摘要：聚丙烯是我国的支柱产业之一，提高聚丙烯的生产水平具有十分重要的理论和现实意义。本文拟从聚丙烯生产过程角度出发，首先介绍了聚丙烯的生产工艺，接着重点阐述了聚丙烯生产过程的优化控制，在此基础上，对聚丙烯生产过程进行了建模研究。
关键词：聚丙烯；生产工艺；优化控制；建模研究
前言
聚丙烯已成为我国的支柱产业之一，尽快提升聚丙烯的生产技术水平是国家的战略需求。大型聚丙烯生产装置是一个具有非线性、不确定性、大纯滞后、强耦合、分布参数、混杂系统特性的复杂工程系统。对大型聚丙烯生产装置实施操作优化、先进控制等策略，实现聚丙烯生产的节能降耗和多牌号生产具有重要的现实意义。目前，通过过程优化与先进控制，严格控制聚丙烯产品质量，细分产品牌号，形成系列化牌号产品以适应不同用户、不同用途的需要，同时又最大限度地缩短不同牌号切换的过渡时间、减少牌号切换产生的副产品，已成为我国聚丙烯行业亟待解决的重大课题。本文主要对于聚丙烯生产工艺与先进控制技术进行相关研究分析，并对于连续搅拌釜反应器进行时滞非线性建模。
一、聚丙烯生产工艺
聚丙烯的催化剂和聚合工艺是聚丙烯生产工艺的两大重要因素。其中，催化剂对聚丙烯产品性能起着关键性的作用，是聚丙烯生产技术发展的核心。由于催化剂的更新换代，促进了聚丙烯生产工艺的快速发展。20世纪50年代，齐格勒研制的催化剂经纳塔改进后，成功研制出了结晶性聚丙烯，从而在1957年实现了工业化生产，大大促进了聚丙烯的发展。到了20世纪80年代后期，又研发出了茂金属催化剂和后过渡金属催化剂。茂金属催化剂在保持之前的催化剂的性能和特点的基础上，增强了树脂的性能；而后过渡金属催化剂在兼具前者性能的同时，还降低了催化剂的生产成本。影响聚丙烯生产工艺的另一重要因素是聚丙烯的聚合工艺，聚合工艺方法包含有溶剂法、溶液法、液相本体法以及气相法。其中，溶剂法和溶液法是在早期工业化时期所采用的方法，前者在使用过程中，要进行溶剂回收，物耗较高，并且生产过程较长且过于复杂，因而这种方法早已不再使用。而后者在现代虽还在使用，但由于其生产成本较溶剂法高，工艺复杂，因此，在生产中溶液法所占的份额很小。随着研究人员对聚丙烯聚合工艺的深入研究，液相本体法和气相法因其能耗低，不需要脱离催化剂残渣、产品牌号新的优势，逐渐在聚丙烯的生产聚合工艺中占据主导地位。目前，本体法作为最主要的聚合工艺，包含有海蒙特的pheripol工艺、三井油化的Hypol 工艺以及Borealis 的Borstar（北星双峰）聚丙烯工艺。而气相法工艺主要有UCC 和shell 公司合作开发的unipol 工艺、Amoeo 工艺以及spherizone 工艺等。
二、聚丙烯生产过程的优化控制
聚丙烯的工艺流程包括聚合反应、分离、单体冲洗及后处理等。过程纷繁复杂，设备更是庞大，因此其生产过程是一个复杂的系统工程，从控制科学的角度看，大型聚丙烯生产装置是一个具有非线性、不确定性、大纯滞后、强耦合、分布参数、混杂系统特性的系统，对其的优化与控制一直是控制界的难点。同时，化工生产过程以“安、稳、长、满、优”为生产目标，为实现上述目标，可从工艺、设备和控制三方面来努力，相互作用、共同提高。从控制方面来实现上述目标，“稳定”是基础，因为只有稳定才有可能卡边操作，实现满负荷生产，稳定后才能提供机理模型，实现优化操作。所以在工艺、设备已经确定的情况下，控制平衡操作是工厂生产中最基础、也是最重要的目标，目前在实现这一目标方面先进控制正在被越来越多地受到重视。近几十年来，化工过程控制已经从早期的手动阀门发展到现代广泛普及的集散型控制系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但通过长期工业实践，控制的固有缺点已暴露地愈来愈明显，它基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量和控制变量之间的关系设定为一一映射关系，在实际生产中，众多过程变量之间的相互影响有强有弱，有大有小，因而控制的一一映射设定忽略了变量间的耦合关系，未能反映装置的实际情况，也难以真正实现装置的平稳控制。
优化控制基本上可划分为两个层次：一为在此之上建立严格的工艺机理模型，二为在多变量预估控制中的在线经济优化控制，根据目标函数来寻找优化值。在线经济优化控制，这是基于实时动态多变量预估控制之上，以经济效益为目标的实时优化控制；静态模型优化，在先进控制基础之上，建立一个严格的工艺机理模型是稳态的模型，根据所确定的目标函数进行优化计算，计算出的优化值是下一层动态控制器的给定或区域控制的约束限值；动态模型优化，建立一个全装置的、可使用的、精确的、有大范围适应性的动态模型，按目前已有的技术水平几乎是不可能的，在今后相当的一个时期内也难以实现，然而这并不排除利用动态技术做一些部分模型优化的可能性。
常用的优化控制方法主要有以下几种：模糊控制，模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制中主要使用两种模糊模型：Mamdani 模糊模型和Takagi- Stgeno 模糊模型。第二种是预测控制，预测控制是于20 世纪70 年代后期直接从工业过程的控制中产生的一类新型控制算法。预测控制的产生并不是某一种统一理论的产物，而是直接来源于工业生产实践。控制算法层出不穷，显示出了极大的生命力，到现在为止，经过三十年的发展，预测控制按其结构模式分，可以大致分为三类：基于非参数化模型的预测控制算法、参数化模型的预测控制算法和基于结构化的预测控制算法。尽管预测控制算法形式多样，就一般意义来说，预测控制算法都包含预测模型、滚动优化和反馈校正三个主要部分。
三、聚丙烯生产过程建模研究
丙烯聚合属于配位阴离子聚合，是一种自由基链式聚合，在丙烯分子里面含有大量活泼的π键，这些π键的作用是被丙烯中的钦系络合物催化剂吸附或配位，让双键极化，从而使得丙烯单体插入到钦、碳键之间，形成活性链，最终实现链增长或是终止。然而对于催化剂的活性中心而言，主要有双金属活性中心模型理论和单金属涪陛中心模型理论两种。
釜式聚合装置作为生产聚丙烯产品的主要设备，深入对其研究具有十分重要的现实意义。在实践操作中，装置中的搅拌釜可以单独使用，也有多釜串联、并联使用。为达到提高模型运行效率的目的，一般都将反应器作为动力学控制状态，因而我们在研究该问题时可以采取以下一些假设：拟稳态处理，等活性理论，聚丙烯的聚合总速率等于链增长速率等等。在对反应釜进行建模的过程中，反应过程中主要涉及到得物料为丙烯单体、氢气以及催化剂等，并且要充分考虑到热量平衡。
四、结语
聚丙烯作为国家的支柱产业之一，有着至关重要的作用，尽快提升聚丙烯的生产技术水平具有重要的现实意义。本文在从聚丙烯生产过程的角度，分析了聚丙烯的国内外生产状、主流的生产工艺、优化控制方法等方面对聚丙烯生产过程进行了全面的介绍，最后就聚丙烯生产过程的动态模型关键实现技术进行相关方分析。
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论文作者:张晓兴
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/16
标签：聚丙烯论文; 催化剂论文; 生产过程论文; 模型论文; 工艺论文; 生产工艺论文; 模糊论文; 《基层建设》2018年第30期论文;