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h y p o l 聚丙烯工艺先进控制系统的设计与实施 摘要 本论文回顾了工艺过程先进控制技术的发展及聚丙烯工艺技术 的发展，总结国内现有的聚丙烯工艺技术a p c ( a d v a n c e dp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 特点，针对前郭石化公司h y p o l 聚丙烯工艺的生产实际， 设计实施了该装置的先进控制系统。 文中介绍了h y p o l 聚丙烯工艺过程，分析了该系统的常规控制 回路，总结了设计过程中必要的工艺计算等一系列应用先进控制的 基础工作，提出了针对现场实践的a p c 的设计想法，完成了对于主 要工段多变量约束控制。优化聚合反应配方，探讨影响聚合反应的 因素，实现对聚合反应转化速率、转化率的软测量。并为优化操作、 优化控制奠定基础。 通过对于a p c 投用效果的分析，对于h y p o l 聚丙烯工艺装置、 结合自身特点采用以软仪表技术和多变量模型预测约束控制技术为 核心的先进过程控制( a p c ) ，使聚合釜系统得到了优化控制，为生 产调优提供了理论基础并得到实际应用，为聚丙烯的稳产、优产起 到积极的推动作用。 关键字：丙烯，聚合，先进控制，优化操作 a b 塞丝工盍堂工程亟堂僮途塞 符号说明 物理意义 组分的摩尔质量 组分的常压沸点 常压沸点下的液相摩尔体积 临界温度 临界压力 临界摩尔体积 偏心因子 a p e t r o n 方程中参数 组分液相热容计算公式参数 组分液相热容计算公式参数 组分液相焓计算公式参数 组分液相焓计算公式参数 组分液相焓计算公式参数 组分汽相热容计算公式参数 组分汽相热容计算公式参数 组分汽相焓计算公式参数 组分汽相焓计算公式参数 组分汽相焓计算公式参数 汽相焓 液相焓 符号物理意义 单位 k g k m o l k m k m 0 1 k k p a m 。k m o l 对 k j 单位 i i i j e 夔艮ed 翟目薪丽习疆寐葡莆 j e 立焦王盔堂王猩亟堂僮论塞 v j e 塞他王盔堂王猩亟堂僮迨塞 文献综述 1 1 工业过程先进控制技术发展简介【仆【7 】 在现实世界中，随着工业过程日益走向大型化、连续化、复杂化，很多系 统极其复杂，具有高度的非线形、强耦合性、不确定性、信息不完全性和大时 滞等特性，并存在苛刻的约束条件，使常规控制无法得到满意的控制效果，由 此先进的工业控制技术就应运而生，先进控制的目标就是为了解决那些采用常 规控制效果不佳甚至无法对付的复杂工业过程控制问题。先进控制的实现通常 需要足够的计算能力作为支持。其主要技术内容有：过程辨实技术，过程变量 的采集、处理和软测量技术，先进控制算法，如：传统的串级、比值、前馈控 制等和发展中的鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制等以及过程的故障检验、 预报、诊断和处理。 1 1 1 工业过程控制的发展回顾 对于过程控制的发展阶段，不同的专家和学者有着不同的见解，但大多数 学者认为过程控制大约经历了以下三个发展阶段( 见表1 ) 。 表1 ：工业控制发展的三个阶段 阶段第一阶段( 7 0 年代以前)第二阶段( 7 0 8 0 年代)第三阶段( 9 0 年代) 控制理论经典控制理论现代控制理论多学科交叉 控制1 二具 常规仪表d c s计算机网络 控制要求安全、平稳优质、高产、低耗市场预测、柔性生产、综 合管理 控制水平简单先进控制系统 c i p s 在七十年代以前，由于受到控制理论和控制工具的限制，过程工业的自动 化水平相对来讲比较。当时的控制理论主要是经典控制理论；所用到的控制工 j e 塞丝王太堂工程亟堂僮论塞 具主要是常规仪表。在控制系统方面，绝大多数是单变量的简单控制系统，但 对于复杂的对象，即对于高维，大时滞、严重非线行、耦合及严重不确定性现 象，上述的简单控制系统往往无能为力。从七十年代到八十年代，基于现代控 制理论的先进过程控制应运而生。出现先进过程控制的基础有：一是市场上先 进的控制工具如分散式控制系统( d c s ) 的出现与完善；二是现代控制理论的不 断发展与提高。 近年来，随着控制技术、计算机技术和通信技术的快速发展，出现了一种 新的控制系统，称之为现场总线系统( f i e l db u ss y s t e m ) 它的特点是全数字 化、全分散式、全开放、可互操作性和开放式互联网络，它克服了d c s 的一些缺 点，对自动控制系统的体系结构、设计方法、安装调试方法和产品结构方面产 生了身远的影响。 许多专家进一步研究发现，将控制、优化、调度、管理等集于一体的新的 控制模式并将信号处理技术、数据库技术、通信技术以及计算机网络技术进行 有机结合而发展起来的高级自动化具有更重要的意义，因此也就出现了所谓综 合自动化系统。这种系统成为计算机集成过程控制系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o c e s ss y s t e m ，简称c i p s ) ，可以认为是过程控制发展中的第三阶段。 1 1 2 先进控制所涉及的各学科简介 1 ) 自适应控制 自适应控制可以看作是一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制 系统以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。目前所研究的自适应控 制系统最基本的有两大类，即参考模型自适应控制系统和具有被控对象数学模 型在线辨识的自适应控制系统一般地说，自控制系统在航空、导弹和空间飞行 器的控制中很成功。但在工业过程控制应用中，传统的自适应控制并不如意。 2 ) 鲁棒控制 鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般 定义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。鲁棒控制 方法，是对时间域或频率域来说，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范 | e 塞丝工态堂王捏亟堂僮j 金塞 围。一些方法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。一般鲁棒控制系统 的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。鲁棒 控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用。同时过程的动态特性以 知且不确定因素的变化范围可以预估。过程控制应用中，某些控制系统可以用 鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且( 1 ) 不确定因素变化范围大；( 2 ) 稳定裕度小的对象。但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计 成功，就不需要太多的人工干预。另一方面，如果要升级或做重大调整，系统 就需要重新计。 3 3 ) 最优控制 最优控制是现代控制理论的的一个重要组成部分。成功应用于航天航空和 军事领域，在许多方面改变了人i r 的生活。一个典型的最优控制问题描述如下： 被控制系统的状态方程和初始条件给定，同时给定目标函数。然后寻找一个可 行的控制方法使系统从输出状态过度到目标状态，并达到最优的性能指标。动 态规划、最大值原理和变分法是最优控制理论的基本内容和常用方法。庞特里 亚金极大值原理和贝尔曼动态规划是在约束条件下获得最优解的两个强有力的 工具，应用于大部分最优控制问题。在实际应用中，最优控制很适用于航天航 空和军事等领域，例如空间飞行器的登月、火箭的飞行控制和防御导弹的导弹 封锁。工业系统中也有一些最优控制的应用，例如生物工程系统中细菌数量的 控制等。然而，绝大多数过程控制问题都和流量、压力、温度和液位的控制有 关，用传统的最优控制技术来控制它们并不合适。 4 ) 智能控制 智能控制是现代控制技术的又一个重要领域。关于智能控制有不同的定义。 参考一个应用各种人工智能技术的范例，智能控制可以包括如下几种方法： ( i ) 学习控制系统； ( 2 ) 专家系统； ( 3 ) 模糊控制； ( 4 ) 神经网络控制； ( 5 ) 智能控制的混合方法。 ( 1 ) 学习控制系统 学习控制系统采用模式识别技术获得控制回路当前的状态然后根据回 路状态和储存的历史信息和经验知识作出控制决定。由于学习控制系统受储存 的知识的限制，它至今还没有得到广泛的应用。 ( 2 ) 专家系统 专家系统是将专家系统的理论与技术同控制理论与技术相合，在未知环境 下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。专家控制系统使用一个知识库来做 出控制决定。知识库由专家的经验知识，在线获得的系统信息和推理机组成。 它适用于生产计划、调度和故障诊断等决策问题。但不适用于解决连续控制问 题。 ( 3 ) 模糊控制 与学习控制系统和专家系统不同，模糊控制以模糊集合论、模糊语言变量 及模糊逻辑推理为基础，模拟人的近似推理和决策过程。目前，在工业上投入 的模糊控制器，大都有一组模糊规则组成，通过一定的模糊推理机制确定控制 作用。大量的工程实践表明，模糊控制主要适用于那些由于非线形和其他建模 复杂性引起的结构或参数未建模的系统的控制。基于精确数学模型的控制方法 相比，模糊控制在处理不精确、控制具有高度不确定性的复杂系统时具有的优 越性。虽然模糊控制己得到了广泛的应用，但模糊控制理论研究远未达到相当 完善的地步。对于自适应模糊控制的稳定性、鲁棒性和全局性缺乏有效的数学 分析手段。因此，在未来的研究工作中，有必要研究模糊控制和辩识的基本理 论问题。 ( 4 ) 神经网络控制 神经网络控制是一种使用人工神经网络的控制方法。以非线形大规模并行 处理为主要特征的神经网络，以生物生物神经网络为模拟基础，试图模拟人的 形象思维以及学习和获取知识的能力，他具有学习、记忆、联想、容错、并行 处理等种种能力，己在控制领域得到了广泛的应用。目前提出的基于神经网络 的控制方案有多种。主要包括：神经网络系统辩识、神经网络监督与评价学习 控制、神经网络非线形控制、神经网络自适应控制等。 j e 塞焦王盔堂王猩亟堂僮迨塞 层以上p p 生产的多层烯烃树脂的层合材料构成，该层合材料显示出优异的低温 热封合性和在不使用粘合剂等的情况下达到充分的层间强度。 4 ) 巴西p 0 1 i b r a s i l 公司也在计划提高p p 生产能力，b a s e l l 公司和巴西 s u z a n o p e t r o q u i m i c a 公司的一家合资公司p o l i b r a s i l 公司在扩建p p 装置，使其 生产能力达到3 0 o t y t a ，计划在2 0 0 4 年7 月首先投产1 0 o 万t a 。p o l i b r a s i l 公 司还将建设1 套3 5 万t a 的p p 复合装置，计划在2 0 0 4 年6 月后开始投产，这样使其 出口达至u 2 0 0 3 年的6 o 万t a ，还可以代替4 o 万t a 的进口量。据悉，p o l i b r a s i l 公司在c a p u a v a 石化综合企业的1 套3 0 o 万t a s p h e r i p o l 技术的p p 新装置最近己 开始运转。 5 ) 印度尼西亚t r i p o l y t a 公司期望在2 0 0 7 年之前将其p p 生产能力扩大1 5 o 万t a ， 届时其p p 产能达3 0 0 万t a 。t r i p o l y t a 公司是印度尼西亚国最大的公司。据悉， 另一家p p 企业可能建设另一套1 5 o 万t a 的装置，以满足2 0 0 7 年的需求。该国共 有3 家p p 生产企业，总生产能力为6 0 5 万t a 。2 0 0 2 年该国对p p 的需求量为6 8 7 万t a 。 6 ) 沙特阿拉伯聚丙烯公司计划投资5 3 3 亿美元，在a l j u b a i l 建设1 套p p 新装 置，a b b l u m m u s 全球公司被指定作为项目的技术合作者。该装置将采用c a t o f i n 丙烷脱氢工艺和n o v o l e n 聚合工艺生产，其生产能力为4 5 万t a 。据悉，韩国三星 工程公司是这套装置的承包商，原计划在2 0 0 3 年开工，丙烷原料由沙特阿拉伯一 美国石油公司提供。据初步统计，世界新增的p p 装置约有1 6 套，大部分在2 0 0 2 年 己建成，新增加产能2 9 4 万t a ，其中在亚洲占5 2 6 。 1 2 2 国内概况 1 2 2 1 生产情况 到2 0 0 2 年底，我国p p 生产厂约7 0 家，其中连续法工艺p p 装置3 0 套，生产能力 为2 7 7 5 万t a ，间歇法小本体装置1 0 6 套，生产能力大约为9 4 7 万t a ，总生产能 力大约为3 7 2 2 万t a 。2 0 0 3 年我国生产和消费发展异常迅速，产量达4 6 2 8 2 万t ， 创历史最高记录，l l 2 0 0 2 年增长1 3 8 ：2 0 0 4 年1 月份产量达3 7 5 万t ，同比增 长7 1 ：2 0 0 4 年达至u 4 7 0 万t a ，消费量将达到7 3 0 万t a 。我国p p 工业起步较晚， j e 夏他工丕堂王程亟堂焦迨塞 但生产工艺进步较快，2 0 世纪8 0 年代引进了1 0 套装置，1 9 9 8 年应用北京工程公司 技术建设的5 套生产能力为7 万t a 的环管法p p 装置投产，标志着我国p p 工业已进 入新的发展阶段。北京燕山石油化工公司采用美国阿莫科技术建设的2 0 万t a p p 装置于1 9 9 8 年投产，于2 0 0 1 年改扩到2 8 万t a ，可生产均聚物、无规共聚物和冲击 共聚物等各种专用料计5 5 个牌号。我国已能设计液相气相本体法p p 装置，并开 发了相应的催化剂，还向国外转让p p 催化剂技术。连续法生产工艺主要采用日本 三井油化公司的液相本体法一气相法工艺和h i m o n t 的液相本体法一气相法工艺。 “十五”前3 年p p 产量年均增长1 4 4 ，尽管增长很快，仍然不能满足国内市场的 需求。2 0 0 2 年我国进口p p 2 4 4 2 3 万t ，比上年增长1 7 。2 0 0 2 年我国p p 表观消费量 为6 1 7 1 5 万t ，比上年增长1 5 0 6 ，同比增长6 6 4 9 。2 0 0 3 年进h p p 2 7 3 4 万t ， 为历史最高记录，l l 2 0 0 2 年增长1 1 9 ，进口约占当年国内消费量的3 9 。2 0 0 3 年 我国表观消费量达6 9 9 万t ，创历史最高记录，l l 2 0 0 0 年增长4 0 8 。专家预测，我 国p p 在2 0 1 0 年的生产能力、需求量和缺口量将为( 万t a ) ：6 2 9 ，1 2 8 0 ，6 5 1 。如果 考虑到各种因素，预计我国p p 的综合增长率将达9 1 0 5 。在消费方面，我国 p p 绝大部分用于制造塑料制品，小部分用于制造丙纶纤维。塑料制品消费约占总 p p 消费量的9 4 ：在p p 塑料制品中，注射制品( 包括周转箱、洗衣机桶) 约占1 8 ， 薄膜占1 2 ，应用领域在不断拓展，汽车工业中的需求量也在增加。 1 2 2 2 新、扩建近况 1 ) 中石化大庆炼化分公司在2 0 0 3 年已把p p 作为重点建设项目，他们的建设目标 是：“建设世界级聚丙烯和油田化学品基地”，目前他们约新增3 0 万t a p p 生产能 力。 2 ) 中石油公司为3 套p p 新装置选中了b a s e l l 公司的s p h e r i p o l t 艺，在中国建设 总计为8 0 万t a 的p p 装置。目前我国是世界上p p 市场增长最快的，2 0 0 3 年3 月签订 了在大庆、兰州和大连兴建这3 套装置的协议。在过去的2 0 年，在世界范围内所 有p p 新项目中，几乎有5 0 的企业采用这 s p h e r i p o l i 艺。预计大庆和兰州p p 项目生产能力各为3 0 万t a ，大连为2 0 万t a 。 3 ) 扬子石化公司于2 0 0 2 年已新建成并投产的2 0 万t a p p 装置是采用我国自主开 发的n g 催化剂工业化取得成功的，其经济效益达3 5 0 0 万元。用于2 0 万t a p p 装置 j e 盏业王盔堂王程亟堂僮途塞 助于催化剂各组分的分散，提高液体催化剂的流动性，由冷凝剂引起聚合物溶胀 更有利于反应物颗粒内催化剂扩散，提高了催化剂的生产率和产品的均匀度。 ( 催化剂以液体形式导入流化床反应器，首先提供了一个简单、方便和有效地制 备和引入催化剂的方法，当使用1 种以上的催化剂时，与负载催化剂相比，其制备 和注入过程更是大大简化。) 催化剂允许以液体形式进入反应器，拓宽了气相法 工艺运用催化剂的范围，原来难以负载或在聚合反应温度和压力下呈现液体态 的催化剂现在能用于气相法工艺了。 由于不需要负载材料，更省去了浸渍活性 催化剂复杂而费时的过程。 同时由于不使用负载催化剂，消除了来自载体催化剂的灰分，从而提高了产 品质量、聚丙烯薄膜的透明度并可消除鱼眼。+ 液体催化剂更适合于冷凝一超冷 凝态技术，更有利于液体催化剂在反应器中均匀渗透和聚合反应散热，两者结合 可最大限度地降低成本、提供效益 1 0 。用普通的烷基铝助催化剂时，发现 a 1 2 0 3 、m g c l 2 、m g f 2 、c a f 2 和a i f 3 ) 丑作载体时，茂金属催化剂很容易被烷基铝活 化，而负载催化剂在这种条件下对丙烯聚合没有催化活性，但是s i 0 2 用少量 m a 0 ( 三甲氧基铝) 处理后，所得到的载体催化剂用烷基铝引发对丙烯聚合却有相 当高的活性，负载化可改善茂金属催化剂的稳定性和聚合物的颗粒形态：用m a o 改性后的s i 0 2 用来负载n a c ( c h 3 ) 2 s i 2 ，4 一( c h 2 ) 2 c 6 1 t 3 - 11 3 ，5 ( c h 3 ) 2 c 6 h 3 z r c l 2 并用于催化丙烯聚合，与均相体系相比，所得的等规p p 的分子量表观密度、 s i 0 2 表面的茂金属催化剂活性组分和寿命都大大提高了。丙烯聚合后，由于侧甲 基在p p 复链上分布不同，产生了等规、间规和无规3 种立体构型。所以丙烯聚合 催化剂不仅要求高活性，还要求高立体选择性或立体向性。由某些内消旋过渡茂 金属及衍生物和甲基铝氧烷组成的均相可溶性催化剂系列得到的p p 结构是随机 的：而由非均相z j e g l e r n a t t a 载体催化剂得到的p p 含有较多的嵌段物，开发能 选择性地生产不同等规指数的、低等规p p 的立体型，采用非均相催化剂更具有工 艺意义。采用卤化试齐u h l ( ；1 3 使用二乙基镁氯化制备载体，再用t i c l 4 进行载钛， 得到的这种p p 聚合催化剂，经液相本体化丙烯聚合工艺生产表明，此催化剂活性 为3 0 6 0 k g g ，全聚物在沸庚烷中不溶部分为1 3 3 0 1 1 。 m o n t e l l 公司对z i e g l e r n a t t a 新的开发研究一直在进行，1 9 9 8 年开发了催 化合金( c a t a l l o y ) 工艺，后来又开始了高性能合金( h i v a l l o y ) 工艺研究。这两种 j e 瘟丝王盍堂工程亟堂鱼迨塞 工艺为s p h e r i p 0 1 工艺的扩展，部分等规茂金属催化剂已实现了工业化。由于茂 金属催化剂具有单活性中心的特性，可以更精确地控制分子量、分子量分布、分 子链和晶体结构以及共聚单体在聚合物中的加入方式，可以生产出超刚性p p 、高 透明抗冲击聚合物等。这两方面取得较好成绩的有e x x o n 、f i n a 、a i i l o c o 、d o w 和u c c 等公司。m o n t e l l 公司更主张在z i e g l e r - n a t t a 催化剂的基础上进行改进并 走两者结合的道路，即把第4 代z i e 9 1 e r n a t t a 催化剂的优点和茂金属催化剂相 结合，在得到高等规指数聚合物的同时，也可取得较宽的分子量分布，便于聚丙 烯树脂的后续加工应用。b a s e l l 公司开发了新型z i e g l e r _ n a t t a 丙烯聚合催化剂， 采用二醚类给电子体，催化剂产率可达到9 0 k g g 。在较高的温度和压力下，用新 催化剂能使嵌段共聚物中p p 段有较好的等规指数，因为结晶度提高。即使m i 很高 时p p 刚性也很好，非常适合于生产洗衣机内桶的专用牌号。1 9 9 9 年开发的这种用 二醚类作内给电子体的第5 代催化剂与邻苯二甲酸作内给电子体的第四代催化 剂相比，产品收率可提高4 0 5 0 。b a s e l l 公司开发的含琥珀酸酯的新一代催化 剂在2 0 0 3 年实现了工业化，现在已在意大利和荷兰的p p 装置上运行 8 。中国石 油化工公司北京化工研究院和北京市奥达石化新技术开发中心开发了第三代载 体型高效n 催化剂，现已广泛应用于国内外p p 生产中。( 间歇式液相本体工艺， 三乙基铝以及硅烷在室温下加入聚合釜，通入丙烷后，由室温升至7 0 大约要 0 5 h ，催化剂预络合和预聚比较充分，所以催化剂活性可达4 0 5 0 k g g ，预聚合 细粉小于0 1 。) 应用于b a s e l l 公司的s p h e r i p o l 环管工艺。首先在催化剂作用 下将三乙基铝与硅烷进行预聚合，温度在l o 、停留时间o 5 h ，然后在小环管进 行预聚，温度为1 2 2 0 停留时间4 1 2 m i n ，预聚倍率2 0 0 左右。催化剂活性达 2 5 3 5 k g g ，预聚合细粉小于o 1 ：术三井油化公司的h y p o l 连续釜式工艺，催化 剂和少量三乙基铝、外给电子体及定量丙烯在预聚釜中进行预聚。预聚合细粉 较多为o 2 ：a m o c o 公司卧式气相搅拌釜工艺，催化剂分散在矿物油中形成复层， 虽然没有预聚过程，但是由于釜中气相p p 聚合速度受到了传质速度的限制，使前 期聚合反应速度受到了有效控制，p p 细粉比上述工艺多，为o 3 。由于没有预聚 过程，原料杂质对催化剂活性影响较大。与u c c 公司合并后的d o w 化学公司，开发 了一种新一代z i e g l e r n a t t a 催化剂s h a c 3 3 0 ，进一步提高了对产品形态的控制 能力，不需要投资即可使装置产量提高1 5 2 5 。大量新型z i e 9 1 e r 州a t t a 催化 1 4 j e 立丝王太堂王捏亟堂僮i 金塞 剂的不断开发，预示在该领域的潜能还没有充分开发。除产率外，成功的因素还 包括催化剂技术的应用，最近b a s e l l 公司开发了含琥珀酸酯和二醚类的催化剂。 茂金属催化剂也渐渐显示出用于生产特殊产品如间规立构p p ( s p p ) 的潜力。 1 2 4 生产技术进展和新产品 i ) 美国制造商p r o s t s t 公司与以色列r a l f a 的树脂生产商c a r m e i 烯烃公司合作开 发出一种新型的p p ，这种用静电控制技术生产出的p p 可以用于电子、医药和航天 航空领域。它们的技术需要对聚合物本身进行改性，并与专有的添加剂和复合技 术相结合。获得的材料其特征是：稳定表面电阻1 0 7 1 0 9 0 ，此值不依赖于温度。 它们将与典型的表面电阻值大约为1 0 4 0 的碳填充的聚烯烃及p s 相竞争，也可以 与含有传统有机添加剂的抗静电复合物竞争。这种用于注塑、挤出和热成型的 n o v a e l e c t r o p 0 1 y m e r 复合物由p r o s t a t g s 公司在国际上销售。 2 ) 在汽车工业方面，已研究出p p 许多新的用途，现已看到长玻璃纤维( l f t 或 n e p o l 技术) 具有用于结构部件的潜能。p p 直接代替金属，除质量降低外( 虽然 2 0 4 0 9 6 玻璃含量的密度比未填充p p 的密度高，但它还大大低于金属的密度) ， 其优势不仅在于耐腐蚀，还包括部件的简单化和快速化生产。这对于汽车底部部 件是重要的，除前端装配托架外，目前它是最重要的应用之一。有的材料如 b o r e a l i s 的h j 0 0 6 0 u b 材料能够达到5 0 0 0 m p a 以上的刚度，汽车外部设计如车身 镶板的扩大应用也在进行试验。3 ) 武汉石化公司开发了一种新的双向拉伸p p ， 它是目前发展很快的一类新型透明高级包装材料，广泛应用于医药、烟草包装和 电容器膜等领域。为了方便运输和保存，在提高抗氧化、抗老化及加工性能方面， 他们在p p 粉料产出后都添加了抗静电剂和抗氧剂。 4 ) 北京燕山石化公司目前可生产p p 专用料牌号达1 4 0 余种，率先开发出洗衣机、 管材等高附加值的p p 专用料，洗衣机料已占有全国5 0 的市场：在新产品中，烟膜 专用料、输液瓶料，目前只有他们具备此项生产技术：高附加值着色管材料 p p 4 2 2 0 已进入工业化生产。 5 ) 青岛大成公司开发出抗菌p p r 管材自动化生产线，采用三台挤出机通过螺旋 机分配、共挤、复合成型等先进技术，使纳米抗菌与p pr 料共混，均匀地包覆在 9 ) 在国外已开发出纯p p 合成材料p u r e ，以满足2 0 1 5 年9 5 的汽车材料必须应用可 循环使用的要求。平常汽车工业使用玻璃纤维增强p p 制造汽车保险杠和底盘， 但不能循环使用，用p u r e 增强p p 纤维代替玻璃纤维增强材料，其性能与前者完全 相同，但可循环使用。这种材料还可制成轻质传统产品的替代品，织成布、加工 成板材或部件，耐磨性能很高。 1 0 ) 天津石化公司开发出环管工艺生产的高流动性、抗冲击的共聚p p 注塑专用料 系列产品，具有一系列优良特性，可广泛应用于家电、洗衣机、摩托车和汽车配 件等大型薄壁所需的注塑制品。这类共聚p p e 产难度大，技术含量高，多年来市 场一直被日本、韩国和新加坡等外国公司占据。新产品为熔体流动速率达到 2 7 9 1 0 m i n 的高流动性共聚物。他们开发的透明p p 料可以用于制造微波炉、一次 性餐具，具有优异的价格性能比，市场份额在迅速增长。 1 1 ) 世界最大的p p 生产公司h i m o n t 开发的新“c a t a l l o y ”聚合技术，使p p 性能得 到大幅度改善和提高，它可以在反应中直接生产出改性的p p 合金，提高t p p 的油 液性、耐刮性和耐热性。该公司开发的第1 个在反应器中改性的聚烯烃h i a x 热塑 性弹性体，其弯曲模量为1 0 3 7 5 8 m p a ，适合于汽车保险杠横梁，可以取代其它塑 料。目前，某些品级的p p 己能同聚氨酯和聚碳酸酯市场相抗衡。 1 3 国内聚丙烯先进控制技术发展简介 1 0 l 一 2 3 1 先进控制技术即apc ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，a p c 系统是将化工 工艺、化学工程、计算机、仪表、过程控制理论与先进控制技术进行有机结合 而形成的一种新型控制系统，它位于常规自动控制之上，主要包括约束控制、 计算推断控制和前馈控制等。目前应用最为广泛的是多变量预估控制技术 ( m p c ) 。随着工艺过程数学模型的开发，d c s 控制系统的广泛应用，基于数学模 型的a p c 在炼油装置上的应用已成必然趋势。国际上，对炼厂装置实施先进控制 和优化的技术已经成熟且商品化，实施的工程化方法也已经逐步规范。国外大 多数炼油公司的大型骨干炼油装置均己采用了a p e 技术，取得了明显的经济效 益。一般投用a p c 技术典型回报率达i 0 0 。投资回收期在一年到半年左右。 我国石油行业与国外大公司竞争日趋激烈，技术含量寓于产品之中，产品 之间的竞争其实质是科技实力竞争。利用先进的科学技术提高装置操作管理水 平，获得更大的经济效益与社会效益，己成为我国石化企业迫切需要解决的问 题。我国石油行业将a p c 技术的推广应用作为提高经济效益、消除生产“瓶颈”、 挖潜增效的重要手段之一。目前，随着d c s 的广泛应用，我国石油行业的生产过 程控制水平有了很大的提高。但是，多数d c s 仍然停留在常规的控制方法( p i d ) ， 没有充分发挥其功能，单元或装置基于模型的先进控制与优化生产远未实现， 同国外先进水平相比还存在差距。国内外许多石化公司实践证明，提高生产过 程控制和管理技术水平是一条少投入、多产出、挖潜增效的有效途径。 1 3 1 聚丙烯装置a p c 基本内容 如前所述聚丙烯聚合反应机理复杂，关系到产品质量的熔融指数、浆液浓 度和反应器产率等重要工艺参数不能进行在线测量，在一定程度上影响了生产 的稳定和产品质量的提高。在原有工艺和设备不变的条件下，在d c s 系统基础上 实施a p c 有利于提高聚丙烯产品的产量、质量，降低物耗、能耗、提高经济效益。 国内有燕山、扬子和上海石化为代表的不同类型的聚丙烯装置上实施了a p c 技术，其中燕山和扬子石化采用的是气相或液气相结合的本体法聚合工艺，上 海石化采用的是h i m o n t 公司的工艺，聚合反应在两个串连的环管反应器中进行， 该装置采用的是h o n y w e l l 公司的先进过程控制系统，该项目是国内首次在在 h o n e y w e l lt d c 一3 0 0 0 系统上，采用h h s s 公司的软件包，进行二次开发后实现国 产化单环管装置的先进过程控制。同时该项目完全国内技术人员第一次自行开 发实施成功的，它也是国产化环管法聚丙烯装置第一个完成技术开发和装置投 用的，同类的himont 工艺现已实旋apc 的装置还有武汉石化聚丙烯和 九江石化聚丙烯。 归纳现有工艺聚丙烯装置的主要生产瓶颈和制约因素为：反应器稳定性不 够、反应器产品质量指标难以严格控制、在产品牌号切换过程中产品优级品率 难以控制。经与有关专家多次讨论确定a p c 的主要手段包括：增加产量、提高生 j e 塞丝王太堂王捏亟堂僮论塞 产率、提高全年运行时间、生产高质量均聚物产品。增加产量主要通过减少主 要控制参数的波动，并合理地设定控制器的目标值，使其接近生产操作设定值： 高效率的利用原材料( 单体、催化剂等) ，控制主要反应的操作条件在其特定的 设计水平、并尽量缩短不同产品牌号和切换过程所需的时间；改善控制性能、 监视那些无法测知的的计算变量的波动( 如浆液浓度) ，减少物流堵塞的次数， 减少非计划停工；严格控$ i j m f r 的范围，预估聚合反应器的m f r 值，实现生产各 种聚丙烯产品的操作指导。 针对以上工艺特点，聚丙烯a p c 的软件系统主要组成部分通常为：a p c 推理 计算、基本控制策略、m f r 关联计算。其主要结构如下： a p c 推理计算部分主要有：计算反应器质量流量，主要计算变量包括：反应 器的总进料量、各纯组份物流迸料量、各纯组份物流流出量；计算反应器传热 系数以及时发现反应器撤热的约束，在扰动发生后及时调整反应器热负荷；通 过反应过程能量平衡计算聚合物产率；计算反应器固体浓度以控制反应器的固 体浓度，同时还包含浆液质量、聚合物质量计算等等；催化剂活性计算包括基 本活性、当前活性、平均活性和每小时活性；氢浓度、丙烯浓度和丙烷浓度计 算；t 卧l d o n o r 计算达到控制反应器中可溶性二甲苯的含量，提高产品质量； 此外还有计算质量平衡修正能量平衡。 a p c 系统采用了鲁棒p i d 技术及相关的约束控制技术，用到的主要工具软件 包括：过程信号确认、分析仪预估器、约束控制器、约束监视器、起动监视器、 r p d 控制器、数字积分技术、多用途滤波器等。其主要控制策略包括反应器 ( r 2 0 1 ) 温度控制、固体浓度控制、产率控制和氢浓度控制等 a p c 系统通过m f r 在线实时计算与预报技术，来解决m f r 波动对生产操作的影 响。 a p c 技术应用表明a p c 推理计算软件结构合理，计算结果准确，计算速度小 于4 秒。主要计算变量的误差在7 ，投用率1 0 0 。a p c 闭环控制效果良好，投 用工业化的有反应器温度控制、反应器固体浓度控制、氢气浓度控制、总产率 控制和t e a l d o n o r 比率控制。m f r 关联计算模型投入工业化运行改善了对m f r 的 监测与控制，使产品质量得到了保证。同时，本系统的人机界面比较简单，操 j e 瘟丛王太堂王捏亟堂僮途塞 作人员可以非常容易地访问计算软件的计算结果。下表是武汉石化聚丙烯a p c 项目实施前后的考核结果。 表2 武汉石化聚丙烯a p c 项目考核结果 内容a p c 前的值 a p c 目标值a p c 投用后 1 产率控制t h 10 5 0 51 1 3 o 3 1 1 9 4 0 2 6 2 固体浓度控制k g m 3 ( 密度控制) 5 6 0 45 6 2 3 0 5 6 2 2 2 3 m f r 关联计算( 一个牌号) 31 0 1 4 环管氢气浓度 2 3 7 4 p p m 5 温度控制 7 0 4 - 0 27 0 o 1 7 0 士0 0 5 1 3 2 聚丙烯装置a p c 主要特点 ( 1 ) 采用软仪表技术。基于能量和物料平衡建立工艺计算模型，在线计算产率、 浆液浓度、传热系数、液相中氢气浓度、h ，m a r ，压力补偿温度( p c t ) 等重要被 控变量。 ( 2 ) 计算模型和控制系统覆盖面广，应适用于不同牌号产品的生产。 ( 3 ) 采用比例积分( p i ) 校j 下调节器( r c ) 。用物料平衡计算产率( 有时延) 与热 平衡计算产率的偏差，作为p i 校正调节器的过程变量( p v ) 值，给定值( s p ) 为零，调节器输出值( o p ) 作为产率校正偏置值( b i a s ) ，并根据权重数在线校 正，提高计算效果。 ( 4 ) 阶跃试验难度大，很难得到动态数学模型。采用辨识方法得到可用的动态数 学模型，阶跃信号必须充分激励( 一般需几倍的噪音信号) ，而聚丙烯生产的 特点和安全性不允许这样做。 ( 5 ) 大滞延控制系统。聚丙烯反应系统控制是一个带纯滞延的控制系统。a p c 采 用了大量的前馈和超驰约束控制技术。 ( 6 ) 关键仪表可靠性和精度要高。应用先进控制技术是一项系统工程，它能否长 期使用在很大程度上反映了一个企业基础仪表工作的“三率”水平( 完好率、 准确率和自控投用率) 。a p c 应确保催化剂计量和调节，确保氢气、丙烯、夹套 j e 夏丝王盍堂工程亟堂焦论塞 冷却水及冷凝冷却水的质量流量表和调节阀以及在线气相工业色谱仪等关键仪 表的可靠性和精度。 ( 7 ) 牌号切换控制。a p c 可减少牌号切换时间和过渡料，为企业创造更大效益。 ( 8 ) p v 的滤波和合理性检验。为保证a p c 运行安全可靠，抑制干扰信号，及时判 断仪表故障，并对坏值及时进行处理，使其不能对a p c 系统产生严重影响，对p v 进行滤波和合理性检验是必不可少的。 ( 9 ) 安全性。a p c 提高了装置操作的安全性，它与常规控制可实现双向无干扰动 切换，操作界面更加方便简单。 1 4 论文选题的目的与意义 随着计算机技术的进步和普及以及工业生产过程的现代化，人们对工业过 程控制的自动化水平要求越来越高。实际上，动态矩阵控制( d m c ) 算法自二十 世纪七十年代末问世以来，以模型预测控制( b l p c ) 为核心的先进控制技术在工 业过程控制领域已经得到了极大的应用与发展。并且其应用的范围和对象在不 断扩大，尤其在石油、化工、冶金、电力等大型工业过程实旌先进控制的工业 装置的数目在迅猛增加，大大地提高工业生产装置的平稳性和自动化程度。 中国石油天然气股份有限公司前郭石化分公司的四万吨年聚丙烯装置是 日本三井油化h y p o l 工艺技术，由北京石化工程公司承包设计，采用两个液相 釜和一个气相釜的连续本体聚合工艺，可以生产注塑级、薄膜级、窄带级、纤 维级和吹塑级共2 3 个牌号的均聚产品，使用主催化剂、活化剂、给电子体三种 催化剂组成的络合催化体系生产出聚丙烯粉料，经过造粒加入不同的稳定剂， 制成粒料成品。主要工艺流程由原料精制、催化剂配置、聚合、干燥、造粒及 包装六个工序组成。 其中丙烯聚合过程是整个聚丙烯装置的最核心单元。它属于一个机理极为 复杂、耦合相当严重、时滞大、强放热、高度非线性的多变量工业控制过程对 象。为了进一步改善生产装置的运行水平、减小波动、稳定负荷、提高产品质 量和操作平稳性、增加经济效益，对聚丙烯装置的这一关键工艺过程聚合 2 1 j e 鏖丝工太堂王猩亟堂鱼途塞 二h y p o l 聚丙烯装置工艺简介 前郭石化聚丙烯装置采用的是日本三井油化的h y p o l 工艺技术。原料丙烯 经过精制合格后经两液一气反应釜在高效催化剂体系( c s 一1 、a t 、d d s ) 和分子 量调解剂( h 2 ) 的作用下生成聚丙烯( p p ) 粉末，聚丙烯粉末经过干燥、去活 与添加剂混合造粒，最后包装成袋储存或出售。工艺原则简图( 图2 1 ) 如下： 图2 1 装置原则简图 设计的焦点是提高整个聚合工段的操作性能。 2 1 聚合工段描述 聚合工段流程图如图2 2 所示。 j b 衷丝王：态堂王程亟堂位途奎 图2 2 聚合工段流程图 聚合工段所包括的装置设备如下： 第一反应器( 1 ) - 2 0 1 ) 第二反应器( d - 2 0 2 ) 第三反应器( d 一2 0 3 ) 丙烯循环罐( d - 2 0 8 ) 第三反应器循环风机( c 一2 0 3 ) 丙烯循环泵( p - 2 0 3 a b ) p - 2 0 9 来的精丙烯经f i q 2 9 1 计量后，一部分经调节阀f i c 2 1 3 、f i c 2 1 9 进入 d - 2 0 1 ，一部分经调节阀l i c 2 8 0 控制进入d - 2 0 8 。d - 2 0 8 中丙烯经p - 2 0 3 抽出， 分别经调节阀f i c 2 1 7 、f i c 2 2 7 控制进入d2 0 1 、d 一2 0 2 中。 催化剂( 经f i c l 3 0 控制) 、活化剂( 经f r c l 4 1 控制) 、d d s ( 经f r c l 4 2 控 制) 从d - 2 0 1 进入到反应系统，引发丙烯单体聚合，形成聚丙烯固体与丙烯液 体的浆液体系。 d - 2 0 1 温度控制在6 9 ，压力为2 9 5 f f p a ；d - 2 0 2 温度控制在6 2 。c ，压力为 j b 京丝王态堂工程亟堂僮途塞 2 5 5 m p a ；d - 2 0 3 温度控制在7 7 ，压力为1 7 m p a 。靠压差作用，d - 2 0 1 中的浆 液流入到d - 2 0 2 ，i ) - 2 0 2 中的浆液流入到9 - 2 0 3 。浆液在d - 2 0 3 中闪蒸，液相丙 烯汽化，经e - 2 0 8 冷凝成液相流入至d - 2 0 8 中。固体聚丙烯粉末下落，被c - 2 0 3 产生的循环丙烯气流化，与d - 2 0 3 中的汽相丙烯进一步反应。氢气分别经 f i c 2 1 4 a b c 、f i c 2 2 4 a b c 、f i c 2 3 7 a b 控制进入到1 ) - 2 0 1 、d - 2 0 2 、9 - 2 0 3 中 调节聚丙烯的分子量。 最后粉料从d 一2 0 3 的底部喷至d - 2 0 6 ，经d - 2 0 6 至3 0 0 工段。d - 2 0 6 中喷料 产生的丙烯气、氢气和d - 2 0 8 顶部排向i ) - 2 0 6 的丙烯气、氢气经c - 2 0 6 压缩打 入d 一2 0 3 中。 2 2d - 2 0 1 流程描述 d - 2 0 1 流程图如图2 3 d - 2 0 1 所包括的装置设备如下 图2 3d 一2 0 1 流程图 | e 瘟丝王太堂王捏砸堂僮途塞 第一反应器( d 2 0 1 ) 第一反应器雾沫分离罐( d - 2 1 1 ) 第一反应器循环风机( c 2 0 1 a b ) 第一反应器冷凝器( e - 2 0 1 ) 丙烯冷却器( e 2 1 9 ) n a d 一2 0 1 ( 第一反应器) 中液相丙烯( 来自p - - 2 0 9 ) 由f i c - - 2 1 3 控制加入，一部分作 为液位计和搅拌器冲洗之用，主要部分分为三路：一路为f i c v - - 2 1 3 ，另一路为f i c 一 2 1 9 ，以及f g - - 2 1 0 a b 先经e 一2 1 9 将丙烯冷却至1 0 。c 左右在主- - c a t 和o f c a t 的夹套 加入d 一2 0 1 ，f g 2 1 0 a b 作为备用催化剂管的冲洗之用，催化剂管线为两根，一根使用， 一根备用。 丙烯聚合属丁- 放热反应，这部分由f i c 一2 1 0 控制夹套冷却水流量以及由t r c z - - 2 1 0 控制蒸发一冷却一回流系统来移去。而在开车时需升温，这由f i c 一2 1 0 控制夹套热水流 量来控制。 蒸发一冷却一回流系统的流程如下：由d 一2 0 1 项部出来的循环气经反应器顶部冷凝 器( e 一2 0 1 ) 内冷凝冷却后，冷凝液通过u 形管流回反应器，a t 一催化剂随这部分丙烯 一起加入d 一2 0 1 ，不凝气经雾沫分离罐( d 一2 2 1 ) 分离冷凝，凝液加入u 形管，气相由 顶部出来由循环气鼓风机( c - - 2 0 1 a b ) 循环同d 一2 0 1 ，反应所需氢气由f l c 一2 1 4 控制， 以及由c 一2 0 8 循环回来的循环氢气由f i c - - 2 8 2 控制c 2 0 8 入口及p i c z 2 8 1 控制出口量 加入c 一2 0 1 入口，由c 一2 0 l 送入d 一2 0 1 ( 现c 2 0 8 停运) 。c 一2 0 1 风量由f i c 一2 1 5 控制由c - - 2 0 1 出口进入d 一2 0 1 循环气的量来控制。 另外一部分由p 一2 0 3 循环回来的液相丙烯由f i c 一2 1 7 控