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聚苯乙烯工业装置的建模与优化

王文清  
【摘要】: 在聚合装置的生产过程中,建立一个既能反映聚合反应机理又能紧密结合装置运行的工程特性、以整体聚合装置为研究对象的数学模型,不仅有助于掌握装置运行过程的内在规律,更重要的这是装置生产优化、提高经济效益的理论基础。由于聚合反应体系本身的复杂性和装置工程特性的综合性,决定了聚合过程模型化尤其是与工业装置紧密结合的聚合过程模型化既是聚合反应工程的一个重要发展方向,又是一个难题。 本文以聚苯乙烯工业装置为研究对象,在深入剖析苯乙烯本体聚合生产过程的基础上,分别采用了机理建模法和应用Aspen软件的方法,对工业装置进行了全流程的聚合反应过程建模和优化研究;引入了聚合过程的软测量数据模型的方法,建立了聚苯乙烯聚合过程变量和质量变量之间的主元多项式非线性偏最小二乘软测量(Nonlinear PLS)模型。完成的主要工作有: 1、在反应机理建模方面,从聚合反应机理的角度出发,对预聚合和后聚合反应过程,采用显式微分方程组的形式建立起描述预聚合和后聚合反应过程的机理模型,以MatLab软件为平台对过程进行模拟。确定了聚合反应机理和模型参数;分别采用工业装置采集的数据和专利商的设计数据对模型进行了验证;结果显示模型计算的转化率、平均分子量和分子量分布与工业数据较好地吻合。 2、在Aspen的Polymer Plus软件环境中,建立了聚苯乙烯生产过程模型。选用RCSTR和RPFR两种标准模块组建“装置”,预聚阶段采用两个CSTR,后聚阶段每个塔式反应器均用(CSTR+PFR+CSTR+PFR+CSTR)标准模块;对模型的动力学常数进行了灵敏度分析,通过工业生产数据确定了反应速率常数;与工业数据对比结果表明,所建立的模型能够较好地模拟工业聚合过程;采用机理模型,以Polymer Plus软件平台对聚合过程的全流程的模拟结果优于MatLab。 3、对工业装置本体连续聚合过程进行了分析。应用已建立的稳态模型对操作参数(反应温度、进料流量、进料配比)进行了灵敏度分析;在Dynamic Plus环境中建立相应的动态模型并验证模型的可靠性,为分析装置的动态特性打好了基 ·11·前往大字博士字位论又 一留二二二二二韶留二二=二盆二二 础;应用动态模型对聚合过程的响应进行分析。 4、对装置的非定常态过程进行分析,模拟了生产装置的操作极限状态和装置 事故状态的特性。在生产装置的操作极限状态下,解决了生产中最为关心的装置 最大产能问题和现有装置产品的最高分子量问题,并对高分子量产品生产方案进 行了探讨;在事故状态下,分析了包括热媒终止、进料切换为苯乙烯和回收单体 几种特殊的情况的特性。 5、确定了主要过程变量(反应器温度、进料配比等)和质量变量(树脂的熔 融指数和聚合产率)间的非线性函数结构形式,运用多元统计投影原理和非线性函 数的丑砂了口:逼近原理建立了聚苯乙烯聚合过程变量和质量变量之间的主元多项式 非线性偏最小二乘软测量(Nonlinear PLS)模型,基于装置的运行数据对Nonlinear PLS模型进行了验证;进行了树脂熔融指数和聚合产率的预测和分析。 本文研究成果对工业生产装置的聚合过程模型化方面是有益的深入和探索。


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