[发明专利]非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法

摘要

本发明公开了一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法。本发明对于自由基聚合模型，以给定的分子量分布曲线作为产品质量指标，在满足产品质量指标的前提下，求取使得反应物的转化率最大的反应器入口引发剂浓度和进料温度条件。该方法包括优化、模拟和接口三部分。在每个优化迭代中需要调用一次模拟，建立了接口程序，以实现优化过程的自动化。利用该方法得到的优化结果，分子量分布曲线与目标的误差小于10^‑6，转化率比初始点的转化率有大幅提高。本发明相比于实验方法可以极大缩短反应条件设计周期，降低开发成本，能实现聚合物产品操作条件优化，可应用于离线优化和产品设计。

主权项

1.一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法,其特征在于包括如下步骤：S01：建立优化模型，以最大单体转化率为优化目标，以分子量分布在采样点上与目标值的误差平方和为约束，并以控制变量的上下限为约束，构建优化命题；所述的步骤S01具体为：在已知聚合物目标分子量分布曲线条件下，在链长的对数坐标曲线上，横坐标每隔0.1间隔选取采样点，以采样点上分子量分布的模拟值与目标值的误差平方和为约束，并以入口引发剂浓度x和进料温度T的上下限为约束，构建优化命题如下：maxconversion(x,T)xlow≤x≤xupTlow≤T≤Tupconversion(x,T)为单体转化率，MWD为聚合物分子量分布曲线的模拟值，xlow，xup分别为入口引发剂浓度x的下限和上限，Tlow，Tup分别为进料温度T的下限和上限，ε为分子量分布的误差容限；S02：设置优化参数，优化参数包括：最大迭代次数，约束优化转化为无约束优化的惩罚项系数，优化算法误差容限，分子量分布误差容限，以及单纯形算法的参数值；S03：优化计算初始化，设定初始反应器入口引发剂浓度x0和进料温度T0，分别在入口引发剂浓度和进料温度上进行摄动，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到初始单纯形，开始优化；S04：进行单纯形顶点排序，判断是否收敛，如果满足收敛准则，优化结束，求解成功，得到最优解；如果不满足收敛准则，进行步骤S05；S05：根据单纯形算法，对于得到的结果进行反射，膨胀，收缩和塌缩操作，得到新的入口引发剂浓度和进料温度，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到分子量分布的模拟结果，进而得到转化率结果，按照单纯形生成规则，得到新的单纯形，进行步骤S04；所述步骤S03和S05中所述通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟具体为：基于计算流体力学方法，进行网格划分和建立，利用计算流体力学软件Fluent进行求解模拟，求解过程中需要加载编写好的用户自定义函数程序，将聚合反应方程加载到Fluent软件中，以耦合聚合反应和流体流动，最终得到模拟稳态解，方法具体采用如下步骤：(1)利用计算流体力学前处理软件Gambit，根据聚合反应器装置绘制装置模型，对模型划分有限元网格；(2)在计算流体力学软件Fluent中导入反应器模型，进行模拟设置，进行聚合反应的稳态模拟，作为优化过程中的模拟初值，该过程具体包括：1)设置反应条件，所述的反应条件具体包括选择求解器、选择湍流模型、选择反应材料、设置边界条件；2)在Fluent中导入化学反应模型，将用户自定义函数程序加载至Fluent软件中，以此将聚合反应与流体流动耦合起来；3)进行求解相关的设置并迭代求解；(3)反应器内聚合反应的计算流体力学求解：通过接口程序，读入入口引发剂浓度和进料温度，求解稳态反应时聚合反应器内的各组分浓度、矩浓度和反应速率的分布，(4)根据反应器内各组分浓度、矩浓度和反应速率，基于稳态假设经数学推导得到分子量分布：其中：其中，W(n)表示链长为n的聚合物在所有聚合物中所占的比例，n表示链长，τ,β,为分子量分布参数，k_td表示链歧化终止的反应速率，k_tc表示链双基终止的反应速率，k_trm表示链向单体转移的反应速率，k_p表示链增长的反应速率，[R]表示总的自由基摩尔浓度，[M]表示单体的摩尔浓度；(5)将步骤(4)中得到的分子量分布参数τ,β,通过接口程序返回给优化程序，作为一次迭代步的模拟结果。