（化工过程机械专业论文）基于自适应模糊pid的氯乙烯聚合釜温度控制研究.pdf

classified index：tp323 u.d.c.: 628.8 a dissertation for the degree of m. eng. study on temperature control of vinyl chloride polymerization reactor based on adaptive fuzzy pid control candidate： bai chunyang supervisor： prof. wang qingchao academic degree applied for： master of engineering specialty： chemical process equipment affiliation： school of energy science and technology date of oral examination： june, 2010 university： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘摘 要要 聚氯乙烯(pvc)是一种在很多领域都得到广泛应用的重要化工品。聚氯乙烯生 产过程中，最关键的环节是间歇聚合釜中发生的氯乙烯聚合反应，其中最重要的 参数是聚合反应温度，控制效果的好坏直接影响聚氯乙烯质量，所以，精确控制 聚合反应温度在聚氯乙烯生产过程中尤为重要。然而，聚合过程存在非线性、时 变以及时滞等特性，难以建立精确的数学模型，传统的 pid 控制方法很难获得良 好的控制效果，因此，当务之急是寻找一种更佳的控制方法，实现聚合釜温度的 精确控制。 本文以氯乙烯悬浮聚合反应过程作为研究对象，建立并简化了聚合反应过程 的机理模型。结合 pvc 生产工艺特点，分析间歇过程对控制系统的要求，并以此 为依据设计新型的控制器，实现聚合温度温度的精确控制。 首先以模糊控制理论知识为指导，结合简化模型，设计了聚合反应温度模糊 控制器，包括控制器结构设计、输入输出量模糊化、隶属度函数确立、模糊规则 设计、输入输出量解模糊化。并简单设计了聚合反应温度 pid 控制器，利用工程 上的整定方法得到一组控制效果较为良好的参数值，对两种控制器进行仿真分 析，这为后续自适应模糊 pid 控制器的设计提供了理论依据以及初始参数。 其次，在模糊控制器和 pid 控制器设计的基础上，以 pid 参数自整定规律为 依据，设计自适应模糊 pid 控制器并进行控制系统仿真，分析其优点以及不足， 针对其结构较为复杂等不足设计改进控制器。 最后，应用 matlab 软件对采用改进的自适应模糊 pid、自适应模糊 pid、 模糊控制和 pid 控制方法的聚合釜温度控制进行仿真。对仿真曲线的分析研究表 明：所设计的改进自适应模糊 pid 聚合釜温度控制系统有较小的超调量和稳态误 差，其控制效果优于传统的 pid 控制器，较好地解决了聚合釜温度控制的问题。 关键词关键词 聚合反应；温度控制；模糊控制；自适应模糊 pid 控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract polyvinyl chloride(pvc) is an important chemical products that widely used in many fields. the most critical aspect in the pvc production process is the vinyl chloride polymerization occurred in the batch reactor. the most important parameter is the reaction temperature, the temperature control performance directly affects the quality of pvc products. therefore, precise control of reaction temperature in the pvc production process is particularly important. however, the polymerization process have features such as nonlinear, time-varying and time delay and so on, it is difficult to establish accurate mathematical model, the traditional pid control method can hardly reach excellent control performance. therefore, it is imperative to find a better control method to achieve precise control of polymerization reactor temperature. in this paper, vinyl chloride suspension polymerization was studied. the mechanism model of polymerization reaction process was build and simplified. new controllers was designed based on the feature of pvc production process and the requirements of polymerization process to the control system that achieved excellent control performance. firstly, the author designed polymerization temperature fuzzy controller using fuzzy control theory based on the simplified model, including design of the controller structure , fuzzification of inputs and outputs, establishment of membership functions, design of fuzzy rules, defuzzification of inputs and outputs. and the polymerization temperature pid controller was simply designed, a set of control parameters with good performance was obtained using industrial turning method. simulation of the two controllers provides a theoretical basis and initial parameters for the design of the following adaptive fuzzy pid controller. secondly, the adaptive fuzzy pid controller was designed base on the design of fuzzy and pid controller and pid parameter self-tuning rules. the later simulation analysis showed its advantages and shortcomings, then some improvements was made against the disadvantages of the controller. the results of matlab simulation showed that among the four controllers, the improved adaptive fuzzy pid temperature controller get less overshoot and steady-state error then others, so it solved the problem of temperature control in the pvc polymerization better. keywords polymerization reaction; temperature control; fuzzy control; adaptive fuzzy pid control 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目目 录录 摘要.i abstract .ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.1.1 聚氯乙烯简介.1 1.1.2 聚氯乙烯的生产现状.2 1.2 国内外聚合反应温度控制方法发展状况.2 1.3 模糊控制及其在化工过程控制中应用.3 1.4 模糊 pid 控制在化工过程控制中的应用.4 1.5 本文研究的出发点、结构及其主要内容.5 第 2 章 聚氯乙烯聚合反应过程介绍及机理模型建立.8 2.1 聚氯乙烯生产过程简介.8 2.1.1 聚氯乙烯悬浮聚合反应机理.8 2.1.2 工艺流程简介.9 2.2 聚氯乙烯聚合反应装置及聚合过程介绍.12 2.3 pvc 聚合反应数学模型的分析及简化 .13 2.3.1 聚合反应动力学模型.13 2.3.2 聚合反应温度机理模型建立及简化.14 2.4 聚合反应温度模型开环特性与仿真.16 2.5 本章小结.17 第 3 章 釜温模糊及 pid 控制器的设计仿真.18 3.1 模糊数学理论.18 3.1.1 概述.18 3.1.2 模糊理论的几个重要概念.18 3.2 模糊控制理论.20 3.2.1 模糊控制器结构设计.21 3.2.2 模糊化 .22 3.2.3 模糊控制器规则确定.22 3.2.4 解模糊化.24 3.2.5 采样时间的选取.25 3.3 pvc 聚合釜反应温度模糊控制器设计 .26 3.3.1 pvc 聚合釜反应温度模糊控制器结构设计.26 3.3.2 输入量的模糊化.26 3.3.3 隶属度确定.27 3.3.4 确立模糊规则.28 3.3.5 解模糊化.29 3.4 pvc 聚合反应温度模糊控制仿真分析 .29 3.5 pvc 聚合反应温度 pid 控制器设计及仿真.31 3.5.1 pid 控制器原理.32 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 3.5.2 pid 控制器参数整定及仿真.32 3.6 本章小结.35 第 4 章 釜温的自适应模糊 pid 控制系统设计及仿真 .36 4.1 模糊自适应 pid 控制器设计.36 4.1.1 控制系统结构.36 4.1.2 pid 参数自整定原则.37 4.1.3 控制器设计.38 4.1.4 pvc 聚合温度自适应模糊 pid 控制器仿真分析.40 4.2 自适应模糊 pid 控制器的改进方法.42 4.2.1 改进思路.42 4.2.2 改进控制器设计.44 4.2.3 改进控制器仿真分析.45 4.3 仿真分析.47 4.4 本章小结.48 结论.49 参考文献.50 攻读学位期间发表的学术论文 .53 个人简历.54 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.55 致谢.55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第1章 绪论章 绪论 1.1 课题背景课题背景 本课题来源于聚氯乙烯生产过程中氯乙烯聚合反应釜过程温度控制及仿真研 究。聚氯乙烯(pvc)树脂是世界上产量最大的塑料产品之一，由于其力学性能，电 气性能及耐化学腐蚀性能较好，聚氯乙烯经加工后可以制成管材、管件、棒材、 型材、薄膜、电线电缆绝缘材料、人造革、玩具、唱片、防腐材料、防水材料等 制品,广泛用于轻工、建筑、农业、电力、电子电器、包装、日常生活等多方面， 其消耗量仅次于聚乙烯和聚丙烯。近年来，我国 pvc 行业发展迅猛，2007 年聚氯 乙烯总产量为 971.7 万吨，2008 年虽然由于经济危机，产量下降到 882.1 万吨，但 2009 年随即恢复到 915.5 万吨，预计 2010 年增长幅度不会小于 10%。随着中国经 济强劲复苏，国内需求量稳步上涨，未来的几年里，聚氯乙烯的产量将迎来更大 幅度的增涨。由此可见，在我国聚氯乙烯市场需求高速增长形势下提高产量和质 量是首要任务1。 聚合釜温度对于产品质量及生产安全起到极其重要的作用。聚合釜温度波动 2 ，平均聚合度相差 336，分子量相差 21000 左右，这将导致生产出来的聚氯乙烯 转型，其颗粒形态和表观密度也将受到很大影响，从而降低了聚氯乙烯的质量。 所以在工业生产时，工艺设备固定的前提下，聚合温度几乎是控制聚氯乙烯分子 量的唯一因素，而把引发剂浓度作为调节聚合反应速度的手段。因此必须严格控 制聚合反应温度，以求得分子量分布均匀的产品，一般要求聚合釜温度波动在 0.5以内，最好控制在 0.2以内。目前 pvc 生产过程自动控制技术主要采用 单回路控制或简单的串级、比值等控制，随着生产设备大型化，复杂化，以及对 产品品质更高的要求，pid 控制也产生了一系列需要解决的问题：pid 控制需要精 确的被控对象数学模型；聚合反应进行时反应参数（反应物浓度，反应釜传热系 数等）会随着转化率提高而发生变化；聚合温度对扰动的调整时间过长；由于聚 合釜体积大，模型存在较大的时滞，pid 控制的稳定性和快速性受到制约。以上问 题的优化对于提高 pvc 的质量，生产效率，增加厂家的经济效益有重要意义。故 需要设计更符合生产工艺要求的控制器，使以上问题得到较好的解决，对聚合温 度实现精确控制2。 1.1.1 聚氯乙烯简介聚氯乙烯简介 聚氯乙烯(pvc)树脂为白色或浅黄色粉末。具有阻燃、耐化学药品性高、机械 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 强度及电绝缘性良好的优点。具有稳定的物理化学性质；具有一定的抗化学腐蚀 性；对盐类相当稳定，但能够溶于醚、酮、氯化脂肪烃等有机溶剂。 聚氯乙烯历史上曾经是使用量最大的塑料，现在某些领域上被聚乙烯、pet 所代替，但仍然在大量使用。聚氯乙烯制品形式十分丰富，根据不同的用途加入 不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树 脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明制品，分为硬聚氯乙烯、 软聚氯乙烯、聚氯乙烯糊三大类。硬聚氯乙烯主要用于管材、门窗型材、片材等 挤出产品，以及管接头、电气零件等注塑件和挤出吹型的瓶类产品，它们约占聚 氯乙烯 65%以上的消耗。软聚氯乙烯主要用于压延片、汽车内饰品、手袋、薄 膜、标签、电线电缆、医用制品等。聚氯乙烯糊约占聚氯乙烯制品的 10%，主要 用产品有搪塑制品等2, 3。 1.1.2 聚氯乙烯的生产现状聚氯乙烯的生产现状 聚氯乙烯工业化生产始于 20 世纪 40 年代初期的德国和美国，当时总产量仅 3 万多吨，20 世纪 60 年代才获得了飞速的发展，近年全球 pvc 市场受需求增长的 影响，产能增长较快。自 2000 年以来，我国聚氯乙烯的产量平均年增长率达到两 位数，年产量也由 2000 年的 320 万吨提升到了 2009 年的 915.5 万吨，取代了美国 及日本成为世界第一生产大国。目前我国 pvc 工业处于成长期向成熟期过渡的阶 段，主要特点是产业的增长速度超常规发展，技术趋于成熟，产品差异化低，竞 争比较激烈，因此，改进生产控制技术，提高产品质量和产量，可以显著的提高 企业竞争力。 目前，我国生产聚氯乙烯的企业有 100 多家，其中产能最大的几家为：天津 大沽化工产能 80 万吨/年，齐鲁石化公司 60 万吨/年，上海氯碱公司 43 万吨/年， 河南宇航化工 40 万吨/年，山西榆社化工 37 万吨/年4。 1.2 国内外聚合反应温度控制方法发展状况国内外聚合反应温度控制方法发展状况 聚合反应主要在间歇反应釜中进行。为了高效生产，必须对聚合反应生产中 的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效地控制。其中最重要的环节就是反 应釜的温度控制，其调节品质的好坏将直接影响产品的质量5。但是由于聚合反应 中存在的一系列复杂的物理、化学变化以及聚合反应本身具有的强放热效应，使 得聚合釜反应温度的动态特性具有时变、强非线性、大时滞的特点6。导致建立精 确的聚合反应数学模型非常困难，很难实现对反应温度的精确控制，这将严重影 响产品质量。 目前，聚合釜温度自动化控制的底层仍然以 pid 控制为主7。pid 算法控制具 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 有原理简单、实现方便等特点，能满足多数工业过程的需要。经过多年的发展， 从模拟控制器发展到数字控制器，性能不断提高。但是对于像聚氯乙烯聚合反应 这类具有大纯时滞、非线性、无精确数学模型、时变特点的控制对象，pid 控制很 难取得满意的控制效果8。通常需要采取一些特殊的控制手段，在 pid 基本算法的 基础上进行改进，如抑制积分饱和的积分分离 pid 算法，抑制二次扰动的串级 pid 算法等等。但至今仍无一种通用的行之有效的控制方法。 随着计算机技术的快速发展，现代控制理论在工业控制中得到较好的应用， 如模糊控制算法、自适应控制算法、神经网络控制算法、smith 预估控制算法。它 们和 pid 算法结合，取长补短，形成模糊 pid 算法、自适应 pid 算法、神经网络 pid 算法等，在复杂工业控制中得到广泛的应用，取得较好的控制效果。 在国内，丁东湖等在充分吸收操作人员经验和前人研究的基础上，通过对氯 乙烯悬浮聚合过程的深入研究，设计针对聚合温度控制的实时专家模糊温度控制 系统，同时给出实际的应用效果9；任安坤在核心期刊中国科技信息上提出了 一种基于 bp 神经网络的聚合反应釜 pid 控制算法10；浙江工业大学的潘海天在 聚合釜温度控制上做了大量的工作，将逻辑预测 pid 控制方法应用在聚合釜温度 控制上，取得了比较良好的控制效果11；南通大学的吴建国提出了预测函数控制 与 pid 结合的控制策略，控制算法简单，易于工程实12。 土耳其的ayla. altinten等学者将遗传算法应用于聚合釜温度的自适应 pid 控 制中，取得了较好的控制效果13；r. aguila 设计了一种基于鲁棒 pid 控制器的 聚合釜温度控制系统，应用于实际工程项目中，控制效果优于传统 pid 控制14； 墨西哥的 e. miklovicova 等人将自适应 pid 控制方法应用于间歇和半连续聚合釜温 度控制系统中，实现了聚合温度的精确控制15。g.p. liu 运用最优自适应 pid 控 制算法设计控制器，应用在工业聚合装置上，较好的满足了聚合工艺要求16。 从以上对于聚合釜温度控制的研究可以看出，基本都采用传统 pid 控制与一 种智能控制手段相结合的方法，通过改变冷却水流量控制反应温度。 1.3 模糊控制及其在化工过程控制中应用模糊控制及其在化工过程控制中应用 模糊控制是一种基于逻辑规则的智能控制方法，它是建立在人类思维的模糊 逻辑特性基础上的。近些年来模糊控制已成为工业过程控制领域内广泛研究和应 用的控制器。这主要归结于模糊控制器的以下这些优点：无需知道被控对象精确 的数学模型；它反映了人类智慧思维中的模糊量，这些模糊量和模糊推理是人类 通常智能活动的体现，易于被人们接受。模糊控制与其他只能控制比，具有设计 相对简单，不需要被控对象的精确数学模型的特点。模糊控制的核心是用具有模 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 糊性的逻辑规则去执行控制，这种控制规则充分反映了人的智能活动17。 曾红兵等设计了一种基于模糊控制的胶粘剂生产过程温度控制系统，通过模 糊控制算法使炼胶釜内的温度按照设定的最佳控制曲线而变化，大大提高了炼胶 釜内温度的控制精度和工作效率18；于海英等人应用模糊控制算法，加入双调整 因子，设计了新型的控制系统，经仿真验证，该控制系统对于提高聚合生成物的 质量及效率有较好效果19。 song jijiang 等人基于模糊专家系统设计了石油加热炉温度控制器，使用计算 机自动控制系统，特别是智能控制系统代替人工规则，较好地实现了对温度的精 确控制20。 p. sarma 等人设计了一种基于多变量定增益模糊逻辑控制控制器，应用于流化 床催化裂解装置上，取得了较好的控制效果，提高了经济效益21。 s. salehi 等人设计了基于 h思想的自适应模糊控制器，应用于连续反应釜的 温度控制上，对于温度的精确控制取得了良好的效果22。 1.4 模糊模糊 pid 控制在化工过程控制中的应用控制在化工过程控制中的应用 通常模糊控制和 pid 控制结合的方式有以下几种23, 26： 1) 大误差范围内采用模糊控制，小误差范围内转换成 pid 控制的模糊 pid 开关切换控制： pid 控制器的特点是在工作点附近控制性能较好，当偏离工作点较远时，由于 控制对象的非线性而难以保证系统的动态品质。模糊控制的特点是在偏离工作点 较远的区域可明显改善控制的动态性能，并且具有较强的鲁棒性，但稳态误差较 大，且容易产生振荡。故在误差较大时采用模糊控制，使系统快速趋近设定值;在 误差较小时采用 pid 控制算法，改善系统的静态特性。这种复合控制器具有算法 简单，实时性好且响应速度快，有效消除稳态误差的优点，其结构如图 1-1 所示。 2) pid 控制与模糊控制并联而成的混合型模糊 pid 控制： 这种控制方法一般应用较少，在这里不做介绍。 3) 利用模糊控制器在线整定 pid 控制器参数的自适应模糊 pid 控制： 自适应模糊 pid 控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干 扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现 pid 参数 kp、ki和 kd的在线自 整定。不仅保持了常规 pid 控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特 点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。自适应模糊 pid 控制器结 构如图 1-2 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 图 1-1 模糊 pid 切换控制结构图 fig.1-1 the framework of switched fuzzy pid controller 图 1-2 自适应模糊 pid 控制器结构图 fig.1-2 the framework of adaptive fuzzy pid controller 吕红丽等人设计了一种模糊 pid 控制器，应用于暖通空调系统的节能控制 中，仿真及实验结果证明新型控制系统具有超调量小，跟踪迅速等良好的控制性 能24。 武汉科技大学的杨世品等人设计了一种基于模糊 pid 控制的污水处理溶解氧 控制系统，应用于珠海丽珠制药污水处理控制系统中，与原来的常规 pid 控制系 统相比，稳定性更好，能耗更低，具有一定的推广应用价值25。 lei wang 等人应用自适应模糊 pid 控制思想设计两段式炼油厂气体氢回收膜 分离过程控制器，实践证明，其控制效果比较良好，保证了膜的质量26。 cheng liu 等人将自适应模糊 pid 控制应用于核反应堆能量控制系统中，实际 应用结果表明该控制方法表现良好27。 1.5 本文研究的出发点、结构及其主要内容本文研究的出发点、结构及其主要内容 在 pvc 生产过程中，聚合反应温度的控制一直是人们研究的一个热点问题， 通过本文在对聚合反应过程特性、反应机理以及生产工艺要求的深入研究后，对 于 pvc 聚合温度过程控制的现状，得到了以下的认识结论： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 1) 在间歇式聚合釜内发生的 pvc 悬浮聚合反应是一个复杂的物理、化学变 化过程，伴随着激烈的放热，难以建立反应温度与夹套冷却水之间精确的数学模 型； 2) 对于生成的 pvc 而言，聚合釜内的反应温度是控制其质量、型号的重要 指标，其控制效果的好坏，与生产厂家的效益密切相关； 3) 控制对象具有非线性，时变，时滞的特性，常规的 pid 控制可以满足其生 产要求，但控制效果不算良好。 而聚合反应的控制要求是28： 1) 反应温度维持在最佳的设定值上，从而保证反应生成物的聚合度分布在某 一范围内； 2) 使物料升温到设定温度而尽量减小超调； 3) 反应进行的时间最短。 基于以上现状及聚合反应的控制要求，本文提出了此课题的研究。经过学习 研究几种先进控制理论以及前人在聚合反应温度控制方面所作的工作，本文选取 模糊控制结合传统 pid 控制作为研究点。 大量专家学者对于模糊控制的研究证明，模糊控制对于悬浮聚合反应的温度 控制而言是适用的。另一方面，在研究先进控制方法的同时，我们需要注意到并 不是越先进、越复杂的控制器就越好。虽然各种先进控制器每天都在诞生，并且 在理论上取得了较好的控制效果，但在实际应用中，pid 控制器的作用依然是无法 取代的。pid 控制器为何能依然广泛应用于过程控制中，其最根本的原因就是因为 pid 控制器设计简单，易于实现。 自适应模糊 pid 控制是一种很新的控制思路，它结合了模糊控制与 pid 控制 的各自优点，在 pid 算法的基础上，通过反应温度与给定指标的偏差和偏差变化 率的计算，利用模糊规则进行模糊推理在线调整 pid 的三个参数，实现 pid 参数 的优化和反应温度控制性能的提高。这种控制器对聚合反应过程中的变化具有很 强的适应能力，提高了系统的控制精度和鲁棒性。所以设计出模糊控制与 pid 控 制相结合的这样一个自适应模糊 pid 控制器，使之对于 pvc 聚合温度的控制性能 优于传统的 pid 控制器，从而提高 pvc 的质量以及生产的安全性，将是一个很有 意义的课题。 本论文结构共分四章，主要内容安排如下： 第一章主要是课题背景、国内外 pvc 聚合控制方法应用、本文研究的出发点 以及文章结构介绍。 第二章从聚合反应过程和工艺出发，根据反应微分方程得到简化后的聚合釜 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 聚合反应机理模型，并进行了模型仿真。为下面章节控制器设计提供了控制对 象。 第三章，论述了模糊控制的发展历史及基本原理，设计 pvc 聚合温度模糊控 制器并简单设计了 pid 控制器，其中包括输入输出量的确定，隶属度函数的选 取，量化因子、比例因子的选定，模糊化，控制规则设计，解模糊化以及 pid 参 数的整定，通过设计的控制器对聚合釜反应温度进行仿真控制研究，为第四章自 适应模糊 pid 控制器的设计奠定了坚实的基础，并提供了比较对象。 第四章在第三章的基础上，结合模糊控制理论和 pid 控制理论，参照第三章 设计方法，设计聚合釜反应温度自适应模糊 pid 控制器，进行仿真分析。针对自 适应模糊 pid 控制器的不足，提出改进办法，对改进的控制器仿真，比较各控制 器的控制效果优劣。 在论文的结论部分，总结了本论文工作重点和存在的不足之处。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第第2章 聚氯乙烯聚合反应过程介绍及机理模型建立章 聚氯乙烯聚合反应过程介绍及机理模型建立 2.1 聚氯乙烯生产过程简介聚氯乙烯生产过程简介 聚氯乙烯工业化生产方法有三种，分别是悬浮法、乳液法、本体法。悬浮聚 合以其生产过程简单，便于控制，便于大规模生产，产品适应性强的特点成为 pvc 生产的主要生产方式，生产量约占总量的 80%。本体聚合不用水和分散剂， 处理简单，产品纯度好，应当有广阔前景，但由于聚合过程中搅拌和传热的难题 解决较晚，故其生产量较低，约占总产量的 10%。乳液法创建较早，但由于产品 的聚合和后处理过程较为复杂，生产成本较高，所以发展不快。 本课题中，采用氯乙烯悬浮聚合法生产聚氯乙烯。生产原料以氯乙烯(vcm) 为单体，过氧化二碳酸二乙基已酯(ehp)和过氧化新癸酸异丙苯酯(tx99-w40)为复 合引发剂，硫基乙醇为分散剂，上述物料经聚合，脱气，汽提，混合，离心，干 燥等步骤生产出合格产品，供后续使用。 2.1.1 聚氯乙烯悬浮聚合反应机理聚氯乙烯悬浮聚合反应机理 vcm 悬浮聚合，属于均相的自由基加聚链锁反应，反应的活性中心是自由 基，其反应机理分为链引发、链增长、链转移及链终止几个步骤29, 30。 链引发： 引发剂过氧化二碳酸二乙基已酯（eph）产生初级自由基： 2525 25 322223 | c hooc h 32 322 | c h ch (ch )chchoc ooc och ch(ch )ch 2ch (ch ) chcho 2co d k 初级自由基生成后，作用于氯乙烯分子，生成单体自由基（初级自由基用 r 表示） 。 hhh | 3 2 | hclcl ccchc1.25 10 kj/mol a k rr 链增长： 在链引发阶段形成的单体自由基，活性很高，重复杂化结合，形成新的自由 基，产生了大量链自由基，这个过程称为链增长反应。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - hhh | 222n2 | clclcl 3 chcnch chcl(ch -c-)ch -c (6.38.4) 10 kj/mol p k rr 链转移： 在自由基聚合过程中，链自由基有可能从单体、溶剂、引发剂或者大分子上 夺取一个原子，而终止，使这些是去原子的分子成为新的自由基，继续新的链增 长。vcm 悬浮聚合链终止的方式已证实，当转化率在 80%以下时，以向 vcm 链 转移为主。 hhhh | 3 | | cl hclhcl c-cc=c-ch=chcl+chch tr k 链终止： hhhh | 2222 | clclclcl ch -cc-chch -c-c-ch t k 以上是偶合链终止形成“尾尾”相连 pvc。 hh | 2222 | | clcl clcl ch cc chchchc=ch t k 以上是歧化终止形成端基双键 pvc。 这样，经过自由基聚合反应，把每个小的氯乙烯分子，连成一个分子链，形 成了聚氯乙烯。 2.1.2 工艺流程简介工艺流程简介 聚氯乙烯生产装置的聚合部分是以氯乙烯单体(vcm)为原料，采用悬浮法生 产技术生产聚氯乙烯(pvc)树脂。整个装置由原料配置开始，到得到 pvc 产品为 止，分为以下几个部分31： 1) 单体贮存系统： 来自氯乙烯车间的新鲜 vcm 进入界区后，经过一个过滤器，打入 vcm 贮槽 中。单体贮槽的液位是自动控制的。当液位达到低限时，装在贮槽进口管上的自 动截止阀就会自动打开，新鲜单体就会进入贮槽;当液位达到上限(82%)时，该阀门 就会自动关闭，停止向贮槽内输送单体。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 2) 去离子水系统： 包括冷去离子水系统和热去离子水系统，本装置的供水系统主要用于四个方 面，一是为悬浮法聚合工艺提供去离子水，冷去离子水和热去离子水贮槽各有两 套加料泵，这四组泵打出的脱盐水经混合后，送到聚合釜中去。每个泵还可以把 从槽中打出的水再打回到自己的槽中去。加料水温度是自动检测控制的；二是提 供冲洗、密封、注水以及各种与操作有关的工作所需的用水；三是为引发剂、缓 冲剂、分散剂等化学品的配制提供配置水；四是为整个装置提供冲洗水。 3) 缓冲剂，分散剂，引发剂以及终止剂系统： 以上几个化学品系统主要包括缓冲剂的配制（人工操作）与贮存系统、缓冲 剂的循环系统和缓冲剂的加料系统；分散剂的配制与贮存系统，分散剂的加料系 统；引发剂的配制与贮存、引发剂的循环和加料系统；终止剂系统，