徐明慧

(東華工程科技股份有限公司,合肥 230002)

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聚酯裝置中精對苯二甲酸漿料調(diào)制控制方案設(shè)計(jì)

徐明慧

(東華工程科技股份有限公司,合肥 230002)

摘要：針對傳統(tǒng)聚酯裝置中精對苯二甲酸(PTA)漿料調(diào)制控制精度低的問題，深入分析工藝過程，建立酯化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行工業(yè)化驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的以PTA漿料密度與PTA粉末和乙二醇(EG)混合液進(jìn)料量為控制變量的串級(jí)-比值控制方案。同時(shí)，將溫度變量引入PTA漿料密度與摩爾比的關(guān)系式中進(jìn)行優(yōu)化，提高了控制的平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：聚酯裝置酯化反應(yīng)機(jī)理建模串級(jí)-比值控制PTA漿料調(diào)制控制方案

Control Scheme Design for PTA Slurry Preparation in PET Plant

Xu Minghui

(East China Engineering Science and Technology Co. Ltd., Hefei, 230002, China)

Abstract：Contrapose to the problem of low control accuracy of PTA slurry preparation in traditional PET plant, mathematical model of esterification reaction is constructed and conducted industrialization verification after deep process investigation. A modified cascade-ratio control strategy with control variables of PTA slurry density and mixture flow of PTA powder and EG is designed. Temperature variable is optimized with introduction into formulation of PTA slurry density and mole ratio, and control stability is improved.

Key word： PET plant; esterification reaction modeling; cascade ratio control; PTA slurry preparation control scheme

聚酯(PET)生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)多工段的生產(chǎn)過程，初期需要將原料精對苯二甲酸(PTA)粉末與乙二醇(EG)調(diào)制成PTA漿料，在反應(yīng)釜中經(jīng)過酯化反應(yīng)、預(yù)縮聚以及終縮聚生成PET。本文以江蘇某PET生產(chǎn)裝置為背景，針對傳統(tǒng)PTA漿料調(diào)制控制方案控制效果不平穩(wěn)以及控制精度低的狀況，首先對酯化釜中PTA漿料的反應(yīng)過程進(jìn)行機(jī)理建模并驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上深入分析漿料調(diào)制控制變量并建立溫度修正的PTA漿料密度與摩爾比關(guān)系式，力求設(shè)計(jì)出更為合理的控制方案，滿足生產(chǎn)高質(zhì)量聚酯產(chǎn)品的要求。

1PTA漿料調(diào)制與酯化過程工藝簡介

連續(xù)聚酯反應(yīng)的簡要工藝流程如圖1所示，采用三釜流程工藝，調(diào)制好的PTA漿料進(jìn)入酯化反應(yīng)器中開始反應(yīng)，在此過程中多數(shù)EG和所有的水蒸發(fā)成酯化蒸汽，從酯化釜頂部逸出進(jìn)入分離塔，將水分離出來。對苯二甲酸雙羥乙酯(BHET)和2～12縮聚體依次進(jìn)入預(yù)聚塔和終聚釜進(jìn)行聚合反應(yīng)，最終生成PET。

PTA漿料調(diào)制過程即將儲(chǔ)料倉中的PTA粉末均勻、連續(xù)地加到漿料調(diào)制罐，在攪拌過程中與來自EG回收罐和分離塔的EG混合，調(diào)配成PTA漿料，此工序應(yīng)嚴(yán)格控制PTA/EG進(jìn)料比。

2酯化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型建立與仿真

圖1　連續(xù)聚酯反應(yīng)工藝流程示意

工藝參數(shù)工藝設(shè)計(jì)值模型計(jì)算值誤差,%moutEG0.1425mol/kg0.1501mol/kg5.2697moutPTA0.3927mol/kg0.4073mol/kg3.7282moutDEG0.1259mol/kg0.1303mol/kg3.3768Es=minPTA-moutPTAminPTA×100%90.794789.17871.7798wt=moutDEG×wDEG1000×100%1.33701.38143.2135

根據(jù)表1可知，模型計(jì)算值與工藝設(shè)計(jì)值比較接近，由于研究過程中參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文研究的裝置稍有不同且在酯化蒸汽汽液兩相平衡計(jì)算中進(jìn)行了部分理想性假設(shè)以及簡化，因而計(jì)算結(jié)果存在誤差。盡管如此，該模型還可以較好地模擬酯化反應(yīng)隨著工藝單因素改變而產(chǎn)生的變化過程并顯示出整個(gè)酯化反應(yīng)過程中各組分的變化過程。

3PTA漿料調(diào)制控制方案設(shè)計(jì)

3.1PTA漿料調(diào)制控制變量分析

PTA/EG漿料配制比例應(yīng)該嚴(yán)格控制，因?yàn)橛衅畹臐{料配比會(huì)影響縮聚體的黏度和酯化反應(yīng)器中的酯化率，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)。

由PFD資料可知，漿料摩爾比的設(shè)計(jì)值為1∶1.8，如果摩爾比降低，則會(huì)減慢酯化反應(yīng)速率并降低酯化率，造成端羧基值的變化，從而影響切片的紡絲品質(zhì)。不同摩爾比漿料對應(yīng)的酯化反應(yīng)酯化率的變化曲線如圖2所示。

如果漿料摩爾比升高，DEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)在酯化率提高的同時(shí)也隨之升高，DEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)使聚酯的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)下降、耐熱氧化性和耐光性變差、聚酯纖維的染色加深、上色率提高。有研究表明，聚酯分子鏈中每增加1%的DEG，聚酯的熔點(diǎn)降低5℃。當(dāng)進(jìn)料摩爾比升高時(shí)，DEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖3所示。

圖2　不同漿料摩爾比對應(yīng)酯化率變化曲線

圖3　不同漿料摩爾比對應(yīng)DEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

3.2PTA漿料調(diào)制串級(jí)—比值控制系統(tǒng)

3.2.1PTA漿料調(diào)制控制變量確定

1) PTA漿料密度與摩爾比理論關(guān)系。結(jié)合工藝操作要求，PTA與EG的調(diào)配采用比值控制方式進(jìn)行控制?？刂茖ο鬄镻TA進(jìn)料量和2股EG進(jìn)料量之和，然而這2種物料的配比最終是通過摩爾比反映出來，同時(shí)漿料的摩爾比nr又與漿料的密度ρS有關(guān)，即：

(1)

(2)

式中：qmEG——原料EG的進(jìn)料量；qmPTA——原料PTA的進(jìn)料量；MEG——原料EG的摩爾質(zhì)量；MPTA——原料PTA的摩爾質(zhì)量；ρEG——原料EG的密度；ρPTA——原料PTA的密度。由式(1)和式(2)可以得到漿料摩爾比與密度的關(guān)系式：

(3)

由此可見，漿料摩爾比隨原料密度變化而變化。

2) 基于溫度修正的摩爾比與PTA漿料密度關(guān)系式推導(dǎo)。在式(3)中，粉末狀的PTA在操作壓力與操作溫度波動(dòng)(正常范圍內(nèi))時(shí)ρPTA基本沒有變化；ρS是質(zhì)量流量計(jì)輸出的實(shí)時(shí)測量值，與工況變化無關(guān)；對于ρEG，溫度變化對其影響較大，若采用標(biāo)準(zhǔn)工況下的密度值參與計(jì)算，將給漿料配比帶來誤差，直接影響后續(xù)反應(yīng)的質(zhì)量，所以本文應(yīng)將溫度參數(shù)納入式(3)中進(jìn)行修正，得到更為精確的關(guān)系式。

對于上述關(guān)系復(fù)雜的變量的處理，采用工程上常用的收窄取值范圍的方法來簡化推導(dǎo)過程，該裝置在實(shí)際生產(chǎn)中，PTA漿料溫度在35～85℃，PTA漿料的摩爾比在1.6～1.9內(nèi)波動(dòng)，因而將公式推導(dǎo)收窄在此范圍內(nèi)，建立三者之間的關(guān)系式。在保證精度的基礎(chǔ)上，為了便于求解，擬采用下式為關(guān)聯(lián)式：

lnρs=A+Bln(nr/1.63)+Cln(T/T0)

(4)

式中：A,B,C——待定參數(shù)；T——熱力學(xué)溫度；T0——35℃對應(yīng)的熱力學(xué)溫度，308K。

通過計(jì)算求得待定參數(shù)A,B,C，并由此得到最終的關(guān)聯(lián)式：

lnρs=6.974+(-0.0002T+0.0598)×

ln(nr/1.63)-0.0803ln(T/T0)

(5)

式(5)通過待定系數(shù)法求得，在對其進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)結(jié)合式(3)進(jìn)行分析比較，引入溫度修正對配料比精度的影響，見表2所列。

表2　理論公式與修正公式在不同條件下的計(jì)算結(jié)果比較

由表2可知，溫度在20～80℃變化時(shí)，通過式(3)和式(5)計(jì)算出的ρS偏差較小，最大不超過0.22%，此溫度范圍與計(jì)算精度可以較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，因而式(5)的適應(yīng)性較好。針對本文研究的生產(chǎn)裝置，漿料溫度基本在45℃左右波動(dòng)，若不進(jìn)行溫度修正，則計(jì)算出的配料比nr=1.47，與工藝要求的配比nr=1.8偏差為18.33%，由3.1節(jié)的分析可知，這樣的偏差會(huì)較大程度地影響聚酯品質(zhì)，所以引入溫度修正公式可以提高PTA漿料配比精度，實(shí)現(xiàn)更高的控制目標(biāo)。

3.2.2PTA漿料調(diào)制控制方案設(shè)計(jì)

PTA漿料配制工藝控制流程如圖4所示，PTA粉末經(jīng)料倉下的回轉(zhuǎn)閥連續(xù)地加入到調(diào)制罐T113中，變頻器根據(jù)稱重儀測量的PTA進(jìn)料量調(diào)整PTA給料。低溫EG來自EG回收罐T122，高溫EG來自酯化蒸汽精餾塔，流量計(jì)FIT-0201用于低溫EG進(jìn)料量測量，通過調(diào)節(jié)閥FV-0201進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，由此形成一個(gè)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。由于控制漿料的摩爾比是通過調(diào)節(jié)流量的比值實(shí)現(xiàn)的，而由式(3)可知，漿料摩爾比與密度有著一一對應(yīng)的關(guān)系，所以該裝置引入漿料密度作為主要控制變量，通過控制漿料密度使?jié){料摩爾比穩(wěn)定在1∶1.8。因此，在T113出料管線上設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)測量漿料的密度和流量，與比值控制回路結(jié)合形成以D-0201為主回路，F(xiàn)-0201為副回路的串級(jí)—比值控制系統(tǒng)。密度變送器DT-0201將檢測到的密度信號(hào)送到DCS，調(diào)節(jié)儀表DICA-0201經(jīng)過與給定值比較向比例調(diào)節(jié)儀表FFIC-0201發(fā)出比例修正信號(hào)，后者經(jīng)過計(jì)算，得出新的EG流量值，F(xiàn)DY-0201將新的流量信號(hào)減去分離塔塔底EG流量FT-1011后，向混合EG流量控制回路F-0201發(fā)出調(diào)整給定值信號(hào)，從而改變混合EG供應(yīng)量，達(dá)到調(diào)節(jié)漿料摩爾比的目的。當(dāng)漿料密度減小時(shí)，為了穩(wěn)定漿料的摩爾比，根據(jù)3.2.1節(jié)中的理論分析可知，需要減小EG的進(jìn)料量；反之，增大EG的進(jìn)料量，由此準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)PTA漿料配比的自動(dòng)控制。因受到該裝置開車時(shí)間的限制，筆者僅從酯化反應(yīng)模型建立、漿料密度修正關(guān)系式推導(dǎo)以及漿料調(diào)制控制方案設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行理論上的研究與驗(yàn)證，暫時(shí)沒有對控制方案的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

圖4　PTA漿料配制工藝控制流程示意

4結(jié)束語

筆者介紹了聚酯裝置的基本反應(yīng)流程，并對漿料在酯化釜中的反應(yīng)過程進(jìn)行機(jī)理建模，通過PFD中提供的數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行仿真、輸出參數(shù)對比以及誤差分析，驗(yàn)證了模型的有效性。通過模型仿真模擬了酯化反應(yīng)隨單工藝參數(shù)變化的過程，由此分析PTA與EG摩爾比對酯化反應(yīng)的影響，并將復(fù)雜控制的特點(diǎn)與工藝要求相結(jié)合設(shè)計(jì)出以PTA漿料密度與PTA粉末、EG混合液進(jìn)料量為控制變量的串級(jí)—比值控制，改進(jìn)了單純以混合液進(jìn)料量與調(diào)制罐溫度組成的串級(jí)—比值控制引起的不穩(wěn)定性的缺陷。同時(shí)，引入溫度變量對PTA漿料密度與摩爾比關(guān)系式進(jìn)行修正，計(jì)算結(jié)果證明，改進(jìn)提高了控制的精度，所設(shè)計(jì)的控制方案對改進(jìn)聚酯生產(chǎn)過程控制具有指導(dǎo)意義。

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)02-0012-04

作者簡介：徐明慧(1986—)，男，安徽合肥人，2012年畢業(yè)于華東理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東華工程科技股份有限公司，從事自控設(shè)計(jì)工作，任助理工程師。

稿件收到日期： 2014-10-18。