甄永亮， 沈攀攀

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

串級-比值控制系統(tǒng)在聚酯生產(chǎn)中的應(yīng)用

甄永亮， 沈攀攀

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

乙二醇(EG)與精對苯二甲酸(PTA)的摩爾比是聚酯生產(chǎn)中重要的控制參數(shù)，參與配比的EG和PTA，一般采用獨(dú)立的PID調(diào)節(jié)回路來控制其添加量，由于缺少反饋，對摩爾比的控制仍屬于開環(huán)控制范疇。在EG和PTA漿料密度與兩種物料的摩爾比之間的經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以漿料密度為主回路，摩爾比比值為副回路的串級-比值控制系統(tǒng)，克服了因EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度變化或其他干擾導(dǎo)致的配比偏差，提高了摩爾比的控制穩(wěn)定性及控制品質(zhì)。該方案已獲得實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

摩爾比 聚酯裝置 漿料調(diào)配 串級-比值控制系統(tǒng)

聚酯工業(yè)中，一般采用將乙二醇(EG)與精對苯二甲酸(PTA)直接進(jìn)行酯化反應(yīng)，再對生成的酯化物進(jìn)行縮聚反應(yīng)的方法進(jìn)行聚酯生產(chǎn)[1]。在該種被稱為直接酯化法的工藝中，要把EG與PTA固體粉末連續(xù)調(diào)配成漿料[2-3]，其摩爾比是最基本也是最重要的控制參數(shù)之一，它直接關(guān)系著后續(xù)酯化反應(yīng)的酯化率，進(jìn)而影響著裝置物耗和最終的產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

當(dāng)參與配比的EG和PTA質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時，采用多閉環(huán)的比值控制系統(tǒng)能較好地控制兩者之間的摩爾比。因摩爾比的不可直接測量性，整個比值系統(tǒng)本質(zhì)上說還是一個開環(huán)的系統(tǒng)，沒有反饋修正機(jī)制。當(dāng)某種物料成分有變化時，比值控制系統(tǒng)就會出現(xiàn)偏差，所產(chǎn)生的誤差需要在后續(xù)酯化反應(yīng)階段依靠工藝操作人員的經(jīng)驗(yàn)予以彌補(bǔ)和修正。而實(shí)際生產(chǎn)中，大部分EG都來自裝置的循環(huán)回收，其濃度、溫度必然隨裝置的運(yùn)行工況而波動，這不僅增加了操作人員的勞動強(qiáng)度，而且對操作水平也提出了較高的要求，尤其是在升降生產(chǎn)負(fù)荷時。因此，改進(jìn)上述比值控制系統(tǒng)顯得很有必要。

1 聚酯漿料調(diào)配的控制

1.1 聚酯漿料調(diào)配過程

EG與PTA在進(jìn)行酯化反應(yīng)前需要按一定的摩爾比進(jìn)行混合，制成聚酯漿料。常溫下PTA為白色粉末狀固體，純度及性質(zhì)穩(wěn)定，EG則為液態(tài)溶液。因此，一般以PTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為比值控制系統(tǒng)的主變量，EG的質(zhì)量流量作為比值控制系統(tǒng)的副變量，典型的聚酯漿料調(diào)配工藝流程如圖1所示。PTA的質(zhì)量通過稱重系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量和控制，EG的質(zhì)量一般來自兩部分，一部分是直接添加的EG，另一部分是催化劑溶液中作為溶劑的EG。EG和催化劑溶液的質(zhì)量均由質(zhì)量流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥組成的PID調(diào)節(jié)回路進(jìn)行計(jì)量和控制。兩者由摩爾比控制器協(xié)調(diào)，以一定的比例加入漿料調(diào)配槽中，在調(diào)配槽中進(jìn)行混合并制備成聚酯漿料。

1.2 聚酯漿料調(diào)配過程

典型的聚酯工藝流程中，對于EG與PTA的摩爾比調(diào)節(jié)一般采用三閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如圖1所示：WIC-1101為PTA質(zhì)量流量測量和調(diào)節(jié)回路，此回路也是比值系統(tǒng)的主回路；YK-2103、FIC-2104為催化劑質(zhì)量的比例控制及流量調(diào)節(jié)回路，此回路是比值系統(tǒng)的第一副回路；YK-1103，F(xiàn)IC-1104為EG質(zhì)量的比值控制及流量調(diào)節(jié)回路，此回路是比值系統(tǒng)的第二副回路。PTA的質(zhì)量由失重秤或固體質(zhì)量流量計(jì)WT-1101測量，并由下料螺旋的轉(zhuǎn)速來控制下料的流量。純EG的質(zhì)量由質(zhì)量流量計(jì)FIT-1104進(jìn)行計(jì)量，并由調(diào)節(jié)閥FV-1104控制其流量的大小。催化劑中的EG質(zhì)量由質(zhì)量流量計(jì)FIT-2104進(jìn)行計(jì)量，并由調(diào)節(jié)閥FV-2104控制其流量大小。

聚酯生產(chǎn)中，EG與PTA的摩爾比是由最終產(chǎn)品的品質(zhì)決定的，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷確定后，就可以依據(jù)摩爾比與生產(chǎn)負(fù)荷確定出所需的PTA添加量；以PTA的質(zhì)量為基準(zhǔn)，依照所需的摩爾比即可計(jì)算出所需的EG添加量；再按照工藝要求確定出所需的催化劑質(zhì)量，根據(jù)催化劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以計(jì)算出溶液中EG的質(zhì)量；最后即可得出需要添加的EG質(zhì)量。EG與PTA摩爾比調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 典型聚酯漿料調(diào)配流程示意

圖2 聚酯漿料調(diào)配摩爾比控制系統(tǒng)原理示意

2 聚酯漿料密度與摩爾比關(guān)系

2.1 三閉環(huán)比值控制系統(tǒng)存在問題

在三閉環(huán)的摩爾比比值控制系統(tǒng)中，PTA的添加量由1個PID調(diào)節(jié)回路控制，EG的添加量由2個PID調(diào)節(jié)回路控制，之間使用比值控制器進(jìn)行計(jì)算來確定各自的添加量。在該控制系統(tǒng)中，PTA的添加量設(shè)定后，PID調(diào)節(jié)回路會將PTA的添加量控制在設(shè)定值。摩爾比比值控制器會依照設(shè)定的摩爾比去調(diào)節(jié)和設(shè)定EG的添加量，EG及催化劑溶液的PID調(diào)節(jié)回路據(jù)此調(diào)節(jié)各自加入量。

不考慮其他隨機(jī)擾動的情況下，如果PTA的純度、EG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持穩(wěn)定，則該控制系統(tǒng)可以較好地完成摩爾比控制。但在實(shí)際生產(chǎn)中，為了充分利用EG原料，每個生產(chǎn)階段中產(chǎn)生的EG廢液會進(jìn)行回收再利用，這樣EG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就不再是固定不變的值。另外，催化劑溶液在配制時也有可能出現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差。由圖2可以看出，對摩爾比控制器而言，因沒有直接可測量的反饋修正，實(shí)際摩爾比控制器處于一個開環(huán)系統(tǒng)中。因此，EG和催化劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化最終導(dǎo)致摩爾比很難精確地控制在期望值上[5]。

解決該問題的一個思路是引入代表工藝過程配比質(zhì)量指標(biāo)的第3參量來進(jìn)行比值的自動設(shè)定[6-8]，即找到能反映EG與PTA摩爾比比值狀況的可測變量并組成閉環(huán)控制回路，用這個可測變量去修正摩爾比值，以達(dá)到將摩爾比穩(wěn)定在期望值上的目的。

2.2EG和PTA密度與其摩爾比的關(guān)系

EG與PTA的摩爾比可由式(1)表示，漿料密度可由式(2)表示：

(1)

(2)

式中： R——EG對PTA的摩爾比；mEG， mPTA——EG和PTA的質(zhì)量；MEG， MPTA——EG和PTA的摩爾質(zhì)量；ρ——混合漿料的密度；ρEG， ρPTA——EG和PTA的密度。

常溫下，ρPTA=1550kg/m3，ρEG純=1113kg/m3。MPTA=166.13g/mol，MEG=62.07g/mol。結(jié)合式(1)、式(2)可得到R與ρ之間的關(guān)系：

(3)

由式(3)可知，在ρEG和ρPTA一定的情況下，ρ與R之間有確定的關(guān)系。但是，EG和ρPTA是受溫度影響的。由于回收使用EG的存在，導(dǎo)致EG的溫度在一定范圍內(nèi)變化，因而，EG與PTA漿料的溫度約在20～90℃內(nèi)波動。有研究資料表明，在該溫度范圍內(nèi)，ρPTA可以認(rèn)為是常量，而ρEG則是溫度的函數(shù)。實(shí)際上，結(jié)合聚酯生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在大量數(shù)據(jù)擬合的基礎(chǔ)上，得到20～90℃內(nèi)ρ， R， T之間有如下的經(jīng)驗(yàn)公式[9-10]：

(4)

式中： T——華氏溫度,℉。

該經(jīng)驗(yàn)公式揭示出了帶溫度補(bǔ)償?shù)臐{料密度與摩爾比之間的關(guān)系，且在20～90℃內(nèi)具有極高的準(zhǔn)確度，完全包括了聚酯工業(yè)生產(chǎn)中漿料配制所能達(dá)到的溫度限值，為經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3 串級-比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由式(4)可知，通過測量ρ， T可間接得到R，將此值反饋到控制系統(tǒng)中作為摩爾比控制器的測量值，可設(shè)計(jì)出帶溫度修正的串級-比值控制系統(tǒng)。

該方案在某200kt/a國產(chǎn)化工藝的瓶級聚酯切片項(xiàng)目應(yīng)用中，取得了很好的應(yīng)用效果。引入串級-比值控制系統(tǒng)后，無論是摩爾比的控制精度還是穩(wěn)定性都得到了提升，尤其是在升降生產(chǎn)負(fù)荷時，而且無廢料產(chǎn)生。另外，由于控制精度的提高，回收使用EG的利用率也得到提升，新鮮EG的用量也有一定程度的減少，取得了不錯的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

該串級-比值控制系統(tǒng)較以往聚酯生產(chǎn)中常用的三閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、控制品質(zhì)上得到了很大提升。但需要說明的是： 該方案中未考慮回收使用EG中乙醛質(zhì)量對漿料密度的影響(質(zhì)量百分比約為0.4%)，也沒有考慮催化劑溶液中溶質(zhì)催化劑的質(zhì)量對漿料密度的影響。這兩者因質(zhì)量占比小而在上述控制方案中予以忽略不計(jì)，但它們在多大程度上影響了漿料密度還是值得研究與驗(yàn)證的問題。另外，在連續(xù)聚酯生產(chǎn)中，聚酯漿料在調(diào)配槽中平均要混合攪拌40min左右再輸送至酯化反應(yīng)器，而漿料密度的檢測點(diǎn)設(shè)置在漿料調(diào)配槽與酯化反應(yīng)器之間的管道上，這樣就存在一定的檢測滯后，如何克服滯后的影響也是值得研究的問題。

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Application of Cascade-Ratio Control System in Polyester Production

ZhenYongliang，ShenPanpan

(ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation，Beijing， 10037，China)

MolarratioofEG(EthyleneGlycol)toPTA(PureTerephthalicAcid)isaveryimportantprocessparameterinpolyesterproduction.IndependentPIDadjustmentloopisusedtocontrolitschargingamountforinvolvedEGandPTA.Themolar-ratiocontrolstrategyisintrinsicallyanopenloopduetoshortageoffeedback.Anovelcontrolofso-calledcascade-ratiocontrolstrategyisestablishedbasedonanexperientialformulademonstratingrelationofdensityofmixtureslurrytoratioofEGtoPTA.Theslurrydensityservesasmastervariableandmolarratioasslavevariable.Theschemehasbeenappliedinpracticalprojectwithgoodperformance.

molarratio;polyesterunit;slurrydeploy;cascade—ratiocontrolsystem

甄永亮(1979—)，男，河北曲陽人，畢業(yè)于北京化工大學(xué)檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國昆侖工程公司，從事化纖、石油化工自動化設(shè)計(jì)工作，任高級工程師。

TP

B

1007-7324(2016)06-0037-03

稿件收到日期： 2016-08-24。