qiáng)度，同時提高產(chǎn)品品質(zhì)。PVDC產(chǎn)量較之前增加1 kt/a，可實(shí)現(xiàn)利潤530 萬元；投料崗位人員減少4 人，實(shí)現(xiàn)減員效益40 萬元；延長引發(fā)劑管清洗周期，由2次/月改為1次/6月，脫析槽盤管及管道拆洗周期由之前的2 次/月降低到1 次/月，節(jié)省清洗費(fèi)用29.6 萬元/年。合計(jì)每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益599.6萬元。

5 結(jié)束語

聚合裝置智能化改造后，將大幅降低崗位操作強(qiáng)度，有助于裝置穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)提高，產(chǎn)量增加，人員減少，每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益599.6萬元。

隨著裝置產(chǎn)能的進(jìn)一步提升，各控制參數(shù)變量的運(yùn)行數(shù)據(jù)可能會發(fā)生變化，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到“最優(yōu)化操作”的要求。