聚烯烃生产中牌号切换策略研究

综述合成树脂及塑料，2006，23(3): 75CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS聚烯烃生产中牌号切换策略研究韩国栋1E平2王靖岱2°阳永荣2(1.中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津, 300271; 2. 浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州, 310027)摘要:聚烯烃生产过程中的牌号切换问题对生产成本和生产策略有很大影响。综述了牌号切换的研究进展,阐述了牌号切换的目标和策略。针对切换策略求取中的操作变量轨迹寻优,分为目标函数法和软件模拟法两种不同方法讨论了切换过程中操作变量优化轨迹的求取过程.最后总结了牌号切换研究中存在的问题。关键词:聚烯烃牌号切换质量模型目标函数中圈分类号: TQ 018; TQ 315文献标识码: A文章编号: 1002-1396(2006)03- 0075- _05聚烯烃类产品广泛用于工业、农业、国防及短和过渡料最少,以此为标准,寻找在切换过程中日用品等领域。随着人们消费水平的提高和消费操作变量及产品性能指标变化的优化轨迹;(3)切领域的扩展，对聚烯烃产品的需求量越来越大,换操作过程中的控制。在切换目标和变量轨迹确对产品质量和种类的要求越来越高。在生产过程定后,通过在线或离线检测,指导切换过程顺利进中，厂家通常利用-一套装置生产多个牌号的产行,保证切换过程的安全性和稳定性。品,这需要牌号的切换。在牌号间切换的过程中会造成原料的损失、正常生产时间的减少、大量2轨迹预测研 究方法过渡料的产生,人力、物力资源的浪费等。因此，牌号切换过程中，首先应明确切换的初始牌牌号切换的研究很早就引起国内外学者的注意。号和目标牌号。然后根据两者性质生产方式的特点选择切换策略。当切换策略选定后,最终需要确1牌号切换研究定各操作参数的变化轨迹(即切换的具体操作方牌号切换过程中主要伴随着2个问题:切换法)。目前主要采用目标函数法和软件模拟法确定时间和切换废料(即过渡料)。目前,多数厂家的牌操作参数的变化轨迹。号切换一般靠生产经验来完成。切换时间有时长2.1 目标函数法达几十个小时,过程中产生大量过渡料。这些过渡目标函数法利用动态最优控制的极小值原料-部分低价出售,另一部分在质量允许的范围理，综合考虑聚合物的质量指标和生产过程的操内掺入到合格的产品中去,既浪费原材料,又使产作参数建立优化函数,根据具体工况对其约束,通品质量下降,使得厂家的生产策略受到限制。过求解目标函数，得到切换过程中产品性能指标Mcauley等P指出,产品牌号切换轨迹优化的和生产操作参数变化的最优轨迹。目标是在安全操作的前提下取得最佳经济效益。Mcauley等凹研究了Unipol流化床反应器生具体而言,最理想的牌号切换目标是:(1)到达目产聚乙烯(PE)过程的牌号切换。首先建立了流化标牌号的时间最短,或过渡料量最少;(2)保证切床聚合过程中产品质量预测模型，然后通过增加换过程中的安全操作;(3)产品切换终了时,反应.控制参数,逐步建立切换过程的优化目标函数,通器的操作参数稳定;(4)切换操作不应对切换前反应器内的合格树脂产品造成不良影响。收稿日期: 2005 -12- -20;修回日期: 2006 -02 -10。牌号切换的研究主要包括:(1)产品质量模型中国煤化工90年毕业于天津理工的建立，。牌号切换是- - 个实时控制的过程,需要对!从事气相法聚乙媚工产品性能指标监控和预测，以此决定操作变量的MHC N M H G2)63801510; E-mail:变化趋势;(2)操作变量变化轨迹的预测。牌号切du2002@163.com。换研究的主要目标是实现切换过程所用的时间最*通讯联系人。 E-mail: wangjd@zju.edu.cn.。76.合成树脂及塑料2006年第23卷过对函数的求解得到操作变量及产品物性的最优轨迹。建立的目标函数()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分别为产品的熔体流动速率和密度;T,o分别为反应器中温度和放空流率;下标c,一瞬时值i,sp分别表示累积值、瞬时值和目标值;ho,t为切-...累积值|换开始和结束的时间;wy,v,w3,us,us,W,为权值,反映各变量对产品性质的影响程度。50 80 100Mcauley等认为切换操作过中仅凭MFR。和ρ。不足以表征聚合物的性能,必须引人MFR,和p-瞬时值A .. 累积值进行综合表征。此外,还考虑了T,o的影响,在维持催化剂活性同时防止聚合物颗粒黏结，并且确sb B保流化床正常流化和混合。将目标函数应用于3) 80 100个PE牌号间的切换，可得操作变量和聚合物性-进料量n 1.质参数的最优轨迹(见图1)。在优化计算结果的....浓度基础上,提出切换过程中通过“过调”操作变量可减少切换时间,减少过渡料。王靖岱等2在Mcauley等的基础上进-一步研20406究了乙烯流化床体系的牌号切换，认为在牌号切进料量换过程中还应考虑产品相对分子质量分布(MWD)7 0.8的要求。牌号切换过程中即使聚合物的MFR和ρ .0.4在规定的范围内，其MWD仍有可能达不到稳态20406080100生产时的规格标准。因此,在目标函数中引人熔流时间比来表征MWD,用以更好地控制树脂性能;引人图1最优操作变量 和聚合物性质参数料位高度、催化剂流率来确保聚合的稳定。此外,Fig 1 The optimal operating variables and performanceindexes of the polymens在两牌号切换的基础上，提出了多牌号切换最优调度策略问:在已知起始牌号的条件下,根据各牌可粗略控制聚合物的MWD,后续工段包括分离、号间两两切换时J值大小安排切换顺序,先切换J干燥 、造粒等,其中造粒过程中要加人稳定剂,对值小的牌:号,再切换J值大的牌号。产品性能影响很大。因此,在牌号切换过程中,浆Heui等5研究了淤浆法生产PE中的牌号切液的性能和造粒产品的性能都应满足要求。切换换，认为PE性能参数由反应工段和后续工段共模型的建立应同时包含浆液和造粒两方面，其目同决定。反应釜中浆液仅是中间产品,其MFR只标函数如下:1="(- MRG )P( MPRS )=m( MIR. }+uw( pu}](2)式中,MFR.,MFR2,MFRpe分别为2个反应釜及.合物的性质，且直接将时间作为参数引人目标函造粒机中聚合物的MFR.,Ppnae为造粒机中聚合物数中。为使该目标函数既可处理合格产品的稳态的密度，下标tg表示目标牌号的性能指标。通过生本生产,将权值w;将目标函数应用于两牌号的切换中，可得到产品设为可fYH中国煤化工值上下限范围.性能指标的变化轨迹。内时对CN M H G应另-套权值。Makoto等网研究了双峰PE生产过程中的牌Makoto等认为，目标函数中的MWD值会对数均号切换。目标函数中同时包含了2个反应器中聚分子量的变化起“延迟”作用,对于那些MWD很第3期韩国栋等.聚烯烃生产中牌号切换策略研究.77.重要的切换过程,应将其包含在目标函数中。0.040 |如前所述,牌号切换过程中涉及的参数多,变0.036牌号B量变化范围相差较大,切换策略多。用目标函数法0.032计算参数的优化轨迹通常只能针对有限个参数、。0.0280.024单一的切换策略，并且权值中包含较多不准确因i 固定控制结构可变控制结构0.020素。针对这些缺点,一些学者使用特殊软件模拟牌0.016号切换过程,通过比较各种切换策略，找出性质参.012二数和操作变量的最优轨迹。100200300400500600700 8002.2 软件模拟法时间/minDebling等凹利用模拟动态模型的Polyred软图2不同控制方式下MFR变化件,在切换时间尽可能短、过渡料尽可能少的原则Fig 2 Variation in melt flow rate under different control mode下,对聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)和乙丙共不同类型PE产品之间牌号切换过程的控制。针对聚物等多种聚烯烃产品的气相聚合、淤浆聚合、本初始牌号和目标牌号的性质相差较大、生产条件体聚合和溶液聚合的牌号切换进行了模拟，并指不同、气相组成也有较大差异等情况,采用半连续出对于流化床而言，放空和提前放料能使聚合物切换。如果采用连续切换则切换过程中温度变化的p和数均分子量很快达到稳态。较大,严重时可超过产品的熔点,在切换过程中通Neeraj等同用Polymers Plus化工模拟软件对过控制催化剂进料率及换热器中冷却水流率避免淤浆法乙烯聚合过程进行了模拟。首先按照分段温度的剧烈波动。此外,由于两牌号性质相差较大,逼近的方法建立了聚合物性质的稳态模型，预测连续切换达到目标牌号性质要求所需时间很长,聚合物的性能指标;然后利用AspenDynamics建若在切换初期放空，改变反应器中气相组成，可立聚合过程动态模型，对生产过程中的操作参数使反应器中生产条件尽快达到目标牌号的要求。进行预测。认为淤浆法乙烯聚合过程为气、液、固Darrin等叫应用模型预测控制方法研究双环三相反应,但固相可视为惰性且不参与相平衡。因管反应器生产PP工艺的牌号切换。结果表明,第此模拟时假设固相全部溶解于溶剂中，将模型简.-一个环管的操作参数很大程度上依赖于第二个环化为气液两相反应。管。在切换过程中尽可能保持第二个环管的操作采用软件模拟牌号切换过程，可增加参数,使.条件和产率的稳定，可以减少过渡料和切换时间。切换策略更灵活，但同时也带来了计算结果滞后Hiroya等凹模拟PP半连续反应器和HDPE淤浆问题。工厂中的监控具有时效性,受到计算条件的反应器的生产控制过程。设计的控制系统有两层制约,当参数太多时,计算量和计算时间也增加,运算法则，第一层使用连续非线性- -阶模型对产因此所得计算结果的滞后使其不能很好地指导生品性能指标监控;第二层规定了控制过程的边界产。针对这--问题,-方面需要合理选择参数种类问题。Morimasa 等3针对淤浆法HDPE生产工艺和个数，另一方面需要改良切换过程中的操作控建立了MFR在线控制系统,稳态生产过程采用串制,有效弥补滞后的缺点。级控制,切换过程采用前馈控制模块控制。WangYang等网也针对淤浆乙烯聚合过程将离线优化3牌号切换过程中的操作控制和非线性模型预测控制相结合，共同完成牌号切Chatzidoukas等P研究了气相流化床反应器的换过程的优化控制。提出在已知切换顺序的前提.牌号切换过程,将优化计算与切换控制结合,引人下,应通过即时检测出料速度控制进料速度。混合整数动态优化方法，在Mcauley等提出的目标函数基础上加入操作控制向量等影响因素,在4结语优化过程中，生产不同牌号的控制方法有所不同弋量不断增大,牌而应分别予以考虑。从图2可以看出,使用可变控号切fYH中国煤化工: 随着计算机软件制结构时,产品MFR达到目标值所消耗的时间小的发CNMH G城也更寬,但是于使用固定控制结构时所消耗的时间。仍有如下问题尚未解决:Rahimpour等10针对工业流化床体系,研究了a)基于反应机理的聚合物质量预测模型的建合成树脂及塑料2006年第23卷立还不够完善。由于聚合过程的复杂性及多样性,4王靖岱，陈纪忠，阳永荣.连续聚合过程中多牌号产品过渡使现有研究中使用的质量模型多为根据现场生产的生产调度最优化[].高校化学工程学报，2003, 17(1);80-85数据回归所得的半经验模型。这种模型的使用范5 Heui Seok Yi, Jeong Hwan Kim ,Chonghun Han. Plantwide围较窄,当操作条件、产品性质变化较大时,模型optimal grade transition for an industil hig- density polyethylene预测的误差通常较大。plant [I. Ind Eng Chem Res, 2003, 42(1): 91-98b)现有研究成果多为对切换过程中产品的; Makoto Takeda, Ray W H. Optimal-grade transition strategiesMFR,ρ等性能变化轨迹的预测,对于产品分子层for multisage polyolefin recor [J]. AIChE Joumal, 1999, 45(8):次上的研究(如分子结构、MWD等)还很不完善。1 776-1 793c)现有研究多停留在单- -催化剂条件下的牌7 Debling J A.Han G C,Ray W H. Dynamic modeling of productgrade transitions for olefin polymerization processes [] AIChE号切换，对于多种催化剂以及多催化活性中心条:Jourmal , 1994, 40(3): 506-520件下的牌号切换研究还很不够。8 Neeraj P Khare, Kevin C Seavey, Liu Y A. Steady- -state andd)目前,研究原料预处理过程对产品性能的dynanie modeling of conmercial slury high-density polyethylene影响以及后续工段内产品性能的变化较少。(HDPE) processes [J]. Ind Eng Chem Res, 2002, 41(23); 5601~5 618e)为实现更加合理的优化控制,必须将质量9 Chatzidoukas C, Perkins J D, Pistikopoulos E N. Optimal预测、轨迹寻优及切换过程控制相结合整体优化,grade transition and selection of closed-loop contollers in a而现有的研究多数是针对其中某个方面进行的。gas-phase olefin polymerization fluidized bed reactor [小]f)在线实时优化技术的应用还不够,现有控Chemical Engineering Science, 2003, 58: 3643~3 658制技术的滞后性很大，虽然通过反馈控制等手段10 Rahimpour M R, Fathikalajahi J, Moghtaderi B. A grade transition进行弥补,但仍不能从根本上解决问题。strategy for prevention of melting and agglomeration of particlesin an ethylene polymerization []. Chem Eng Technol, 2005,g)切换过程中操作条件变化剧烈，噪声干扰287); 831-841较为严重,因此测量反馈结果的准确性受到影响,11 Darrin Feather, Douglas Harell, Richard Lieberman. Hybrid相应的校正方法还很不完善。apprach to polymner grade transition control [J]. AIChE Joumal,2004, 50(10): 2 502~2 513参考文献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，陈纪忠，阳永荣.迭代动态规划在树脂牌号切换最inferential control of an industrial high density polyethylene优化模型中的应用[]高校化学工程学报，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(编辑:刘敏)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中国煤化工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期铬系聚乙烯通过出口危险货物运输包装品鉴定.79.2006年3月,中国石油独山子石化公司生产性能研究，调整了工艺参数，提高了产品的低溫的铬系聚乙烯(PE)取得国家出入境检验检疫局危.刚-韧均衡性和耐环境应力开裂性等指标。使用该险品包装中心出具的“I类出口危险货物运输包树脂生产的大中 空容器制品在力学强度、耐环境装类产品原料质量鉴定证书”,可用于II类出口危应力开裂性能及运输安全性、稳定性等方面均符险货物运输包装制品的生产。该公司与研究单位合危险液体物品盛装要求。合作对该PE树脂分子链晶微观结构剖析及产品(中国石油独山子石化公司研究院陈莉薇)量符号说明正确使用法定量及其单位是对科技期刊标准化规范化的要求。本刊采用标准、规范的量符号。这里列出常用的几种。文字表述量符号物质的量n(0)=1表示O2的物质的量为1n(0_)/n(H)=2:1 表示O2与H2的物质的量比为2:1质量m(H)/m(O)=2:1表示H2与02的质量比为2:1体积o(H)/0(O3)=2:1 表示H2与O2的体积比为2:1摩尔分数x域yO2的摩尔分数为80%可表示为x(O2)=80%或y(O2)=80%质量分数02的质量分数为80%可表示为w(O)=80%体积分数O2的体积分数为80%可表示为中(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中国煤化工.FYHCNMHGto be resolved in the present studies on the grade switch-over were stressed finally.Key Words: polyolefin; grade transition; quality modeling; objctive function