化工進展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS206年第25卷第7期聚烯烴連續(xù)生產過程中產品牌號切換的研究述評莢亮1,梁軍1,王文慶13,王靖岱2(浙江大學工業(yè)控制技術國家重點實驗室,2浙江大學聯(lián)合化學反應工程研究所,杭州310027;中國石化齊魯股份有限公司,淄博255400)摘要:從操作模式、切換目標、影響因素和數(shù)學描述四個方面對聚烯烴連續(xù)生產過程中產品的牌號切換問題進行了分析;討論了最優(yōu)牌號切換的研究特點和難點;回顧了近年來該領域的研究進展,探討了未來的發(fā)展方向關鍵詞:聚烯烴;連續(xù)生產;牌號切換;優(yōu)化中圖分類號:TQ2033:TP27文獻標識碼:A文章編號:1000-6613(2006)07-0780-06Review of grade transition in continuous polyolefin production processJIA Liang, LIANG Jun,WANG Wenging" ,WANG JingdaiNational Laboratory of Industrial Control Technology: Department of Chemical Engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027;Qilu Petrochemical Complex, Sinopec, Zibo 255400)Abstract: The research on grade transition in continuous polyolefin production process is reviewed. Theoperation mode, grade transition objective, influence factors and mathematical descriptions of gradetransition are presented, the characteristics and difficulties are described, the progress made in this areaduring the last decades is summarized, and the development trends in the future are discussedKey works: polyolefin; continuous production; grade transition; optimization聚烯烴樹脂以低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、兩種:一種是批處理切換,即系統(tǒng)停車后,將聚合線性低密度聚乙烯以及聚丙烯為主,優(yōu)異的性能和反應器內當前牌號的物料全部排空,然后按開車程低廉的價格使其在注塑吹塑、農用薄膜、管道產品、序重新開車進行新牌號生產。另一種是連續(xù)切換模電子產品外殼以及汽車工業(yè)等許多領域得到了廣泛應用。但是,不同的用途對聚烯烴樹脂的特性要接從當前牌號生產過渡到新牌號生產。產品牌號間實行連續(xù)切換,雖然過渡料數(shù)量相對求也不相同,為了滿足不同牌號產品的生產要求,偏大,但減少了裝置的停車、開車過程,增加了裝置企業(yè)須在同一套生產裝置中安排多種牌號的聚合物生產,從而產生了牌號切換的操作過程_將一更明顯因此,學術界和工業(yè)界對牌號切換的研究,組聚合工藝條件按生產工藝要求切換到另一組聚主要集中在連續(xù)切換的最優(yōu)策略和控制問題上。合工藝條件的操作過程。1.2牌號切換的目標牌號切換的效益與兩個方面的問題有關:牌號理想的聚烯烴牌號切換應滿足以下幾個目切換的過渡時間和切換過程中產生的過渡料數(shù)量。標最優(yōu)的切換策略應能在保證裝置安全操作的前提下(1)達到新產品性能目標值所需的時間最短,使牌號切換所引起的經濟損失最小。為實現(xiàn)這一目生產的不合格過渡料產品數(shù)量最少;(2)過渡過程標,國內外學術界和工業(yè)界進行了許多深入研究,安全取得了大量有理論意義和應用價值的研究成果。中國煤化工態(tài)良好;(3)過渡1牌號切換問題及其數(shù)學描述CNMHG5-05基金墊金貿聊壩日(No.60574047)。第一作者簡介莢亮(1982一),男,博士研究生。電話05711牌號切換的操作模式87952389-411。聯(lián)系人梁軍,教授,博士生導師。E-ma在聚烯烴生產過程中,牌號切換的操作模式有第7期莢亮等:聚烯烴連續(xù)生產過程中產品牌號切換的研究述評781結束后反應器狀態(tài)穩(wěn)定,反應溫度、生產速率等都改變反應器反應條件以前,盡量多地釋放反應器中必須穩(wěn)定在設定的目標值上;(4)過渡結束后聚合的產品(合格品),則可以有效減少過渡料數(shù)量物生產連續(xù),質量合格。不同的聚合過程對各種牌號切換策略的反應不對于第一點,是減少過渡產品的數(shù)量,還是使盡相同。但反應單體濃度、停留時間分布、反應器切換時間最短,應根據(jù)市場行情確定。如果市場對反應條件、惰性氣體濃度和反應器聚合物存量等都產品需求旺盛,應縮短切換時間,這樣即使多生產是重要的研究對象。出一些過渡產品,仍可取得較大的經濟效益;反之,14最優(yōu)牌號切換問題的數(shù)學描述如果市場需求低迷,則應盡可能減少過渡料的生產,般情況,解決牌號切換的最優(yōu)策略基于以下而在時間上不作要求。也就是說,為了減少損耗,思考:首先提出一個合適的目標函數(shù),該目標函數(shù)寧可延長切換時間,慢慢過渡到目標產品的生產。包含約束條件、微分方程組和動態(tài)方程組用來描述所以牌號切換操作不僅僅是單純的技術問題,還應動態(tài)模型),時間設定為切換結束后某一時刻,然后和經濟核算聯(lián)系在一起。采用動態(tài)優(yōu)化方法求解該目標函數(shù),使目標值最小13產品的性能指標和影響牌號切換的重要因素最后得到最優(yōu)切換過程的操作變量、狀態(tài)變量和關在影響聚合物品質特征的眾多因素之中,分子鍵性能指標的變化軌跡。量分布和聚合物密度是工業(yè)聚烯烴產品最重要的質在 McAuley和 MacGregor等15的研究基礎量性能指標2。因為分子量分布很難直接表示,工上,王靖岱和陽永榮針對 Unipol氣相法線性低密度業(yè)上常用熔融指數(shù)(M)代替分子量分布。聚乙烯生產工藝,研究了牌號切換的最優(yōu)策略呵,熔融指數(shù)和密度(p)對聚合物的加工性能和硬提出了以下目標函數(shù):度有重要影響,例如,M與聚合物的流變性、沖擊強度、耐應力、耐開裂性、拉伸強度及介電常數(shù)有J(u)=Min[ (w,(n MI -In MI. )'+w,(P-P)關,而ρ與剛性、拉伸強度、耐熱性、硬度、滲透+w,(n MI -In MIn)+w (p-pn)率、透明度、沖擊強度和彈性有關。因此,樹脂產品(尤其是聚乙烯)的牌號主要是以M和p劃分。+w, (MFR-MFRS )+W(H-H)牌號切換是一項非常復雜的過程,在切換過程+w(Fa-F甲)d中,各種變量之間存在著強烈的關聯(lián),操作者經常使多種變量(如氫氣濃度、共聚單體濃度、反應溫度、反應壓力、催化劑進料速率等)同時變化,達到牌號切換優(yōu)化操作的目的。例如,氫氣濃度對于控制聚合物的熔融指數(shù)起關鍵作用,但氫氣濃度的變化會導致聚合物密度隨之變化。為減弱氫氣濃度對于密度的影響,必須調節(jié)共聚單體濃度。所以為≤T≤T(2)保持熔融指數(shù)和密度在合適的范圍,切換時必須考ssH≤H≤H慮多種變量同時作用,以達到切換的良好效果F≤Fn≤F反應速率對于牌號切換時間和過渡料數(shù)量有重樹脂質量模型:要影響。研究表明,切換時減少反應速率可以極大地減少過渡料數(shù)量,但會導致切換時間增加。反應e-IE iel.)速率主要受催化劑進料速率的影響,當然溫度和壓力也施加一定作用,但工業(yè)生產中往往通過改變前P(t+△M)=FxP()+(-F)×P(t+△者達到調節(jié)反應速率的目的。D=lnM,MFR和p為減少過渡時間和過渡料數(shù)量,可以使用幾種中國煤化工樹脂的流動指數(shù))④不同的操作策略。例如,在工業(yè)生產中,操作員往CNMHG往過調反應器中共聚單體、氫氣或惰性氣體的濃度,上式中w為權因子,b為開始時刻,t為牌號使反應條件很快達到設定值,從而減少過渡時間。切換結束時刻,下角標ε、i、s分別為累積值、瞬釋放反應器內的組分可以提高牌號切換的速率。在時值和目標值。MFR為熔流比,H和Fa分別為床782·化工進展2006年第25卷層高度和催化劑進料速率。約束條件中,下角標low運用一般的優(yōu)化方法求解這類方程的全局最優(yōu)解很困難。和p代表相關變量的下限和上限,和C2c2」23非續(xù)性控制在聚烯烴連續(xù)生產過程中,按照同一種策略,則是氫氣-乙烯濃度比和共聚單體-乙烯濃度比牌號正切換和逆切換的過程操作軌跡往往是不對稱Wang和 Ohshima指出過渡時間最短和過渡料的,產生的過渡料數(shù)量也不相同,它體現(xiàn)了牌號切新量最少這兩個目標一般不能同時達到,實際的最換的非線性向。對牌號切換過程的控制屬于基于復優(yōu)牌號切換軌跡是這兩個目標的綜合。他們提出的雜模型的非線性過程控制,較之廣泛研究的線性控最優(yōu)化目標函數(shù)為:制技術,非線性控制技術的理論還不成熟,實施也F=4(x0)-x)+(0-31)+00-x)6)復雜很多。3牌號切換問題的研究現(xiàn)狀X=IPm, PH,So, M, MLU=[Fm, F,F1Y=[M, Me, P, v(6)31牌號切換問題涉及的主要技術方面同王靖岱的目標函數(shù)相比,Wang的目標函數(shù)牌號切換問題的研究和解決大致分3個階段。加入了時間的概念,這樣是為了較快的完成牌號切(1)建模研究牌號切換問題,首先要對切換換過程,而不是以過渡料最少為惟一目標。X、Y、過程進行數(shù)學建模。建模方法主要有經驗建模、機U、分別代表期望狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量理建模和半經驗半機理建模。經驗模型具有建模快值;下角標sp代表目標值。具體來說,P和p分速和模型結構簡單、高效的特點,但通用性較差。別為單體和氫氣在反應器中的分壓,Sa為催化劑活機理模型結構完善、因素全面,本質上比較“真實”性,Fα、FH和F分別為單體、氫氣和催化劑進料描述切換過程時通用性很強。但機理建模比較復雜,速率,P1為總的壓力,v為生產速率。須在對切換過程取得比較深刻的認識基礎上才能進2最優(yōu)牌號切換問題的研究難點行,因此難度較大。半經驗半機理模型兼有兩者的特點,是今后牌號切換建模發(fā)展的方向之21建模復雜(2)優(yōu)化優(yōu)化主要是指采用合適的數(shù)值計算首先,聚烯烴連續(xù)生產過程中的牌號切換涉及方法,通過對動態(tài)數(shù)學模型的求解,獲得一組最優(yōu)多種生產資源,如原料、催化劑選擇、反應器類型、操作變量和狀態(tài)變量軌跡。目前牌號切換中求解帶反應條件、生產設備性能等。其次,具有不同的牌有約束的非線性規(guī)劃問題的方法,主要有序列二次號切換目標。通常,物料從一種牌號到另一種牌號規(guī)劃算法68和迭代動態(tài)規(guī)劃算法例。序列二次規(guī)劃的切換,必須在時間和過渡料數(shù)量之間進行協(xié)調,算法對于非線性不等式約束下的最優(yōu)化求解非常有是優(yōu)先減少過渡料數(shù)量,還是優(yōu)先減少過渡時間,效,具有良好的超線性收斂性質,因而此類算法在或是在兩者之間按照某種原則使其達到平衡是隨外非線性規(guī)劃中已占有非常重要的地位。迭代動態(tài)規(guī)部條件變化。再次,牌號切換模型是一個時變的動劃算法則是一種適用于求解高維非線性連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)非線性模型,各種狀態(tài)變量和控制變量隨時間改態(tài)優(yōu)化問題的有效算法,它不僅避免了對系統(tǒng)的變,模型參數(shù)不易確定。最后,各變量之間復雜的 Hamilton-Jacobi-Bellman方程的求解及高維方程求耦合性也大大提高了建模難度。例如,氫氣濃度增解可能出現(xiàn)的計算量激增問題,而且獲得了較好的大會導致熔融指數(shù)上升,但同時也增加了樹脂黏性,求解精度0。近年來,一些專用的優(yōu)化軟件也被用為維持樹脂的正常密度則應增加共聚單體數(shù)量;而來求解牌號切換問題,如 gPROMS和GAMS等。反應溫度的提高不僅增加了反應速率,還改變了熔(3)控制通過對聚合反應器的控制,使牌號融指數(shù)。切換過程的操作變量和狀態(tài)變量按照優(yōu)化計算所獲2.2求解困難得的凵中國煤化工卜發(fā)達國家大都采用牌號切換模型的求解是一個復雜的大范圍非線先CNMHGI MPCI24)實現(xiàn)性動態(tài)優(yōu)化問題。切換過程所建立的最優(yōu)化命題為對最優(yōu)切秧過程的弳制,聯(lián)得了良好的效果。有約束條件的極值問題。其特點是約束條件為隱式32牌號切換問題的主要研究成果和高度非線性。目標函數(shù)是帶積分的泛函極值問題,聚烯烴連續(xù)生產過程的牌號切換研究是伴隨著第7期莢亮等:聚烯烴連續(xù)生產過程中產品牌號切換的研究述評柔性生產模式的需求而產生的。由于牌號切換問題的控制性能。的復雜性以及化工和計算機技術的限制,該領域的Wang和 Ohshima提出了一個帶有離線動態(tài)優(yōu)研究起步較晚,但前景廣闊化器和非線性模型預測控制器的最優(yōu)牌號切換控制McAuley和 MacGregor通過對 Unipol氣相法系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本思路為:首先,離線計算出最乙烯聚合反應過程細致分析,研究了在工業(yè)條件下優(yōu)的變量輸入和輸出軌跡,然后將最優(yōu)變量輸入軌完成聚乙烯樹脂牌號切換的最優(yōu)策略,他們的工作跡用作前饋輸入信號,將最優(yōu)變量輸出軌跡用作參在牌號切換領域具有十分重要的意義451。首先,考信號,傳遞給能夠處理擾動及模型不匹配問題的McAuley等研究了乙烯聚合過程的反應機理,建立非線性模型預測控制器 NLMPC。比較結果用于控了復雜的動力學模型。隨后,研究者指出累積熔融制器輸出,從而確保生產過程在滿足過程變量約束指數(shù)和密度不能表征聚合物的特性,必須要考慮瞬的條件下,遵循離線計算出的最優(yōu)輸出軌跡進行時熔融指數(shù)和密度。在此基礎上成功實施了反應器在這種控制結構下,離線計算出的最優(yōu)輸入輸出軌中聚合物質量性能指標的在線預測,為進行牌號切跡決定了牌號切換控制該如何實施,控制系統(tǒng)如圖換研究奠定了基礎。在研究中, McAuley和1所示。MacGregor以3種聚乙烯牌號之間的切換為例,提出了3個由簡單到復雜的目標函數(shù),通過對目標函離線優(yōu)化計算數(shù)的求解,獲得了大量數(shù)據(jù)以及牌號切換的最優(yōu)軌NLMPCPROCESS跡。研究者認為:氫氣進料流率、丁烯進料流率、反應器溫度的設定值、氣體放空流率和床層料位高度等操作變量,決定切換操作的最優(yōu)軌跡。對溫度MODEL設定值和放空流率的操作,能有效減少牌號切換所需的時間;降低床層料位高度和催化劑進料流率則EKF可以有效減少過渡料數(shù)量。Rahimpour等研究了不同類型的聚乙烯樹脂之圖1最優(yōu)控制系統(tǒng)原理示意圖間的牌號切換問題,提出了一種半連續(xù)的牌號切換策略。在建模過程中,他們首先建立了工業(yè)流化20世紀90年代中期以后,出現(xiàn)了一些商業(yè)化的床反應器的機理模型框架,隨后用工業(yè)生產數(shù)據(jù)進軟件包,用來研究和仿真牌號切換過程。例如,行系統(tǒng)辨識得到相關參數(shù),然后將兩者結合得到了 Debling、 Takeda?等利用 Wisconsin大學開發(fā)的動流化床反應器的半經驗半機理模型并進行了模型的態(tài)優(yōu)化軟件 POLYRED仿真牌號切換。軟件仿真的有效性驗證。在模型的基礎上,研究者研究了線性最大好處是基于圖形菜單的CAD環(huán)境允許用戶在低密度聚乙烯到中密度聚乙烯或高密度聚乙烯的牌幾分鐘內不用寫代碼就可以構建詳細的流程,然后號切換策略。研究表明,在反應器中進行連續(xù)切換輸入參數(shù)執(zhí)行仿真。所以采用專用軟件包研究牌號非常困難。因為反應溫度很難保持在氣相露點溫度切換可以極大的方便仿真過程,但軟件模型的準確和聚合物熔點之間。采用半連續(xù)切換則可以有效解性直接影響到仿真結果。 Ben Amor等將工業(yè)實時決溫度的變化,從而使這種不同類型的樹脂在同一優(yōu)化軟件包 ROMeo應用到聚合物牌號切換的非線反應器中進行牌號切換成為可能。性模型預測控制中,仿真了苯乙烯聚合過程和氣相Kosanovich等從控制角度研究了牌號切換法聚乙烯生產過程的牌號切換。他們的工作主要體問題,他們的工作包括在對過程作線性化近似的基現(xiàn)在對非線性模型預測控制算法的改進上,實驗證礎上構造了閉環(huán)控制器,設計了用于多產品切換的明,采用他們提出的算法可以有效地解決牌號切換混合動態(tài)管理控制策略,研究了反饋控制器中的最問題。佳設定值控制等。Sato等將聚乙烯牌號切換過程中國煤化工流程( Plantwide)簡化為一個兩輸入兩輸出系統(tǒng)并建立了非線性機理范圍CNMHG,優(yōu)化問題中還模型。在此基礎上,研究者將模型線性化并設計了包括」下的刀離和道程⊥之程。這與只考慮反具有積分作用和非線性補償作用的最優(yōu)伺服控制應器模型比較,可以更有效地減少牌號切換的過渡器。結果表明:該控制器對多牌號切換過程有良好時間。784·化工進展2006年第25卷浙江大學的王靖岱等比較深入地研究了工業(yè)流可能在解決牌號切換的非線性控制問題方面發(fā)揮化床聚乙烯生產過程的牌號切換問題9324。通定的作用。過建立牌號切換的動態(tài)模型和對目標函數(shù)的求解,獲得了牌號切換的最優(yōu)操作軌跡,并在此基礎上研符號說明究了多牌號切換。研究者認為:產品牌號的正向C/c]共聚單體與乙烯濃度比反向切換所獲得的操作變量優(yōu)化控制軌跡很不同H2C2】—氫氣乙烯濃度比反映了系統(tǒng)的非線性特征;聚合溫度、氫氣和共聚進料速率,kgh單體濃度等參數(shù),主要用于調節(jié)樹脂性質;催化劑Fa—催化劑進料速率,kgh流率和料位高度對反應器操作起作用;通常,降低F—生產速率,kgh催化劑流率和料位高度,有利于減少過渡料數(shù)量經A時間床內原樹脂所占的質量分數(shù),%縮短過渡時間;目標函數(shù)中增加MFR控制項可以H—床層高度,m明顯控制分子量分布,抑制操作變量的劇烈調節(jié)MFR熔流比多牌號切換時,應該首先進行生產調度,優(yōu)先進行熔融指數(shù),g/ 10min質量性能指標相近的牌號之間的切換。反應器中的分壓,P清華大學的徐用懋、范順杰等對聚丙烯牌號切總的壓力,Pa換的動態(tài)過程進行了建模及仿真研究25。韋建利催化劑活性以 Hypol工藝聚丙烯反應器為硏究對象,建立了連溫度K續(xù)攪拌釜(CSTR)聚丙烯反應器的動態(tài)機理模型,利牌號切換開始時刻用聚丙烯裝置現(xiàn)場工況數(shù)據(jù),研究了動態(tài)模型對聚牌號切換結束時刻合反應牌號切換過程的適應能力,并與離線分析數(shù)生產速率據(jù)進行了對比分析。仿真結果表明該動態(tài)機理模型權因子能夠在很大范圍內適應熔融指數(shù)的變化,可用于在密度,kg線運行,指導生產。成衛(wèi)戍等分析了聚丙烯牌號切下角標換過程中的過渡策略利用丙烯聚合動態(tài)模型和熔融累積值指數(shù)軟測量技術結合工業(yè)生產數(shù)據(jù)對聚丙烯的牌催化劑號切換過程進行了模擬。通過對模擬結果的分析找瞬時值出最佳牌號切換策略,制定出最佳的生產過渡方案H氫氣4結語體聚烯烴生產過程中的牌號切換研究對于提高上限值裝置操作水平、降低生產成本,都有十分重要的意目標值義。目前最優(yōu)牌號切換的研究工作,作者認為以下碳數(shù)幾個方面應引起重視參考文獻(1)建模方面將機理建模和經驗建模兩者結合起來,采用兼有兩者的優(yōu)點的半經驗半機理模] Xie Tuyu, McAuley KB, James CCH,eta. 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