CN101109966A - 一种高分子聚合反应温度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分子聚合反应温度控制方法，包括如下步骤：加热反应釜，在高分子聚合反应釜夹套中的循环水中通入蒸汽加热循环水，用循环水加热反应釜；控制反应温度，通过往反应釜夹套中通入冷却水，降低循环水温度，从而控制反应釜内的温度。本发明还提供了一种高分子聚合反应温度控制装置，包括内循环和外循环。通过本发明的方法控制高分子聚合反应温度，提高了反应物质的选择性和收率，使得反应过程降温效率大大提高，也节约了加热蒸汽和降温冷量消耗。

Description

一种高分子聚合反应温度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高分子聚合反应温度控制的方法及装置，特别是涉及一种有机氟高分子单体在反应釜内均聚和共聚过程中吸热或放热剧烈时的温度控制方法及装置。

背景技术

高分子化合物在聚合反应过程中会吸热或放热，温度的控制对反应物质的选择性和收率都有很大作用。有机氟高分子聚合物在反应过程中，开始时需要升温诱导反应，进入反应过程后又大量放热，需要快速移走热量，以便控制好反应温度，保证反应速度，稳定产品质量。由于一般有机氟高分子聚合过程都是连续进料，并伴随剧烈放热的反应过程，常规的分程调节方法一般采用往反应釜夹套中通入蒸汽或冷媒的方法进行升温、降温控制，这种方法温度控制精度差，能耗高，另外反应釜夹套冷热交换太快，温度变化太大，对反应釜的寿命有影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分子聚合反应温度控制方法，解决了有高分子化合物，特别是机氟单体在反应过程中剧烈放热反应需要快速移走热量，提高反应物质的选择性和收率，控制好反应温度，同时延长反应釜的使用寿命。

另外，本发明还提供了一种高分子聚合反应温度控制装置。

高分子聚合反应是连续加入单体，并在反应过程中加入相关助剂，其反应速度对反应温度非常敏感，温度越高，反应越快，放热越剧烈，温度越高低，反应越快慢，放热越少，因此控制好反应温度，是控制反应速度，提高反应物质的选择性和收率的一个关键。

本发明所述的一种高分子聚合反应温度控制方法，其包括如下步骤：

(1)设定反应温度t；

(2)加热反应釜：当反应诱导期需要加热时，全开内循环水调节阀，关闭外循环水调节阀，开启蒸汽控制阀，蒸汽通过汽水混合器与循环水充分混合加热循环水，循环水通过反应釜夹套时加热反应釜，当反应釜内温度达到反应温度t±1℃后，停止加热；

(3)在反应过程中，根据反应速度，通过线性模型运算器运算确定反应釜夹套循环水所需的温度t_进水温，即根据进料流量大小，计算出反应釜内温与夹套冷却水之间的温差，以正好带走反应放出的热量。以t_进水温为设定值，通过内循环水温度PID控制器，控制外循环水阀开度，从外循环中放出部分内循环中的热水，此时在内循环中产生负压，内循环水和循环水槽形成压差，从循环水槽中自动补充等量冷水进入反应釜夹套(虹吸原理)，进入反应釜夹套中的冷水与原反应釜夹套中的循环水迅速混合，快速降低内循环水温，使夹套循环水的温度满足t_进水温。当内循环水的温度高于t_进水温时，通过内循环水温度PID控制器调节外循环水阀的开度。温度偏差越大，阀门开启速度越快，开度越大，根据虹吸原理，由循环水槽进入反应釜夹套的冷却水越快、越多，反应釜夹套水温下降越快；反之，阀门开启速度越慢，开度越小，由循环水槽进入反应釜夹套的冷却水越慢、越少，反应釜夹套水温下降越慢。通过上述过程，控制反应釜内温保持在t±1℃。

为消除一些不确定因素对反应温度的影响，精确控制反应釜内温，通过改变内循环水调节阀的开度，小范围调整反应温度，使之保持在t±1℃内。反应釜内和反应釜夹套冷却水存在温差，通过改变内循环水调节阀的开度来改变反应釜夹套中循环水流速，增大或减少循环水传热速度，以此作为一种辅助控制方法，以提高控制精度。当反应釜内温度为t±0.2℃时，控制内循环水调节阀开度在60-70％，当反应釜内温度高于t+0.2℃时，且温度呈上升趋式时，全开内循环水调节阀，内循环水温度PID控制器自动调节外循环水调节阀的开度；当反应釜内温度低于t-0.2℃时，且温度下降趋势时，控制内循环水调节阀开度在20％，外循环水调节阀全关。

当循环水槽外循环水的温度高于一定值时，外循环水槽PID控制器控制循环水槽冷媒控制阀，冷媒经过盘管对外循环水进行降温，以保持外循环水的温度在一定范围内，根据不同的产品，所需温度不同，一般橡胶类聚合物，温度在35～40℃，树脂类聚合物，温度在30～35℃。

本发明所述的高分子聚合反应温度控制方法，其中内循环是循环水依次经过反应釜夹套、内循环水调节阀、循环水泵、汽水混合器、再进入反应釜夹套；外循环是循环水从内循环管道流出，进入外循环管道，流经外循环水调节阀和循环水槽，再进入内循环管道。

一种高分子聚合反应温度控制装置，包括内循环和外循环，其特征在于，所述的内循环包括两端与反应釜夹套连接的内循环管道、依次安装在内循环管道上的内循环水调节阀、循环水泵、汽水混合器；所述的外循环包括两端与内循环管道连接的外循环管道，以及依次安装在外循环管道上的外循环水调节阀、循环水槽。

本发明所述的高分子聚合反应温度控制装置，还包括安装在反应釜进料管道上的物料进料流量测量仪、与物料进料流量测量仪依次连接的线性模型运算器和内循环水温度PID控制器、安装在内循环管道上的循环水温度测量仪、连接在反应釜上的反应釜内温测量仪、与汽水混合器连接的蒸汽控制阀。

本发明所述的高分子聚合反应温度控制装置，其中所述的循环水槽上连接有循环水槽温度测量仪和循环水槽冷媒控制阀，内部安装有盘管。

本法明所述的高分子聚合反应温度控制装置，其中所述的循环水槽温度测量仪分别与循环水槽冷媒控制阀连接和外循环水槽温度PID控制器连接。

本发明所述的内循环水温度PID控制器分别与反应釜夹套进口循环水温度测量仪和外循环水调节阀连接。

本发明所述的冷媒可以是常规用于冷却的介质。

在反应过程中，放热比较剧烈，但温度的传递较慢，为及时带走反应放出的热量，反应釜夹套循环水温度的变化需有一个提前量。在聚合反应中进料流量是表征反应聚烈程度的一个敏感参数，因此建立进料流量与夹套循环水温度之间的数学模型关系，及时调整反应釜夹套冷却水的温度，即能很好控制聚合反应温度。在一般条件下，反应进料流量与内循环水温度之间的关系遵循线性模型关系：

t_进水温＝t-f_进料×k+t_偏差修正。

其中：

t_进水温：反应釜夹套循环水进口温度，℃。

t：给定的反应釜内温，℃。

f_进料：反应釜物料进料流量，kg/h。

t_偏差修正：不同牌号产品的温差修正，℃。

k：流量温度系数，即反应釜进料流量对温度的影响系数，通过实验取得，℃/(kg/h)，即每增加1公斤/小时混合单体进料流量夹套内循环水温需下降的摄氏度数，由于有机氟聚合理论较复杂，影响传热的因素较多，此数据一般用控制进料流量，手动调整循环水温度的方法实验得出，多做几次即可得到比较精确的K值。

以t_进水温作为反应釜夹套进口循环水温度给定值，通过线性模型运算器运算，由内循环水温度PID控制器自动控制外循环水调节阀的开度，改变进入循环的冷却水量，达到降低反应釜夹套循环水温度的目的。

PID控制器即比例、积分、微分三种调节规律的组合，是一种经典的自动控制方法，其传递函数为：

G_e(s)＝K_e(1+1/T_is)+T_ds

所述PID控制器涉及PID调节运算、内外循环阀位的开度连锁控制、反应温度升降趋势判断等复杂的控制计算，一般推荐用可编程序的智能PID控制器或用PLC(Programmable logic controllor)、DCS(Distributed computer system)等来实现。

本发明的高分子聚合反应温度控制方法的有益效果：

解决了有高分子化合物，特别是机氟单体聚合反应过程中剧烈放热反应需要快速移走热量，提高反应物质的选择性和收率，稳定的控制反应釜内的温度，同时延长反应釜的使用寿命提高了反应物质的选择性和收率，收率可以提高20％以上，节约了蒸汽和冷量消耗15％以上。

附图说明

图1是高分子聚合反应温度控制图。

图中：1循环水泵；2反应釜夹套；3反应釜内温测量仪；4内循环水调节阀；5外循环水调节阀；6循环水槽温度测量仪；7循环水槽冷媒控制阀；8物料进料流量测量仪；9反应釜夹套进口循环水温度测量仪；10汽水混合器；11内循环水温度PID控制器；12蒸汽控制阀；13内循环管道；14循环水槽；15线性模型运算器；16外循环管道；17反应釜；18盘管；19外循环水槽温度PID控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述，但不用来限制本发明的范围。

实施例1线性模型的应用

给定的反应釜内温t＝80℃，若当前进料流量f_进料＝80kg/h，流量温度系数k＝0.4℃/(kg/h)，当前产品合成橡胶温度偏差修正t_偏差修正＝3℃，则当前反应釜夹套2内冷却水的温度：

t_进水温＝80-80*0.4+3＝51℃

实施例2有机氟高分子聚合反应温度控制装置

如图1所示是一种用于有机氟高分子聚合反应温度控制装置，包括外循环和内循环，内循环包括两端与反应釜夹套2连接的内循环管道13，以及依次安装在内循环管道13上的内循环水调节阀4、循环水泵1、汽水混合器10。所述的外循环包括两端与内循环管道13连接的外循环管道16，以及依次安装在外循环管道16上的外循环水调节阀5、循环水槽14。汽水混合器10上连接有蒸汽控制阀12。循环水槽14连接有循环水槽温度测量仪6和循环水槽冷媒控制阀7，循环水槽14内部安装有盘管18。该控制装置中，物料进料流量测量仪8安装在与反应釜17连接的进料管道上，线性模型运算器15分别与物料进料流量测量仪8和内循环水温度PID控制器11连接，内循环水温度PID控制器11分别与外循环水调节阀5、反应釜内温测量仪3、内循环水调节阀4和反应釜进口循环水温度测量仪9连接，外循环水槽温度PID控制器19分别与冷媒控制阀7和循环水槽温度测量仪6连接。反应釜进口循环水温度测量仪9安装在内循环管道13靠近反应釜夹套进口端，反应釜内温测量仪3安装在反应釜17上。

实施例3有机氟高分子聚合反应温度控制

偏氟乙烯单体在反应釜内均聚和共聚过程之前须进行升温诱导反应，本实施例的反应所需温度设定为80℃。反应诱导升温开始，全开内循环水调节阀4，关闭外循环水调节阀5，打开蒸汽控制阀12，控制蒸汽流量，蒸汽通过汽水混合器10与循环水混合，加热循环水，加热的循环水通过反应夹套2给反应釜17加热，从反应釜夹套2出来的水再依次经过内循环管道13、内循环水调节阀4、循环水泵1再次进入汽水混合器10进行加热，如此循环，这个循环过程属于内循环。蒸汽流量的控制以汽水混合器10的设计能力和不产生振动为原则，升温速度越快越好。当反应釜温度达到80±1℃，关闭蒸汽控制阀12，停止加热，内循环水调节阀4开度70％，升温诱导阶段完成。

温度控制阶段，打开物料进料阀，进入高分子聚合反应阶段，通过物料进料流量测量仪8测量进入反应釜的物料流量，并进行累计，测量物料流量的信号输出到线性模型运算器15，线性运算器15的运算结果输出到内循环水温度PID控制器11作为控制器的给定值，此给定值作为当前所需的夹套冷却水温度t_进水温。当反应釜夹套进口循环水温度测量仪9测量的循环水温度比当前t_进水温高，PID控制器11会接收到信号，自动控制外循环水调节阀5的开度，放出热的循环水，热的循环水经过外循环管道16流至循环水槽14，根据虹吸原理，循环水槽14中会有等量的冷水进入内循环管道13，与原反应釜夹套2中循环水迅速混合，快速降低内循环水温到t_进水温，如此温度的内循环水经过反应釜夹套2时，正好带走反应放出的热量，达到控制反应内温的目的。内循环水温与反应釜内温的温差依反应的剧烈程度不同而不一样，其值随线性模型运算器15计算出的t_进水温而变化。

为消除一些不确定因素对反应温度的影响，精确控制反应釜内温，通过改变内循环水调节阀4的开度范围控制反应釜内温度在80±1℃。用反应釜内温测量仪3测定反应釜内温度，当反应釜内温度为80±0.2℃时，调节内循环水调节阀4开度为60-70％，当反应釜内温度高于80+0.2℃，且温度上升趋式时，全开内循环水调节阀4，加大通过反应夹套2的循环水的流速，快速带走反应放出的热量，由内循环水温度PID控制器11自动调节外循环水调节阀5的开度；当反应釜内温度低于80-0.2℃时，且温度下降趋式时，内循环水调节阀4开度为20％，外循环水调节阀5全关，减缓通过反应夹套2的循环水的流速，减慢带走反应放出的热量的速度，维持反应温度在80±1℃。

反应过程中，循环水槽温度测量仪6测量循环水槽循环水的温度高于35～40℃，输出测量信号到外循环水槽温度PID控制器19，外循环水槽温度PID控制器自动控制循环水槽冷媒控制阀7的开度，使冷媒经过盘管18对循环水进行降温，以保持循环水温度在35～40℃。

反应结束后，关闭物料进料阀，停止进料，关闭循环水槽冷媒控制阀7，循环水继续内循环，准备出料。

本实施例所用的冷媒是5℃的水。

有机氟聚合反应是一个均聚和共聚的过程，产品质量的关键是控制反应的压力和温度，一般压力比较易控制，温度控制较难，通过此方法精确控制温度，不同批次的产品性能指标更接近，重复性好，反应产物的收率提高20％以上，节约冷量和蒸汽15％以上。

Claims (10)

1.一种高分子聚合反应温度控制方法，其步骤包括：

A.设定反应温度t；

B.加热反应釜(17)：当反应诱导期需要加热时，全开内循环水调节阀(4)，关闭外循环水调节阀(5)，开启蒸汽控制阀(12)，蒸汽通过汽水混合器(10)与循环水充分混合加热循环水，循环水通过反应釜夹套(2)时加热反应釜(17)，当反应釜内温度达到反应温度t±1℃后，停止加热；

C.控制反应釜(17)温度：在反应过程中，通过线性模型运算器(15)确定反应釜夹套(2)循环水所需的温度作为设定值t_进水温，通过内循环水温度PID控制器(11)，控制外循环水调节阀(5)开度，使反应釜夹套(2)内循环水的温度满足t_进水温，控制反应釜(17)内的温度在t±1℃。

2.如权利要求1所述的高分子聚合反应温度控制方法，其特征在于，步骤C还包括：当反应釜(17)温度为t±0.2℃时，控制内循环水调节阀(4)的开度为60-70％；当反应釜(17)内温度高于t+0.2℃时，温度上升趋势时，控制内循环水调节阀(4)全开，内循环水温度PID控制器(11)自动控制外循环水调节阀(5)的开度；当反应釜(17)内温度低于t-0.2℃时，温度下降趋势时，控制内循环水调节阀(4)的开度为20％，外循环水调节阀(5)全关。

3.如权利要求1或2所述的高分子聚合反应温度控制方法，其特征在于，步骤C还包括：当循环水槽(14)外循环水的温度高于某一定值时，外循环水槽温度PID控制器(19)自动控制打开循环水槽冷媒控制阀(7)，冷媒通过盘管(18)冷却循环水，降低循环水的温度。

4.如权利要求1-3任一所述的高分子聚合反应温度控制方法，其特征在于，所述内循环是循环水依次经过反应釜夹套(2)、内循环水调节阀(4)、循环水泵(1)、汽水混合器(10)，再进入反应釜夹套(2)。

5.如权利要求1-4任一所述的高分子聚合反应温度控制方法，其特征在于，所述的外循环是循环水从内循环管道(13)流出，进入外循环管道(16)，流经外循环水调节阀(5)和循环水槽(14)，再进入内循环管道(13)。

6.一种高分子聚合反应温度控制装置，包括内循环和外循环，其特征在于，所述的内循环包括两端与反应釜夹套(2)连接的内循环管道(13)、依次安装在内循环管道(13)上的内循环水调节阀(4)、循环水泵(1)、汽水混合器(10)；所述的外循环包括两端与内循环管道(13)连接的外循环管道(16)，以及依次安装在外循环管道(16)上的外循环水调节阀(5)、循环水槽(14)。

7.如权利要求6所述的高分子聚合反应温度控制装置，其特征在于，所述的控制装置还包括安装在反应釜(17)进料管道上的物料进料流量测量仪(8)、与物料进料流量测量仪(8)依次连接的线性模型运算器(15)和内循环水温度PID控制器(11)、安装在内循环管道(13)上的循环水温度测量仪(9)、连接在反应釜(17)上的反应釜内温测量仪(3)、与汽水混合器(10)连接的蒸汽控制阀(12)。

8.如权利要求6或7所述的高分子聚合反应温度控制装置，其特征在于，所述的循环水槽(14)上连接有循环水槽温度测量仪(6)和循环水槽冷媒控制阀(7)，内部安装有盘管(18)。

9.如权利要求6-8任一所述的高分子聚合反应温度控制装置，其特征在于，所述的循环水槽温度测量仪(6)与循环水槽冷媒控制阀(7)分别和外循环水槽温度PID控制器(19)连接。

10.如权利要求6-9任一所述的高分子聚合反应温度控制装置，其特征在于，所述的内循环水温度PID控制器(11)分别与反应釜夹套进口循环水温度测量仪(9)和外循环水调节阀(5)连接。

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