1種反應釜溫度隨循環(huán)水流量控制的新方法

姚曉艷，代現(xiàn)躍，李志永

（浙江巨化技術中心有限公司，國家氟材料工程技術研究中心，浙江 衢州 324004）

某氟化工產(chǎn)品中試項目以偏氟乙烯（VDF）為原料。其中的加成反應在反應釜中進行，通過質(zhì)量流量計控制VDF 的進料流量。反應放熱，VDF 的進料流量影響反應速度，進而影響放熱量，反應溫度需控制在(80±2)℃。溫度控制通過循環(huán)水調(diào)節(jié)閥與反應釜溫度連鎖實現(xiàn)[1-2]。這種控制是一種常用的方法，簡便可行，缺點是被動滯后，很難精準控溫。反應如果不能精準控溫，產(chǎn)品雜質(zhì)就會增多。此雜質(zhì)與產(chǎn)品相似相溶，很難除去，所以應盡可能減少其生成，這就需要精準控制反應溫度。而要達到精準控溫，必須對原有的控制方法進行改進優(yōu)化，能將被動控制變成主動控制，迅速靈敏地對溫度波動進行修正。

1 原有控制方法

原有的控制方法參見圖1。

圖1 原有的釜溫控制方法Fig 1 The original vessel temperature control method

VDF 流量大小引起釜溫變化，根據(jù)釜溫變化來調(diào)節(jié)循環(huán)水閥門的開度。當釜溫大于80 ℃時，循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度變大，釜溫開始下降；當釜溫小于80 ℃時，循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度變小，溫度開始上升。

該控制方法的缺點及對反應的影響：

1）反應溫度先受到VDF流量的影響，再開始反向調(diào)節(jié)循環(huán)水。溫度始終先后受到冷熱2股能量的沖擊，很難平穩(wěn)調(diào)控，溫度會在(80±6)℃波動。

2）VDF流量變化會產(chǎn)生多少熱量，控制系統(tǒng)未能及時預判，因此不能及時準確的補給冷卻量，是一種模糊的被動控制。

3）溫度波動過大，反應雜質(zhì)增多；且雜質(zhì)難除去，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4）當釜溫沖高時，VDF 緊停，反應被迫中斷，使反應不得平穩(wěn)進行。

5）當釜溫繼續(xù)沖高時，只能使用安全泄放裝置，造成一定的安全風險。

2 優(yōu)化的控制方法

2.1 控制原理

溫度波動的源頭是VDF 的流量波動。流量波動不可控，所以只能改進控制系統(tǒng)。如果控制系統(tǒng)能預判流量波動產(chǎn)生的放熱量，系統(tǒng)將可以進行主動控制。

由于VDF 屬于危險介質(zhì)，不便測量其反應放熱，只能從循環(huán)水的控制想辦法：假定釜溫恒定不變，反應放出的熱量等效于循環(huán)水帶走的熱量。而循環(huán)水吸收的熱量，可以通過監(jiān)測并計算。

循環(huán)水吸收的熱量：

式中，cp為水的比熱容，qm為循環(huán)水的質(zhì)量流量，Δθ為進出口循環(huán)水的溫度差。

由此可知，需監(jiān)測循環(huán)水進出口溫度及循環(huán)水的質(zhì)量質(zhì)量。

2.2 控制方法

改進后的控制方法參見圖2。

圖2 優(yōu)化后的釜溫控制方法Fig 2 Optimized vessel temperature control method

取消釜溫與循環(huán)水調(diào)節(jié)閥的連鎖。在循環(huán)水進出口增加3個監(jiān)測點（進口質(zhì)量流量、進口和出口溫度），并將進口流量與調(diào)節(jié)閥連鎖，實現(xiàn)溫度的主動控制。

該控制方法的優(yōu)點：

1）將原來滯后的被動控制改進成了預先的主動控制。增加的流量計F2 對應于VDF 流量的波動，實時調(diào)控，精準補給，及時有效地修正反應放熱造成的溫度波動。

2）增加的流量計F2 安裝在循環(huán)水進口管路上，與此路上的調(diào)節(jié)閥連鎖調(diào)控，將流量調(diào)節(jié)成系統(tǒng)給定的數(shù)值，不多不少地及時補充冷卻量。F2 流量通過DCS 設定的公式進行計算，把實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)代入后，即可得到循環(huán)水的需求量，并賦值給流量計F2。

2.3 后臺處理邏輯的構建

在后臺邏輯構建之前，先進行1～2 批實驗，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。然后分5步進行邏輯構建：

1）前臺實時監(jiān)測循環(huán)水的質(zhì)量流量（qm2）和進出口溫度（t2、t3），后臺實時計算出吸收的熱量Q’C：

式中，qm2為循環(huán)水的質(zhì)量流量，θ3和θ2分別為和循環(huán)水出口和進口溫度。

2）經(jīng)過一段時間的監(jiān)測（t=0～n），再利用DCS 在后臺計算出這段時間循環(huán)水吸收的的總熱量QT。

3）同時段監(jiān)測的還有VDF 質(zhì)量流量qm1，產(chǎn)生的反應熱QH：

式中，q為VDF 反應放熱當量，即每克VDF反應放出的熱量。

QH理論上等于循環(huán)水吸收的總熱量QT。

4）由放出熱量與吸收熱量的等效關系，可推導出VDF的反應放熱當量q：

5）VDF 的反應放熱當量q計算出來以后，qm1即使實時變化，它的放熱量也會根據(jù)公式自動算出。再根據(jù)其與qm2的關系式，自動計算出需要的qm2，并賦值給流量計F2，由此調(diào)控循環(huán)水的開度。

經(jīng)過后臺構建，循環(huán)水質(zhì)量流量qm2實現(xiàn)了與VDF質(zhì)量流量qm1的直接關聯(lián)，可以很好地對應可能的溫度波動。但控制的最終目標是釜溫θ1。所以還需要將qm2直接與θ1進行關聯(lián)，從而鎖定釜溫進行控制。

實踐中，當把釜溫θ1與設定的溫度θ（θ=80 ℃）進行對比時，發(fā)現(xiàn)當θ-θ1≥0 時，循環(huán)水qm2減小；反之亦然，當θ-θ1≤0時，循環(huán)水qm2增大。

由此進行關聯(lián)，將后臺的參數(shù)進行修正，使控制對象qm2直接鎖向目標對象釜溫θ1，得到關系式：

從而實現(xiàn)溫控升級。

3 方案的實施

實踐中，隨機抽取了2種控制方式下的1組溫度與流量數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 2種控制方法下的溫度與流量Fig 3 Temperature and flow under two control methods

由圖3可知，反應釜溫度的波動從(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)從原來的0.53%降低到0.22%。

4 結束語

反應釜溫度控制系統(tǒng)通過改造優(yōu)化，加裝3個監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)后臺運算得出的結果作為控制參數(shù)輸出，調(diào)控整個控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)從被動變成主動，實現(xiàn)了溫度的精準控制。釜溫波動從(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，產(chǎn)品雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)從原來的0.53%降低到0.22%，保障了產(chǎn)品質(zhì)量。此方案是一種簡便可行的溫控優(yōu)化方案。