（控制科学与工程专业论文）mpce装置连续反应过程建模与实验验证.pdf

rf ：j 。，i 原创性声明 j i i ii iii i ii ii i i ii itt l j y 1719 3 12 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲糨聊签稚蜂吼巫年上月上日 j 、 l 摘要 m p c e 10 0 0 多功能实验装置中的连续反应过程( c o n t i n u o u s s t i r r e dt a n kr e a c t i o n ，c s t r ) 是一类模拟丙烯聚合过程的复杂化学反应 系统，建立c s t r 过程的模型是对其进行控制研究的基础。论文在对 连续搅拌反应釜系统特性分析的基础上，测试了输入变量对输出变量 的影响关系，并在此基础上分析了进料浓度、反应温度和催化剂对化 学反应速率的影响。通过对丙烯聚合化学反应动力学分析，获得了化 学反应动力学方程，给出传递物性参数和热力学参数计算公式，为模 型参数的计算创造了条件。 在分析丙烯聚合反应机理的基础上，根据物料平衡和反应釜能量 平衡原理，建立了丙烯聚合动态数学模型。该模型描述聚合物浓度百 分比、反应温度、丙烯单体浓度和冷却水出口温度与操作条件之间的 关系。通过分析系统的热稳定性，指出系统存在一个稳态工作点，为 了对模型进行稳态和动态分析，在该工作点处对模型进行了线性化处 理，并利用线性回归方法估计了化学反应动力学参数，得到了一个线 性的状态方程模型，也为基于线性控制理论对c s t r 系统进行有效控 制奠定了基础。 最后对c s t r 稳态模型进行了验证分析。在稳态条件下，通过改 变操作条件对模型进行了开环验证，给出了操作变量与状态变量之间 的开环传递函数。结合p i d 控制算法并改变操作条件对模型进行了动 态验证。通过比较分析模型的仿真输出和实验装置的输出曲线给出了 线性模型的适用区间。验证结果表明所建模型对丙烯聚合过程c s t r 实验系统的有效性。 关键词：c s t r ；丙烯聚合；动态模型；验证分析；p i d a b s t r a c t c o n t i n u o u sr e a c t i o np r o c e s s ( c o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t i o n ， c s 删o ft h em p c e - 10 0 0m u l t i f u n c t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m si s a c o m p l e x c h e m i c a lr e a c t i o n s y s t e m ，w h i c hs i m u l a t e s t h e p r o p y l e n e p o l y m e r i z a t i o np r o c e s s e s ；t h et h e s i s f o c u s e so nt h e m o d e l i n go ft h e c s t rp l a n t b a s e do nt h ec a r e f u l s t u d y o ft h ec s t rr e a c t o r c h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n p u tv a r i a b l e sa n do u t p u t v a r i a b l e sw a st e s t e d ，a n da l s ot h ei m p a c to ff e e dc o n c e n t r a t i o n ；r e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dc a t a l y s t s a c t i o n so nt h ec h e m i c a lr e a c t i o nr a t ew a s a n a l y z e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r o p y l e n ep o l y m e r i z a t i o nc h e m i c a l r e a c t i o nk i n e t i c s ，c h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i ce q u t a t i o nw a sa b t a i n e d ，w h i c h l a i d e dt h eb a s i sf o rt h em o d e l i n gp a r a m e t e r s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fp r o p y l e n e p o l y m e r i z a t i o n ，t h ed y n a m i cm o d e lo fc s t r i sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f t h em a s sa n de n e r g yb a l a n c e ，w h i c hd e s c r i b e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n p u tv a r i a b l e sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s i no r d e rt oa n a l y z et h em o d e l t h o r o u g h l y ，t h el i n e a re q u a t i o nw a s e s t a b l i s h e db yu s i n gl i n e a rt r e a t m e n t i nt h eo p e r a t i n gp o i n to ft h em o d e l ，w h i c hp r o v i d e dt h ec o n d i t o n sf o rt h e c o n t r o l l i n gt h ec s t rs y s t e me f f e c t i v e l y f i n a l l y ，s t e a d y s t a t em o d e lo fc s t r h a sb e e np e r f o r m e d i ns t e a d y - s t a t ec o n d i t i o n s ，t h eo p e n l o o pt r a n s f e rf u n c t i o nb e t w e e nt h eo p e r a t i o n v a r i a b l e sa n ds t a t ev a r i a b l e sw a sa b t a i n e db yc h a n g i n gt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s c o m b i n e dw i t hp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dc h a n g i n go p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h e m o d e lw a sv e r i f i e d d y n a m i c l y b yc o m p a r i n g t h e s i m u l a t i o nm o d e lo u t p u ta n de x p e r i m e n t a ld e v i c eo u t p u t ，t h er a n g eo f a p p l i c a t i o no ft h e l i n e a rm o d e lw a sg i v e n o nt h e b a s i so ft h i s ，t h e f o l l o w i n gc o n l u s i o nw a sd r a w e dt h a tt h e m o d e lc a nb ee f f e c t i v ef o r c s t re x p e r i m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：c s t r ；p r o p y l e n ep o l y m e r i z a t i o n ；d y n a m i cm o d e l ； v e r i f i e db ya n a l y s i s ；p i d i i 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景和意义1 1 2 对象建模方法概述2 1 2 1 机理建模法2 1 2 2 系统辨识法。：3 1 3 连续搅拌反应釜国内外建模及控制研究现状4 1 4m p c e 1 0 0 0 实验装置及连续反应过程简介6 1 5 论文主要研究内容7 第二章m p c e 连续反应过程分析与物性数据计算。8 2 1 连续反应过程工艺描述：8 2 2 连续反应过程特性分析1 0 2 3 反应过程开车及正常运行1 1 2 4 连续反应影响因素分析：1 2 2 5 化学反应动力学分析1 4 2 5 1 化学反应速率的概念_ 1 5 2 5 2 浓度对化学反应速率的影响1 6 2 5 3 温度对化学反应速率的影响1 6 2 5 4 催化剂对化学反应速率的影响1 7 2 6 物性参数计算18 2 6 1 热力学物性参数计算18 2 6 2 传递物性参数计算2 0 2 6 3 聚丙烯物性参数2 1 2 6 4 夹套传热系数计算。2 2 2 7 小结2 3 第三章连续反应过程建模2 4 3 1 丙烯聚合过程机理分析2 4 3 2c s t r 系统动态建模2 7 3 2 1 物料衡算一2 7 3 2 2 能量衡算2 8 3 2 3c s t r 液位模型2 9 3 2 4c s t r 模型线性化3 0 3 3 小结3 3 第四章c s t r 系统模型验证分析3 4 4 1 模型参数计算3 4 4 1 1 模型物性参数计算3 4 4 1 2 动力学参数估计一3 5 4 2 聚丙烯反应釜稳定性分析3 9 4 2 1 热稳定性分析3 9 4 2 2 工作点漂移现象4 0 4 2 3 稳定性分析4 1 4 3 聚丙烯反应釜稳态模型验证分析4 3 4 3 1 反应温度t 1 的验证与分析4 4 4 3 2 状态量a 的验证与分析4 7 ，4 3 3 冷却水流量与温度的关系4 8 4 3 4 反应压力与进料流量的关系4 8 4 4 聚丙烯反应釜动态模型验证分析4 9 4 4 1c s t r 系统p i d 控制参数整定4 9 4 4 2c s t r 模型动态验证分析5 l 4 5 小结j 5 4 第五章结论与展望5 6 5 1 结论5 6 5 2 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 2 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 3 硕士学位论文绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论帚一早三百了匕 连续搅拌反应釜( c o n t i n u o u ss t i r r e dt a n kr e a c t o r ，c s t r ) 是聚丙烯产品生产 过程中最常用的生产系统。在c s t r 系统中聚丙烯产物浓度百分比、操作条件、 反应物进料浓度、催化剂流量、物料进料流量的变化、冷却水流量、反应液位的 变化等都为系统的被控对象，所以变量繁多，且这些被控变量对系统特性有很大 的影响，使c s t r 具有强非线性和强耦合性，给控制策略的实施带来一定的困难。 连续反应釜使用搅拌电机将一定体积加入反应器的混合物料搅拌均匀进行化工 生产，在生产过程中，伴有生物化学反应、物理化学反应、相变过程等。由于在 c s t r 反应器中的物料进行的是复杂的化学反应，所以热效应就成为c s t r 的一 个重要特征，通常用反应器夹套中的冷却水来控制反应釜中热量的变化。另外， c s t r 系统工作环境恶劣，再加上有些反应物的危险特性，所以保证生产过程的 安全进行是整个生产的关键所在。此外，采用控制算法对c s t r 控制的效果会对 聚合物的产率以及产品的合格率产生重大影响。聚合物的生产质量和指标与反应 釜体系温度，物料进料浓度，以及釜内反应压力等参数有很大的关系，这些参数 是c s t r 系统的核心被控量。 聚丙烯是一种热塑性树脂，分子结构有多种形式。它有透明度高，密度小的 特点，另外它的易加工性和高抗冲击性使它广泛应用于电子、汽车、建材等领域， 聚丙烯生产在国民经济发展建设中发挥着重要作用。现阶段生产聚丙烯的工艺技 术主要有4 种，即溶液法、浆液法、液相本体法和气相本体法。除了溶液法被淘 汰外，其他3 种工艺技术都随着催化体系的不断改进而提高【l 】。 由于聚丙烯的广泛使用，人们对其生产工艺技术和操作技术的研究越来越 多。在现有工艺技术条件下，如何对c s t r 系统进行操作以提高产品的产量和品 质成为研究的热点。在早期很多工艺操作条件的改变大多依赖于工人的经验，得 到的聚丙烯产品合格率低，而且很容易发生事故。现今随着化学工艺理论研究的 深入，很多学者希望从不同的角度建立c s t r 系统的模型，并设计相应的控制器 来控制化学反应中的关键参数以获得高质量的产品。所以控制器对c s t r 系统控 制的理想与否，主要取决于模型的准确度和精度。因此建立c s t r 系统相对精确 的模型十分关键，也对今后对c s t r 系统先进控制算法的开发研究具有重大的意 义。 本文所要研究的连续生产过程为聚丙烯生产过程，它是一种高分子聚合过 硕士学位论文绪论 程，聚合生产在反应釜中进行，反应的有效体积约占总聚合装置的8 0 , - - - 9 0 ， 其中温度是聚丙烯应生产工艺过程中最重要的参数【2 1 。 1 2 对象建模方法概述 在过程控制领域，建立过程对象的模型是很多工作的基础。建立被控对象所 用到的方法主要有机理建模法和系统辨识法。另外，在生产过程中各单元设备中 进行流动、传质和传热等物理过程，对于反应器，还存在化学反应。这些物理和 化学过程又是相互影响着的，所以在实际建模的过程中并不强求模型的真实性， 而是着重于模型的等效性。这是因为模型不可能完全反映实际生产过程，在建立 数学模型之前，必须进行条件假设，这样才能使模型不至于过于复杂。复杂的模 型不但求解困难，也不一定能够反映实际的生产过程。根据实践，过于复杂的数 学模型可能更加不准确。提出的假设条件，一方面应尽可能的与实际生产接近； 另一方面假设条件的严格程度往往代表了所建模型的复杂程度。在正确的假设条 件下，条件越严格，所建的模型越简单，反之亦然。 1 2 1 机理建模法 机理建模方法就是在某些假设条件下，根据实际生产系统的工作机理以及物 理过程，按照能量守恒、质量守恒等相应的理论，以方程或者方程组的形式来描 述系统工作过程的物料和能量的变化规律。根据系统本身的特性得到的模型特征 也不同，它可以是线性系统或非线性系统【3 】。 机理建模过程的实质就是将质量衡算和能量衡算进行具体化，在实施的具体 化的过程中大多会用到化学反应动力学常数、相平衡及相平衡常数和传质、传热 速率方程用传递系数等。建立复杂化工生产过程的机理模型需要知道大量和准确 的工艺知识和化学工程知识，才能导出正确的原始代数或微分方程式。这些方程 式的推导基于质量衡算和能量衡算关系。对于化学反应过程，列出每种物料的质 量衡算关系时，还必须考虑反应中生成和消耗的物料。在列写能量衡算方程式时， 应考虑化学反应热效应。衡算关系表示成一般的形式为【4 】 【输入速率】一【输出速率 + 源】= 累积速率】( 1 1 ) 其中，“源主要指化学反应过程带来的影响，对于物料质量衡算，该项与 反应速率有关；对于物料能量衡算，该项为反应热效应。“输入速率”和“输出 速率”包括对流流动( 即流体的主体流动) 和扩散( 包括相内扩散和相间传递) 。流 体相内和相间存在“浓差 ，是扩散的推动力。这里所谓“浓差”包括密度差、 温度差和混合物组分组成差。“累积速率为变量对时间的导数”，稳态建模时该项 2 硕士学位论文绪论 为0 ；而动态建模时，该项一般不为o ，但不考虑某变量动态响应时，即认为该 变量与其他变量相比，其动态变化过程极快，可以按拟稳态处理，这时“累积速 率 近似为0 。 通常情况下，机理模型的适应性强，模型参数调整方便，对物理或化学等过 程变量之间的关系能够相对准确的描述，表达式所描述的各变量的关系一目了 然，这是机理模型的最大优势。但过程机理模型大都是在一些假定的前提下得到， 虽然能得到正确的定性结论但并不能完全反应真实的系统，精度有时也不能令人 满意，特别是有些反应过程的反应机理非常复杂，人们并不十分清楚其反应机制， 如果此时再用机理的方法进行系统建模就没有很大的意义了。 1 2 2 系统辨识法 所谓系统辨识法是根据实际系统的输入输出数据，在一类模型中找出一个与 实际系统逼近的模型，这个模型能真实表示系统的本质特征并使某个准则函数极 小或极大。它是从系统的输入输出数据测算系统模型的理论和方法。 对于两个系统，如果在所有输入或干扰相同的情况下，两个系统的输出完全 相同，则这可以认为这两个系统是等价或等效的。在实际工程应用中，人们总是 希望采用结构简单的系统，而又不改变原有系统的输入输出特性，因此人们常常 对于原系统近似等价的简化系统。即当系统m ，的输入是 ，输出是y 。时它的判 据是v ( u ，y m l ) = j l ；系统m 2 的输入是“，输出是y ，2 时它的判据是v ( u ，y ，：) = , 1 2 ， 两个模型等价时有v ( u ，y 。) = v ( u ，y 。：) 。可见系统辨识有很大的自由度，这表现 在模型、输入和判据的选择上【5 j 。 对系统做辨识前，必须先对系统做相应的了解，也就是要取得足够的先验知 识，利用这些先验知识选择最适合的系统辨识方法。 ( 1 ) 如果前期获得的先验知识不足或者是用一般的手段根本无法得知系统 的特性，那么也就无法确定系统的结构和性质。在建模的过程中如果我们想要得 到系统有意义的解，那么我们可以在某些假设条件下使用大量数据对系统进行 “黑箱”辨识。 ( 2 ) 如果在对系统进行建模之前，我们已经了解了系统的特性，获得了足够 的先验知识，那么就可以根据系统的特性列出能表达其特性的动态方程。但在得 到的动态方程中方程的阶次以及方程各环节的参数并不清楚。用这种方法对系统 进行辨识则称为“灰箱”辨识法，它比黑箱问题要相对简单一些【5 1 。 实际上大多数工程系统和一些非工程系统都属于后一类，我们对系统的结构 有相当的了解，因此可以推断动态系统的数学模型的形式，达时只要确定系统方 程式中的系数就可以了。 3 硕士学位论文绪论 辨识的基本步骤为：先验知识的收集、辨识实验的设计、模型结构的辨识、 模型参数估计和模型检验。模型辨识方法适用于一切需要实验数据确定系统模型 和进行模型参数估计的情况。因此此方法已应用到许多领域，如航天系统、国家 经济系统、环境工程系统等。 1 3 连续搅拌反应釜国内外建模及控制研究现状 聚丙烯生产过程伴随着物理化学反应以及物质和能量的转换和传递，因而是 一个十分复杂的化工工业生产过程。在c s t r 系统内部随着反应的进行，反应器 和夹套以及各相状态下的物料和传热系数呈非线性变化，并且处于剧烈反应状态 下的系统对操作条件的变化和干扰非常敏感。随着反应的不断进行，反应器内固 体物质不断增多，反应器内反应体系传热系数和反应速率等都发生不规则的变 化。这些非线性现象都对控制系统的设计造成了很大的障碍。 丙烯聚合反应是一个强放热反应，产生的多余的热量如果不及时移去，则反 应器内的热量会不断累积，使温度飞快上升，最终发生爆炸酿成事故。反之，如 果移去的热量大于反应放出的热量，则反应釜温度会一直下降，直至反应停止， 这也是不允许的。所以c s t r 系统的温度控制是重点也是难点。 针对连续搅拌反应釜的强非线性和复杂性，国内外很多学者在c s t r 系统的 建模与控制方面做了很多工作。1 9 9 0 年c h e nf u c h u a nt 6 】通过利用神经网络的 方法建立了c s t r 系统的模型。w a n glx 【_ 7 】使用模糊聚类的方法对c s t r 系统 进行动态建模，使模型的精度得到了提高。c a o l i ul i n t 8 】提出了结构逼近式混合 神经网络的方法，此方法更好的描述了系统各变量之间的关系，利用此方法对 c s t r 系统进行建模提高了模型的精度。 在连续反应过程数学模拟方面，国内外学者进行了大量的研究。1 9 9 2 年 g u p t a 等一j 提出了基于聚合多粒子模型的c s t r 系统模型，根据他们所建立的模 型得出了聚合产物的分子量、聚合变化趋势以及产率，并且指出产率与聚合分散 度随着反应停留时间的增加变化的趋势，根据这一趋势他们提出了一种模型计算 的改进算法，有效克服了模型计算时间长的缺点。在多个反应釜串联的情况下 s o a r e 1 0 对烯烃聚合进行动态数学建模，并对模型做了仿真研究；根据实际状况， m a t t o s 和p i n t o t i l l 建立了溶剂法c s t r 系统的丙烯聚合稳态数学模型，对模型的 仿真研究表明该模型的计算输出与实际生产数据误差很小。范顺杰陋”j 、徐用懋 等运用物料平衡、相平衡和动力学原理，对三井油化h y p o l 工艺c s t r 过程进行 了机理建模，他们所建的模型对聚丙烯熔融指数的预测较为成功，并利用工业现 场数据，计算了反应物的聚合反应热、丙烯转化率和反应浆液丙烯的浓度等重要 参数。以实际工业设备为背景，陈欠平【1 4 d5 】建立了聚丙烯液相本体法c s t r 稳态 4 硕士学位论文绪论 和动态数学模型，通过仿真计算研究，考察了在操作条件变化的情况下c s t r 系 统输出的变化。z a c c a 等【婚1 7 j 建立了丙烯聚合反应的数学模型，计算了物性传递 等参数，并利用这些参数对模型做了仿真计算。杨爱新【l8 】以工厂c s t r 实际装 置为对象，采用机理的方法建立了符合现场实际情况的c s t r 动态模型，通过对 模型的研究，得到了反应体系温度、聚合物体积浓度百分比、反应速率、反应物 浓度、冷却水出口温度、与操作条件变化的关系。罗正鸿【l9 】建立了c s t r 系统 的稳态机理模型，并对操作条件的变化与丙烯转化率和聚丙烯分子量之间的关系 进行了研究。 在c s t r 系统控制方面，早期主要采用单元组合仪表和单回路控制系统，对 于重要环节和重要参数的控制设计了串级控制方式，但由于c s t r 系统本身的非 线性和复杂性，这些控制根本不能达到人们的控制要求，常常会得到错误的结果， 即使能够控制精度也非常低。p l c 控制器的采用，提高了控制精度，但对于多级 串联的反应釜这些复杂的系统，控制的效果并不明显【2 。后来p i d 的使用大 大提高了控制效果，它算法简单且易于实现，故广泛被采用。但是p i d 对线性 过程有较好的控制效果，对于c s t r 这种有严重非线性的系统p i d 有时也难以 满足控制要求田埘j 。 近年来随着控制理论的发展，很多智能控制的方法在工程控制领域中有了应 用，很多学者开始研究将智能化的控制方法应用于连续反应过程。如今模糊控制、 遗传算法、神经网络、专家系统以及它们和p i d 相结合的复合控制算法都已在 c s t r 系统的控制中有所应用 2 5 - 2 6 1 。 目前，较为先进的c s t r 控制系统大都采用智能控制算法与p i d 等传统控 制技术相结合混合控制方法。钟国庆等 2 7 】将专家系统应用于连续反应过程控制， 得到了较好的控制效果。李书臣【2 8 1 和黄改娟【2 9 】将模糊控制的方法应用于反应器 温度控制，提高了控制性能。冯斌【3 0 】和宫会丽【3 l 】将模糊自调节p i d 应用于c s t r 系统控制。朴树俊【3 2 j 针对c s t r 系统特性，提出了s m i t h 模糊控制算法。针对 反应釜温度的大滞后性，吴伟林【3 3 】提出一种自适应控制算法，该算法主要是基 于神经元网络，对温度控制取得了较好的控制效果。雷佳1 3 4 j 提出了一种遗传寻 优算法与p i d 控制相结合，这种算法充分利用了遗传算法的寻优特性，使控制 效果有了明显的提高。根据c s t r 系统的非线性特性，朱学峰【3 5 】提出了混合模 型的非线性预测控制，该混合模型包含线性和非线性两个部分，仿真结果与实际 输出误差较小；文献【3 6 】将一种神经网络与模糊逆模p i d 相结合的复合控制算法 应用于c s t r 系统温度控制，提高了温度的控制效果；文献l ”】根据工业现场实 际情况，对跟踪微分器进行了改进，并提出二阶自抗扰控制算法，对工业现场 c s t r 控制有明显的效果；韩光信【3 8 】将非线性鲁棒控制方法应用于连续反应过 5 硕士学位论文绪论 程，优化了开车过程；贾爱引3 9 】提出一种改进的鲁棒控制算法，该方法抗干扰 能力强，用此方法对连续搅拌系统实施控制，取得了较好的控制效果；文献【4 0 】 提出了一种在线控制算法，该算法有很强的适应性：l x u 4 i 】提出了一种在线自学 习的监督控制算法；文献【4 2 】设计了一种模糊控制器来控制c s t r 系统，该控制 器的核心控制算法是回归神经网络，并对误差数据做了相应的处理，取得的控制 结果较好。r u i y a og a 4 3 j 先使用门处理的方法对非线性模型进行变换，并设计了 非线性p i d 控制器，获得了较好的控制效果；m j a l i h t 4 4 1 采用了一种神经模糊预 测控制方法，有效的改善了温度大时滞问题。 连续反应过程的复杂性，使得简单的控制措施都不能达到理想的控制效果。 传统的p i d 控制方法对系统模型未知的情况下能进行控制，先进的控制算法， 如预测控制则需要已知系统的模型，为了能对c s t r 系统实施更好的控制，最好 的办法是将先进控制技术与传统的p i d 相结合，并在此基础上加入非线性控制， 来获得更好的控制效果。 “mm p c e 1 0 0 0 实验装置及连续反应过程简介 为了深入分析和研究丙烯聚合过程和c s t r 系统，过程控制研究室购置了一 套m p c e 1 0 0 0 多功能过程控制系统。图1 1 为m p c e 装置小型流程设备盘台， 整个实验平台由软仪表、监控软件、底层硬件等部分组成。以实时数据库为核心， 各组成部分相互协调运行，完成对复杂系统的模拟。 m p c e 1 0 0 0 装置中主要包括离心泵液位、气体压缩、三级液位、热交换、 连续反应和间歇反应5 个系统。 本文研究的重点是找出输出变量与输入变量之间的关系，建立c s t r 过程模 型，为以后控制算法的开发打下基础。 图1 1 小型流程设备盘台 6 硕士学位论文绪论 1 5 论文主要研究内容 本文针对m p c e 实验装置中的连续反应过程的特点，分析其生产工艺流程 和化学反应特性，采用机理与实验相结合的方法建立连续搅拌反应釜( c s t r ) 化 学反应过程的机理模型，并分别对系统的静态模型和动态模型进行验证分析。最 后得到一个能有效反映实验系统的数学模型。 全文组织如下： 第一章：绪论。文章首先阐明化工生产建模的研究背景和意义，介绍了c s t r 系统的建模与控制现状。并对实验室m p c e 实验装置和连续反应过程作简要介 绍。 第二章：连续反应过程分析与物性数据计算。针对m p c e 1 0 0 0 实验装置中 的丙烯聚合反应器，分析丙烯聚合反应的相关特性，并对在建模中所要用到的主 要物性关联式进行总结，并给出物性模型参数及适用条件。 第三章：连续反应过程建模。分析聚丙烯生产的反应机理，根据物料和能量 平衡的原理，给出系统的动态微分方程。为了应用线性控制理论对模型进行控制， 选择在工作点处对模型进行线性化，得到c s t r 系统的状态空间方程模型。 第四章：c s t r 系统模型验证分析。利用线性回归的方法估计动力学参数， 考察操作条件的变化对反应釜热稳定性和稳态行为的影响，给出输入变量和输出 变量之间的传递函数。最后对c s t r 系统的稳态线性模型和非线性模型进行分析 验证。使用p i d 控制方法使系统稳定在工作点，在其他操作条件不变的情况下 分别改变三种物料的进料量大小和冷却水的流量，考察系统输出与模型输出的变 化，并对响应结果进行分析。 第五章：结论与展望。在对论文主要研究工作总结的基础上，分析课题研究 开发过程中的经验和不足，并指出下一步的研究工作。 7 硕士学位论文第二章连续反应过程分析与物性数据计算 第二章m p c e 连续反应过程分析与物性数据计算 连续反应过程是工业常见的典型的带搅拌的釜式反应器( c s t r ) 系统，同时 又是高分子聚合反应。分析整个连续反应过程的特性和各个变量之间的影响关 系，能为连续反应动力学模型的建立打下基础。另外，通过对物性数据的计算为 以后模型的验证分析提供了必要条件。 2 1 连续反应过程工艺描述 连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态己烷为溶剂，在催化剂与活化 剂的作用下，在反应温度7 0 _ + 1 0 下进行悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。 丙烯聚合反应是在己烷溶剂中进行的，采用了高效、高定向性催化剂。己烷 溶剂是反应生成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应生成的聚丙烯不溶于单体丙 烯和溶剂，反应器内的物料为淤浆状，故称此反应为溶剂淤浆法聚合。 连续反应过程平台是图1 1 小型流程设备盘台的一部分，如图2 1 所示，连 续反应过程系统主要是带搅拌器的釜式反应器( c s t r ) 。反应器为标准盆头釜， c s t r 系统是缩小后的的反应釜，因此反应器的体积减小，缩短了实验时间。该 装置直径1 0 0 0 m m ，釜底到上端盖法兰高度1 3 7 6 m m ，反应器总容积1 0 3 7 m 3 ， 反应釜液位量程0 1 3 0 0 m m ( o 1 0 0 ) 。反应器承受极限压力约2 5 m p a ，为了保 证安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1 5 m p a ，反应器压力 报警上限值为1 2 m p a 4 川。 f 7 图2 - 1 连续反应实验系统 系统包含四个输入变量：丙烯进料流量f 4 、己烷进料流量f 5 、催化剂进料 8 硕士学位论文 第二章连续反应过程分析与物性数据计算 流量f 6 和夹套冷却水流量f s ；五个输出变量：反应压力p 7 、反应液位l 4 、反应 温度t l 、产物重量百分比浓度a 和反应釜出料流量f 9 。整个操作原理框图如图 1 3 所示。 斟 f 4 p 7 一 - l 4 f 5 反 一 一 应 t 1 一 f 6 一 釜 ， ， a 一 f 8 一 ， f 9 扣 图1 - 3c s t r 操作原理框图 丙烯聚合反应过程主要有三种连续性进料( 控制聚丙烯分子量的氢气在系统 中不考虑) ，第一种是常温液态丙烯，f 4 为丙烯进料流量、v 4 是丙烯进料双效阀； 第二种是常温液态己烷，f 5 为己烷进料流量、v 5 为己烷进料阀；第三种是来自 催化剂与活化剂配制单元的常温催化剂与活化剂的混合液，f 6 为催化剂混合液进 料流量、v 6 为催化剂混合液进料阀。催化剂可以用三氯化钛( t i c l 3 ) ，活化剂可以 用一氯二乙基铝( a i ( c 2 h 5 ) 2 c 1 ) ，两种化合物用己烷溶剂稀释成混合液，催化剂浓 度4 ，活化剂与催化剂克分子浓度之比为2 ：1 。由于催化剂量小，常用计量泵 控制，在本装置中用精小型控制阀代替。 反应器内主产物聚丙烯重量百分比浓度为a ，反应温度为t l ，反应液位为 l 4 。反应器出口浆液流量f 9 ，出口双效阀v 9 ，出口泵，出口泵开关s 5 ( 开关) ， 反应器夹套第一冷却水入口流量f 7 ，双效阀v 7 ，反应器夹套第二冷却水入口流 量f 8 ，双效阀v 8 ，反应器夹套加热热水阀s 6 ( 开关) ，反应器搅拌电机开关s 8 。 连续反应实验系统在盘面所涉及的传感器输出变量、变量正常工况的数据、 计量单位如表2 1 所示。 表2 1 过程变量说明( 1 ) 9 硕士学位论文 第二章连续反应过程分析与物性数据计算 连续反应实验系统在盘面所涉及的操作、控制阀门及开关，已注明阀门公称 直径、国标流通能力v ) 如表2 2 所示。 表2 - 2 过程变量说明( 2 ) 2 2 连续反应过程特性分析 为了建立c s t r 系统模型和实施有效且高质量的控制，必须首先对连续反应 过程的主要变量之间的影响关系和动态特性进行分析，必要时需定量测试。 ( 1 ) 全混流特征 由于c s t r 系统内有搅拌装置可起到强烈的搅拌作用，己烷作为溶剂又起到 了很好的稀释与分散功能，所以反应器内各点的组成和温度都是均匀的，反应器 的出口组成和温度与反应器内相等。 ( 2 ) 反应停留时间 所谓反应停留时间是指：从反应物进入反应釜开始到该反应物流出反应釜所 消耗的时间称为反应停留时间。在实际的反应过程中反应釜的有效反应体积以及 物料的流量决定反应停留时间的长短。若要提高物料的转化率，就要增大停留时 间，具体操作可减小反应物的进料流量和反应釜物料出料流量。由于本反应器中 的物料组成和温度分布均匀，满足全混流假定，可以采用平均停留时间的方法表 达，反应平均停留时间等于反应器中物料实际容积除以反应器中参与反应的物料 体积流量。 ( 3 ) 反应温度 丙烯聚合反应属于放热反应，因此，根据反应温度的高低能判断聚合反应速 度的快慢。如果反应速率加快，聚合反应过程中放出的热量就会增加，反应釜体 系温度升高；反之反应釜体系温度下降。丙烯聚合反应过程中所产生的热量呈指 数型增长，该过程是非自衡的危险化学反应过程。如果反应釜内多余的热量不能 及时转移，则由于能量的累积温度会不断升高，这种“正反馈”作用将导致“暴 1 0 硕士学位论文第二章连续反应过程分析与物性数据计算 聚”事故【4 5 1 。此时由于温度超高，系统压力必定超高，如果超过反应器所能耐 受的压力，可能发生爆炸与火灾事故。即使不发生恶性事故，由于反应速度太快， 聚合生成的都是低分子无规则状聚合物，产品也不合格。 在c s t r 反应釜中，在反应物料停留时间相同、催化剂进料流量相同的情况 下，聚丙烯的重量百分比浓度由反应体系温度所决定。控制反应温度的主要手段 是根据实际情况改变夹套冷却水的流量。反应温度要求控制在7 0 + _ 1 0 ，影响夹 套冷却效果的相关因素是反应器内料位的高低、冷却水与反应温度的温度差，反 应有效体积大换热面积大，温度差大热交换推动力大。 反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大、惯性较大的高阶特性。冷 却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时( 这 种干扰在现场时有发生) ，即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走的 热量减少，反应器中物料温度会上升。 ( 4 ) 反应压力 反应釜中反应体系温度和物料丙烯的百分比含量是影响反应压力的关键因 素。纯丙烯的饱和蒸汽压在正常室温时约为1 0 m p a ，当纯丙烯处在7 0 的高温 环境中，压力大于3 0 m p a ，如果温度继续升高，釜压还会继续升高，而且变化 非常剧烈，用不着达到1 0 0 ，反应器就可能发生爆炸危险。实践证明丙烯与己 烷混合后，饱和蒸汽压会降低，而且在温度不变的前提下，己烷的百分比含量越 高，系统压力越低。因此，在反应器中必须防止丙烯的百分比含量过高、反应温 度过高的情况发生。另外，在温度不变的条件下，调整丙烯与己烷的进料流量比 可以在一定的范围内控制反应器内压力。 如果在丙烯与己烷的进料流量比保持不变的前提条件下，反应釜内压力随反 应体系温度变化而发生变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度 下降，反应压力也同步下降。 2 3 反应过程开车及正常运行【4 5 】 启动连续搅拌反应釜控制系统组态软件。将f 4 ( 丙烯进料流量) 输出控制阀 v 4 、f 5 ( 己烷迸料流量) 、输出控制阀v 5 和f 6 ( 催化剂进料流量) 、输出控制阀v 6 组态为三个独立的流量单回路控制系统。将l 4 ( 反应釜液位) 输出控制阀v 9 组态 为液位单回路控制系统。将t l ( 反应温度) 输出控制阀v 8 组态为液位单回路控制 系统。完成与连续反应有关的盘面信号线插接。 ( 1 ) 初始化检查，使系统恢复到冷态。 ( 2 ) 打开己烷进料阀v 5 约6 0 左右，使己烷进料流量f 5 达到约1 5 4 0 k g h 。 先加入己烷的原因是为了防止反应釜压力不急剧上升，因为纯己烷在常温下气体 硕士学位论文 第二章连续反应过程分析与物性数据计算 压力比丙烯的饱和蒸汽压力相对要低很多，如果后加入己烷，则反应器内压力会 在一开始就处在一个较高的状态。 ( 3 ) 当液位l 4 达到约5 5 时，开丙烯进料阀v 4 约5 6 ，使丙烯进料流量达 到约7 2 9 k g h 。由于混合蒸汽压低于纯丙烯饱和蒸汽压，因此避免了反应器内压 力大幅升高的可能。 ( 4 ) 当反应器液位l 4 达到约7 5 时，打开c s t r 装置出口阀v 9 到5 5 左右。 ( 5 ) 当反应釜液位l 4 达到8 0 9 0 左右时，对l 4 进行自动调节。为了控制液 位稳定，必须在运行前完成本液位单回路控制组态。应将反应器出口阀v 9 定义 为液位控制输出控制阀，当液位超高时，v 9 应开大，反应液位控制器应设定成 正作用。为了使控制器正常工作，必须对p i d 参数进行整定。 ( 6 ) 开启搅拌装置开关s 8 ，使反应器内多种物料混合均匀。 ( 7 ) 进行聚合反应诱发，打开热水阀s 6 ，使用热水对装置内混合物料进行加 热，将反应物温度提高到大约4 0 左右。 ( 8 ) 开催化剂进料阀v 6 ，使其开度达到5 5 左右，使催化剂进料流量达到 8 8 k g h 左右。所加入的实际上是催化剂与活化剂的混合液，由于此时化学反应在 反应器内并未发生，而出口阀又处于打开状态，因此没有产品生成，只有能量及 物料损耗，所以这一过程要尽可能的短。 ( 9 ) 反应体系温度t l 上升至4 0 。c 左右时，关闭热水阀开关s 6 ，在s 6 关闭后 如果t l 的值没有下降，那就说明聚合反应已被成功诱发。丙烯聚合过程伴随着 强烈的放热效应，反应速率与反应温度之