專利名稱：一體化的化工工藝控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工制備方法控制。更具體而言，本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)器和相關(guān)系統(tǒng)的一體化控制，以同時控制制備過程化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)外的速率控制步驟。
背景技術(shù)：
典型地，化學(xué)反應(yīng)器在催化劑系統(tǒng)和其他材料存在時將一種或幾種原料進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生寬范圍的化學(xué)產(chǎn)品。反應(yīng)器典型地在液相或氣相情況下操作，操作條件如溫度、壓力和催化劑濃度，以使反應(yīng)器產(chǎn)品的數(shù)量或性能最佳化。
一些反應(yīng)器系統(tǒng)通過控制重要操作條件的指標(biāo)加以控制。當(dāng)操作者發(fā)現(xiàn)不希望的變化趨勢或偏離時，可以進(jìn)行干預(yù)，改變一個或幾個可控參數(shù)，使反應(yīng)器系統(tǒng)回到期望的操作狀況。不幸的是，這種初級的控制系統(tǒng)典型地對最近化工廠采用的復(fù)雜連續(xù)過程反應(yīng)器不實用。即使可以使用這種初級控制方法，反應(yīng)器操作者的反應(yīng)也是主觀的，可能太大，可能太小或者最壞的情況下可能不正確。
為此，現(xiàn)代化工廠典型采用以計算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，它能快速而精確地連續(xù)控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)器參數(shù)。這種現(xiàn)代控制系統(tǒng)可以用類似汽車行駛控制系統(tǒng)的方式運轉(zhuǎn)，它能使反應(yīng)器在沒有操作者干預(yù)的情況下保持最佳運行狀態(tài)，操作者可以向控制系統(tǒng)指示期望改變運行狀態(tài)，但不必為達(dá)到期望的最終狀態(tài)來指示系統(tǒng)改變。
現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)器控制系統(tǒng)的一個例子是集散控制系統(tǒng)或“DCS”，它用于控制化學(xué)反應(yīng)器，例如氣相制備聚烯烴如聚丙烯的反應(yīng)器。DCS連續(xù)地控制關(guān)鍵的反應(yīng)器參數(shù)，采用許多現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制回路，以改變操作條件如催化劑流速、丙烯單體流速和氫氣流速。DCS在聚丙烯生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠確保產(chǎn)生大量高質(zhì)量的聚丙烯。但是，現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制回路固有的局限性及其相關(guān)的控制邏輯使其在反應(yīng)器控制方面存在改進(jìn)的空間。
為了進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)代聚烯烴反應(yīng)器的性能，工廠的工程師們已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的工藝控制系統(tǒng)或“APC’s”，以使反應(yīng)器系統(tǒng)的控制最佳化。APC’s采用模擬技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、偏最小二乘法、主成分回歸分析法或第一原則模型的工藝水平來推斷反應(yīng)器狀態(tài)變量的快速變化，然后將預(yù)測的控制信號提供給DCS現(xiàn)場控制回路，以維持反應(yīng)器處于最佳狀態(tài)。和控制僅僅基于在DCS趨勢及其形成的現(xiàn)場回路控制變化中發(fā)現(xiàn)的偏離比較，由于APC’s能夠預(yù)測反應(yīng)器狀態(tài)變量的變化，因此能保持反應(yīng)器操作狀態(tài)更接近最佳。
盡管該先進(jìn)控制技術(shù)的工藝水平還有效，但現(xiàn)代化工廠不能生產(chǎn)出理論上質(zhì)和量都最佳的產(chǎn)品。這就需要一種提高上述化工廠效能的方法，這種方法不是上述先進(jìn)反應(yīng)器工藝控制系統(tǒng)能實現(xiàn)的。
發(fā)明概述令人驚奇的是，我們發(fā)現(xiàn)即使反應(yīng)器控制方法的工藝水平得到較好利用，通過對工廠的先進(jìn)工藝控制系統(tǒng)的上游或下游設(shè)備中某個速率控制步驟的一體化控制，化工廠的效能也還能夠有基本的提高。
具體而言，在本發(fā)明的一個實施方案中，我們公開一種控制化工制備方法的系統(tǒng)，它至少有一個化學(xué)反應(yīng)器，以及位于反應(yīng)器上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備。第一多變量預(yù)先優(yōu)化控制器優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)器的控制，第二多變量預(yù)先優(yōu)化控制器則依等級地在第一控制器和生產(chǎn)控制設(shè)備之上操作，以實現(xiàn)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備的一體化工藝控制。該實施方案的一個實施例是第二控制器同時優(yōu)化位于聚烯烴制備反應(yīng)器下游的擠出機(jī)的操作。優(yōu)選地，第三多變量預(yù)先優(yōu)化控制器依等級地在第二控制器之下操作以提高對生產(chǎn)控制設(shè)備如擠出機(jī)的控制。
正如本申請所用，術(shù)語“化學(xué)反應(yīng)器”指任何容器，化學(xué)原料在其中被轉(zhuǎn)化為各種不同的化學(xué)產(chǎn)物，不管催化劑或其他材料存在與否，也不管反應(yīng)是在液相、固相或氣相或其組合相中發(fā)生。
正如本申請所用，術(shù)語“多變量預(yù)先優(yōu)化控制器”指一種控制器，它基于線性或非線性的、多變量的、動力學(xué)(即時間變量)的表達(dá)式，這些表達(dá)式是對數(shù)值或函數(shù)矩陣的處理和計算，這些矩陣則將許多操作變量、任選為干擾變量與許多控制變量、任選為制約變量關(guān)聯(lián)起來，關(guān)聯(lián)的方法應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)較容易地預(yù)測將來某一時刻的變量狀態(tài)，并根據(jù)這種預(yù)測，能夠全部或部分地控制系統(tǒng)。
正如本申請所用，術(shù)語“生產(chǎn)控制要素”指由反應(yīng)器的多變量預(yù)先優(yōu)化控制器或控制器組控制的位于反應(yīng)器系統(tǒng)上游或下游的任何設(shè)備或條件，其中控制器控制化工制備方法產(chǎn)生產(chǎn)品的質(zhì)或量的能力?！吧a(chǎn)控制設(shè)備”指由反應(yīng)器的多變量預(yù)先優(yōu)化控制器或控制器組控制的位于反應(yīng)器系統(tǒng)上游或下游的任何機(jī)械設(shè)備如擠出機(jī)或熱交換器，其中控制器控制化工制備方法產(chǎn)生產(chǎn)品的質(zhì)或量的能力。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，化工制備方法包括至少一個化學(xué)反應(yīng)器、位于反應(yīng)器上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備、優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器的第一非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器以及依等級地在第一控制器和生產(chǎn)控制設(shè)備之上操作的第二非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制，以實現(xiàn)對反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備的一體化工藝控制。
優(yōu)選地，工藝也包括第三多變量預(yù)先優(yōu)化控制器，它依等級地在第二控制器之下操作以優(yōu)化控制生產(chǎn)控制設(shè)備。
在這些發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，化學(xué)反應(yīng)器是聚烯烴反應(yīng)器。正如這里所用，“聚烯烴反應(yīng)器”是一種化學(xué)反應(yīng)器，其中至少50wt.％的反應(yīng)器原料為丙烯、乙烯或其混合物，丙烯和/或乙烯在催化劑存在下在其中反應(yīng)，產(chǎn)生包含聚丙烯、聚乙烯或聚丙烯/聚乙烯共聚體的聚烯烴。這類聚烯烴也包括一種或多種含四個或更多碳原子的α-烯烴。優(yōu)選地，聚烯烴反應(yīng)器使用的催化劑選自Ziegler-Natta催化劑、后過渡金屬催化劑以及茂金屬催化劑。
本發(fā)明的另一個實施方案是一種控制至少部分在氣相中發(fā)生的化工制備方法的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個化學(xué)反應(yīng)器和位于反應(yīng)器下游的生產(chǎn)控制設(shè)備，還包括優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器的第一多變量預(yù)先優(yōu)化控制器以及控制與反應(yīng)器運轉(zhuǎn)相關(guān)的氣體組成的第二多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。該系統(tǒng)也包括依等級地在第一控制器、第二控制器和生產(chǎn)控制設(shè)備之上操作的第三多變量預(yù)先優(yōu)化控制器，以實現(xiàn)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備的一體化控制。該系統(tǒng)對于聚烯烴的制備尤其有用，特別是含丙烯的聚合物，能和一個或多個橫向攪拌的亞流化床氣相反應(yīng)器一起被有效地使用。
在一些實施方案中，優(yōu)選使用非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。
正如本申請所用，術(shù)語“非線性”在用于描述控制器時指一種控制器，它能夠通過將結(jié)果近似為非線性關(guān)系，直接或者典型為間接地優(yōu)化非線性關(guān)系，例如用多元方程對具體的變量數(shù)值范圍進(jìn)行非線性關(guān)系模擬。
當(dāng)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備“緊密連接”時，本發(fā)明系統(tǒng)和工藝尤其有用，因為反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備之間緊密連接使得反應(yīng)器或生產(chǎn)控制設(shè)備的控制更直接影響與其緊密連接的其它設(shè)備(即生產(chǎn)控制設(shè)備或反應(yīng)器)的運行。正如這里所用，如果反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備之間系統(tǒng)的過負(fù)荷能力小于系統(tǒng)額定產(chǎn)率的三倍，則系統(tǒng)為“緊密連接”。例如，如果生產(chǎn)控制設(shè)備位于反應(yīng)器下游，系統(tǒng)在額定穩(wěn)態(tài)產(chǎn)率為100單元/h下運轉(zhuǎn)，則緊密連接系統(tǒng)中反應(yīng)器出口和生產(chǎn)控制設(shè)備入口之間的過負(fù)荷能力小于300單元。按此關(guān)系，“過負(fù)荷能力”指在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時化工制備系統(tǒng)中反應(yīng)器出口和生產(chǎn)控制設(shè)備入口之間所允許的物料低儲存量和高儲存量之間的差值。同樣地，如果生產(chǎn)控制設(shè)備位于化學(xué)反應(yīng)器上游，而系統(tǒng)在額定穩(wěn)態(tài)產(chǎn)率為100單元/h下運轉(zhuǎn)，則緊密連接系統(tǒng)中生產(chǎn)控制設(shè)備出口和反應(yīng)器入口之間的過負(fù)荷能力小于300單元。
在本發(fā)明另一個實施方案中，本發(fā)明用單個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器來實現(xiàn)優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備。控制器同時考慮單個M×N矩陣中所有變量之間的關(guān)系，其中矩陣中M行是操縱和擾動變量，矩陣中N列為控制和約束變量。雖然該實施方案在計算上更復(fù)雜，但本發(fā)明采用足夠的計算能力解決更復(fù)雜系統(tǒng)的方式來得以實現(xiàn)。該實施方案證實了一些本申請的優(yōu)勢，因為它允許建立的模型可以觀察所有控制和約束變量與操縱和擾動變量之間的關(guān)系，當(dāng)用針對制備系統(tǒng)特殊方面的較小分離控制器建立初級模型時可能揭示出未被考慮的關(guān)系。正如其它實施方案一樣，該實施方案優(yōu)選使用非線性控制器，和聚烯烴反應(yīng)器一起使用更有利，其中擠出機(jī)為下游的生產(chǎn)控制設(shè)備。
附圖簡述

圖1顯示制備聚丙烯的橫向攪拌式次流化床反應(yīng)器以及相關(guān)設(shè)備。
圖2為聚丙烯高抗沖共聚體制備系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)使用兩個圖1描述的反應(yīng)器，采用先進(jìn)工藝控制技術(shù)優(yōu)化共聚體產(chǎn)品。
圖3a和3b闡明與圖2系統(tǒng)的第一氣體組成控制器一起使用的非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器所模擬和選用的變量關(guān)系。
圖4表示為改進(jìn)共聚體產(chǎn)品而按本發(fā)明改造后的圖2系統(tǒng)的示意圖。
發(fā)明詳述下面結(jié)合聚丙烯和聚乙烯的擠出式高抗沖共聚體的制備來描述本申請人的發(fā)明。事實上，本申請人的發(fā)明在任何化工制備情況下都可使用，通過應(yīng)用包含在本申請中的教導(dǎo)很容易適合于其他的應(yīng)用。
圖1說明一種橫向機(jī)械攪拌式次流化床反應(yīng)器系統(tǒng)10，其中包括用于制備聚丙烯的某些關(guān)鍵的相關(guān)設(shè)備。
單體原料的聚合在橫向圓柱體反應(yīng)器12中進(jìn)行。催化劑、助催化劑和改性劑以連續(xù)可變的速率經(jīng)進(jìn)料管線16和18分別進(jìn)入容器12的入口端14。
在穩(wěn)態(tài)操作時，聚合起初在位于容器12上方的蒸汽域20中發(fā)生，隨著顆粒的增大和下落，聚合繼續(xù)在容器12下方的粒子床22中進(jìn)行。攪拌器24位于容器12的縱軸A方向。攪拌器24的攪拌槳26在攪拌器24旋轉(zhuǎn)時攪動粒子床22，由此促進(jìn)粒子床22中物料的混合及朝容器12的出口端28活塞式流動。
來自氣液分離器42的單體和冷凝液體一同被稱為“冷卻液”，通過垂直位于容器12頂部蒸汽域20中的驟冷噴嘴30被加進(jìn)容器12的蒸汽域20。經(jīng)驟冷噴嘴30加入的液體使粒子床22上表面的熱顆粒冷卻，然后攪拌槳26將這些冷卻顆粒以及任何殘留的液態(tài)單體趕進(jìn)粒子床22，繼續(xù)進(jìn)行放熱聚合反應(yīng)并進(jìn)一步冷卻粒子床22。液體進(jìn)入容器12的流速可以通過容器12中的驟冷控制閥31局部控制。
循環(huán)反應(yīng)蒸汽可通過壓縮機(jī)32經(jīng)氣體入口34進(jìn)入粒子床22的下部。通過在壓縮機(jī)32的入口或出口附近加入氫氣，也可經(jīng)氣體入口34將氫氣引入粒子床22的下部。
聚合產(chǎn)品通過一個或多個放料閥35經(jīng)容器12的放料端28轉(zhuǎn)移。放出的產(chǎn)品經(jīng)過固氣分離器36(也叫“袋濾器”)后，排出的固體產(chǎn)品輸送到清洗塔(圖2)，而分離出的氣體去尾氣壓縮機(jī)46，冷凝前壓縮后補充進(jìn)容器12。
反應(yīng)器尾氣冷凝器44將直接來自反應(yīng)器蒸汽域20的蒸汽冷凝，也冷凝在尾氣壓縮機(jī)46中被壓縮后經(jīng)固氣分離器36而來的尾氣。蒸汽和液體進(jìn)入容器12由氣液分離器42來完成。通過泵38進(jìn)入容器12的液體是冷凝液和經(jīng)過單體補充管線40補充的新鮮單體的合并。
在額定操作條件下，上述反應(yīng)器系統(tǒng)的操作壓力約為1400-2800kPa(200-400psig)，溫度約為50-90℃(122-194°F)。粒子聚合物床的體積典型約為容器12體積的約40-80％。
反應(yīng)器系統(tǒng)10典型用于生產(chǎn)均聚丙烯或丙烯與其它α烯烴如乙烯的無規(guī)共聚體。控制這種反應(yīng)器系統(tǒng)包括操縱上述設(shè)備以改變反應(yīng)器條件，既使產(chǎn)率最大又使產(chǎn)品質(zhì)量最佳。
控制如上所述反應(yīng)器系統(tǒng)典型地需要操縱的因素有a)催化劑流速，以控制產(chǎn)率；b)氫氣濃度，以控制產(chǎn)品分子量或其熔體的流速；c)共聚用單體的進(jìn)料和濃度(制備無規(guī)共聚體時)，以控制產(chǎn)品性質(zhì)；d)助催化劑與催化劑之比；e)催化劑系統(tǒng)使用助催化劑如三烷基鋁和給電子體時的助催化劑與給電子體之比；
f)決定合適的原料和循環(huán)物料補充量的各種氣體濃度及比率，以維持反應(yīng)器中期望的濃度。
圖2為制備聚丙烯的均聚體、無規(guī)共聚體和高抗沖共聚體的多級反應(yīng)器系統(tǒng)100的簡化示意圖。圖中包括主要的工藝組成，闡明了系統(tǒng)采用的先進(jìn)工藝控制器的構(gòu)造。具體而言，系統(tǒng)使用兩個圖1描述的反應(yīng)器，采用先進(jìn)的工藝控制技術(shù)優(yōu)化共聚體產(chǎn)品。系統(tǒng)100采用四個非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器，以使產(chǎn)率最大及希望產(chǎn)品的質(zhì)量最佳，并縮短產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)化時間。
系統(tǒng)100的機(jī)械設(shè)備包括第一反應(yīng)器102、第二反應(yīng)器104、從第一反應(yīng)器102到第二反應(yīng)器104輸送聚丙烯粉末的粉末傳送系統(tǒng)105或“吹揚器”、第一反應(yīng)器的氣液分離器106、第二反應(yīng)器的氣液分離器108、對反應(yīng)器104產(chǎn)生的高抗沖共聚體粉末里的殘留烴進(jìn)行脫氣的清洗塔110以及將脫氣粉末轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)換工業(yè)典型使用的小球的擠出機(jī)112。
反應(yīng)器102和104都以圖1的系統(tǒng)10所詳細(xì)描述的方式運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)10與系統(tǒng)100之間主要的機(jī)械差別是系統(tǒng)100的反應(yīng)器102和104串聯(lián)運轉(zhuǎn)以生產(chǎn)均聚體、無規(guī)共聚體和高抗沖共聚體產(chǎn)品。這種橫向氣相反應(yīng)器的串聯(lián)運轉(zhuǎn)為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知，在我們的專利US 4,888,704和US 5,504,166中做了描述，這些公開內(nèi)容在此引入本申請作為參考。
由上可知，系統(tǒng)100也采用四個非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。
控制器114為反應(yīng)器102的第一氣體組成控制器，主要與控制加入反應(yīng)器102和通過它循環(huán)的氣體有關(guān)。
控制器116為第一反應(yīng)器控制器，主要與第一反應(yīng)器102的聚合物產(chǎn)品有關(guān)。
控制器118為第二氣體組成控制器，主要與控制加入反應(yīng)器104和通過它循環(huán)的氣體有關(guān)。
控制器120為第二反應(yīng)器控制器，主要與第二反應(yīng)器104的聚合物產(chǎn)品有關(guān)。圖2中，機(jī)械設(shè)備硬件102、104、106、108、110和112之間的實箭頭一般表示物料在系統(tǒng)中的流動方向，而進(jìn)出控制器114、116、118和120的虛箭頭一般表示進(jìn)出這些控制器的控制信號及其方向。
分別結(jié)合下面的表1、2、3及4，更容易描述控制器114、116、118和120的操作。表1至4列出了每個優(yōu)化器操縱的主要系統(tǒng)變量，以及最受操縱對應(yīng)系統(tǒng)變量直接影響的操作參數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，在本實施例和下面實施例提及的變量為生產(chǎn)高抗沖共聚體產(chǎn)品的變量。如果使用雙反應(yīng)器系統(tǒng)制備均聚體，則不需要與乙烯相關(guān)的變量。
表1—第一氣體組成控制器
第一氣體組成控制器114基于與時間相關(guān)的非線性模型，它通過具有代表性的運轉(zhuǎn)周期內(nèi)數(shù)據(jù)的積累而建立。熟悉下面將討論的控制化學(xué)工藝的工藝控制工程師對此模型進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。
首先，通過模擬軟件建立相關(guān)工藝變量和無關(guān)工藝變量之間的關(guān)系。雖然收集足夠數(shù)據(jù)以建立一個充分的工藝模型所需要的時間周期長短不一，但對于如系統(tǒng)100的共聚體設(shè)備，六個月左右的操作周期將足夠獲得在寬范圍的操作條件和產(chǎn)品情況下極好的變量間的關(guān)聯(lián)。
為第一氣體組成控制器114建立的模型和工藝工程師為應(yīng)用對其進(jìn)行的后續(xù)修正示意于圖3。
圖3a為描述關(guān)系R1至R9的3×3矩陣，它關(guān)聯(lián)了氫氣流速、乙烯流速、氣體排放流速、尾氣中氫氣與丙烯之比、尾氣中乙烯與丙烯之比以及尾氣排放的丙烷濃度，它是為第一氣體組成控制器114建立的模型。這些關(guān)系是不固定的，經(jīng)常為非線性關(guān)系，它雖然描述了第一反應(yīng)器尾氣系統(tǒng)的模擬行為，但對反應(yīng)器控制可能適用也可能不適用。
一旦這些關(guān)系建立，工藝控制工程師就仔細(xì)檢查每個關(guān)系以考察其對工藝控制模型的影響。在工藝工程師認(rèn)為模型的響應(yīng)不穩(wěn)定、非線性特別突出或有其它不適合于穩(wěn)定工藝控制的地方，他就從模型中選去這些模擬關(guān)系，使矩陣的關(guān)系數(shù)目減少，這在工藝控制的模型中經(jīng)常用到。
圖3b代表用于第一尾氣控制器114的模型最終結(jié)構(gòu)。從圖3b可見，關(guān)系R2(氫氣流速與乙烯/丙烯之比的關(guān)系)、R3(氫氣流速與尾氣排放的丙烷的關(guān)系)、R4(乙烯流速與氫氣/丙烯之比的關(guān)系)和R6(乙烯流速與尾氣排放的丙烷的關(guān)系)被從模型中選去，要么因為其不需要的動作預(yù)期會引起控制響應(yīng)，要么因為其它原因被工藝控制工程師認(rèn)為不適合。
在工藝工程師評價模型期間，他也會為任何特殊變量或作為擾動變量的變量(影響控制變量熟知的變量，但被限制或阻止操縱模型中變量)在模型內(nèi)指定某些限制。選去某些工藝關(guān)系和指定工藝限制的技術(shù)為工藝控制領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知，在文獻(xiàn)中也能找到，例如“Process ControlStructures and Application”，Balchen，J.G.和Mumme，K.I.，1988以及“Application of Neural Networks to Modelingand Control”，Gomm，J.B.，Page，G.F.和Williams，D.，1993，這些公開的內(nèi)容在此引入作為參考。建立這些模型的程序能夠買到，有許多來源，例如位于Texas，Austin的Pavilion Technologies公司的PROCESSINSIGHTS和PROCESS PERFECTER程序，或者位于Massachusetts，Cambridge的Aspen Technologies公司的ASPEN IQ及DMC PLUS程序。要指出的是，在工程師分析給定控制器例如上述第一氣體組成控制器時，要列出擾動變量并在概念上看作操縱變量，而約束變量在概念上看作控制變量(即擾動變量列于圖3a左列，約束變量列于圖3a頂行)。為簡化起見，這些約束變量和擾動變量被省略。
表2、3和4列出用于第一反應(yīng)器控制器116、第二尾氣控制器118和第二反應(yīng)器控制器120的關(guān)系。這些控制器的初始模型用與第一尾氣控制器114相同的方法建立，然后由工藝控制工程師加以修正，如上所述。
表2—第一反應(yīng)器控制器
第一反應(yīng)器控制器的主要目的是使產(chǎn)率最大、質(zhì)量穩(wěn)定和過渡時間最短?？刂破鞅仨毧紤]的主要的控制器制約因素是反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)和反應(yīng)器驟冷系統(tǒng)的處理能力。
結(jié)合第一和第二反應(yīng)器控制器，應(yīng)當(dāng)指出，許多參數(shù)的數(shù)據(jù)并非直接可用或者需要根據(jù)模型中使用的其它可測參數(shù)進(jìn)行模擬。熔體流速、乙烯百分含量、可提取的己烷和可溶的萘烷值就屬于這種變量。這些參數(shù)可按化學(xué)和控制領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的要求進(jìn)行模擬。這些參數(shù)的模擬方法在上面提及的參考文獻(xiàn)中可以找到，也存在于專利US5,933,345和US 5,877,954中，這些公開的內(nèi)容在此引入作為參考。適于模擬這些參數(shù)的商業(yè)軟件包括Aspen Technologies公司的ASPEN IQ及DMC PLUS程序和Pavilion Technologies公司的PROCESSINSIGHTS和PROCESS PERFECTER程序。上述控制器應(yīng)用的其他信息可見于Morshedi的專利US 4,616,308和Prett的專利US 4,349,869中，其公開內(nèi)容在此全部引入作為參考。
表3—第二氣體組成控制器
應(yīng)當(dāng)指出，第二反應(yīng)器氣體組成控制器和第一反應(yīng)器氣體組成控制器基本一樣。
表4—第二反應(yīng)器控制器
不幸的是，我們相信，即使如上述公開的控制方案的技術(shù)水平，也不能使聚丙烯裝置的性能最佳。其原因是即使如此復(fù)雜的反應(yīng)器控制系統(tǒng)也不能將上游或下游工藝設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)都合并處理，如果合并處理，先進(jìn)的工藝控制器就會得到不同的結(jié)果。
在上述實施例中，我們相信，由于加入非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器來控制擠出機(jī)，以及依等級地用非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制來操作反應(yīng)器和氣體組成控制器及擠出機(jī)控制器，以使系統(tǒng)總產(chǎn)率最大化，聚丙烯裝置的生產(chǎn)能力得到提高。盡管不希望被任何特殊理論所限，但我們相信，擠出機(jī)112的現(xiàn)場控制會導(dǎo)致擠出機(jī)不必要的保守運行。在下述情況下確信尤其有關(guān)，例如，繁重的工作量會導(dǎo)致擠出機(jī)操作者做出保守的決定以避免擠出機(jī)出現(xiàn)任何冒進(jìn)的、無人看守的運行狀態(tài)，引起擠出機(jī)停轉(zhuǎn)或上游設(shè)備混亂，又導(dǎo)致反應(yīng)器102和104的關(guān)閉或損害性操作。
圖4說明系統(tǒng)200，其中添加了擠出機(jī)控制器和最重要的產(chǎn)品控制器以提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力。設(shè)備包括第一反應(yīng)器202、第二反應(yīng)器204、將粉末從第一反應(yīng)器202輸送到第二反應(yīng)器204的粉末傳送系統(tǒng)205或“吹揚器”、第一反應(yīng)器的固液分離器206、第二反應(yīng)器的固液分離器208、對反應(yīng)器204產(chǎn)生的高抗沖共聚體粉末里的殘留烴進(jìn)行脫氣的清洗塔210，其中在任何時間都含有預(yù)置上限和低限之間的固有粉末儲存量、以及將脫氣粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)聚合物線材，再切斷成變換工業(yè)典型使用的小球的擠出機(jī)212。
和系統(tǒng)100一樣，反應(yīng)器202和204都按結(jié)合圖1和2詳細(xì)描述的方式運轉(zhuǎn)。同樣在圖2中，機(jī)械設(shè)備硬件之間的實箭頭一般表示物料在系統(tǒng)中的流動方向，而進(jìn)出控制器的虛箭頭一般表示進(jìn)出這些控制器的控制信號及其方向。
系統(tǒng)200采用六個非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。
和系統(tǒng)100一樣，控制器214為反應(yīng)器202的第一氣體組成控制器，主要與控制加入反應(yīng)器202和通過它循環(huán)的氣體有關(guān)?？刂破?16為第一反應(yīng)器控制器，主要與第一反應(yīng)器202的聚合物產(chǎn)品有關(guān)?？刂破?18為第二氣體組成控制器，主要與控制加入反應(yīng)器204和通過它循環(huán)的氣體有關(guān)。控制器220為第二反應(yīng)器控制器，主要與第二反應(yīng)器204的聚合物產(chǎn)品有關(guān)。
和系統(tǒng)100不同，系統(tǒng)200包括第5控制器、主要與擠出機(jī)212的操作有關(guān)的擠出機(jī)控制器222以及第6控制器、與高水平的產(chǎn)品最佳化相關(guān)的產(chǎn)率控制器224。
控制器214、216、218和220的操作類似于系統(tǒng)100的控制器114、116、118和120的操作。
表5確定與擠出機(jī)控制器222相關(guān)的參數(shù)。
表5—擠出機(jī)控制器
和其它控制器一樣，相關(guān)的制約因素應(yīng)當(dāng)確定；因此，列于上表。應(yīng)當(dāng)指出，擠出機(jī)的過氧化物進(jìn)料用于控制擠出物料的流變性，正如本領(lǐng)域所熟知，在專利US 4,448,736中也有詳細(xì)討論，這些公開內(nèi)容在此引入作為參考。也應(yīng)當(dāng)指出，列出的擠出機(jī)變量是多種擠出機(jī)構(gòu)造的代表，其中一些變量與特殊的擠出機(jī)構(gòu)造會毫無關(guān)系。
表6確定與產(chǎn)率控制器224有關(guān)的參數(shù)。
表6—產(chǎn)率控制器
同樣，相關(guān)的制約因素應(yīng)當(dāng)確定；因此，列于上表。
在本發(fā)明的其它實施方案中，所有操縱變量、擾動變量、控制變量和約束變量之間的關(guān)系在單個M×N矩陣中確定，其中M是操縱變量和擾動變量的總數(shù)，N是控制變量和約束變量的總數(shù)。雖然同時考慮單個M×N矩陣中所有變量間的關(guān)系在計算時更為復(fù)雜，但本發(fā)明因采用足夠的計算能力解決復(fù)雜系統(tǒng)的方式而得以實現(xiàn)。
表1-6有助于想象剛才描述的這些關(guān)系的矩陣。當(dāng)一起考慮這些表格中的變量時可見，矩陣中M行為操作和擾動變量所定義，N列為控制變量和約束變量所定義。一旦優(yōu)化者發(fā)現(xiàn)M行與N列之間的必然關(guān)系，正如圖3a，控制工程師就選去那些不希望的關(guān)系，采用的方式與圖3a和3b所討論的相同，從而產(chǎn)生如圖3b似的數(shù)量減少的關(guān)系，除非明顯需要較大的范圍。
本發(fā)明中該實施方案的潛在優(yōu)勢在于已有實施例中無關(guān)聯(lián)的變量之間的關(guān)系在模型建立期間就被識別出來。工藝控制工程師能夠判斷任何一個這些附加的關(guān)系是否會改進(jìn)模型，如果需要就選擇它們。許多情況下，早先描述的較簡單的實施方案足以產(chǎn)生本發(fā)明的優(yōu)勢，但是，如果建立一個模型的計算來源包含所有變量之間的關(guān)系，那么在某些情況下，更復(fù)雜的模型就可能產(chǎn)生更好的控制效果。
包括對下游的生產(chǎn)控制設(shè)備如擠出機(jī)112進(jìn)行一體化控制的系統(tǒng)200在其反應(yīng)器與擠出機(jī)“緊密連接”時特別有利。
正如為控制領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所推崇，緊密連接系統(tǒng)對下游的干擾更敏感，更有可能從我們申請所描述的一體化先進(jìn)工藝控制系統(tǒng)的應(yīng)用中獲得好處。
我們相信，構(gòu)造與系統(tǒng)200中類似的擠出機(jī)222和產(chǎn)率控制器224的使用能引起平均產(chǎn)率的提高，和現(xiàn)有設(shè)計的相似系統(tǒng)如系統(tǒng)100比較，可從約1％提高到至少約5％，而系統(tǒng)100沒有對下游的生產(chǎn)控制設(shè)備如擠出機(jī)112進(jìn)行一體化的先進(jìn)工藝控制。而且，我們相信，從第一丙烯聚合物到另第一的過渡時間會得到基本減小，與不對反應(yīng)器系統(tǒng)及其外部的速率控制設(shè)備進(jìn)行一體化先進(jìn)工藝控制的制備系統(tǒng)比較，其過渡時間減小約10-約60％。
事實上，如上所述的先進(jìn)工藝控制技術(shù)可被任何化工制備方法應(yīng)用，特別是如果先進(jìn)工藝控制用于系統(tǒng)的反應(yīng)器或反應(yīng)器組以及如果至少有一個上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備。應(yīng)當(dāng)控制與反應(yīng)器系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)控制設(shè)備，以通過使用至少一個優(yōu)選為非線性的多變量預(yù)先優(yōu)化控制器對工藝中反應(yīng)器和速率控制設(shè)備進(jìn)行一體化控制，從而提高化工制備方法總產(chǎn)量和/或產(chǎn)品質(zhì)量。
依據(jù)本發(fā)明方便地進(jìn)行控制的其它速率控制設(shè)備包括高成本的設(shè)備如大型旋轉(zhuǎn)攪拌烘干機(jī)、連續(xù)離心機(jī)和裝置如包裝工藝線，其位置在化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)的上游或下游均可。
優(yōu)選地，配置的生產(chǎn)控制設(shè)備本身易受其自身在產(chǎn)品控制器下依等級運作的非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器運行的影響，或者如果采用上述單矩陣實施方案，易受非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制的影響。應(yīng)指出，雖然反應(yīng)器系統(tǒng)的多變量預(yù)先優(yōu)化為優(yōu)選，但我們的發(fā)明不要求。本發(fā)明者寧可只要求多變量預(yù)先優(yōu)化器獲取反應(yīng)器系統(tǒng)和生產(chǎn)控制設(shè)備的輸入信息以使二者的協(xié)作效果最佳。
雖然有許多對化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化非線性多變量預(yù)先控制的其它聚合物制備方法，并從應(yīng)用上述非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制器中受益，但其它可能的運用仍大量存在。
例如，采用本發(fā)明、在反應(yīng)器系統(tǒng)上游或下游連接擠出機(jī)或其它速率控制設(shè)備的其它聚烯烴制備方法包括使用任何一種不同的催化劑如Ziegler-Natta、茂金屬或后過渡金屬催化劑的“漿態(tài)床”、“填充床”和流化床聚合工藝。
在漿態(tài)床工藝中，和單體聚合不同，聚合在具有不同化學(xué)組成的烴液中進(jìn)行。溶劑的選擇可多樣化，如己烷和聚丙烯制備中使用的ISOPAR，并有一個或多個“干燥”步驟，其中使用的設(shè)備如閃蒸裝置以及分離固體、液體和未反應(yīng)單體的離心機(jī)。在這種系統(tǒng)中選擇操縱變量、擾動變量、控制變量和約束變量一般遵循前面實施例的方法，但由于工藝性質(zhì)做某些改變，對工藝控制領(lǐng)域的普通技術(shù)化學(xué)工程師而言是顯而易見的。例如，當(dāng)系統(tǒng)由許多平行反應(yīng)器組成時，氣液平衡就被用來估計液相的組成，這些計算結(jié)果可作為氣體控制器的控制變量(例如見Topliss的專利US 4,888,704)。在反應(yīng)器控制器中，約束控制變量基本一樣，但由于未采用聚丙烯驟冷進(jìn)行冷卻，因此操縱變量將被各個熱交換設(shè)備的冷卻水流速代替。反應(yīng)器中固體濃度將被添加為控制變量，來自己提及的干燥設(shè)備的能力是另外的約束控制變量。該設(shè)備中特別有用的約束控制變量為閃蒸分離器的閃蒸壓和離心機(jī)的馬達(dá)電流。擠出機(jī)和產(chǎn)品控制器的操縱變量基本與上面詳述的連接兩個反應(yīng)器的聚丙烯反應(yīng)器制備系統(tǒng)相同。
如果漿態(tài)床系統(tǒng)一定要用到許多串聯(lián)的反應(yīng)器，氣體控制器就可采用與局部氫氣濃度有關(guān)的控制和操縱變量，或者使用多級氣體控制器模擬反應(yīng)器系統(tǒng)上游和下游部分。
“填充床”聚合工藝中聚合物由單體溶液形成，可采用上述相同類型的變量。
最后，流化床烯烴聚合系統(tǒng)的運作方式更與上面詳述的雙反應(yīng)器聚丙烯系統(tǒng)相同，除了它需要另外建立與其操作如流化氣體流速、床層高度等相關(guān)的控制、操縱及約束控制變量以外。
在上述任何系統(tǒng)中有時期望使用溫度和壓力控制變量。
因此，化工制備領(lǐng)域的技術(shù)人員可知，即使將非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制的技術(shù)水平用于化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)，另外再加入依等級地在反應(yīng)器系統(tǒng)和其它生產(chǎn)控制設(shè)備之上操作的非線性多變量預(yù)先優(yōu)化控制仍能改進(jìn)制備方法的運行。因此本發(fā)明意欲僅為所述權(quán)利要求的范圍所限制。
權(quán)利要求
1.一種化工制備方法，包括至少一個化學(xué)反應(yīng)器和一件位于反應(yīng)器上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備，還包括至少一個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器以同時優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備，由此實現(xiàn)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備的一體化工藝控制。
2.按權(quán)利要求1的方法，其的系統(tǒng)用單個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器實現(xiàn)。
3.按權(quán)利要求1的方法，其中控制器為非線性控制器。
4.按權(quán)利要求1的方法，其中反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備緊密連接。
5.按權(quán)利要求1的方法，其中反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
6.按權(quán)利要求2的方法，其中反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
7.按權(quán)利要求3的方法，其中反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
8.按權(quán)利要求4的方法，其中反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
9.按權(quán)利要求1的方法，其中兩個或多個反應(yīng)器為控制器所控制。
10.按權(quán)利要求9的方法，其中控制器是非線性的。
11.按權(quán)利要求9的方法，其中第一和第二反應(yīng)器串聯(lián)操作，第二反應(yīng)器位于第一反應(yīng)器的下游，生產(chǎn)控制設(shè)備是位于第二反應(yīng)器下游的擠出機(jī)。
12.按權(quán)利要求11的方法，其中第二反應(yīng)器和擠出機(jī)緊密連接。
13.按權(quán)利要求10的方法，其中至少一個反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
14.按權(quán)利要求13的方法，其中利用聚烯烴反應(yīng)器制備的聚烯烴選自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。
15.按權(quán)利要求14的方法，其中聚合物包括至少一種有四個或多個碳原子的α烯烴。
16.按權(quán)利要求1的方法，其的系統(tǒng)包括至少兩個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。
17.按權(quán)利要求16的方法，其中至少兩個控制器中的第一個在至少兩個控制器中的第二個之上分級操作。
18.按權(quán)利要求17的方法，其中生產(chǎn)控制設(shè)備位于化學(xué)反應(yīng)器的下游。
19.按權(quán)利要求18的方法，其中生產(chǎn)控制設(shè)備為擠出機(jī)。
20.按權(quán)利要求18的方法，其中反應(yīng)器和生產(chǎn)控制設(shè)備緊密連接。
21.按權(quán)利要求19的方法，其中至少一個反應(yīng)器為聚烯烴反應(yīng)器。
22.按權(quán)利要求21的方法，其中利用聚烯烴反應(yīng)器制備的聚烯烴選自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。
23.一種控制含有至少一個化學(xué)反應(yīng)器和位于反應(yīng)器上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備的化工制備工藝的系統(tǒng)，包括第一多變量預(yù)先優(yōu)化控制器，優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器；及第二多變量預(yù)先優(yōu)化控制器，在第一控制器和生產(chǎn)控制要素之上分級操作以實現(xiàn)反應(yīng)器和生產(chǎn)控制要素的一體化工藝控制。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，還包括在第二控制器之下分級操作以控制生產(chǎn)控制要素的第三多變量預(yù)先優(yōu)化控制器。
25.按權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中生產(chǎn)控制要素是位于反應(yīng)器下游的生產(chǎn)控制設(shè)備。
26.按權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中生產(chǎn)控制設(shè)備和反應(yīng)器緊密連接。
27.按權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中多變量預(yù)先優(yōu)化控制器采用選自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、偏最小二乘法、主成分回歸分析法或第一原則模型的數(shù)學(xué)方法來推斷反應(yīng)器狀態(tài)變量的即將發(fā)生的變化。
28.按權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中至少一個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器是非線性的。
29.按權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)用于控制包括聚烯烴反應(yīng)器和擠出機(jī)的化工制備工藝，其中擠出機(jī)位于反應(yīng)器下游，其中擠出機(jī)為生產(chǎn)控制設(shè)備。
30.按權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中反應(yīng)器和擠出機(jī)緊密連接。
31.按權(quán)利要求29中所述的工藝，其中用聚烯烴反應(yīng)器制備的聚烯烴選自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。
32.按權(quán)利要求29中所述的工藝，其中反應(yīng)器選自漿態(tài)床、填充床和流化床反應(yīng)器。
33.按權(quán)利要求29中所述的工藝，其中工藝使用的催化劑選自Ziegler-Natta催化劑、茂金屬催化劑或后過渡金屬催化劑。
34.按權(quán)利要求29中所述的工藝，其中反應(yīng)器為水平攪拌的次流化床氣相反應(yīng)器，用于制備含有至少50wt.％聚丙烯的聚合物。
35.按權(quán)利要求2的方法，其中反應(yīng)器選自漿態(tài)床、填充床和流化床反應(yīng)器。
36.按權(quán)利要求2的方法，其中方法使用的催化劑選自Ziegler-Natta催化劑、茂金屬催化劑或后過渡金屬催化劑。
37.按權(quán)利要求2的方法，其中反應(yīng)器為水平攪拌的次流化床氣相反應(yīng)器，用于制備含有至少50wt.％聚丙烯的聚合物。
全文摘要
本申請公開一種化工制備方法的控制系統(tǒng)，其中除反應(yīng)器(202、204)外，具有至少一件工藝控制設(shè)備(212)。該系統(tǒng)使用一個或多個多變量預(yù)先優(yōu)化控制器(216、224、214、220、218、222)以優(yōu)化控制化學(xué)反應(yīng)器(202、204)及位于反應(yīng)器(202、204)上游或下游的生產(chǎn)控制設(shè)備(212)，從而對反應(yīng)器(202、204)和生產(chǎn)控制設(shè)備(212)實現(xiàn)一體化工藝控制。
文檔編號C08F2/00GK1558792SQ02818783
公開日2004年12月29日 申請日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月26日
發(fā)明者威廉·D·斯蒂芬斯, 保羅·M·豪爾莫, M 豪爾莫, 威廉 D 斯蒂芬斯 申請人:Bp北美公司