1种反应釜温度随循环水流量控制的新方法
时间：2023-02-17 08:35:17 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
姚晓艳，代现跃，李志永
（浙江巨化技术中心有限公司，国家氟材料工程技术研究中心，浙江 衢州 324004）
某氟化工产品中试项目以偏氟乙烯（VDF）为原料。其中的加成反应在反应釜中进行，通过质量流量计控制VDF 的进料流量。反应放热，VDF 的进料流量影响反应速度，进而影响放热量，反应温度需控制在(80±2)℃。温度控制通过循环水调节阀与反应釜温度连锁实现[1-2]。这种控制是一种常用的方法，简便可行，缺点是被动滞后，很难精准控温。反应如果不能精准控温，产品杂质就会增多。此杂质与产品相似相溶，很难除去，所以应尽可能减少其生成，这就需要精准控制反应温度。而要达到精准控温，必须对原有的控制方法进行改进优化，能将被动控制变成主动控制，迅速灵敏地对温度波动进行修正。
原有的控制方法参见图1。
图1 原有的釜温控制方法Fig 1 The original vessel temperature control method
VDF 流量大小引起釜温变化，根据釜温变化来调节循环水阀门的开度。当釜温大于80 ℃时，循环水调节阀开度变大，釜温开始下降；
当釜温小于80 ℃时，循环水调节阀开度变小，温度开始上升。
该控制方法的缺点及对反应的影响：
1）反应温度先受到VDF流量的影响，再开始反向调节循环水。温度始终先后受到冷热2股能量的冲击，很难平稳调控，温度会在(80±6)℃波动。
2）VDF流量变化会产生多少热量，控制系统未能及时预判，因此不能及时准确的补给冷却量，是一种模糊的被动控制。
3）温度波动过大，反应杂质增多；
且杂质难除去，影响产品质量。
4）当釜温冲高时，VDF 紧停，反应被迫中断，使反应不得平稳进行。
5）当釜温继续冲高时，只能使用安全泄放装置，造成一定的安全风险。
2.1 控制原理
温度波动的源头是VDF 的流量波动。流量波动不可控，所以只能改进控制系统。如果控制系统能预判流量波动产生的放热量，系统将可以进行主动控制。
由于VDF 属于危险介质，不便测量其反应放热，只能从循环水的控制想办法：假定釜温恒定不变，反应放出的热量等效于循环水带走的热量。而循环水吸收的热量，可以通过监测并计算。
循环水吸收的热量：
式中，cp为水的比热容，qm为循环水的质量流量，Δθ为进出口循环水的温度差。
由此可知，需监测循环水进出口温度及循环水的质量质量。
2.2 控制方法
改进后的控制方法参见图2。
图2 优化后的釜温控制方法Fig 2 Optimized vessel temperature control method
取消釜温与循环水调节阀的连锁。在循环水进出口增加3个监测点（进口质量流量、进口和出口温度），并将进口流量与调节阀连锁，实现温度的主动控制。
该控制方法的优点：
1）将原来滞后的被动控制改进成了预先的主动控制。增加的流量计F2 对应于VDF 流量的波动，实时调控，精准补给，及时有效地修正反应放热造成的温度波动。
2）增加的流量计F2 安装在循环水进口管路上，与此路上的调节阀连锁调控，将流量调节成系统给定的数值，不多不少地及时补充冷却量。F2 流量通过DCS 设定的公式进行计算，把实时监测的数据代入后，即可得到循环水的需求量，并赋值给流量计F2。
2.3 后台处理逻辑的构建
在后台逻辑构建之前，先进行1～2 批实验，获取监测数据。然后分5步进行逻辑构建：
1）前台实时监测循环水的质量流量（qm2）和进出口温度（t2、t3），后台实时计算出吸收的热量Q’C：
式中，qm2为循环水的质量流量，θ3和θ2分别为和循环水出口和进口温度。
2）经过一段时间的监测（t=0～n），再利用DCS 在后台计算出这段时间循环水吸收的的总热量QT。
3）同时段监测的还有VDF 质量流量qm1，产生的反应热QH：
式中，q为VDF 反应放热当量，即每克VDF反应放出的热量。
QH理论上等于循环水吸收的总热量QT。
4）由放出热量与吸收热量的等效关系，可推导出VDF的反应放热当量q：
5）VDF 的反应放热当量q计算出来以后，qm1即使实时变化，它的放热量也会根据公式自动算出。再根据其与qm2的关系式，自动计算出需要的qm2，并赋值给流量计F2，由此调控循环水的开度。
经过后台构建，循环水质量流量qm2实现了与VDF质量流量qm1的直接关联，可以很好地对应可能的温度波动。但控制的最终目标是釜温θ1。所以还需要将qm2直接与θ1进行关联，从而锁定釜温进行控制。
实践中，当把釜温θ1与设定的温度θ（θ=80 ℃）进行对比时，发现当θ-θ1≥0 时，循环水qm2减小；
反之亦然，当θ-θ1≤0时，循环水qm2增大。
由此进行关联，将后台的参数进行修正，使控制对象qm2直接锁向目标对象釜温θ1，得到关系式：
从而实现温控升级。
实践中，随机抽取了2种控制方式下的1组温度与流量数据，见图3。
图3 2种控制方法下的温度与流量Fig 3 Temperature and flow under two control methods
由图3可知，反应釜温度的波动从(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，从而保证了产品质量，杂质的质量分数从原来的0.53%降低到0.22%。
反应釜温度控制系统通过改造优化，加装3个监测点，监测数据后台运算得出的结果作为控制参数输出，调控整个控制系统，使控制系统从被动变成主动，实现了温度的精准控制。釜温波动从(80±6)℃降低到了(80±0.8)℃，产品杂质的质量分数从原来的0.53%降低到0.22%，保障了产品质量。此方案是一种简便可行的温控优化方案。
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