1 醚化反應(yīng)釜的溫度控制現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)所有醚化反應(yīng)釜裝置生產(chǎn)廠(chǎng)家都已采用 DCS系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)實(shí)行監(jiān)控，國(guó)內(nèi)DCS系統(tǒng)占主 流，國(guó)外DCS系統(tǒng)也有幾家，但都未實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè) 流程的自動(dòng)控制，基本仍處于手動(dòng)控制狀態(tài) 。 原因大致有以下幾點(diǎn)：
a．生產(chǎn)廠(chǎng)家裝置規(guī)模較小，自控投資較少；
b．整體工藝裝置設(shè)計(jì)時(shí)自控設(shè)計(jì)不完善，沒(méi) 能按照全自動(dòng)要求的水平來(lái)設(shè)計(jì)，很多影響控制 的重要參數(shù)沒(méi)有引入到DCS中；
C．生產(chǎn)工藝為間歇加料逐級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程 干擾因素較多，當(dāng)多個(gè)釜同時(shí)運(yùn)行時(shí)反應(yīng)釜之間 耦合嚴(yán)重；
d．熟練的、有責(zé)任心的操作工在整個(gè)反應(yīng)過(guò) 程中憑經(jīng)驗(yàn)很容易完成操作；
e．儀表白控維護(hù)人員較少，自控閥門(mén)及儀表 等設(shè)備維護(hù)跟不上。
隨著人力成本的上升、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的 提高，企業(yè)對(duì)由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)控制的 需求也越來(lái)越高。山東HD公司纖維素醚項(xiàng)目的 醚化反應(yīng)釜溫度控制中，采用了和利時(shí)自動(dòng)化有限公 司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括自動(dòng)精密加 料、自動(dòng)升溫及恒溫控制等，在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的效果在 國(guó)內(nèi)已處于水平。
2 醚化反應(yīng)釜的工藝流程簡(jiǎn)介
涉及到醚化反應(yīng)釜的醚化反應(yīng)過(guò)程即醚化I一Ⅲ 過(guò)程。不同型號(hào)的產(chǎn)品工藝過(guò)程有所不同，主要 體現(xiàn)在加料量、升溫時(shí)間、恒溫溫度和恒溫時(shí)間 上。以某一型號(hào)的纖維素醚為例，醚化反應(yīng)釜的工藝 流程如圖1所示。
生產(chǎn)工藝過(guò)程大致如下：
a．化堿。在化堿釜(圖1中未畫(huà)出)中將片 堿升溫融化。
b． 堿化。將化堿釜中液堿打人醚化反應(yīng)釜，加入 溶劑，加粉碎棉，噴淋。
C．醚化I。抽真空一0．04MPa，加入環(huán)氧丙 烷，冷攪拌40min，溫度控制在24％ ；升溫至 T1℃=, 時(shí)間t1min；恒溫控制T1℃，計(jì)時(shí)t2h。
d． 醚化Ⅱ。加人氯甲烷，升溫至T2℃ ，時(shí)間 t3min；恒溫控制 T2℃，計(jì)時(shí)t4h。
e．醚化Ⅲ。升溫至 T3℃ ，時(shí)間t5min；控制 在 T3℃，計(jì)時(shí)t6h。
3 醚化反應(yīng)釜溫度控制的特點(diǎn)
由醚化反應(yīng)釜的工藝流程可知，醚化反應(yīng)釜的溫度控 制分為升溫階段控制和恒溫階段控制。
升溫階段要求在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)將釜溫升 到所要求的溫度。升溫時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)對(duì)醚化反 應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生不良影響，造成化學(xué)反應(yīng)不充分或過(guò) 反應(yīng)，影響到產(chǎn)品質(zhì)量。升溫過(guò)程主要控制兩個(gè) 目標(biāo)：升溫時(shí)間和升溫溫度。
恒溫階段要求將釜溫控制在設(shè)定值士l℃內(nèi)。 釜內(nèi)溫度通過(guò)熱水（90℃左右）、循環(huán)水( 30~ 40℃)和冷水（7℃左右）交替循環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 熱水用于升溫，循環(huán)水用于正常降溫，冷水用于緊 急降溫。執(zhí)行器為熱水進(jìn)出口電磁閥，循環(huán)水進(jìn) 出口電磁閥，冷水進(jìn)出口電磁閥，總管道主路、旁 路調(diào)節(jié)閥。
在整個(gè)醚化過(guò)程中釜溫控制的難點(diǎn)是醚化 Ⅱ階段，原因是醚化Ⅱ階段加入氯甲烷，化學(xué) 反應(yīng)比較激烈，不好控制。醚化Ⅱ階段詳細(xì)過(guò) 程如圖3所示。
醚化Ⅱ升溫過(guò)程分兩個(gè)階段，前一階段為吸 熱階段，后一階段為放熱階段。恒溫階段也分為 兩段，前一階段為反應(yīng)劇烈階段，后一階段為反應(yīng)平緩階段。對(duì)象特性在升溫過(guò)程和恒溫階段均會(huì)發(fā)生較大改變。
升溫過(guò)程的吸熱階段直接通熱水快速升溫， 到放熱階段由于釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始變得激烈，會(huì) 釋放大量的熱，此時(shí)停止加熱，靠夾套內(nèi)熱水溫度 及自身化學(xué)反應(yīng)放熱升溫。有時(shí)化學(xué)反應(yīng)可能劇 烈一些，溫度和壓力上升比較快，這時(shí)將用循環(huán)水 來(lái)降溫，必要時(shí)用7℃水進(jìn)行緊急降溫。升溫階 段控制的好壞關(guān)鍵是停止通入熱水時(shí)間控制得是 否合適，停止通入熱水要選擇在醚化反應(yīng)釜由吸熱變 為放熱這個(gè)時(shí)間段。
恒溫階段前期化學(xué)反應(yīng)較劇烈，大約持續(xù) 25 min，該階段比較難控，利用循環(huán)水降溫比較頻繁， 后期化學(xué)反應(yīng)已基本完畢，溫度趨于平穩(wěn)。如果溫 度上升過(guò)快，將采用7℃水緊急降溫。如果降溫過(guò) 度，將通人熱水將溫度升上來(lái)。正常操作應(yīng)該是通 過(guò)循環(huán)水即可實(shí)現(xiàn)釜溫在允許的范圍內(nèi)，出現(xiàn)冷水 緊急降溫和熱水升溫說(shuō)明操作不合理。
醚化反應(yīng)釜控制是一個(gè)比較典型的批處理控制， 一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期大約13h。醚化反應(yīng)釜每次生產(chǎn)的 產(chǎn)品型號(hào)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃而定。
4 醚化反應(yīng)釜溫度控制方案的優(yōu)化
4.1 溫度控制優(yōu)化
分成產(chǎn)品選擇、恒溫控制、升溫控制優(yōu)化，以 及升溫預(yù)測(cè)和提前干預(yù)，滿(mǎn)足升溫時(shí)間要求。 針對(duì)升溫過(guò)程及恒溫過(guò)程利用先進(jìn)控制中的模糊 技術(shù)，讀取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)操作人員 的控制思路進(jìn)行了模擬分析，總結(jié)出一套自整定 模糊預(yù)測(cè)控制策略，根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品的工藝邊界條 件進(jìn)行相應(yīng)的操作溫度控制。引入溫度變化率和 壓力變化率，限制和干預(yù)升溫時(shí)間。該模糊控制 并不是嚴(yán)格意義上的模糊控制，缺少數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò) 程，是從工程解決問(wèn)題角度上設(shè)計(jì)的。
產(chǎn)品選擇：以前的操作，需要根據(jù)不同型號(hào)產(chǎn) 品設(shè)置很多相關(guān)參數(shù)。優(yōu)化后，只需要選擇產(chǎn)品 型號(hào)，相關(guān)所有參數(shù)就會(huì)自動(dòng)顯示在畫(huà)面上，并可 人工修改保存，下次再選擇該型號(hào)產(chǎn)品時(shí)即這次 修改后的數(shù)據(jù)。這樣既避免了輸入錯(cuò)誤，又減輕 了操作人員的勞動(dòng)量。參數(shù)設(shè)置如圖4所示。
醚化前恒溫控制：24℃恒溫，當(dāng)循環(huán)水溫度大 于25℃時(shí)（夏季），用冷水作為減溫水，其他季節(jié) 用循環(huán)水作為減溫水。
升溫控制：用熱水作為加熱水，循環(huán)水作為減 溫水。
a．開(kāi)熱水，當(dāng)溫度升到離目標(biāo)值8℃（注季 節(jié)會(huì)造成循環(huán)水溫度偏差，循環(huán)水溫度為30℃ 時(shí)，該值為9℃；循環(huán)水溫度為40℃時(shí)，該值為 IO℃)時(shí)，首次開(kāi)3min，停5min觀(guān)察。
b．如果升溫率大于0.3，說(shuō)明溫度升高太 快，需要開(kāi)lOs冷水，停3min觀(guān)察。
c．優(yōu)化算法會(huì)自動(dòng)計(jì)算升溫時(shí)間并與升溫 目標(biāo)比較，實(shí)時(shí)調(diào)整循環(huán)水，讓升溫時(shí)間等于目標(biāo) 升溫時(shí)間；實(shí)時(shí)計(jì)算T1（升溫總時(shí)間）= T2（剩余 時(shí)間）+ T3（升溫用時(shí)）；K（升溫率）×L（剩余時(shí) 間）+ T3（升溫用時(shí)）與T1（升溫總時(shí)間）實(shí)時(shí)比 較。
d．醚化恒溫控制：時(shí)間到加上溫度離目標(biāo)值 為l℃時(shí)，進(jìn)入恒溫階段。根據(jù)恒溫目標(biāo)值，偏差 1℃和溫度變化率，實(shí)時(shí)計(jì)算K（升溫率）×T2 （lOmin時(shí)間）與溫度目標(biāo)值比較，很l℃開(kāi)lOs循 環(huán)水，停3min；低1℃，開(kāi)lOs熱水。恒溫保護(hù)：溫 度很過(guò)目標(biāo)值+0.8℃時(shí)，變化率大于0.05，開(kāi)循 環(huán)水，起到溫度變化率或壓力變化率反向時(shí)才關(guān)， 停3min；變化率低，溫度低于目標(biāo)值+0.8℃時(shí)， 開(kāi)lOs熱水，停3min。溫度很過(guò)目標(biāo)值+1.1℃ 時(shí)，開(kāi)循環(huán)水，到溫度變化率小于0.005時(shí)才關(guān)。 醚化Ⅱ過(guò)程中步需要控制住溫升速率。其 余與普通溫控?zé)o二樣。
4．2 循環(huán)水溫度檢測(cè)優(yōu)化
因循環(huán)水溫度在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中是關(guān)鍵因 素，其溫度會(huì)影響調(diào)節(jié)效果，必須測(cè)量循環(huán)水進(jìn)水 溫度。夏天溫度太高，部分調(diào)節(jié)不起作用；冬天溫 度低，調(diào)節(jié)方式不同。所以必須穩(wěn)定循環(huán)水溫度 或檢測(cè)穩(wěn)定循環(huán)水溫度，優(yōu)化方案如下：
a．用冷水控制循環(huán)水溫度在24～30℃之 間；
b．如上述穩(wěn)定循環(huán)水溫度不可行，就用軟件 測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，用循環(huán)水閥打開(kāi)4min后的釜進(jìn)水溫 度來(lái)代替。
4．3 投料控制優(yōu)化
原來(lái)的投料控制是用PID的邏輯實(shí)現(xiàn)，邏輯 復(fù)雜，不能滿(mǎn)足不同料、不同季節(jié)的實(shí)用性，現(xiàn)作 如下優(yōu)化：
a．改為優(yōu)化函數(shù)，進(jìn)行無(wú)差調(diào)節(jié)。偏差小于 30kg開(kāi)始關(guān)調(diào)節(jié)閥，小于20kg調(diào)節(jié)閥關(guān)到70％ ， 小于lOkg調(diào)節(jié)閥關(guān)到50％ ，小于5kg調(diào)節(jié)閥關(guān)到 20％ ，小于1kg調(diào)節(jié)閥關(guān)到5％ ，小于0.5kg調(diào)節(jié) 閥關(guān)到1％ ，小于1％ ，關(guān)總閥；但因閥的特性，24 個(gè)閥每個(gè)的情況都不同，要分別整定和調(diào)試。為 了克服其變化，用PID修正其非線(xiàn)性。
b．無(wú)論手動(dòng)控制、自動(dòng)控制都能看到加料前 的重量、加料目標(biāo)值、加入料、剩余量和實(shí)時(shí)重量， 避免運(yùn)行人員手工記錄和計(jì)算這些量。
c．進(jìn)料總閥在自動(dòng)時(shí)根據(jù)進(jìn)料分閥開(kāi)度來(lái) 開(kāi)關(guān)，無(wú)需干預(yù)；選手動(dòng)控制時(shí)，可進(jìn)行手動(dòng)控制。
4．4 控制方案的測(cè)試結(jié)果
本醚化反應(yīng)釜溫度優(yōu)化控制方案在山東HD公司 纖維素醚項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
其余各項(xiàng)均在次測(cè)試中就100％ 達(dá)到控 制要求，其中較難的醚化Ⅱ(小)次由于對(duì)對(duì) 象了解還是有所偏差導(dǎo)致失敗，經(jīng)過(guò)分析對(duì)象特 性之后調(diào)整了相關(guān)參數(shù)，后兩次都很成功，經(jīng)過(guò) 10多次的測(cè)試，驗(yàn)證了該控制方案思路正確，控 制效果良好。
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5 結(jié)束語(yǔ)
該醚化反應(yīng)釜溫度優(yōu)化控制方案，從工程問(wèn)題角 度上進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)醚化反應(yīng)釜溫度變化的特點(diǎn)與控 制難點(diǎn)，將醚化反應(yīng)釜溫度偏差和溫度變化速率劃分 為若干個(gè)區(qū)域，對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了醚化 釜溫度的精密控制。和利時(shí)公司通過(guò)對(duì)醚化類(lèi)產(chǎn) 品定制控制功能塊，并對(duì)其調(diào)試后可知，該功能塊 使用簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，并且能夠達(dá)到預(yù)期控制目 標(biāo)，可以在類(lèi)似的間歇式反應(yīng)釜溫度控制中進(jìn)行 推廣，希望能對(duì)間歇式反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的改 進(jìn)提供借鑒。
