聚苯硫醚聚合釜温度控制方案

李 荣

(四川信息职业技术学院电气工程系)

聚苯硫醚聚合釜温度控制方案

李 荣

(四川信息职业技术学院电气工程系)

分析聚苯硫醚(PPS)的生产工艺流程。针对PPS聚合釜各阶段温度的特点，提出相应的温度控制方案。各控制方案使聚合釜温度得到了精确控制，使PPS的质量和产量得到了提高。

温度控制方案 PPS聚合釜 调节阀

聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,PPS)是一种新型高性能热塑性树脂，因具有优良的耐热性、电绝缘性、粘结性、适当的强度和自息性[1]，已成为电子信息、航天、能源、环保及汽车等高新技术行业的重要基础材料。目前，我国PPS的生产已经进入了一个飞速发展的时期。

PPS是一种结晶性聚合物，聚合度是其最重要的质量指标之一。生成PPS的聚合反应是一个放热反应，具有复杂性和难以控制的特点。在反应过程中，PPS聚合釜的各工艺参数相互影响、相互制约，参数的控制效果将直接影响PPS的质量，因此对聚合釜各工艺参数的控制精度要求非常高。聚合釜的各工艺参数中，温度控制是最大的难点，是影响PPS质量的关键参数，同时对聚合度的影响也极大，因此只有使聚合釜的温度得到最佳控制，才能得到高质量的PPS。

1 工艺流程简介

PPS生产工艺流程可分为合成工序、冷却工序、分离工序、洗涤工序、干燥工序和包装工序。其中合成工序是PPS生产最为关键的工序，聚合釜是合成工序中的关键设备。

合成工序的工艺流程为：各原料按照一定比例和顺序加入聚合釜中并进行搅拌，然后将聚合釜的温度上升到工艺所需温度，使各原料在该温度下在聚合釜内进行聚合反应，反应完成后，合成的PPS料浆进入下一工序，经过冷却、分离、洗涤及干燥等工序后，最终完成成品包装。

2 聚合釜温度控制方案

2.1 温度控制过程

聚合釜温度控制过程(图1)包括升温、过渡、恒温和降温4个阶段。第1阶段为升温阶段，将各原料加入聚合釜并搅拌后，通过蒸汽加热的方式将聚合釜内的温度快速上升至工艺要求的温度，然后进行聚合反应。第2阶段为过渡阶段，在聚合釜升温后期，在聚合釜内物料温度接近反应温度的同时，聚合反应释放的热量也逐渐加大，此时需要抑制反应温度的上升速率，使升温吸热的温度平滑过渡到聚合放热的温度，这一温度称为拐点温度。第3阶段为恒温阶段，由于聚合反应释放出大量的热量，工艺需要将此热量平稳地转移，但是聚合反应释放的热量是不均匀的，因此控制好此阶段聚合釜的温度使之保持平稳，是保证PPS质量的关键。第4阶段为降温阶段，聚合釜内因液相物料的减少，压力开始下降，聚合反应的速度也迅速降低，最后随着温度的降低反应终止。

图1 聚合釜反应温度曲线

目前，PPS聚合釜的温度控制方案很多，针对PPS聚合釜反应温度的特点，笔者采用温度拐点优化控制、串级调节控制等方案相结合的方式，对聚合釜温度进行控制，以满足生产工艺的要求。

2.2 升温阶段温度控制

升温阶段温度控制采用温度-蒸汽单回路变给定值调节方案，即根据聚合釜温度的上升速率，每隔一段时间由DCS程序自动设定温度升温曲线，跟随时间修改温度设定值，使温度迅速达到工艺设定值。为了缩短升温时间，聚合釜开始升温阶段，对聚合釜加热蒸汽流量采取位式控制，即全开蒸汽调节阀，将蒸汽通入聚合釜夹套层内，使釜内温度迅速升高。同时，为了使聚合釜温度能够平稳地过渡到恒温阶段，避免温度超过设定值，需要结合工艺操作人员的经验设置一个切换温度值(低于温度设定值)。当聚合釜温度达到切换温度时，温度控制程序进入过渡阶段的缓冲控制程序，使聚合釜温度平稳地过渡到温度设定值。

2.3 过渡阶段温度控制

过渡阶段温度控制采用温度拐点优化控制方案，即升温阶段切向恒温阶段时，使温度波动最小、稳定时间最短、拐点温度控制在期望值以内的优化控制方案。该方案具有较强的自适应能力，能够克服工况波动。具体的温度控制过程如下：

a. 根据升温速率、聚合釜内温度偏差和夹套蒸汽温度决定切断蒸汽调节阀和打开冷却水调节阀的时机；

b. 根据聚合釜内温度的变化(偏差和偏差变化率)、夹套冷却水的压力和温度，自动计算夹套冷却水调节阀的开度与时间，并根据计算结果确定恒温阶段控制开启时机，即将串级控制系统投入自动控制的时机。

2.4 恒温阶段温度控制

为了克服聚合釜温度滞后的问题，恒温阶段采用串级调节控制方案。如图2所示，选取聚合釜内温度为主调节对象，聚合釜夹套内冷却水温度为副调节对象，构成一个闭环负反馈控制调节系统。串级控制系统的副控制回路不仅能及时克服夹套冷却水温度变化引起的干扰，而且能加速克服聚合釜温度主回路的干扰，从而减少对聚合釜温度的扰动，使控制系统品质大幅提高。

图2 串级调节控制系统框图

在结构上，串级调节控制由主回路和副回路两个闭合回路组成，主调节器与副调节器串联工作；主调节器的输出作为副调节器的设定值，最后由副调节器输出控制执行器的动作，实现对主参数的控制。系统中，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用[2,3]，通过两者的协同配合，使主参数能够准确地控制在工艺要求范围内。

2.5 降温阶段温度控制

降温阶段温度控制采用位式控制方法，即在恒温阶段反应结束时，开始对聚合釜降温，全开夹套冷却水调节阀，使聚合釜温度降至工艺要求的预定值，最后完成降温过程，生成的PPS浆液进入下一道工序。

3 结束语

PPS聚合釜温度的控制效果直接影响PPS的质量，为此，笔者针对聚合釜聚合反应不同阶段的温度特点，采取了不同的温度控制方案，使聚合釜的温度达到聚合反应温度的设定值，实现温度的精确控制，解决了聚合釜温度控制难的问题，满足了工艺需要，使PPS的质量和产量得到了大幅提高。

[1] 左景伊,左禹.腐蚀数据与选材手册[M].北京:化学工业出版社,1995:1041.

[2] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000:340.

[3] 张华莎.石油化工罐区自动控制系统和生产管理系统[J].石油化工自动化,2016,52(1):7～14.

李荣(1965-)，高级工程师，从事工业企业节能、电气传动控制、过程自动化设计、自动控制的教学与研究，285911250@qq.com。

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