一种催化剂输送流量控制的方法

技术领域

本发明涉及一种催化剂输送流量控制的方法，特别是一种在化工生产过程中，聚丙烯、聚乙烯等聚合行业广为使用的催化剂的输送流量控制方法。

背景技术

(一)现有技术的技术方案

在化工生产过程中，催化剂的流量是一个非常重要的工艺参数。例如在聚合生产过程中，催化剂流量的准确与否直接影响聚合反应的安全性和经济性，而且对聚合物的牌号及回收率有着很大的影响。现在常用的技术方案是采用质量流量计直接测量的方法，或者通过催化剂罐的称重传感器测量重量差值变化来间接计算质量流量的方法。

(二)现有技术的缺点

现在聚合化工实际生产中，主催化剂由TiCl4/MgCL2催化剂粉末(粒径10-36um)和矿物白油组成，其中含30％wt粉末、70％wt白油，催化剂混合物的粘度非常高(一般在2000-5000mPa.s之间)，但是输送流量却很小(连续法聚合工艺中一般在0.2-4kg/h之间)。

工艺上需要准确控制其质量流量，很难选用一般的流量计直接准确检测其流量。虽然现在有许多高精度的科里奥利质量流量计问世，但是流量计的测量管需要2-3mm的小口径，产生的压损很大(约300kPa)，经常发生催化剂堵塞，并且不能保证精度，而一般采用大于5mm的测量管，可以适当减少堵塞现象，实际标定的测量误差往往超过±1％，严重影响催化剂流量的精确测量控制。

另一种技术是通过称重传感器检测到催化剂罐的重量差值变化间接计算质量流量的方法，称重模块精度很高，精度误差小于0.03％额定容量，但是由于催化剂罐中途补充加料过程需要中断称重，从而导致不能连续测量流量。一般聚丙烯装置的催化剂罐在每年生产中约补充催化剂上百次，频繁中断催化剂流量的测量控制严重影响生产安全可靠。

中国专利公开号：CN114877638A；公开了一种SPG工艺制聚烯烃用汽蒸器；但没有用到催化剂的输送流量精准控制方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种催化剂输送流量控制的方法，本发明解决了在高粘度催化剂液体难以精确地测量和控制微小质量流量的问题，提高催化剂流量的稳定和准确性，以及聚合反应的安全性和经济性。替代现在常用的通过称重传感器测量重量差值间接计算质量流量的方法，以及采用质量流量计直接测量的方法。

(二)技术方案

本发明的一种催化剂输送流量控制的方法，包括以下步骤：

通过检测催化剂输送泵的转速，建立数学模型，计算质量流量的控制要素以实现催化剂输送流量控制；

1)流量检测：

为测量从催化剂输送的质量流量，首先在催化剂输送单螺杆泵上测量转速计算出体积流量Qv，并在催化剂罐通过测量差压计算出催化剂密度，最后计算出实际的催化剂输送的质量流量；

①差压测量密度方法：

催化剂固体颗粒会悬浮在矿物油液体中不均匀分布，在催化剂罐上设置搅拌器，能忽略密度不均匀；通过测量催化剂罐的罐底压力P1和最低液位处压力P2，其中P1和P2取压点的高度差为H，密度能用公式(1)表示：

ρ＝(P1-P2)/H/g (1)

式中，ρ：催化剂密度，单位kg/m

②流量计算方法：

催化剂输送采用无级调速单螺杆泵，无级调速单螺杆泵适合高粘度物料的输送，在无级调速单螺杆泵的基础上配用无级变速电机，从而实现最小流量—最大流量1:10的范围内的随意调节，实现各种工况需求的流量值；

无级调速螺杆泵排量用公式(2)表示：

Qv＝60*F*t*n (2)

式中：Qv-螺杆泵理论排量m

无级调速单螺杆泵转速和流量是线性关系，定转速而定流量，能实现通过测量转速来计算流量；

③计算质量流量：

根据密度可计算出催化剂输送的质量流量，用公式(3)表示：

Qm＝Qv*ρ(3)

式中：Qm-催化剂质量流量(kg/h)，Qv-螺杆泵理论排量(m

2)流量输送控制：

催化剂流量输送控制回路采用负反馈闭环控制系统；采用DCS分散式控制系统中的虚拟模块PID控制器，根据工艺要求设置流量设定值，当检测流量上升时，PID控制器将向变速电机发送信号以降低转速输出，螺杆泵输送流量将随着转速降低而减小，直到流量恢复到所需水平-设定点；相反，当检测流量降低时，PID控制器将向变速电机发送信号以增加转速输出，无级调速单螺杆泵输送流量将随着转速增加而增大，直到流量恢复到所需水平-设定点。

2、根据权利要求1所述的一种催化剂输送流量控制的方法，其特征在于：所述流量输送控制中，因为每台无级调速单螺杆泵都会有不同的机械加工偏差导致输送量有非线性误差，PID控制器在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，需要对测量值进行非线性修正；对非线性的修正方法是利用DCS分散式控制系统的运算功能，根据实际测验结果与理想线性的偏差，采用逐点线性迁移，将负误差点做测量值正补偿，将正误差点做测量值负补偿；测量值修正后，再进入DCS分散式控制系统中的虚拟模块PID控制器实施流量输送控制。

(三)本发明技术方案带来的有益效果

1.本发明技术方案带来的经济效益：

首先，本发明提高了催化剂输送的控制精确度。该流量检测系统实际标定和生产运行结果表明，该方法的精度达到±0.5％。连续法聚合工艺中主催化剂正常流量为1.5-3kg/h，装置每年连续运行8000h，催化剂消耗大约12-24t，如采用质量流量计，计量误差达到±1％，催化剂价格按市场信息价格100万元/吨计算，预计可节省6-12万元。此外，通过提高催化剂输送控制，能改善助催化剂(烷基铝、给电子体)的配比控制计算，节约各类助催化剂的使用，并且更加精准的催化剂添加可以减少爆聚事故的发生，保证聚丙烯工艺整体高效、安全、稳定地运行，将产生巨大的间接经济效益。

其次，本发明测量催化剂流量采用转速测量计算的方法，节省了质量流量计的投资，除增加输送泵的转速传感器约0.5万元/台外，按节省质量流量计3.5-4.5万元/台，可以节省3-4万元/台投资，一般工艺装置设置一用一备两台输送泵，共节省6-8万元投资。同时，不需采用小管径的质量流量计，避免了频繁催化剂堵塞产生的大量仪表维护人工成本，更减少了催化剂输送失控造成的停车事故损失，也将产生巨大的间接经济效益。

2.本发明技术方案带来的安全效益：

本发明的催化剂输送流量控制方法，一方面由于没有采用质量流量计从而避免了发生催化剂堵塞，保证了管路的正常安全地输送催化剂，另一方面提高了测量准确度从而避免了催化剂的添加失控，保证了聚合反应的安全稳定。

附图说明

图1是本发明的无级调速螺杆泵结构示意图；

图中：1、出料腔；2、拉杆；3、螺杆套；4、螺杆轴；5、万向节总成；6、吸入管；7、连接轴；8、填料座；9、填料压盖；10、轴承座；11、轴承盖；12、无极变速电机；13、联轴器；14、轴套；15、轴承；16、传动轴；17、底座；

图2是无级调速螺杆泵的单螺杆截面的示意图；

图中：t是螺杆螺纹的导程；

图3是图2的左视图；

图中：e是偏心距；R为半径(等于螺杆截面半径)；

图4是本发明催化剂流量控制系统的硬件结构方框示意图；

图中：其硬件组成包括压力传感器p1、压力传感器p2、转速传感器S、变速电机M、控制系统；

图5是本发明催化剂流量控制系统的软件控制回路方框示意图。

图中：控制器为PID控制器；被控对象指无极变速单螺杆泵、无极变速电机、变频器、泵输送催化剂组成的系统。

图6为输送量修正的线性修正示意图；

图中，实线为修正前的实际测量线，虚线为修正后的较理想线性；纵坐标为为测量值；横坐标为0-100％；L/h是测量值的单位：升/小时。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种催化剂输送流量控制的方法：

1.催化剂输送量：

SPG工艺150KTA聚丙烯装置的催化剂输送至预反应器，催化剂输送压力4.5Mpa，输送流量最小值0.204kg/h，正常值1.5625kg/h，最大值1.836kg/h，根据工艺要求设置一个0.2-1.84kg/h的控制设定值。

2.转速测量：

根据工艺数据，催化剂输送选用单螺杆泵，厂家：耐驰，型号：NM011SY12SS72B(转子截面名义直径11mm)；泵配套变速电机，厂家：南阳，型号：R87AM100(功率3Kw,电压400V,频率50Hz,转速1475rpm,排量1.8L/h)；配套变频器，厂家：ABB，型号：ACS510-01-07A2-4(功率3Kw,额定电流7.2A,额定电压380V-400V，控制输入信号4-20mA)。

转速检测选用磁电式转速传感器，型号：ZD-300(测量范围50-10000rpm/配60齿)，配转速变送器，型号ZD-650(测速范围0-20000rpm，精度±0.03％，输出信号4-20mA)。

1)附图4中的转速传感器S在实施例中就是对应磁电式转速传感器；2)变速电机M在实施例中依然是变速电机，变送器指压力变送器、转速变送器等测量仪表；3)压力传感器，在实施例中就是对应单法兰隔膜式压力变送器；4)“催化剂输送泵”指单螺杆泵；

3.输送排量标校：

为了找出精确螺杆泵理论排量Qv，我们做标校排量试验。催化剂单螺杆泵的转速在147.5-1475r/min，排量在0.2-1.8L/h，先用水(常温下密度998kg/m

由于螺杆泵在压送不同粘度的液体时，其排量会发生变化。排量和粘度的关系可由下式(4)表示：

Q2＝Qv-(Qv-Q1)*(σ1/σ2) (4)

式中：Qv-螺杆泵理论排量(m

按常温常压下，水的粘度2.98mPa.s,催化剂的粘度5000mPa.s，σ1/σ2＝0.000596，Q2≈Qv，所以在允许误差±0.1％范围内可以忽略不计液体粘度不同影响。

从表中可以看出，该系统的检测精度在工艺催化剂流量正常值1.5625kg/h(按催化剂密度1020kg/m

4控制系统：

聚丙烯装置采用DCS分散式控制系统进行过程控制，厂家：浙江中控，型号：ECS-700，输入来自变送器和转速信号(输入信号4-20mA，精度16位)，并进行密度计算、质量流量计算，通过PID控制器回路，输出信号(4-20mA，精度16位)至变频器控制螺杆泵的变速电机转速。

变送器是测量装置，如压力变送器(压力传感器)、转速变送器(转速传感器))，变频器是可以控制电机转速的电力驱动装置(变频变压VVVF)。

4.1密度计算

通过在催化剂罐设置两台单法兰隔膜式压力变送器(罐底压力P1和最低液位处压力P2)，厂家：横河，型号：EJA438E-JHSCG-934-WA13C2SE01-AB6(精度±0.2％)，压力取源间距1000mm，测量压力P1和P2的差值9.996kPa,控制系统根据公式(1)计算出催化剂的密度为：1020kg/m

1)转速传感器S在实施例中就是对应磁电式转速传感器；2)变速电机M在实施例中依然是变速电机，变送器指压力变送器、转速变送器等测量仪表；3)压力传感器，在实施例中就是对应单法兰隔膜式压力变送器；4)“催化剂输送泵”指单螺杆泵，

4.2质量流量计算

控制系统根据计算出的密度，以及转速对应的螺杆泵排量(0.2-1.8L/h)按质量流量计算公式(3)计算出螺杆泵输送的质量流量(0.2-1.84kg/h)。

4.3控制器

控制系统的被控量，经过转速传感器/变送器、压力变送器，通过输入接口(来自变送器的4-20mA信号)计算出质量流量送到负反馈闭环控制系统的PID控制器，控制器的输出经过输出接口(4-20mA信号送至变频器驱动变速电机)，加到被控对象上。

5.输送量修正：

因为每台单螺杆泵都会有不同的机械加工偏差导致输送非线性误差，PID控制器在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好时，需要对测量进行非线性修正。对非线性的修正方法是利用DCS分散式控制系统的运算功能，根据实际测验结果与理想线性的偏差，即上述表中误差值，采用逐点线性迁移(如在10％，30％，50％，75％，100％等5个点迁移)，将负误差点做测量值正补偿，将正误差点做测量值负补偿。因为根据单螺杆泵的转速和输送量标校试验，可以确定低转速的小流量时实际输送量偏大，而高转速的大流量时实际输送量偏小，所以本实例采用对50％以下流量测量值(10％，30％，2点)进行-1％的负迁移完成简单线性修正；线性修正如图6所示。

上述测量的线性修正方法在本实例的应用，通过实践证明能够进一步提高输送量的准确度(测量范围内，精度均实现高于±0.5％)。