聚氯乙烯聚合反應過程溫度的控制對策

王多榮，包宏康，馬寶琪，張仁寬

(天業集團天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

聚氯乙烯樹脂生產主要以懸浮聚合間歇生產技術為主，而且以相對分子質量對數值類型進行劃分，所以相對分子質量變化直接關系到生產質量。在聚氯乙烯聚合反應過程中，聚合溫度會影響到相對分子質量，因此采取有效措施對聚合溫度科學控制，可以達到對相對分子質量的控制。由于聚氯乙烯聚合反應過程主要通過強放熱反應實現，所以采取有效措施將反應熱適時撤出，降低聚合溫度，可以保證相對分子質量固定。

1 聚氯乙烯聚合溫度的科學控制

1.1 分析聚氯乙烯懸浮聚合反應過程基本原理

聚氯乙烯聚合反應是指充分攪拌液態氯乙烯，將其迅速轉換為分散滴液，進行氯乙烯懸浮聚合。氯乙烯是懸浮聚合的主要原料，要求純度≥99.98%，因為微量雜質的存在對產物的質量有很大影響。同時因為在水介質中要添加適量分散劑，所以部分氯乙烯會懸浮在介質中，形成獨立的聚合體系，并且在催化劑與聚合溫度的影響上被迫分解，在此基礎上形成氯乙烯聚合[1]。在氯乙烯聚合反應階段，遵循聚合溫度恒定原則，必須注意對聚合溫度嚴格控制。因此，在反應過程中要通過冷卻水將多余熱量釋放，才能確保聚合反應的聚合度。

1.2 聚氯乙烯聚合溫度控制方法

在聚氯乙烯聚合反應過程中，相對分子質量受到聚合溫度的增加而降低，因此聚合溫度控制尤為關鍵。目前在化工生產中，聚氯乙烯聚合溫度控制主要包括兩方面：一是升溫控制；二是恒溫控制。

1.2.1 升溫控制階段

升溫控制階段主要目的是加快聚合釜在反應中物料的升溫速度，達到反應溫度[2]。當反應釜內溫度達到拐點后，及時應用冷水對熱水進行置換，保證溫度穩定。

1.2.2 恒溫控制階段

聚氯乙烯聚合反應中恒溫控制階段是指平衡聚合釜溫度及夾套溫度，使其達到平衡狀態，進而使生產反應趨勢比較平穩[3]。尤其是待聚氯乙烯聚合反應時間≥3 h后，聚合反應進入加劇階段，反應熱迅速增加，需借助冷凝器及時吸納與轉移剩余熱量，維持反應穩定[4]。圖1是聚氯乙烯聚合反應過程溫度控制基本流程示意圖，結合圖1對聚合反應中溫度控制的梳理展開深層次研究。

圖1 聚氯乙烯聚合反應過程溫度控制基本流程示意圖

2 聚氯乙烯聚合反應溫度控制具體操作

2.1 聚氯乙烯聚合反應溫度控制流程

此次主要以某化工企業聚氯乙烯生產時的聚合釜溫度控制為例展開研究，選擇夾套水串級分程控制回路，搭配回流冷凝器，科學控制聚合反應溫度，同時在實際操作中，要求全部以程序控制完成[5]。聚合反應升溫之前，提前控制工藝中的2個回路，同時將副調節器TC222輸出值設定為69%，可以使整個流程達到核定溫度后，關掉3個調節閥，即TV222-1/2/3。做好準備后啟動升溫程序，立即關閉程控閥SV-262，打開程控閥SV-261，保證聚合釜反應中熱水順利進入夾套，加熱釜內物料。待聚合釜反應溫度達到規定值，打開SV-262，關閉SV-261，副調節器TC222便進入自動運行程序。這期間主調節器TC221并未運行，在隨后的聚合反應流程中，全部依靠副調節器TC222支撐并控制，并且系統中的TV222-3(控制熱水閥)處于打開狀態。此時聚合釜反應流程持續升溫運行，隨著反應時間的延長，溫度升高至一定值，靈活調整調節閥TV222-3，直至將其關閉。當溫度測量值逐漸接近于主調節器(TC221)設定值，并待最小值≤0.5 ℃期間，升溫過程接近尾聲，聚氯乙烯生產正式進入聚合反應控制階段。

在聚合反應≥3 h后，聚氯乙烯回流冷凝程序的啟動，回流冷凝器迅速接收氣相氯乙烯并進行冷凝處理，得到液態氯乙烯，將其匯集整理后沉降，迅速進入回流冷凝器底部[6]。在過程中對SV236、SV238的啟動與停止調整，需結合控溫具體情況靈活控制。循環水調節閥的開關即FV222，主要調整依據為聚合釜終止劑加入時間，隨著其關閉，代表著聚合反應中回流冷凝處理完畢。隨后工作人員可適當調整單回路定值，嚴格控制冷卻水流量，待冷卻水流量進入恒定狀態，表明聚合釜夾套水流量必須做出調整，這樣才能有效控制聚氯乙烯聚合反應溫度。

2.2 聚合釜夾套水溫度控制

該階段的控制主要以串級分程控制技術完成，實際控制中需從以下方面著手：

首先是主回路控制，涉及主調節器與副調節器，即TC221、TC222；聚合反應溫度測量，即TA221；調節閥與夾套水溫度測量，即TV222-1/2/3、TA222。

其次是副回路控制，涉及副調節器與夾套水溫度測量等，其作用是輔助主回路對冷卻水流量進行調整，并控制聚合反應溫度，將壓力波動的影響降到最低[7]。

通過超前調節計劃的制定，利用輸出信號分配器控制系統中的調節閥，即TIC2-F，切實落實分程調節操作。具體聚合釜夾套水溫控制原理示意圖如圖2所示。

圖2 聚合釜夾套水溫控制原理示意圖

在聚合釜夾套水溫控制中，有以下方面需要注意：

注意對溫度拐點的設置，及時對聚合釜溫度控制中超調現象進行預防，聚合反應溫度波動必須控制在規定溫度合理值范圍之內；對升溫方面的控制，根據對主調節器的觀察，判斷是否出現積分飽和情況，在此基礎上對切除、投用等方案做出調整；對恒溫方面的監測與控制，重點在于冷水閥分程調節，通過對聚合釜夾層水溫控制原理的分析與對應的分程調節，靈活切換控制閥門，以此達到對聚合反應溫度平衡的目的。

2.3 超調量抑制

在聚氯乙烯聚合反應中，聚合釜溫度在短時間內升高較快，控制難度增大，所以對反應溫度超調量抑制至關重要。根據聚合釜溫度標準，要求反應溫度必須在規定范圍內，嚴格控制超調量，制定完善的超調量抑制方案[8]。

聚合反應期間，初期溫度控制以單回路定值調節完成，包括副回路調節器與熱水閥，即TC222、TV222-3。結合聚合反應實況，可借助PD的調節去縮短升溫時間，并預防超調量過大問題，科學抑制溫度波動。若聚合釜溫度比標準溫度小超過3.0 ℃，工作人員需及時切換閥門，并檢查夾套水自循環情況，及時通過TV222-3閥為聚合釜補充適當熱水；若聚合釜溫度比標準值≤0.5 ℃，只需調整手動模式，借助主調節器(TC221)完成自動模式設定。有時只用主調節器調節達不到標準溫度，所以需副調節器(TC222)配合完成，這種串級控制系統下可以更容易使聚合反應溫度差消除。同時通過對聚合釜溫度變化的觀察發現，反應下的溫度與規定溫度值差值逐漸縮小的過程中，會出現輕微超調情況，超調溫度值為1.0～2.0 ℃，但這種情況會迅速消失，證明此次超調量抑制調整有效。

2.4 防積分飽和

在反應過程中若發生積分飽和情況，是因為聚氯乙烯生產期間，聚合釜在聚合反應初期階段溫度較低且升溫緩慢，直至溫度達到副回路定值范圍，才進入到快速升溫階段。這期間溫度控制主要依靠主調節器完成，所以會出現偏差累積的情況，而且隨著聚合釜內溫度升高，累積現象不斷加劇，加快聚合反應到達飽和狀態的速度，使熱水閥受到積分飽和的影響不斷開大，回調時間延長，造成聚合反應期間溫度波動變大。

針對上述情況，以程序控制為基礎，應用積分切除法對積分飽和問題科學對這個問題進行提前預防。在聚合反應的升溫階段，利用主調節器將積分作用及時切除，并將比例微分保存。待升溫階段結束，由程序控制中主調節器的調整，將積分作用重新加入，設置PID參數，具體調節詳如表1所示。

表1 積分作用下調節器PID的參數調整

按照參考表1數據的調整，積分飽和現象得到明顯改善，不僅溫度無較大波動，并且取得理想的控制效果。

3 結語

綜上所述，通過對聚氯乙烯聚合反應溫度控制的研究，對聚合反應中溫度控制方法創新與策略優化有了重新認識。因為在聚合反應過程中，溫度變化滯后性明顯，所以為取得更理想的溫度控制效果，必須采取合理措施對升溫時間適當縮短，并嚴格控制超調量，應用串級控制系統，調節器對積分作用適當屏蔽與加入，科學抑制聚合反應中溫度波動情況，靈活調整PID參數，預防積分飽和問題。基于此，達到優化聚氯乙烯聚合反應溫度控制策略和提高溫度控制水平的目的。