聚烯烴生產(chǎn)中牌號切換策略研究

綜述合成樹(shù)脂及塑料，2006，23(3): 75CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS聚烯烴生產(chǎn)中牌號切換策略研究韓國棟1E平2王靖岱2°陽(yáng)永榮2(1.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津, 300271; 2. 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，浙江杭州, 310027)摘要:聚烯烴生產(chǎn)過(guò)程中的牌號切換問(wèn)題對生產(chǎn)成本和生產(chǎn)策略有很大影響。綜述了牌號切換的研究進(jìn)展,闡述了牌號切換的目標和策略。針對切換策略求取中的操作變量軌跡尋優(yōu),分為目標函數法和軟件模擬法兩種不同方法討論了切換過(guò)程中操作變量?jì)?yōu)化軌跡的求取過(guò)程.最后總結了牌號切換研究中存在的問(wèn)題。關(guān)鍵詞:聚烯烴牌號切換質(zhì)量模型目標函數中圈分類(lèi)號: TQ 018; TQ 315文獻標識碼: A文章編號: 1002-1396(2006)03- 0075- _05聚烯烴類(lèi)產(chǎn)品廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、國防及短和過(guò)渡料最少,以此為標準,尋找在切換過(guò)程中日用品等領(lǐng)域。隨著(zhù)人們消費水平的提高和消費操作變量及產(chǎn)品性能指標變化的優(yōu)化軌跡;(3)切領(lǐng)域的擴展，對聚烯烴產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大,換操作過(guò)程中的控制。在切換目標和變量軌跡確對產(chǎn)品質(zhì)量和種類(lèi)的要求越來(lái)越高。在生產(chǎn)過(guò)程定后,通過(guò)在線(xiàn)或離線(xiàn)檢測,指導切換過(guò)程順利進(jìn)中，廠(chǎng)家通常利用-一套裝置生產(chǎn)多個(gè)牌號的產(chǎn)行,保證切換過(guò)程的安全性和穩定性。品,這需要牌號的切換。在牌號間切換的過(guò)程中會(huì )造成原料的損失、正常生產(chǎn)時(shí)間的減少、大量2軌跡預測研 究方法過(guò)渡料的產(chǎn)生,人力、物力資源的浪費等。因此，牌號切換過(guò)程中，首先應明確切換的初始牌牌號切換的研究很早就引起國內外學(xué)者的注意。號和目標牌號。然后根據兩者性質(zhì)生產(chǎn)方式的特點(diǎn)選擇切換策略。當切換策略選定后,最終需要確1牌號切換研究定各操作參數的變化軌跡(即切換的具體操作方牌號切換過(guò)程中主要伴隨著(zhù)2個(gè)問(wèn)題:切換法)。目前主要采用目標函數法和軟件模擬法確定時(shí)間和切換廢料(即過(guò)渡料)。目前,多數廠(chǎng)家的牌操作參數的變化軌跡。號切換一般靠生產(chǎn)經(jīng)驗來(lái)完成。切換時(shí)間有時(shí)長(cháng)2.1 目標函數法達幾十個(gè)小時(shí),過(guò)程中產(chǎn)生大量過(guò)渡料。這些過(guò)渡目標函數法利用動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制的極小值原料-部分低價(jià)出售,另一部分在質(zhì)量允許的范圍理，綜合考慮聚合物的質(zhì)量指標和生產(chǎn)過(guò)程的操內摻入到合格的產(chǎn)品中去,既浪費原材料,又使產(chǎn)作參數建立優(yōu)化函數,根據具體工況對其約束,通品質(zhì)量下降,使得廠(chǎng)家的生產(chǎn)策略受到限制。過(guò)求解目標函數，得到切換過(guò)程中產(chǎn)品性能指標Mcauley等P指出,產(chǎn)品牌號切換軌跡優(yōu)化的和生產(chǎn)操作參數變化的最優(yōu)軌跡。目標是在安全操作的前提下取得最佳經(jīng)濟效益。Mcauley等凹研究了Unipol流化床反應器生具體而言,最理想的牌號切換目標是:(1)到達目產(chǎn)聚乙烯(PE)過(guò)程的牌號切換。首先建立了流化標牌號的時(shí)間最短,或過(guò)渡料量最少;(2)保證切床聚合過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量預測模型，然后通過(guò)增加換過(guò)程中的安全操作;(3)產(chǎn)品切換終了時(shí),反應.控制參數,逐步建立切換過(guò)程的優(yōu)化目標函數,通器的操作參數穩定;(4)切換操作不應對切換前反應器內的合格樹(shù)脂產(chǎn)品造成不良影響。收稿日期: 2005 -12- -20;修回日期: 2006 -02 -10。牌號切換的研究主要包括:(1)產(chǎn)品質(zhì)量模型中國煤化工90年畢業(yè)于天津理工的建立，。牌號切換是- - 個(gè)實(shí)時(shí)控制的過(guò)程,需要對!從事氣相法聚乙媚工產(chǎn)品性能指標監控和預測，以此決定操作變量的MHC N M H G2)63801510; E-mail:變化趨勢;(2)操作變量變化軌跡的預測。牌號切du2002@163.com。換研究的主要目標是實(shí)現切換過(guò)程所用的時(shí)間最*通訊聯(lián)系人。 E-mail: wangjd@zju.edu.cn.。76.合成樹(shù)脂及塑料2006年第23卷過(guò)對函數的求解得到操作變量及產(chǎn)品物性的最優(yōu)軌跡。建立的目標函數()如下:=](0QMFR- InMFR.,J + w(P. -pR + I," wQInMFR. - InMFR.,}+(1)wo(ρp-p.)Hdt +ws(T-TJ}+ , 10(0 _.)d式中,MFR，ρ分別為產(chǎn)品的熔體流動(dòng)速率和密度;T,o分別為反應器中溫度和放空流率;下標c,一瞬時(shí)值i,sp分別表示累積值、瞬時(shí)值和目標值;ho,t為切-...累積值|換開(kāi)始和結束的時(shí)間;wy,v,w3,us,us,W,為權值,反映各變量對產(chǎn)品性質(zhì)的影響程度。50 80 100Mcauley等認為切換操作過(guò)中僅憑MFR。和ρ。不足以表征聚合物的性能,必須引人MFR,和p-瞬時(shí)值A .. 累積值進(jìn)行綜合表征。此外,還考慮了T,o的影響,在維持催化劑活性同時(shí)防止聚合物顆粒黏結，并且確sb B保流化床正常流化和混合。將目標函數應用于3) 80 100個(gè)PE牌號間的切換，可得操作變量和聚合物性-進(jìn)料量n 1.質(zhì)參數的最優(yōu)軌跡(見(jiàn)圖1)。在優(yōu)化計算結果的....濃度基礎上,提出切換過(guò)程中通過(guò)“過(guò)調”操作變量可減少切換時(shí)間,減少過(guò)渡料。王靖岱等2在Mcauley等的基礎上進(jìn)-一步研20406究了乙烯流化床體系的牌號切換，認為在牌號切進(jìn)料量換過(guò)程中還應考慮產(chǎn)品相對分子質(zhì)量分布(MWD)7 0.8的要求。牌號切換過(guò)程中即使聚合物的MFR和ρ .0.4在規定的范圍內，其MWD仍有可能達不到穩態(tài)20406080100生產(chǎn)時(shí)的規格標準。因此,在目標函數中引人熔流時(shí)間比來(lái)表征MWD,用以更好地控制樹(shù)脂性能;引人圖1最優(yōu)操作變量 和聚合物性質(zhì)參數料位高度、催化劑流率來(lái)確保聚合的穩定。此外,Fig 1 The optimal operating variables and performanceindexes of the polymens在兩牌號切換的基礎上，提出了多牌號切換最優(yōu)調度策略問(wèn):在已知起始牌號的條件下,根據各牌可粗略控制聚合物的MWD,后續工段包括分離、號間兩兩切換時(shí)J值大小安排切換順序,先切換J干燥 、造粒等,其中造粒過(guò)程中要加人穩定劑,對值小的牌:號,再切換J值大的牌號。產(chǎn)品性能影響很大。因此,在牌號切換過(guò)程中,漿Heui等5研究了淤漿法生產(chǎn)PE中的牌號切液的性能和造粒產(chǎn)品的性能都應滿(mǎn)足要求。切換換，認為PE性能參數由反應工段和后續工段共模型的建立應同時(shí)包含漿液和造粒兩方面，其目同決定。反應釜中漿液僅是中間產(chǎn)品,其MFR只標函數如下:1="(- MRG )P( MPRS )=m( MIR. }+uw( pu}](2)式中,MFR.,MFR2,MFRpe分別為2個(gè)反應釜及.合物的性質(zhì)，且直接將時(shí)間作為參數引人目標函造粒機中聚合物的MFR.,Ppnae為造粒機中聚合物數中。為使該目標函數既可處理合格產(chǎn)品的穩態(tài)的密度，下標tg表示目標牌號的性能指標。通過(guò)生本生產(chǎn),將權值w;將目標函數應用于兩牌號的切換中，可得到產(chǎn)品設為可fYH中國煤化工值上下限范圍.性能指標的變化軌跡。內時(shí)對CN M H G應另-套權值。Makoto等網(wǎng)研究了雙峰PE生產(chǎn)過(guò)程中的牌Makoto等認為，目標函數中的MWD值會(huì )對數均號切換。目標函數中同時(shí)包含了2個(gè)反應器中聚分子量的變化起“延遲”作用,對于那些MWD很第3期韓國棟等.聚烯烴生產(chǎn)中牌號切換策略研究.77.重要的切換過(guò)程,應將其包含在目標函數中。0.040 |如前所述,牌號切換過(guò)程中涉及的參數多,變0.036牌號B量變化范圍相差較大,切換策略多。用目標函數法0.032計算參數的優(yōu)化軌跡通常只能針對有限個(gè)參數、。0.0280.024單一的切換策略，并且權值中包含較多不準確因i 固定控制結構可變控制結構0.020素。針對這些缺點(diǎn),一些學(xué)者使用特殊軟件模擬牌0.016號切換過(guò)程,通過(guò)比較各種切換策略，找出性質(zhì)參.012二數和操作變量的最優(yōu)軌跡。100200300400500600700 8002.2 軟件模擬法時(shí)間/minDebling等凹利用模擬動(dòng)態(tài)模型的Polyred軟圖2不同控制方式下MFR變化件,在切換時(shí)間盡可能短、過(guò)渡料盡可能少的原則Fig 2 Variation in melt flow rate under different control mode下,對聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和乙丙共不同類(lèi)型PE產(chǎn)品之間牌號切換過(guò)程的控制。針對聚物等多種聚烯烴產(chǎn)品的氣相聚合、淤漿聚合、本初始牌號和目標牌號的性質(zhì)相差較大、生產(chǎn)條件體聚合和溶液聚合的牌號切換進(jìn)行了模擬，并指不同、氣相組成也有較大差異等情況,采用半連續出對于流化床而言，放空和提前放料能使聚合物切換。如果采用連續切換則切換過(guò)程中溫度變化的p和數均分子量很快達到穩態(tài)。較大,嚴重時(shí)可超過(guò)產(chǎn)品的熔點(diǎn),在切換過(guò)程中通Neeraj等同用Polymers Plus化工模擬軟件對過(guò)控制催化劑進(jìn)料率及換熱器中冷卻水流率避免淤漿法乙烯聚合過(guò)程進(jìn)行了模擬。首先按照分段溫度的劇烈波動(dòng)。此外,由于兩牌號性質(zhì)相差較大,逼近的方法建立了聚合物性質(zhì)的穩態(tài)模型，預測連續切換達到目標牌號性質(zhì)要求所需時(shí)間很長(cháng),聚合物的性能指標;然后利用AspenDynamics建若在切換初期放空，改變反應器中氣相組成，可立聚合過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，對生產(chǎn)過(guò)程中的操作參數使反應器中生產(chǎn)條件盡快達到目標牌號的要求。進(jìn)行預測。認為淤漿法乙烯聚合過(guò)程為氣、液、固Darrin等叫應用模型預測控制方法研究雙環(huán)三相反應,但固相可視為惰性且不參與相平衡。因管反應器生產(chǎn)PP工藝的牌號切換。結果表明,第此模擬時(shí)假設固相全部溶解于溶劑中，將模型簡(jiǎn).-一個(gè)環(huán)管的操作參數很大程度上依賴(lài)于第二個(gè)環(huán)化為氣液兩相反應。管。在切換過(guò)程中盡可能保持第二個(gè)環(huán)管的操作采用軟件模擬牌號切換過(guò)程，可增加參數,使.條件和產(chǎn)率的穩定，可以減少過(guò)渡料和切換時(shí)間。切換策略更靈活，但同時(shí)也帶來(lái)了計算結果滯后Hiroya等凹模擬PP半連續反應器和HDPE淤漿問(wèn)題。工廠(chǎng)中的監控具有時(shí)效性,受到計算條件的反應器的生產(chǎn)控制過(guò)程。設計的控制系統有兩層制約,當參數太多時(shí),計算量和計算時(shí)間也增加,運算法則，第一層使用連續非線(xiàn)性- -階模型對產(chǎn)因此所得計算結果的滯后使其不能很好地指導生品性能指標監控;第二層規定了控制過(guò)程的邊界產(chǎn)。針對這--問(wèn)題,-方面需要合理選擇參數種類(lèi)問(wèn)題。Morimasa 等3針對淤漿法HDPE生產(chǎn)工藝和個(gè)數，另一方面需要改良切換過(guò)程中的操作控建立了MFR在線(xiàn)控制系統,穩態(tài)生產(chǎn)過(guò)程采用串制,有效彌補滯后的缺點(diǎn)。級控制,切換過(guò)程采用前饋控制模塊控制。WangYang等網(wǎng)也針對淤漿乙烯聚合過(guò)程將離線(xiàn)優(yōu)化3牌號切換過(guò)程中的操作控制和非線(xiàn)性模型預測控制相結合，共同完成牌號切Chatzidoukas等P研究了氣相流化床反應器的換過(guò)程的優(yōu)化控制。提出在已知切換順序的前提.牌號切換過(guò)程,將優(yōu)化計算與切換控制結合,引人下,應通過(guò)即時(shí)檢測出料速度控制進(jìn)料速度?；旌险麛祫?dòng)態(tài)優(yōu)化方法，在Mcauley等提出的目標函數基礎上加入操作控制向量等影響因素,在4結語(yǔ)優(yōu)化過(guò)程中，生產(chǎn)不同牌號的控制方法有所不同弋量不斷增大,牌而應分別予以考慮。從圖2可以看出,使用可變控號切fYH中國煤化工: 隨著(zhù)計算機軟件制結構時(shí),產(chǎn)品MFR達到目標值所消耗的時(shí)間小的發(fā)CNMH G城也更寬,但是于使用固定控制結構時(shí)所消耗的時(shí)間。仍有如下問(wèn)題尚未解決:Rahimpour等10針對工業(yè)流化床體系,研究了a)基于反應機理的聚合物質(zhì)量預測模型的建合成樹(shù)脂及塑料2006年第23卷立還不夠完善。由于聚合過(guò)程的復雜性及多樣性,4王靖岱，陳紀忠，陽(yáng)永榮.連續聚合過(guò)程中多牌號產(chǎn)品過(guò)渡使現有研究中使用的質(zhì)量模型多為根據現場(chǎng)生產(chǎn)的生產(chǎn)調度最優(yōu)化[].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2003, 17(1);80-85數據回歸所得的半經(jīng)驗模型。這種模型的使用范5 Heui Seok Yi, Jeong Hwan Kim ,Chonghun Han. Plantwide圍較窄,當操作條件、產(chǎn)品性質(zhì)變化較大時(shí),模型optimal grade transition for an industil hig- density polyethylene預測的誤差通常較大。plant [I. Ind Eng Chem Res, 2003, 42(1): 91-98b)現有研究成果多為對切換過(guò)程中產(chǎn)品的; Makoto Takeda, Ray W H. Optimal-grade transition strategiesMFR,ρ等性能變化軌跡的預測,對于產(chǎn)品分子層for multisage polyolefin recor [J]. AIChE Joumal, 1999, 45(8):次上的研究(如分子結構、MWD等)還很不完善。1 776-1 793c)現有研究多停留在單- -催化劑條件下的牌7 Debling J A.Han G C,Ray W H. Dynamic modeling of productgrade transitions for olefin polymerization processes [] AIChE號切換，對于多種催化劑以及多催化活性中心條:Jourmal , 1994, 40(3): 506-520件下的牌號切換研究還很不夠。8 Neeraj P Khare, Kevin C Seavey, Liu Y A. Steady- -state andd)目前,研究原料預處理過(guò)程對產(chǎn)品性能的dynanie modeling of conmercial slury high-density polyethylene影響以及后續工段內產(chǎn)品性能的變化較少。(HDPE) processes [J]. Ind Eng Chem Res, 2002, 41(23); 5601~5 618e)為實(shí)現更加合理的優(yōu)化控制,必須將質(zhì)量9 Chatzidoukas C, Perkins J D, Pistikopoulos E N. Optimal預測、軌跡尋優(yōu)及切換過(guò)程控制相結合整體優(yōu)化,grade transition and selection of closed-loop contollers in a而現有的研究多數是針對其中某個(gè)方面進(jìn)行的。gas-phase olefin polymerization fluidized bed reactor [小]f)在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)的應用還不夠,現有控Chemical Engineering Science, 2003, 58: 3643~3 658制技術(shù)的滯后性很大，雖然通過(guò)反饋控制等手段10 Rahimpour M R, Fathikalajahi J, Moghtaderi B. A grade transition進(jìn)行彌補,但仍不能從根本上解決問(wèn)題。strategy for prevention of melting and agglomeration of particlesin an ethylene polymerization []. Chem Eng Technol, 2005,g)切換過(guò)程中操作條件變化劇烈，噪聲干擾287); 831-841較為嚴重,因此測量反饋結果的準確性受到影響,11 Darrin Feather, Douglas Harell, Richard Lieberman. Hybrid相應的校正方法還很不完善。apprach to polymner grade transition control [J]. AIChE Joumal,2004, 50(10): 2 502~2 513參考文獻12 Hiroya Seki, Morimasa Ogawa, Satoshi Ohyama. Industrial1 Mcauley K B, MacGregor J F. Optimal grade transition in a gasapplication of a nonliner model predictive control to polymerizationphase polyethylene reactor [J]. AIChE Joumal, 1992, 38(10):reactors [J]. Control Engineering Practice, 2001, 9(8): 819-828.1564~157613 Morimasa Ogawa,Masahiro Ohshima , Koji Morinaga. Quality2王靖岱，陳紀忠，陽(yáng)永榮.迭代動(dòng)態(tài)規劃在樹(shù)脂牌號切換最inferential control of an industrial high density polyethylene優(yōu)化模型中的應用[]高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2000，14(3):process [J]. Journal of Process Control, 1999, 9(1); 51~59264-26914 Wang Yang, Hiroya Seki, Satoshi Ohyama. Optimal grade3 Wang Jingdai,Yang Yongrong. Study on optimal strategy oftransition control for polymerization reactors [] Computersrade transition in industrial fluidized bed gas-phase polyethyleneand Chemical Engineering, 2000, 24: 1 555-1 561productionprocess [D]. Chin J Chem Eng, 2003,11(1): 1~8(編輯:劉敏)Strategy of grade switch- over in polyolefin productionHan Guodong', Wang Ping', Wang Jingdai, Yang Yongrong2(1. Tianjin Subcompany, China Petroleum & Chemical Co, Lud, Tianjin, 300271;2. Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University, hejiang Hangzhou, 310027)AbstractThe grade switch-over in polyolefin production process often caused a great influence on production costand production strategy. This paper reviewed the latest studies中國煤化工atiated upon thegoal and tactics of grade switch- -over. The objective function aYHC N M H Gre were adoptedin the discussion on computation method for optimization of operating variables trajectories in the gradeswitch- over process, aimed at the studies on the optimization in the grade switch -over process. The problems第3期鉻系聚乙烯通過(guò)出口危險貨物運輸包裝品鑒定.79.2006年3月,中國石油獨山子石化公司生產(chǎn)性能研究，調整了工藝參數，提高了產(chǎn)品的低溫的鉻系聚乙烯(PE)取得國家出入境檢驗檢疫局危.剛-韌均衡性和耐環(huán)境應力開(kāi)裂性等指標。使用該險品包裝中心出具的“I類(lèi)出口危險貨物運輸包樹(shù)脂生產(chǎn)的大中 空容器制品在力學(xué)強度、耐環(huán)境裝類(lèi)產(chǎn)品原料質(zhì)量鑒定證書(shū)”,可用于II類(lèi)出口危應力開(kāi)裂性能及運輸安全性、穩定性等方面均符險貨物運輸包裝制品的生產(chǎn)。該公司與研究單位合危險液體物品盛裝要求。合作對該PE樹(shù)脂分子鏈晶微觀(guān)結構剖析及產(chǎn)品(中國石油獨山子石化公司研究院陳莉薇)量符號說(shuō)明正確使用法定量及其單位是對科技期刊標準化規范化的要求。本刊采用標準、規范的量符號。這里列出常用的幾種。文字表述量符號物質(zhì)的量n(0)=1表示O2的物質(zhì)的量為1n(0_)/n(H)=2:1 表示O2與H2的物質(zhì)的量比為2:1質(zhì)量m(H)/m(O)=2:1表示H2與02的質(zhì)量比為2:1體積o(H)/0(O3)=2:1 表示H2與O2的體積比為2:1摩爾分數x域yO2的摩爾分數為80%可表示為x(O2)=80%或y(O2)=80%質(zhì)量分數02的質(zhì)量分數為80%可表示為w(O)=80%體積分數O2的體積分數為80%可表示為中(O2)=80%(rom page 42)The factors influencing transparency of PVC profile for packingLi Wenyi(Resin Research Institute, Qilu Petrochemical Co., Ld, SINOPEC, Shandong Zibo, 255400)AbstractAimed at resolving the problems of the existence of "fish eye" in the transparent polyvinyl chloride(PVC) profile for packing and the deterioration in its transparency，this paper analyzed the rheologicalbehaviour, relative molecular mass and thermal stability of PVC, grade SG 8, as welll as the gel content inthe corresponding batches of the PVC profile for packing. The results show that different batches of PVCSG 8 differ in their relative molecular mass and its distribution and vary obviously in their rheologicalbehaviour. The gel content of grade 07 is higher than that of grade 22 by 10%-17%. Therefore, thedivergency in relative molecular mass of the products are deemed as the major reasons for the fluctuationin the transparency of PVC sG 8.Key Words: polyvinyl chloride; profile; transparency中國煤化工.FYHCNMHGto be resolved in the present studies on the grade switch-over were stressed finally.Key Words: polyolefin; grade transition; quality modeling; objctive function