CN103130927A - 一种烯烃聚合温度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合温度的自动化控制方法和系统，针对现有技术中聚合反应剧烈，加热和撤热过程中温度波动过大，温度滞后造成的对于聚烯烃产品性能和质量的不良影响。本发明采用的人工智能控制方法，该方法被控变量是温度，通过设计的智能控制器，在聚合反应过程中，根据温度波动的偏差和斜率，控制热水阀及内冷水阀，外冷水阀的打开时间，从而实现间歇聚合反应中的聚合温度的精确控制及升温、恒温、降温三个阶段的连续自动控制。本发明还提供了一种烯烃聚合反应的控制装置。应用表明，该智能控制方法完全满足烯烃聚合装置温度参数的控制要求，改善了系统的动态性能，提高了烯烃产品的性能和质量。

Description

一种烯烃聚合温度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及间歇聚合反应中的聚合温度的控制方法，属生产过程自动控制领域。具体涉及小型烯烃聚合装置中主要设备聚合釜反应温度的控制方法及装置。

技术背景

聚合反应过程是化学工业过程中比较复杂和典型的一类工业过程。聚合反应通常是放热反应，聚合物的分子量及其分布对温度十分敏感。单体在聚合反应中转变为聚合物的速度，不仅与反应温度、引发剂(或催化剂)的种类和用量有关，而且与反应中单体压力有关。在间歇聚合操作中，反应不是均匀进行的，聚合反应热的释放量会出现最大值。间歇聚合操作是聚合物在聚合反应器中分批生产的，即在一反应器中加入单体、引发剂(或催化剂)，反应介质等原料后，控制反应条件，使之进行聚合反应，当反应达到要求的转化率时，将聚合物自反应器中卸出，因此进行了如下循环操作：进料→反应→出料→清理。显然在每一反应周期中，只有一部分时间是用来进行聚合反应的，且反应条件要经过升温、恒温、降温三个阶段，所以反应条件在整个反应周期中是变化的。因此间歇聚合操作不易实现操作过程的全部自动化。

常规的聚合反应控制方法是在聚合釜夹套中通入蒸汽或冷水实现对反应过程的升温(加热)和降温(撤热)，聚合釜主要用于各种不同类型的催化剂的评价工作，它的用途就决定了每次反应所加入的催化剂品种不一定相同，这就使得反应过程的所放热量无法估算，即使同种类型的催化剂，其每批的活性和加入量也不相同；对于活性高者，其放出的反应热必然多，反之则减少；再者，对于化工过程中聚合反应的机理，还存在许多未知的因素和有待研究的问题，因此，整个过程对象的模型无法建立。如果反应剧烈，撤热不及时，就极易导致超温或爆聚，而使聚合温度失控。因此聚合反应釜首要的问题是如何有效的排除聚合反应热以及保持规定的反应温度，减少温度的波动，提高聚合温度的控制精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中聚合反应剧烈，加热和撤热过程中温度波动过大，造成的对于聚烯烃产品性能和质量的不良影响。本发明提供了一种聚合温度的智能控制方法，该控制方法能够使得间歇聚合反应中的聚合温度实现精确控制。另外，本发明还提供了一种烯烃聚合反应的控制装置。

本发明的目的之一通过以下技术方案来实现：在一个由工程师站、小型PLC控制系统、温度仪表、压力仪表和气体流量控制器，电磁阀组成的硬件系统中，提供了一种温度控制方法，该方法被控变量是温度，通过设计的温度智能控制模块(TC)(通过控制软件编程实现的软控制器)，在聚合反应过程中，根据温度波动的偏差和斜率，控制热水阀、内冷水阀及外冷水阀的打开时间，从而实现间歇聚合反应中的聚合温度的精确控制及升温、恒温、降温三个阶段的连续自动控制。

具体的，一种烯烃聚合温度自动控制系统，所述系统包括，

聚合釜R，温度仪表T、压力仪表P和气体流量控制器FC，电磁控制阀组V1-V3；变频调速搅拌电机(M)；以及温度控制单元；

所述聚合釜包括进料口，出料口，原料气入口，气体出口，以及冷，热水入口/出口；所述的温度仪表元件(T)插在所述聚合釜内，用于测量聚合釜内反应温度；所述温度控制器TC用于控制所述聚合釜温度；所述压力仪表P用于测量釜内气体压力；所述气体流量控制器FC安装在所述原料气入口处，用于控制气体流量；所述电磁控制阀组V1-V3设置在所述冷，热水入口线路中；

所述温度控制单元即：温度智能控制模块(TC)(通过控制软件编程实现的软控制器)，包括数据处理控制模块；所述温度仪表T、压力仪表P和气体流量控制器FC和电磁控制阀组V1-V3分别与所述数据处理控制模块连接，所述温度仪表T和压力仪表P将测量值输入数据处理控制模块，经数据处理后，所述数据处理控制模块输出控制信号给所述的气体流量控制器FC和电磁控制阀组V1-V3；进行冷热水加入量的调节，实现实时温度控制。

所述聚合釜的釜体内包括内冷水管6及搅拌7，搅拌由变频器调速控制。

本发明为了实现高效的制冷效果，所述聚合釜还设置有外部制冷部件，包括聚合釜夹套8，聚合釜夹套8内有外冷水盘管9；用于外部制冷。

本发明的第二个发明点是一种烯烃聚合温度自动控制方法，方法是在间歇聚合反应中，设定被控变量为温度，测量温度数值，并根据温度波动的偏差和斜率，控制热水阀、内冷水阀及外冷水阀的打开时间，从而实现间歇聚合反应中的聚合温度的精确控制及升温、恒温、降温三个阶段的连续自动控制。

所述的一种烯烃聚合温度自动化的控制方法，包括，

1.初始化并设定温度数值：设定预升温温度T1_sp，恒温反应温度T2_sp；

2.读取当前温度数值并计算：计算出反应温度的斜率K和釜温与设定温度的偏差E；

3.判断步骤：

当聚合釜温度小于T1_sp时，开热水阀V1，釜夹套通入热水升温；否则，当聚合釜温度达到T1_sp时热水阀V1关闭；

当温度达到恒温反应温度T2_sp时，数据处理控制模块开始计时，进入反应阶段；否则，当温度大于T1_sp且小于T2_sp时，控制聚合釜加入定量的氢气；

4.控制温度步骤：

温度控制器TC通过实时测量的温度数值，计算出反应温度的斜率K和釜温与设定温度的偏差E以及偏差的变化率ΔE，并将结果输出给所述的数据处理控制模块，所述热水阀V1，内冷水阀V2和外冷水阀V3根据所述数据处理控制模块的指令开启或者关闭；

5.聚合时间判断：

所述数据处理控制模块根据设定的反应时间，判断，如果计时小于设定反应时间，进入步骤4，否则关闭热水阀V1；反应阶段结束。

6.降温步骤：

开启内冷水阀V2和外冷水阀V3对聚合釜进行降温；

7.出料：聚合反应物从出料口出料。

在所述步骤2中，釜温与设定温度的偏差E＝SP(设定值)-PV(测量值).

在所述步骤4中，在聚合反应过程中，通过数据处理实时计算出反应温度的斜率K；反应开始时催化剂活性较高，放热很快，

当(T-T2_sp)＞0.1度，且升温斜率K＞0时，智能控制器自动连续开内冷水阀，聚合釜内冷管内通入冷水，将局部反应热撤走；外冷水阀开通时间的长短，取决于反应温度与设定温度的偏差E值和斜率的大小，当K＞0且E值越大外冷水阀开通时间越长，反之，当K＜0且随E的减小，外冷水阀开通时间越短；

当(T-T2_sp)＞0.3度，且K＞0时，智能控制器自动断续开外冷水阀，釜夹套盘管内通入冷水，将夹套水降温，即同时给釜内撤热；当(T-T2_sp)＞0.1度，升温斜率K＜0时，智能控制器自动关内冷水阀，停止向内冷管内通入冷水，此时反应放热维持温度在一定范围内；

随着催化剂活性的衰减，放热逐渐减少，要控制反应温度恒定，就要开热水阀，向聚合釜夹套通入热水，当(T-T2_sp)＜-0.3度，且K＜0时自动断续开热水阀，给聚合反应釜加热。开热水阀时间的长短也取决于反应温度与设定温度的偏差E值和斜率的大小，当K＜0，且ΔE越大，热水阀开通时间越长；反之，当K＜0且随E的减小，热水阀开通时间越短；

在聚合反应阶段，智能控制器根据釜温的变化斜率K值、釜温与设定温度的偏差E，及偏差的变化率ΔE的大小正负，在每个控制周期修正外冷水阀和热水阀打开的时间长短，将智能控制器的连续输出离散化，实现反应温度的精确控制。

本发明与现有技术的实质性区别在于，在聚合温度控制中设计了智能控制器，基于控制理论对温度偏差和偏差变化率进行智能化处理，然后将连续的控制器输出离散化，通过控制热水阀与外冷水阀的断续打开时间长短控制反应温度，实现聚合反应过程的加热和撤热。这种智能控制方法与传统的单回路控制方式和串级控制方式有很大的区别。传统温度PID控制是在PLC内部温度偏差信号进行PID运算，利用PID调节控制调节阀，但是本控制不需要精确的数学模型，通过模拟手动操作的过程，以温度偏差、温度偏差的变化率参数为函数关系，经过智能化处理，根据控制规则调节冷热水阀的打开时间，使得反应过程中放热量与撤热，吸热与加热量大小匹配，最终实现温度控制平稳精确的目的。

本发明的有益效果是这种控制方法的实施，克服了现有技术工艺过程中经常出现的因整个过程中被控对象的模型无法建立，温度滞后大而造成的温度大的波动，如果反应剧烈，撤热不及时，极易导致超温或爆聚，而使聚合温度失控的问题。本发明提供的聚合控制装置，内冷管和夹套外冷盘管的设计，很好的解决了反应过程的放热不均衡问题。当反应放热剧烈时，内冷水阀和夹套外冷水阀同时打开，实现撤热及时；当反应放热平稳时，只打开内冷水阀带走局部热量，而不致使整个釜温下降，如果不够可以短时间断打开外冷水阀，保证釜温不超温；当反应后期，反应热不足以维持釜温稳定时，通过短时、间断打开热水阀，给聚合釜加热，保证反应阶段的温度控制在±0.2度范围内，最终实现温度控制平稳精确，使聚烯烃产品性能和质量稳定性大为提高，同时在降低能耗方面也有很好的体现。

附图说明

图1是聚合装置流程简图(其中虚线是控制线路)。

图2是聚合控制系统时序图。

图3是控制程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，但并不用来限制本发明的应用范围。

系统方案设计：本装置由一个工程师站、一套小型PLC控制系统、温度仪表、压力仪表和气体流量控制器和电磁控制阀组成，主要设备是小型聚合釜，搅拌器由变频器调速。实验所需要的冷媒是普通常温冷水，热媒是由管道提供的95～98度热水。

图1中符号V1是热水电磁控制阀；V2是内冷水电磁控制阀；V3是外冷水电磁控制阀；FC是气体流量控制器：P是压力传感器；T是釜温传感器；TC是智能温度控制模块。设备R是聚合釜，釜内有内冷水管6及搅拌7，搅拌由变频器调速控制；聚合釜夹套8，釜夹套内有外冷水盘管9，夹套内通热水；所用的控制装置由小型PLC控制系统实施控制。M是变频调速搅拌电机

图2中给出了聚合反应过程中聚合温度设定曲线，和聚合压力设定曲线。整个过程分为升温、恒温、降温三个阶段。主要的反应阶段要求控制保持恒温恒压。

实施例1

小型乙烯聚合装置温度控制

试验开始时根据烯烃催化剂的种类和加料量预先设定预升温温度T1_SP：75℃，反应温度T2_SP：85℃，及反应时间t：2小时；向聚合反应釜中加入定量的溶剂己烷，催化剂等原料；然后打开热水阀V1，釜夹套通入热水升温。当温度达到T0时釜内压力开始增加，当温度达到T1_SP时热水阀V1断开，加入一定量氢气后加入原料气乙烯，升压至P2_sp：1.03Ma，而后随着聚合反应的消耗量来补充原料气乙烯，维持压力稳定。温度达到反应设定温度T2_SP时，启动智能控制器，并开始计时，进入反应阶段。

聚合反应过程中，通过数据处理实时计算出反应温度的斜率K。反应开始时催化剂活性较高，放热很快，当(T-T2_sp)＞0.1℃，且升温斜率K＞0时，开内冷水阀V2，釜内冷管内通入冷水，将局部反应热撤走；当(T-T2_sp)＞0.3℃，且K＞0时，开外冷水阀V3，釜夹套盘管内通入冷水，将夹套水降温，同时给釜内撤热。而外冷水阀V3开通时间的长短，取决于反应温度与设定温度的偏差E和斜率的大小，当K＞0且E越大外冷水阀V3开通时间越长；反之，当K＜0且随E的减小，外冷水阀V3开通时间越短。当(T-T2_sp)＞0.1℃，温度斜率K＜0时，关内冷水阀V2，停止向内冷管内通入冷水。反应放热维持温度在一定范围内。

反应一段时间后，随着催化剂活性的衰减，放热逐渐减少，要控制反应温度恒定，就要开热水阀V1，向釜夹套通入热水，当(T-T2_sp)＜-0.3℃，且K＜0时开热水阀V1，给反应釜加热。开热水阀V1时间的长短也取决于反应温度与设定温度的偏差E和斜率的大小，当K＜0，E＜0，且ΔE越大，热水阀V1开通时间越长；反之，当K＜0且随E的减小，热水阀V1开通时间越短。一般控制周期为12s～15s，外冷水阀V3平均开启是2s～6s，热水阀V1是5s～10s。在聚合反应阶段，智能控制器根据釜温的变化斜率，与设定温度的偏差E，及偏差的变化率ΔE的大小正负，在每个控制周期修正外冷水阀和热水阀打开的时间长短，将智能控制器的连续输出离散化，使得反应温度实现精确控制。

当恒温反应计时器到时，程序自动关闭原料气进料，关闭热水阀V1，打开内外冷水阀V2和V3，开始自动降温，降至常温后人工出料。

实施例2

小型丙烯聚合装置温度控制

试验开始时根据催化剂的种类和加料量预先设定预升温温度T1_SP：65℃，反应温度T2_SP：70℃，及反应时间t：2小时；在氮气保护下向釜中加入定量的硅烷，催化剂等原料；通入定量的氢气；再加入一定量的液相丙烯。然后打开热水阀V1，釜夹套通入热水升温。当温度达到T1_SP时热水阀V1断开，釜温度达到反应设定温度T2_SP时，启动智能控制器，并开始计时，进入反应阶段。

反应阶段控温与乙烯聚合装置相同，当恒温反应计时器到时，关闭热水阀V1，打开内外冷水阀V2和V3，开始降温。在整个试验过程中，只有投料阶段根据不同原料和不同的操作条件，由人工完成加料。升温开始后全部由程序控制，直到降至常温，然后由人工出料。

实施例3

乙烯丙烯共聚试验的温度控制

先进行丙烯液相本体均聚，方法同实施例2：丙烯聚合装置的应用。完成后再把配气罐中不同配比的乙烯丙烯混合气引入聚合釜中，共聚时釜内压力，温度，时间，及搅拌转速根据具体试验而定。而乙烯丙烯共聚试验的控温过程同样可以由本发明提供的智能控制方法及烯烃聚合反应的控制装置完成。

Claims (8)

1.一种烯烃聚合温度自动控制系统，其特征在于，所述系统包括，

聚合釜(R)，温度仪表元件(T)、压力仪表(P)和气体流量控制器(FC)，电磁控制阀组(V1-V3)和温度控制单元；

所述聚合釜包括进料口，出料口，原料气入口，气体出口，以及冷，热水入口/出口；所述的温度仪表元件(T)插在所述聚合釜内，用于测量聚合釜内反应温度；所述压力仪表(P)用于测量釜内气体压力；所述气体流量控制器(FC)安装在所述原料气入口处，用于控制气体流量；所述电磁控制阀组(V1-V3)设置在所述冷，热水入口管线中；

所述温度控制单元包括温度智能控制模块(TC)，所述温度控制器(TC)用于控制所述聚合釜温度；所述温度仪表(T)、压力仪表(P)和气体流量控制器(FC)和电磁控制阀组(V1-V3)分别与所述温度智能控制模块(TC)连接，所述温度仪表(T)和压力仪表(P)将测量值输入温度智能控制模块(TC)，经数据处理后，所述温度智能控制模块(TC)输出控制信号给所述的气体流量控制器(FC)和电磁控制阀组(V1-V3)；进行冷热水加入量的调节，实现实时温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种烯烃聚合温度自动控制系统，其特征在于，

所述聚合釜的釜体内包括内冷水管(6)及搅拌(7)，搅拌由变频器调速控制。 

3.根据权利要求1或2所述的一种烯烃聚合温度自动控制系统，其特征在于，

所述聚合釜还设置有外部制冷部件，包括聚合釜夹套(8)，聚合釜夹套(8)内有外冷水盘管(9)；用于外部制冷。

4.一种烯烃聚合温度自动控制方法，其特征在于，所述方法在间歇聚合反应中，设定被控变量为温度，测量温度数值，并根据温度波动的偏差和斜率，控制热水阀、内冷水阀及外冷水阀的打开时间，从而实现间歇聚合反应中的聚合温度的精确控制及升温、恒温、降温三个阶段的连续自动控制。

5.根据权利要求4所述的一种烯烃聚合温度自动控制方法，其特征在于，包括，

1.初始化并设定温度数值：设定预升温温度T1_sp，恒温反应温度T2_sp；

2.读取当前温度数值并计算：计算出反应温度的斜率K和釜温与设定温度的偏差E；

3.判断步骤：

当聚合釜温度小于T1_sp时，开热水阀V1，釜夹套通入热水升温；否则，当聚合釜温度达到T1_sp时热水阀V1关闭；

当温度达到恒温反应温度T2_sp时，数据处理控制模块开始计时，进入反应阶段；否则，当温度大于T1_sp且a小于T2_sp时，控制聚合釜加入定量的氢气；

4.控制温度步骤：

温度控制器(TC)通过实时测量的温度值，计算出反应温度的斜率K和釜温与设定温度的偏差E以及偏差的变化率ΔE，并将结果输出给所述的数据处理 控制模块，所述热水阀(V1)，内冷水阀(V2)和外冷水阀(V3)根据所述数据处理控制模块的指令开启或者关闭；

5.聚合时间判断：

所述数据处理控制模块根据设定的反应时间，判断，如果计时小于设定反应时间，进入步骤4，否则关闭热水阀V1；反应阶段结束；

6.降温步骤：

开启内冷水阀(V2)和外冷水阀(V3)对聚合釜进行降温；

7.出料步骤：聚合反应物从出料口由人工出料。

6.根据权利要求5所述的一种烯烃聚合温度自动控制方法，其特征在于，

所述步骤2中釜温与设定温度的偏差E＝SP(设定值)-PV(测量值)。

7.根据权利要求5所述的一种烯烃聚合温度自动控制方法，其特征在于，

步骤4中，在聚合反应过程中，通过数据处理实时计算出反应温度的斜率K；反应开始时催化剂活性较高，放热很快，

当(T-T2_sp)＞0.1度，且升温斜率K＞0时，智能控制器自动连续开内冷水阀，聚合釜内冷管内通入冷水，将局部反应热撤走；

当(T-T2_sp)＞0.3度，且K＞0时，智能控制器自动断续开外冷水阀，釜夹套盘管内通入冷水，将夹套水降温，即同时给釜内撤热；

当(T-T2_sp)＞0.1度，升温斜率K＜0时，智能控制器自动关内冷水阀，停止向内冷管内通入冷水，此时反应放热维持温度在一定范围内；

随着催化剂活性的衰减，放热逐渐减少，要控制反应温度恒定，就要开热水阀，向聚合釜夹套通入热水，当(T-T2_sp)＜-0.3度，且K＜0时自动断续开 热水阀，给聚合反应釜加热。

8.根据权利要求7所述的一种烯烃聚合温度自动控制方法，其特征在于，

外冷水阀开通时间的长短，取决于反应温度与设定温度的偏差E值和斜率的大小，当K＞0且E值越大外冷水阀开通时间越长，反之，当K＜0且随E的减小，外冷水阀开通时间越短；

开热水阀时间的长短也取决于反应温度与设定温度的偏差E值和斜率的大小，当K＜0，且ΔE越大，热水阀开通时间越长；反之，当K＜0且随E的减小，热水阀开通时间越短；

在聚合反应阶段，智能控制器根据釜温的变化斜率K值、釜温与设定温度的偏差E，及偏差的变化率ΔE的大小正负，在每个控制周期修正外冷水阀和热水阀打开的时间长短，将智能控制器的连续输出离散化，实现反应温度的精确控制。 

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