串级-比值控制系统在聚酯生产中的应用

甄永亮， 沈攀攀

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

串级-比值控制系统在聚酯生产中的应用

甄永亮， 沈攀攀

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

乙二醇(EG)与精对苯二甲酸(PTA)的摩尔比是聚酯生产中重要的控制参数，参与配比的EG和PTA，一般采用独立的PID调节回路来控制其添加量，由于缺少反馈，对摩尔比的控制仍属于开环控制范畴。在EG和PTA浆料密度与两种物料的摩尔比之间的经验公式基础上设计了以浆料密度为主回路，摩尔比比值为副回路的串级-比值控制系统，克服了因EG质量分数、温度变化或其他干扰导致的配比偏差，提高了摩尔比的控制稳定性及控制品质。该方案已获得实际应用，效果良好。

摩尔比 聚酯装置 浆料调配 串级-比值控制系统

聚酯工业中，一般采用将乙二醇(EG)与精对苯二甲酸(PTA)直接进行酯化反应，再对生成的酯化物进行缩聚反应的方法进行聚酯生产[1]。在该种被称为直接酯化法的工艺中，要把EG与PTA固体粉末连续调配成浆料[2-3]，其摩尔比是最基本也是最重要的控制参数之一，它直接关系着后续酯化反应的酯化率，进而影响着装置物耗和最终的产品质量[4]。

当参与配比的EG和PTA质量分数不变时，采用多闭环的比值控制系统能较好地控制两者之间的摩尔比。因摩尔比的不可直接测量性，整个比值系统本质上说还是一个开环的系统，没有反馈修正机制。当某种物料成分有变化时，比值控制系统就会出现偏差，所产生的误差需要在后续酯化反应阶段依靠工艺操作人员的经验予以弥补和修正。而实际生产中，大部分EG都来自装置的循环回收，其浓度、温度必然随装置的运行工况而波动，这不仅增加了操作人员的劳动强度，而且对操作水平也提出了较高的要求，尤其是在升降生产负荷时。因此，改进上述比值控制系统显得很有必要。

1 聚酯浆料调配的控制

1.1 聚酯浆料调配过程

EG与PTA在进行酯化反应前需要按一定的摩尔比进行混合，制成聚酯浆料。常温下PTA为白色粉末状固体，纯度及性质稳定，EG则为液态溶液。因此，一般以PTA的质量分数作为比值控制系统的主变量，EG的质量流量作为比值控制系统的副变量，典型的聚酯浆料调配工艺流程如图1所示。PTA的质量通过称重系统进行计量和控制，EG的质量一般来自两部分，一部分是直接添加的EG，另一部分是催化剂溶液中作为溶剂的EG。EG和催化剂溶液的质量均由质量流量计和调节阀组成的PID调节回路进行计量和控制。两者由摩尔比控制器协调，以一定的比例加入浆料调配槽中，在调配槽中进行混合并制备成聚酯浆料。

1.2 聚酯浆料调配过程

典型的聚酯工艺流程中，对于EG与PTA的摩尔比调节一般采用三闭环比值控制系统，如图1所示：WIC-1101为PTA质量流量测量和调节回路，此回路也是比值系统的主回路；YK-2103、FIC-2104为催化剂质量的比例控制及流量调节回路，此回路是比值系统的第一副回路；YK-1103，FIC-1104为EG质量的比值控制及流量调节回路，此回路是比值系统的第二副回路。PTA的质量由失重秤或固体质量流量计WT-1101测量，并由下料螺旋的转速来控制下料的流量。纯EG的质量由质量流量计FIT-1104进行计量，并由调节阀FV-1104控制其流量的大小。催化剂中的EG质量由质量流量计FIT-2104进行计量，并由调节阀FV-2104控制其流量大小。

聚酯生产中，EG与PTA的摩尔比是由最终产品的品质决定的，当生产负荷确定后，就可以依据摩尔比与生产负荷确定出所需的PTA添加量；以PTA的质量为基准，依照所需的摩尔比即可计算出所需的EG添加量；再按照工艺要求确定出所需的催化剂质量，根据催化剂溶液的质量分数可以计算出溶液中EG的质量；最后即可得出需要添加的EG质量。EG与PTA摩尔比调节的控制系统原理如图2所示。

图1 典型聚酯浆料调配流程示意

图2 聚酯浆料调配摩尔比控制系统原理示意

2 聚酯浆料密度与摩尔比关系

2.1 三闭环比值控制系统存在问题

在三闭环的摩尔比比值控制系统中，PTA的添加量由1个PID调节回路控制，EG的添加量由2个PID调节回路控制，之间使用比值控制器进行计算来确定各自的添加量。在该控制系统中，PTA的添加量设定后，PID调节回路会将PTA的添加量控制在设定值。摩尔比比值控制器会依照设定的摩尔比去调节和设定EG的添加量，EG及催化剂溶液的PID调节回路据此调节各自加入量。

不考虑其他随机扰动的情况下，如果PTA的纯度、EG的质量分数及催化剂的质量分数均保持稳定，则该控制系统可以较好地完成摩尔比控制。但在实际生产中，为了充分利用EG原料，每个生产阶段中产生的EG废液会进行回收再利用，这样EG的质量分数就不再是固定不变的值。另外，催化剂溶液在配制时也有可能出现质量分数偏差。由图2可以看出，对摩尔比控制器而言，因没有直接可测量的反馈修正，实际摩尔比控制器处于一个开环系统中。因此，EG和催化剂溶液质量分数的变化最终导致摩尔比很难精确地控制在期望值上[5]。

解决该问题的一个思路是引入代表工艺过程配比质量指标的第3参量来进行比值的自动设定[6-8]，即找到能反映EG与PTA摩尔比比值状况的可测变量并组成闭环控制回路，用这个可测变量去修正摩尔比值，以达到将摩尔比稳定在期望值上的目的。

2.2EG和PTA密度与其摩尔比的关系

EG与PTA的摩尔比可由式(1)表示，浆料密度可由式(2)表示：

(1)

(2)

式中： R——EG对PTA的摩尔比；mEG， mPTA——EG和PTA的质量；MEG， MPTA——EG和PTA的摩尔质量；ρ——混合浆料的密度；ρEG， ρPTA——EG和PTA的密度。

常温下，ρPTA=1550kg/m3，ρEG纯=1113kg/m3。MPTA=166.13g/mol，MEG=62.07g/mol。结合式(1)、式(2)可得到R与ρ之间的关系：

(3)

由式(3)可知，在ρEG和ρPTA一定的情况下，ρ与R之间有确定的关系。但是，EG和ρPTA是受温度影响的。由于回收使用EG的存在，导致EG的温度在一定范围内变化，因而，EG与PTA浆料的温度约在20～90℃内波动。有研究资料表明，在该温度范围内，ρPTA可以认为是常量，而ρEG则是温度的函数。实际上，结合聚酯生产的经验数据，在大量数据拟合的基础上，得到20～90℃内ρ， R， T之间有如下的经验公式[9-10]：

(4)

式中： T——华氏温度,℉。

该经验公式揭示出了带温度补偿的浆料密度与摩尔比之间的关系，且在20～90℃内具有极高的准确度，完全包括了聚酯工业生产中浆料配制所能达到的温度限值，为经验公式的实际应用创造了条件。

3 串级-比值控制系统设计

由式(4)可知，通过测量ρ， T可间接得到R，将此值反馈到控制系统中作为摩尔比控制器的测量值，可设计出带温度修正的串级-比值控制系统。

该方案在某200kt/a国产化工艺的瓶级聚酯切片项目应用中，取得了很好的应用效果。引入串级-比值控制系统后，无论是摩尔比的控制精度还是稳定性都得到了提升，尤其是在升降生产负荷时，而且无废料产生。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，新鲜EG的用量也有一定程度的减少，取得了不错的经济效益。

4 结束语

该串级-比值控制系统较以往聚酯生产中常用的三闭环比值控制系统在稳定性、控制品质上得到了很大提升。但需要说明的是： 该方案中未考虑回收使用EG中乙醛质量对浆料密度的影响(质量百分比约为0.4%)，也没有考虑催化剂溶液中溶质催化剂的质量对浆料密度的影响。这两者因质量占比小而在上述控制方案中予以忽略不计，但它们在多大程度上影响了浆料密度还是值得研究与验证的问题。另外，在连续聚酯生产中，聚酯浆料在调配槽中平均要混合搅拌40min左右再输送至酯化反应器，而浆料密度的检测点设置在浆料调配槽与酯化反应器之间的管道上，这样就存在一定的检测滞后，如何克服滞后的影响也是值得研究的问题。

[1] 中国石油化工集团人事部，中国石油天然气集团公司人事服务中心.聚酯装置操作工[M].北京： 中国石化出版社，2007.

[2] 李利军，邱华云.化纤工业生产装置中主要控制方案[J].中国仪器仪表，2009(06)： 73-75.

[3] 李振俊.PTA法聚酯工艺计算[J].聚酯工业，1997(02)： 39-45.

[4] 王群.乙二醇/精对苯二甲酸比值控制的实施策略[J].石油化工自动化，2013，49(02)： 76-78.

[5] 卢金波. 浆料调制过程摩尔比控制浅析[J]. 济南纺织化纤科技，1994(02)： 17-21.

[6] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京： 化学工业出版社，2000.

[7] 金以慧.过程控制 [M].北京： 清华大学出版社，1993.

[8] 王树青.工业过程控制工程[M].北京： 化学工业出版社，2007.

[9] 李利军.用浆料密度和温度修正PET配料量比的分析和公式推导[J].聚酯工业，2009(03)： 18-22.

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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，河北曲阳人，毕业于北京化工大学检测技术与自动化装置专业，获硕士学位，现就职于中国昆仑工程公司，从事化纤、石油化工自动化设计工作，任高级工程师。

TP

B

1007-7324(2016)06-0037-03

稿件收到日期： 2016-08-24。