[发明专利]一种气相聚乙烯装置质量指标及操作约束在线估计系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业过程控制领域，是一种针对气相流化床生产工艺的聚乙烯装置质量指标及操作约束在线估计系统。

背景技术

聚乙烯(PE)是聚烯烃中产量最大的品种，作为热塑性高分子聚合物被广泛地应用于工业、农业、国防、日用品等国民经济的各个领域。目前聚乙烯占世界聚烯烃消费总量的70％，占热塑性通用树脂消费总量的44％，所用原料占世界乙烯消费量的52％，其中采用气相流化床工艺生产的PE约占世界PE产量的70％(钱伯章.当代聚乙烯生产的技术进展.国际化工信息，2002，1：9-11.)。气相法工艺的聚乙烯生产过程包含复杂的链活化、链引发、链增长、链转移和链终止5个可逆反应系列，表征聚乙烯牌号的质量指标主要有聚合物熔融指数及树脂密度。主要的操作约束有实时产率、循环气露点温度、反应器停留时间、乙烯浓度、丁烯浓度、氢气浓度、反应温度及反应压力。除了乙烯浓度、丁烯浓度、氢气浓度、反应温度及反应压力可在线测量外，其余的质量指标及操作约束均在线不可测。采用常规的经验操作会造成PE产品质量波动大、中间过渡产品多、物耗和能耗高、存在安全隐患及操作人员劳动强度大的状况。利用多牌号产品质量指标及操作约束在线估计技术可以实时推断产品的质量指标及操作约束，从而监控装置的运行状况，进而稳定装置的操作，在满足工艺约束条件下，提高产率，提高产品质量，降低物耗和能耗、减少牌号切换时间和中间过渡产品，从而大幅度地提高装置的经济效益。

PE装置操作中最受关注的是产品的质量指标及操作约束。然而由于PE装置产品的质量指标及操作约束受影响因素过多且过于复杂，目前尚无法用精确的机理模型加以描述(Soares J.B.P.Mathmatical modelling of the microstructure of polyolefins made by coordination polymerization：a review.Chemical Engineering Science，2001，56：4131-4153.)。然而机理模型可用于推导聚合速率与表征聚合物分子结构性能的参数，如平均分子量、分子量分布(MWD)、链长分布(CCD)等，而聚合物的质量指标及操作约束，可采用半机理或经验模型来模拟(Antonio G.et.al.Modeling ethylene/1-butene copolymerization in industrial slurry reactors.Ind.Eng.Chem.Res，2005，44：2697-2715.)。联合矩方法和瞬时分布法是两类主要的PE过程机理建模方法(McKenna T.F.，Soares J.B.P.Single particle modeling for olefin polymerization on supportedcatalysts：a review and proposals for future development.Chemical Engineering Science，2001，56：3931-3949.)。联合矩方法通过计算活聚体和死聚体的各阶矩，从而计算数均分子量、重均分子量及分散指数。联合矩方法仅能给出分布的几个指标，不能给出整体的分布情况。瞬时分布法利用Floy分布方程结合聚合动力学与反应条件，可求出整个分子量分布曲线。纯机理模型可以得到较准确的模拟结果，但通常难以直接给出工业界所关心的产品质量指标与操作约束，工业直接应用困难。工业上常用的是利用经验模型推断质量指标及操作约束(McAuley K B.MacGregor J F.Nonlinear product property control in industrial gas-phase polyethylene reactor.AIChE，1993，39：855-866.)，经验模型一般形式简单，计算简单。但模拟对象改变时，模型参数需要重新辨识，甚至模型本身也不适用。半经验模型是机理模型和经验模型的结合体。由于纯机理模型难以直接计算产品质量指标与操作约束，而经验模型又存在适用范围窄的缺陷，因而将两者结合的半经验模型在工业应用中有很好的应用前景。浙江大学的梁军利用非线性PLS方法建立了气相聚乙烯的质量指标在线预测模型(梁军.工业流化床乙烯气相聚合中的在线测量与模型分析(I)(II).传感技术学报，2003，16(3)：242-255.)，建模方法沿用了经验建模的思想。王靖岱等采用半经验建模方法，建立了工业流化床聚乙烯树脂性能预测模型(王靖岱，陈纪忠，阳永荣.工业流化床聚乙烯树脂性能模型的研究.高校化学工程学报，2001，15(1)：82-87.)。陈爱晖等利用机理建模法，推导了工业流化床聚乙烯冷凝操作的操作约束(陈爱晖，阳永荣，戎顺熙.流化床冷凝模式操作与乙烯聚合过程的研究(I).化学反应工程与工艺1998，14(4)：365-372.流化床冷凝模式操作与乙烯聚合过程的研究(II).化学反应工程与工艺1999，15(1)：31-37.)。