环管聚丙烯装置复杂测量及控制顾祥柏 张思秀 黄步余(北京石油化工工程公司,100101)
摘要:结合环管聚丙烯工艺生产过程的特点,对装置中复杂测量及控制回路进行了分析,并给出了有关PID参数初值设定方法、温度压力补偿算法及有关参数、复杂控制回路的实施方案和详细算法。
关键词:环管反应 聚丙烯 PID参数 温度压力补偿 复杂控制回路 环管聚丙烯装置工艺单元包括下列工段:1)催化剂和助催化剂的储存及计量;2)聚合;3)聚合物脱气及丙烯回收;4)高抗冲聚合;5)聚合物汽蒸与干燥;6)排放系统、废油处理和工艺辅助设施;7)丙烯和乙烯处理装置、乙烯和氢气压缩;8)添加剂系统及挤压单元;9)均化料仓及包装机;10)火炬系统、粉尘沉降收集池和消防系统。整个工艺生产过程对测量及控制系统要求较高的是反应系统及相关流程。它包括预接触罐、预聚合反应器及环管反应器3个部分。整个反应过程对于温度、压力、丙烯进料、氢加入量、环管反应器的缓冲罐液位、聚合物含量的检测控制要求较严格,各参数的控制相互关联。下面,介绍环管聚丙烯装置的复杂测量及控制系统的实施方法。1 主要流程环管聚丙烯反应系统包括预接触罐、预聚合反应器及环管反应器3个部分。111 预接触罐将催化剂、给电子体和三乙基铝注入到预接触罐中,在罐中搅匀。在搅拌过程中通过控制夹套水来控制预接触罐的温度。112 预聚合反应器预聚合反应器主要工艺流程如图1所示。在预接触罐中活化后的催化剂混合物注入到预聚合反应器的液态丙烯中。先将丙烯经过换热器冷却至10e,然后在混合器中与催化剂混合物混合,混合后的浆液进入预聚合反应器(R-20),在20e,约314MPa压力下进行聚合。预聚合反应器是一个小型单环管反应器,物料约停留4min,把聚合反应限在最低的限度,每1克催化剂只有50~150g的丙烯发生聚合反应。预聚合反应使催化剂颗粒周围缓慢地包裹或形成聚合物的薄层。进入环管反应器的催化剂如果不被包裹起来,催化剂颗粒会很粘,就可能发生爆聚而生成大量细粉。113 环管反应器环管反应器主要工艺流程如图2所示。来自预聚合反应器的丙烯、催化剂、给电子体以及三乙基铝混合物与新鲜丙烯进料一起送入环管反应器,在314MPaG进行聚合反应,通过调节进入到反应器的丙烯进料来控制环管中的浆液浓度。环管反应器中的浆液浓度约为50%,停留时间为115小时,反应温度控制在70e,反应压力控制在314MPaG。反应器的循环泵使环管中的物料连续循环。液态丙烯作为输送流体,与反应器(R-21)相连的配有蒸汽加热丙烯汽化器的增压罐(D-22),用来控制环管反应器的反应压力。反应温度通过反应器夹套中闭路脱盐水循环系统来控制,夹套水温度是由R-21中的浆液温度TIC-23作为主回路,夹套水温度控制器(TIC-24)作为副回路构成串级控制,两个调节阀(TV-24A/B),构成热旁路控制。环管反应器的浆液在反应器缓冲罐液位控制下连续向脱气单元排放。特别需要注意的是对不同牌号的产品应对下面的物料进行严格控制,以确保聚合反应的品质:1)激活聚合反应,提高催化剂活性的催化剂与三乙基铝;2)给提高产品等规度的给电子体;3)调节环管反应器中的聚合物熔体流动指数(MFI)的氢气、环管中浆液的密度、丙烯的流量、催化剂参杂率、产品牌号等操作条件都会影响氢的补充量。对不同牌号的产品应根据相应的操作条件将环管反应器中含氢的浓度控制在不同的定值。因此对于环管反应聚丙烯反应系统来讲,催化剂、三乙基铝、给电子体以及氢对聚合反应品质有极大的影响,对不同
收稿日期:1998)02)27;修改稿收到日期:1998)07)28作者简介:见本刊1998年第4期第46页。
工程设计及标准 石 油 化 工 自 动 化,1999,1:13AUTOMATIONINPETRO-CHEMICALINDUSTRY牌号的产品均要进行严格的计量及控制。2 温度压力补偿由上面的流程介绍,不难看出,环管反应聚丙烯装置对于氢的加入量、蒸汽的用量(用于控制环管反应器的压力等)、氮的用量等的测量与控制要求得比较严格,因为它们都直接影响到聚合反应的质量。下面针对聚丙烯生产过程的特点介绍所采用的温压补偿的几种算法。211 气体补偿算法1)温压补偿qcm=p+popr+po#Tr+ToT+To#qm(1)式中 pr)))孔板计算时指定的操作压力,MPa;p)))测量压力,MPa;Tr)))孔板计算时指定的操作温度,e;T)))测量温度,e;po)))0110132MPa;To)))273115K;qcm)))补偿后的流量,kg/h;qm)测量的流量,kg/h。2)压力补偿qcm=p+popr+po#qm(2)3)温度补偿qcm=Tr+ToT+To#qm(3)212 蒸汽补偿算法qcm=VrV#qm(4)V=R(T+To)p+po-a1(T+To)/1002exp2182-(p+po)2#
b1(T+To)/1002exp14+c1(T+To)/1002exp3116
的丙
(5)Vr=R(Tr+To)pr+po-a1(T+To)/1002exp2182-(p+po)2#
b1(T+To)/1002exp14+c1(T+To)/1002exp3116
/B
(6)式中 R=4.615exp(-4) a=0.9172b=1.360928exp(6) c=4.55exp(17)213 坏值处理 在进行温压补偿算法时,应防止温度及压力的
测量坏值给测量结果造成污染。在算法执行的过程中,对温度的测量值进行坏值的判断,坏值的判断算法可以采用变化率判断算法、极限值判断算法等方法,一旦检测出温度及压力的坏值时补偿算法立即停止执行使得qcm=qm
214 补偿算法实例
对环管法聚丙烯装置,我们对需要进行温压补偿的流量及相应的Tr及pr取值给出下面的一些实例,见表1。表1 需要进行温压补偿的流量及相应变量取值实例流量位号说 明介 质压力信号温度信号pr/MPaTr/e公 式FI-02N2总管流量N2PI-0201625(2)FI-03中压蒸汽总管流量蒸 汽PI-03TI-03112275(4)FI-05工厂风总管流量工厂风PI-0601525(2)FI-06/1氢气总管/1流量H2PI-07TI-0621832(1)FI-06/2氢气总管/2流量H2PI-07TI-0621832(1)FI-06/3氢气总管/3流量H2PI-07TI-0621832(1)FI-06/4氢气总管/4流量H2PI-07TI-0621832(1)FI-10仪表风总管流量仪表风PI-0901525(2)
3 PID控制器参数初始值的确定针对聚丙烯工艺过程的特点,大部分的控制回路采用PID控制算法。PID控制器的参数随着被控过程的不同而不一样,并且PID调节回路均具有测量值跟踪的特性,串级回路具有反向跟踪能力,以实现无扰动的切换。根据被测参数的不同,聚丙烯生产过程的PID参数初始值可按表2选取,并在现场的具体使用过程中再根据实际情况进行有关的整定。
表2 一般PID参数初始值选用表参数类型P(增益)I/minD/min分析仪表1100密 度250流 量01510液 位11520压 力110速 度0152150温 度25015称 重150
16石油化工自动化 1999年4 复杂控制回路411 丙烯/氢气流量比控制 丙烯/氢气流量比的变化直接影响丙烯聚合物的熔体流动指数,并且对于不同的产品牌号其熔体流动指数的高、低对氢气浓度的要求相差较大。例如对于低熔体流动指数牌号的产品,环管反应器中氢气的浓度摩尔分数约为0101%;高熔体流动指数牌号的产品,环管反应器中氢气浓度摩尔分数约为015%;量程比为42B1。因此用一个检测与控制回路是不能实现的,所以氢气的流量检测与控制分成高低量程两个检测与控制回路即FIC-21A/FV-21A与FIC-21B/FV-21B。为了控制丙烯/氢气流量比,对进入到预聚合反应器的丙烯单体及氢气的浓度进行严格地控制,以确保熔体流动指数能够得到良好的控制。1)控制回路图(见图3)
图3 进预聚合反应器的丙烯/氢气流量控制回路图FV-21A,FV-21B两个阀不是分程控制阀,是两个同时动作阀 2)算法
对FIC-21A:FX-21.SP=FIC-23.PV#K1
对FIC-21B:FX-21.SP=FIC-23.PV#K2其中 K1=FIC-21A1FSRFIC-23.FSR#AIC-21A1OP100 K2=FIC-21B1FSRFIC-23.FSR#AIC-21B1OP100式中 FSR)))满量程(FullScaleRange);OP)))输出值(Output);PV)))测量值(ProcessVariable)。3)说明FV-21A,FV-21B两个调节阀为并联安装的故障关闭型调节阀,两个阀的流通能力不同,可以根据流量范围大小的不同进行选择。无论选择FIC-21A还是FIC-21B,均应保持两个阀的开度相同,以便切换。412 进反应器R-21的单体及助剂的流量控制为保证环管反应器中的浆液密度保持在560g/L(400~420g聚丙烯/升单体),必须对进入到环管反应器R-21中的丙烯及给电子体(DONOR),三乙基铝(TEAL)稳定剂(Atmer163)的流量进行控制。根据产品的类型及牌号的不同,三乙基铝/单体进料比为0115~0.25kg/t,三乙基铝/给电子体的设定比(质量比)为4~40。1)控制回路图(见图4)
2)算法参数K1,K2,K3与生产不同的牌号的产品有相对应的值。这里只给出T30S牌号K1,K2,K3
的值作为例子,详细的不同牌号的K1,K2,K3值
请参见有关工艺说明。T30S:K1=0.01 K2=0.2 K3=0.33)说明P-14A,P-14B;P-11A,P-11B;P-12A,P-12B计量泵是互为备用的,各自带有气动执行机构,用于调节计量泵的冲程,两个执行机构的动作始终保持一致,以便实现迅速切换。413 环管反应器排放控制为保证环管反应器中的浆液密度相对稳定,环管反应器的排料是采用控制反应器缓冲罐的液位进行连续排料控制的,为保证排料的连续性,同时设定了一个排料手操控制器。 1)控制回路图(见图5) 2)算法
17第1期 顾祥柏等1环管聚丙烯装置复杂测量及控制