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基于响应面方法的聚丙烯流程模拟与优化

洪东峰  
【摘要】:乙烯工业的发展状况是一个国家工业现代化程度的重要标志,聚丙烯(PP)产业是乙烯工业的重要组成部分,随着经济发展,PP在国民经济及工农业中的地位越来越重要。长期以来,我国的PP装置对引进的依赖度一直较高,缺乏消化吸收和自主创新;近年来,这一状况有所改善,但技术水平仍然较低。实现自主创新的主要内容之一是研究丙烯聚合机理,通过高精度化工模拟建立符合要求的机理模型,解决存在的问题、突破工艺瓶颈,直至在机理模型的基础上设计开发新工艺。鉴于以上背景,本研究使用基于Box-Behnken设计(BBD)的响应面方法对中国石化某公司新建的Spheripol工艺双环管PP装置的工艺流程进行模拟和优化,研究工艺参数对PP质量、产量等指标的影响及响应作用。 1.采用Schulz-Flory最可几分布对PP样品的GPC结果进行解析,MgCl2负载型Ziegler-Natta催化剂DQ-III具有5个活性位点,并得出了每种活性位所得到的PP的质量百分比,决定系数即接近1(R2=0.9999793),显示解析结果很好;将催化剂颗粒模型化为均匀球(Polymeric Uniform Ball, PUB),并用Monte-Carlo方法处理,称为均匀球Monte-Carlo模型(Uniform Ball Monte-Carlo Model, UBMCM),利用UBMCM计算催化剂DQ-III催化丙烯聚合的动力学常数,并对Mw和MWD进行计算,结果显示,UBMCM模型对Mw和MWD的模拟结果符合要求,模型模拟丙烯聚合和预测产品性能效果很好。 2.利用基于BBD的响应面方法设计实验方案,并使用PC-SAFT状态方程,依设定方案在Aspen Plus上对PP聚合分别模拟,然后对所得数据进行分析,得到多变量的二次响应回归模型,利用多种数学方法对模型的充分性和统计显著性进行校验,并利用帕累托图(Pareto chart)描述工艺条件中因素对指标影响的大小。在允许范围内,PP分子量随聚合温度和压力、催化剂和丙烯流量的增加而增加,随氢气浓度增加而降低;催化剂活性随聚合温度和压力、丙烯流量和氢气浓度增加而增加,随催化剂流量增加而降低;PP产量随聚合温度和压力、丙烯流量增加而增加,随氢气浓度增加而降低,随催化剂流量增加,PP产量先增加,达到一定值后反又降低;反应器内压力随聚合温度和丙烯流量增加而增加;反应器内液态氢含量随聚合压力、丙烯流量和氢气浓度增加而增加,随聚合温度增加而降低。 3.采用Newton迭代法对所建立的二次响应回归模型求解,得到优化的聚合工艺条件:R201聚合温度70.58℃、压力3.38MPa、丙烯流量20.39t/hr、催化剂流量0.69kg/hr、氢气浓度3.86×10-4vol%,R202内聚合温度69.98℃、压力3.44MPa、丙烯流量4.35t/hr,与工厂数据对比结果表明,PP分子量没有发生变化,而催化剂活性增加1.5%,PP产量增加4.2%,丙烯流量降低1.2%,转化率增加5.16%,优化效果显著。 4.采用过量排出策略(OQV)进行牌号G和牌号T间的双向切换,PP的分子量及产量的稳定时间滞后于切换操作,其中牌号G向牌号T切换,两反应器内PP分子量稳定时间分别出现在3.06hr和2.5hr,整体切换时间为2.5hr,产量的变化时间与分子量一致;牌号T向牌号G切换,两反应器内产品分子量稳定时间分别出现在5.84hr和4.35hr,整体切换时间为4.35hr,产量的变化时间与分子量一致,由低分子量PP向高分子量PP切换时所需的时间较短;牌号G向牌号T切换产生过渡料量小于反向切换切换,两者的过渡料量的分别是29.74t和52.87t。 所建立的二次响应回归模型可用于:当PP质量不稳定,Mw、MWD和MFI等偏离设定值时,根据3D响应面图和回归方程判断问题所在并加以修正,或用于生产新牌号PP时对工艺条件的设置。


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