（通信与信息系统专业论文）基于labview的聚酯工艺培训过程模型与仿真.pdf

摘要 摘要 聚酯作为化纤、胶片片基、软饮料瓶等产品的重要原料，用途十分广泛。由于聚酯反 应过程机理复杂，存在大滞后、非线性、时变性等特点，各反应釜工艺操作条件对出口质 量指标影响较大，工艺操作复杂。因此，为了稳定生产i 提高产品质量，研制开发聚酯生 产工艺的仿真培训系统非常必要。 生产过程模型化是培训系统的核心，本文以诺伊公司的三釜聚酯生产流程为对象，分 析了酯化釜、预缩聚釜和终缩聚釜的特点及反应机理。以机理模型为框架，应用l a b v i e w 工具分别建立了酯化釜、预缩聚釜、终聚釜出口产品质量指标软测量模型，开发出了聚酯 产品关键质量指标端羧基、酯化率、二甘醇( d e g ) 、聚合度、粘度、数均分子量等指标 软测量系统。 以模型为基础，本文还探讨了工艺操作条件温度t 、压力p 、摩尔比m e t 和传质系 数对以上质量指标的影响，与现场生产对比得到正确的分析结果。为了进一步提高所建模 型精度，扩大模型适用性，本文采用现场的化验分析数据和优化技术，修正模型参数。 此外，本文所建立的聚酯三釜流程模型，与基于l a b v i e w 的控制培训系统的主流程 结合，可在线给出各釜出口指标，并应用于新进员工的培训，达到厂方的预期要求。 关键词：软测量模型：仿真培训模型；聚酯；酯化反应；缩聚反应 a b s t r a c t p e ti si m p o r t a n tr a wm a t e r i a lo fm a n yp r o d u c t s ，s u c ha st h ec h e m i c a lf i b e r , t h ef i l m s t r i p ， ，t h es o f td r i n k sb o t t l ea n ds oo n ，w h i c hu s ew i d e l y p e tr e a c t i o np r o c e s si sc o m p l e x ，w h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb i gl a g , t h en o n l i n e a r i t y ，t h et i m ev a r i t a t i o na n ds oo n ，a n de a c h r e s p o n s ep r o c e s sc o n d i t i o n si n f l u e n c em u c ht oe x p o r t a t i o nt a r g e t ，a sw e l la sa c t u a lo p e r a t i o ni s q u i t ed i f f i c u l t i no r d e rt os t a b l yp r o d u c e sa n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y ，i ti se x t r e m e l y e s s e n t i a lt od e v e l o pt h es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mo fp o l y e s t e rp r o d u c t i o np r o c e s s t h ep r o d u c t i o np r o c e s ss i m u l a t i o ni st h ec o l eo ft h et r a i n i n gs y s t e m t h i sa r t i c l et a k e sn o y c o m p a n y st h r e er e a c t o rp o l y e s t e rp r o d u c t i o np r o c e s sa sa no b j e c t ，a n da n a l y z e st h er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h ee s t e r i f i c a t i o nr e a c t o r ，t h ep r e c o n d e n s a t i o n r e a c t o ra n dt h ee n dc o n d e n s a t i o nr e a c t o r t a k i n gt h em e c h a n i s mm o d e la st h ef r a m e ，i t s e p a r a t e l ye s t a b l i s h e st h ep r o d u c tq u a l i t yt a r g e ts o f t - s e n s i n gm o d e lo ft h et h r e ec a u l d r o nu s i n g t h el a b v i e wt o o l ，a n dd e v e l o p st h es o f t - s e n s i n gs y s t e mo ft h ep o l y e s t e rp r o d u c te s s e n t i a l q u a l i t a t i v ei n d e x ，f o re x a m p l e ，t h ee s t e r i f i c a t i o nr a t e ，p o l y m e r i z a t i o nd e g r e e ，v i s c o s i t y ，n u m b e r e v e nm o l e c u l a rw e i g h ta n ds oo n t a k i n gt h em o d e la st h ef o u n d a t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e st h ei n f l u e n c ef r o mp r o c e s s c o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r et ，p r e s s u r ep ，t h em o l ec o m p a r e dt om e t a n dt h em a s s - t r a n s f e rf a c t o r ) t ot h ea b o v eq u a l i t a t i v ei n d e x ，a n do b t a i n st h ，ec o r r e c ta n a l y s i sr e s u l tw i t ht h es c e n ep r o d u c t i o n c o n t r a s t i no r d e rt of u r t h e ri n c r e a s et h em o d e l i n gp r e c i s i o na n de x p a n dt h em o d e ls e r v i c e a b i l i t y ， t h i sa r t i c l eu s e st h es c e n et h ec h e m i c a le x a m i n a t i o na n a l y s i sd a t aa n dt h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g y t or e v i s et h em o d e lp a r a m e t e r i na d d i t i o n ；t h ep o l y e s t e rt h r e ec a u l d r o n s f l o w sm o d e lw h i c ht h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e s ， c o m b i n e dw i t ht h em a i nf l o wu n i o no fl a b v i e wc o n t r o lt r a i n i n gs y s t e m ，c a ng i v eb i r t ht o o n - l i n eo u t p u to fv a r i o u sc a u l d r o n se x p o r t a t i o nt a r g e t ，a n dc a nb eu s e dt ot h en e ws t a f f s t r a i n i n gt oa c h i e v et h ef a c t o r yt h ea n t i c i p a t e dr e q u e s t k e yw o r d s ：s o f t - s e n s i n gm o d e l ； t e r e p h t h a l a t e ( p e t ) ： s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ：p o l y e t h y l e n e e s t e r i f i c a t i o nr e a c t o r ：c o n d e n s a t i o nr e a c t o r n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 1 1 1 聚酯简介 通常所讲聚酯指的是聚苯二甲酸乙二酯，简称为p e t 。最近几年的发展，聚 苯二甲酸乙二酯、聚苯二甲酸丙二酯也被称为聚酯。聚酯产品已经广泛应用到工 业与日常生活的各个领域，包括汽车、食品、服装、电子等。在美国，通过不断 的新产品开发，聚酯产品产量在过去的两个世纪翻了五番f l 】。 聚苯二甲酸乙二酯根据产品粘度的不同，可以用来作为化纤的各种不同长短 纤维、各种胶片的片基、以及多种不同用途的饮料瓶、油瓶、以及纯净水瓶等， 特别是在软饮料瓶的应用中，p e t 几乎完全取代了玻璃瓶。另外，最近几年开发 出的聚酯新品种更是把聚酯产品的使用延伸到了世界的各个角落：聚苯二甲酸乙 二酯高模高强，机械性能、耐热性、耐水性都大大超过了其它常见的聚合材料， 将是轮胎帘子线、薄膜制造等方面的替代材料；聚苯二甲酸丙二酯兼有聚酯与尼 龙的特性，市场前景看好，将成为化纤行业的替代产品。因此，聚酯对人们的生 活有着非常重要的意义。但是由于聚酯生产过程复杂，各个反应条件对出口指标 影响又比较大，而聚合物的基本分子参数又决定产品的品位与质量【2 - 3 l ，所以建 立聚酯生产工艺的仿真培训模型就显得非常重要1 1 1 2 聚酯仿真培训系统开发的重要性 随着科学的进步，化工生产日趋高度集中化、复杂化、连续化；操作条件越 来越严格；自动化程度越来越高；而且装置高度复杂且昂贵，如果操作失误将十 分危险，这向现场操作工人、仪表工人、管理人员和工艺技术人员提出了更高的 要求。因此，人员培训一直是企业生产活动的重要环节，它直接关系到经济效益 和安全生产。传统作法是直接在生产装置上进行培训，这种现场培训方式存在许 多缺点：学员不能经常动手操作，培训效果差。现代化工装置多为连续生产， 多数时间处于稳定工况，对于不经常出现且又至关重要的开、停车、故障等非稳 态过程，学员往往缺少机会练习。培训方式被动。难以根据不同学员的具体情 第1 章绪论 况进行有针对性的教学【4 1 。 由于这种传统的现场培训越来越难以满足生产技术发展的需要，一旦出现失 控就可能导致灾难性后果。而仿真培训系统的目的就是利用计算机仿真及各种物 理工程技术，构造一种以训练和教学为目的的仿真系统，在某种程度上再现一个 真实系统的行为，使接受培训的人员获得必要的有关真实系统的感性与理性知 识。想让新近员工既要具备扎实的专业理论知识，又需要有生产操作的实践，一 旦上岗就能很快担负起生产重任。这就需要开发一套离线的、又能模拟现场的仿 真培训系统。 常州华源蕾迪斯有限公司就是本着提高新近员工的技术水平，以达到提高产 品产量、安全生产、节能降耗、提高经济效益为目的。委托华东理工大学自动化 研究所、郑州大学，以意大利诺伊专利的大型聚酯生产过程为具体对象，探讨主 流程的质量指标的软测量和优化控制，研制p e t 工艺培训模型。 1 2 几种化工流程模拟系统简介 1 2 1 化工流程仿真 对化工生产工艺等的开发、改造，除了通常的试验、小试、中试、等手段外， 计算机仿真已成为必不可少的技术和工具。化工流程的仿真【5 】是指应用计算机辅 助手段，对一化工过程进行稳态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用计算。仿真 的作用和地位是重要的，只要在计算机上逐次改变各种条件( 这些条件可以包括 得很广泛，例如：迸料配比和进料量、操作温度和压力、设备参数、乃至流程结 构等等) 的输入信息，就可以得到表明相应的变化了的工况特性分析结果的输出 信息。这个“计算机上实验”可以丝毫不受装置诸如不允许任意改变操作条件进行 现实实验，即使偶尔允许安排小范围的实验也要耗费大量人力物力等等的限制， 而进行预期的实验，很容易地提出多方面的有用信息。它还能够指导具体的生产 实践，搜寻现有装置的薄弱环节，探求改进方案，不断优化系统，达到各项期望 指标。它不仅对老厂的挖潜改造工作是十分有用的手段，而且可以用于新厂的设 计目的1 6 l 。 从应用范围方面看，化工流程仿真系统可以分为二大类，即专用的和通用的 化工流程模拟系统。二者有共同之处，如都要具备系统模型、物性数据和解算方 2 第1 章绪论 法这三个环节，但又有明显的繁简差别。 专用仿真系统是针对特定流程专门开发的模拟系统，只对于该流程进行模拟 的目的，具有比较强的针对性。由于只具有专用性，这类系统的特点是结构比较 简单。在模型方面只需具备有该流程中涉及到的单元模型即可，而且表述流程结 构的问题也通常可在程序设计中解决。在物性数据方面，也只需具备有该流程中 涉及的物料的有关物性数据即可，算法方法相应比较单一 通用仿真软件是指并非针对特定流程开发的、对不同流程均可适用的带有通 用性的化工流程仿真系统。有这种系统，在仿真时将会感到很大的方便。 为了能够具有通用性，这类系统的结构就比专用系统要复杂得多。例如，为 了使用户能将各种不同的流程结构方便地输入给系统，为了使系统自动识别出流 程内的某些复杂情况( 如再循环回路) 并给予适当的处理等等，都将使这类系统 在所需采取的方法上和相应地在程序设计上，大大复杂化。此外，上述要为用户 提供尽可能多的单元模块，尽可能大的物性数据库，以及允许用户根据自己需要 扩展系统的适用范围等，也将使这类系统变得庞大和复杂。在要能为用户提供完 善的错误诊断信息等辅助环节方面，这类系统也都有更高的要求，这样才能使用 户在使用时感到方便。 通用仿真系统中的计算机程序，通常是采用某种标准的高级程序设计语言编 写的。但也有的系统，除了在其内部仍是采用标准语言编写其程序的主体部分以 外，采用了让用户使用专门设计的某种“面向问题的语言( p r o b l e m - o f i e n t e m l a n g u a g e ，缩写为p o l ) ”输入数据的方式。这种面向问题的语言采用了同一般 科技人员针对其面对的问题开列各项需要输入的数据时常用写法更加接近的用 语和格式，从而使用户更加感到这种系统使用起来很方便。 1 2 2a s p e n 流程仿真软件 7 0 年代初，美国在经受了石油危机的冲击后，对其煤炭资源的利用重新给 予了重视。鉴于已有的化工流程仿真系统都只包括汽、液相物料的物性数据和相 应的单元模块，不能处理涉及固体物料的问题，以及功能都还不太完善，美国能 源部于7 0 年代后期拨款资助并委托麻省理工学院化工系有关教授组织了由高等 学校和企业部门各方人员参加的一个班子，集中进行新一代通用化工流程仿真系 统的开发 7 1 。1 9 7 9 年被命名为a s p e n ( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s se n g i n e e r i n g ) 3 第1 章绪论 的仿真系统初具规模并投入使用，1 9 8 1 年专门成立了一家公司接管了这套系统 的继续开发和不断完善的工作，并把它改称为a s p e np l u s 。这套系统规模十 分巨大，功能相当齐全，而且实际上仍在继续改进、完善和扩大之中。现在a s p e n p l u s 已经有了微机上使用的“f o rw i n d o w s ”的1 0 0 版本，功能也大大增 强了。a s p e np i l l s 具有4 0 多个单元操作模块和8 0 多个物性和热力学模型、 有多个物性数据库。该软件功能强大、灵活方便，不仅可进行全装置物料平衡、 热量平衡计算，还可得到系统中各物流的物性，各冷换设备的热负荷曲线，各层 塔板气液负荷曲线，它所具有的设计规定、灵敏度分析、工况研究及优化等高级 功能为工艺模拟计算、工艺条件的优化提供了强有力的工具，该软件的应用极大 的提高了炼油、化工工艺的设计水平。总之，a s p e np l u s 是一套关于一般化 工过程的仿真开发软件包，虽然其具有较完整的物性参数库及一般单元操作模型 如单级平衡模型、多级平衡分离、反应器、热交换器等，但它仍属于面向专业开 发人员的基础开发软件，对特定流程仿真仍要进行大量的二次开发工作。 1 2 3c h e m c a d 软件介绍 c h e m c a d 是c h e m s t a t i o n s 公司推出的一款极具应用和推广价值的软件，它 主要用于化工生产方面的工艺开发、优化设计和技术改造。由于c h e m c a d 内置 的专家系统数据库集成了多个方面且非常详尽的数据，使得c h c m c a d 可以应用 于化工生产的诸多领域，而且随着c h c m s t a t i o n s 公司的深入开发，c h c m c a d 的应 用领域还将不断拓展1 8 】。 c h e m c a d 的应用范围包含了化学工业细分出来的多个方面，如炼油、石 化、气体、气电共生、工业安全、特化、制药、生化、污染防治、清洁生产等。 它可以对这些领域中的工艺过程进行计算机模拟并为实际生产提供参考和指导。 c h e m c a d i 勾置了功能强大的标准物性数据库，它以a i c h e 的d i p p r 数据库 为基础，加上电解质共约2 0 0 0 多种纯物质，并允许用户添加多达2 0 0 0 个组分到数 据库中，可以定义烃类虚拟组分用于炼油计算，也可以通过中立文件嵌入物性数 据，从5 3 版开始还提供了2 0 0 多种原油的评价数据库，是工程技术人员用来对 连续操作单元进行物料平衡和能量平衡核算的有力工具。使用它，可以在计算机 上建立和现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态和动态运行，为 工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。 4 第1 章绪论 c h e m c a d 高度集成、界面友好、操作简单。c h e m c a d 附带了多个系统和 模块，只需稍作修改便可使用，可满足一般用户的需要。也可根据需要，自己新 建一个模块，按需设置好参数，便可使用。但是c h e m c a d 用于比较小的稳态模 拟软件，c h e m c a d 软件学校用的较多，不太适合模拟大型的化工厂。 1 2 4l a b v i e w 软件简介 l a b v i b w 软件图形化编程系统，它提供了一种全新的编译型的图形化编程语 言程序编写方法，即对称之为“虚拟仪表”的软件对象进行图形化的组合操作 9 1 。 l a b v i e w 软件具有以下几个特点：利用l a b v i e w 编程，可以通过交互式图形 前面板进行系统控制和结果显示；通过组合工程师、科学家们常用的框图模块来 指定各种功能。目前图形化编程语言已成为编程语言的发展趋势。l a b v m w 具有多任务运行机制，宏观上讲是一种协作式的多任务并行运行机制。平台的执 行系统可以完成一般操作系统完成的任务调度工作。 l a b v m w 具有调用功能 和构建虚拟仪表功能，采用动态连接库将用户c 语言编写的程序与l a b v i e w 连 接，以实现各种功能。t a b v w 支持网络通讯，可以实现网络文件共享，建立计 算机之间c l i e n t s e r v e r 模式。l a b v m w 虽然没有自带的图形库，但是它的外部 图形导入功能和控件编辑器功能十分强大。如果l a b v i e w 没有合适的用户要求 的画面，可用控件编辑器顺利地实现各种动静态画面设计任务。因此采用 l a b v i e w 软件为核心的开发平台建立的仿真培训软件具有图象逼真、操作简便、 仿真精确度高等优点从而使仿真系统的各部分功能和原d c s 系统几乎雷同。另 外，l a b v i e w 程序开发效率高，程序维护工作量小，是一种功效甚高的软件开发系 统【1 0 l 【1 1 1 。 纵观以上几种化工仿真软件，结合该课题的实际情况，本课题采用了功能强 大、易于开发的、又能真实的模拟现场的l a b v i e w 软件做为开发平台。 1 3 化工培训系统模型化方法 由于化学反应过程机理复杂、种类繁多，这给反应过程的模型建立带来了困 难。通常建立数学模型的基本方法有两种，即机理法和测试法【1 2 1 。 1 、机理法建模：根据过程中发生的变化的基本物理和化学定律，写出各种有关 平衡方程式，如质量平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程、化 5 第1 章绪论 学反应方程以及反映流体流动的传热、传质等基本规律的运动方程、物性参数方 程和某些设备的特性方程，从中获得所需的数学模型。 2 、测试法建模：由测试数据直接求取模型，一般称为系统辨识；如已定模型结构， 由测试数据确定参数的方法称为参数估计。其特点是从外特性上测试和描述 其动态行为，不需深入掌握其内部机理。系统辨识的一般途径如图1 1 所示， 至于辨识和参数估计方法可参阅有关书籍。 在深入了解高分子反应机理，分析装置设备结构、传质、流动的状况的基础 上，拟采用多类型混合模型的建模方法，以机理模型作为混合模型的框架，以神 经元网络方法和回归方法的结果，作为各子模型和机理模型的参数，来建立各单 元模型，重点为酯化釜、预缩聚釜、终聚釜、固相聚合及分子链长分布数学模型 1 3 1 。 图i i系统辨识一般途径 3 、机理和辨识相结合的建模方法： 因反应过程机理复杂，要得到确切的方程和各种物性参数比较困难，而根据 输入输出数据用系统辨识得到的模型形式简单，参数的物理意义不明确，对模型 的应用目地往往带来困难。为此一般采用二者相结合的折衷方法，从机理分析出 发确定模型的结构，然后根据测试到的数据进行参数估计以建立符合要求的反应 6 第1 章绪论 过程模型，例如在反应过程中用到的反应动力学常数、传热系数等，尽管可以从 有关手册中查到，但由于在反应过程中，装置结构的不同等因素使物料的流动状 况和反应情况有很大差异，必须有实际能够测试到的数据来加以修正或确定。 4 、选择合理有效的模型假定 如将反应过程中的各种现象都进行严密地描述，模型将相当复杂，不仅建模 过程花费很长时间，甚至于不能求解。为了建立简单、实用的反应过程模型，在 建模程中要进行最优取舍，引入合理的简化假定，即突出主要矛盾，略去一些次 要的问题。如在多种反应过程中，只研究主要的反应，以降低方程的阶数；或引 入似稳定理论，将那些变化缓慢的过程作为稳定过程来处理，以减少模型的复杂 性；有时也将非均相问题简化成均相问题来考虑等等。以上种种得到的模型仅在 一定条件下适用，使用时必须注意到所建模型应用范围的局限性，对反应过程的 模型尤要注意。 结合以上建模的各种方法，本课题采用的是机理与辨识相结合的建模方法。 在下面将详细介绍。 1 4 论文结构 全文共分五章，具体安排如下： 第1 章：绪论 本章在调查研究和查阅大量文献的基础上，对聚酯产品及应用进行了简单介 绍，说明了以聚酯生产为背景，建立聚酯仿真培训系统的意义；然后介绍并对比 几种化工流程仿真软件，说明了为何采用l a b v i e w 仿真软件的原因；接着对化 工培训系统模型化方法进行了概括，简要介绍了本课题采用的建模方法。 第2 章；聚酯生产工艺流程简介 本章首先分析了世界聚酯工业的发展，以及今后的发展趋势；然后介绍了本 文工作的实际工业背景n o y 工艺聚酯装置的工艺原理，结合聚脂的具体生 产，简要地介绍了酯化、预缩聚、终缩聚釜的工艺流程；接着介绍了聚合反应的 机理以及特点，由于聚合反应机理复杂，所以又简单的介绍了在生产过程中影响 产品性能的几个指标；最后介绍了本课题所要建立的培训仿真系统模块的划分。 第3 章：生产工艺培训模型的建立 7 第1 章绪论 本章首先按照聚酯的生产流程，在前人所建立的三釜机理模型的基础上，结合 实际反应釜结构特点，以出口指标端羧基c o o h 、二甘醇d e g 、和黏度等质 量指标为目标，分别建立了酯化釜、预缩聚、终缩聚釜的简化模型、软测量模型 和基于l a b v i e w 的仿真培训模型。然后对所建培训模型进行仿真，仿真结果表 明培训模型的正确性。 第4 章：培训模型的仿真与分析 本章主要探讨了温度t 、压力p 以及摩尔比m e t 等工艺条件对出口质量指标 的影响。并通过优化算法，结合现场的实验数据，探讨了出口质量指标的优化问 题。并运用优化算法对模型参数进行优化，调高了模型的精度。 第5 章总结与展望 本章对全文工作进行了总结，并在此基础上提出了一些尚需完善和深入研究 的问题。 8 第2 章聚酯生产工艺漉程简介 第2 章聚酯生产工艺流程简介 2 1 聚酯工业发展分析 聚酯生产过程的模型与仿真一直是国内外广大科技工作者广泛研究的课题 之一，由于其高度的非线性、慢时变性、以及分布参数等特点，在实际生产过程 中难以给出一个令人满意的培训系统来。今后相当长一段时间内寻找切实可行的 培训系统与仿真分析仍将是科研工作者与现场工程技术人员寻求的一个目标。因 此，回顾聚酯工业、聚酯生产过程研究的发展历史，分析将来的发展趋势，对指 导我们的研究工作有着重要的意义。 2 1 1 世界聚酯工业的历史与现状 现在世界聚酯及其纤维工业已从迅速增长时期发展到全面竞争的稳定上升 时期。进入2 1 世纪，聚酯及其纤维工业将如何进一步发展是摆在我们面前的一 大课题。对此国内外已有不少权威机构和专家多次进行了分析和探讨【悼1 6 1 产能迅速扩大，产品供大于求。聚酯由于具有多种优良性能而应用广泛，一 经出现就很快成为合成纤维的主流产品，主导着化学纤维的市场。同时聚酯在瓶 子、薄膜、塑料等非化纤制品中的应用又在不断扩大，因此聚酯工业发展迅速。 1 9 9 0 1 9 9 8 年间的产能平均增长率为1 0 7 ，产量平均增长率为9 1 。1 9 9 8 年产 能达到为2 8 6 5 9 万吨，产量2 3 3 6 万吨。 聚酯与聚酯纤维都已经出现过剩，设备利用率仅在8 0 左右i 切。据i c i 预测， 2 0 0 0 年的聚酯纤维需求量为1 3 7 1 万吨，而实际生产量可达1 6 0 0 万吨，从而过 剩2 2 9 万吨。并且考虑到聚酯在非纤维制品上的应用，聚酯的过剩系数将进一步 扩大。 随着世界经济的发展，产业结构以极快的速度由欧美转移到亚洲发展中国家 和地区。8 0 年代，聚酯工业的生产重心逐渐转向亚洲。1 9 9 5 年，亚洲地区的聚 酯产能达9 8 0 万吨，占世界的5 0 以上，聚酯纤维产量达到7 3 2 万吨，9 8 年分 别超过6 0 和7 0 ，这种比例还在进一步扩大。1 9 9 9 年的世界聚酯及聚酯系列 产品共1 4 7 项，亚洲地区多达1 1 0 项，占7 5 ，其中中国4 2 项，占亚洲3 8 。 9 第2 章聚酯生产工艺流程简介 亚洲地区最近一年中增长的聚酯长丝产能为1 0 0 万吨，短纤维7 3 万吨。 我国周边地区和国家是聚酯和聚酯纤维工业发展最快的地区。不仅日本、韩 国和台湾省，而且泰国、马来西亚和印度尼西亚等东盟国家的聚酯工业也显著增 长，由满足内需发展到每年出口5 6 万吨聚酯切片。并且该地区的发展没有因为 亚洲经济危机影响而停止。 装置规模大型化。随着世界聚酯和聚酯纤维的不断发展，市场竞争日益激化， 为了保持低成本、高质量，抢占通用性聚酯产品市场，一些企业不断提高单线生 产能力，使装置规模大型化，以增强竞争能力，改善经济效益。 在聚酯和聚酯纤维的生产过程中，各企业重视技术创新，不断改进工艺和开 发新技术，进一步实现连续化、大容量、高速化、自动化。除了上述不断扩大生 产线以外，伊文达公司还把原来的5 釜流程简化为4 釜流程，目前正在开发2 釜流程。莱因工艺简化为三釜流程。杜邦公司正在研究取消终缩聚部分的真空系 统，改为向终缩聚反应器通氮气，以抽去过程的气体小分子。 非纤维用途发展很快，1 9 9 5 年已达聚酯总量的2 8 。由于聚酯在包装材料 上的优良性能，如强度大、质量轻、透明度高、气密性好、无臭无味无毒和耐酸 碱，很适合于碳酸饮料瓶、矿泉水瓶以及包装薄膜等，再加上再生利用方便的优 点，1 9 8 5 年1 9 9 5 年的十年间以年均2 1 0 5 的速度增长，而同期p e t 总量和纤 维用p e t 的年均增长仅为8 5 1 和6 7 8 ，大大超过了后两者，使p e t 用途的 比例发生较大的变化。1 9 9 6 年，世界包装树脂和薄膜产能分别为4 5 1 9 万吨和 1 3 8 2 万吨占聚酯总产能的2 0 7 和6 3 ，年均增长率为1 7 4 和6 2 。由于发 展过快，9 0 年代中期也呈过剩趋势。 2 1 2 世界聚酯工业的未来发展趋势 近几年，世界几家权威机构和专家对聚酯和聚酯纤维的今后发展趋势作了预 测，虽然数字上有差异，但是可以看出大概的规律【1 4 1 。 具i c i 预测，1 9 9 5 2 0 0 5 年间。世界聚酯需求持续增长。年增长率为8 5 ， 其中纤维的平均增长为6 ，而包装树脂的需求将以高于纤维和薄膜的增长幅度 增长。 1 9 9 8 年1 2 月在瑞士召开的9 8 聚酯业界座谈会上，m a a c k 公司预测，2 0 0 0 年后，世界聚酯工业将进入一个新的发展阶段，年均增长率达到7 - 8 ，高于 l o 第2 章聚酯生产工艺流程简介 历史平均增长率6 。1 9 9 8 2 0 0 5 年问，聚酯的发展增加2 0 0 到4 0 0 万吨，与9 8 年相比，化纤聚酯的发展空间为1 0 0 0 到1 2 6 0 万吨。 t e n c n o n 公司的最近报告指出，2 0 0 1 2 0 0 7 年间，世界聚酯也至少有1 8 套世 界标准装置( 产2 0 万吨规模) 建成投产。考虑到欧美清凉饮料市场缩小和聚酯 瓶装啤酒增长不畅等原因，2 0 0 4 年2 0 0 7 年的产能将减少7 7 。 p c i 公司预测了1 9 9 8 年2 0 0 8 年间的产能增长率为3 1 ，远低于1 9 9 6 2 0 0 0 年的产能平均增长率9 6 。在第四届世界化纤及原料大会上，p c i 预测过去几 年建设导致的过剩能力将在2 0 0 1 年2 0 0 2 年被消化吸收。今后十年世界聚酯的需 求量将年增7 ，供求紧俏将在2 0 0 1 年以后出现。 b p 阿摩柯公司在近期瑞士召开的聚酯会议上预测，2 0 0 0 年2 0 1 0 年间，世 界聚酯需求量将年增7 5 。今后1 0 年增加2 9 0 0 万吨，超过1 9 9 0 2 0 0 0 年间的 1 6 0 0 万吨。其中，聚酯纤维需求量将年增7 ，从2 0 0 0 年的1 8 0 0 万吨增加到2 0 1 0 年的3 5 0 0 万吨。非纤聚酯将年增1 0 ，2 0 1 0 年将达到1 7 0 0 万吨。 上述几家公司对未来世界聚酯工业发展的预测，虽然数字上有差异，但可以 明显地看出，今后5 1 0 年内，世界聚酯和聚酯纤维工业将进入一个新的发展阶 段，而且是较快的发展。从各公司的预测来看，其需求量以7 8 增长这一点 几乎是一致的。 世界聚酯和聚酯纤维工业经过调整以后，随着经济的发展，将在2 0 0 2 年度 过困难时期，一方面，过去几年建设造成的过剩能力将在2 0 0 1 2 0 0 2 年消化吸收， 2 0 0 2 年可以基本平衡甚至供不应求；另一方面，为了满足不断增长的要求，从 2 0 0 0 年开始聚酯和聚酯纤维的投资将进一步扩大。 世界聚酯工业正朝着高性能、多功能、差别化的方向发展。现在技术已经成 熟，生产已经普及，因此不再是单纯扩大生产的时代，而是进入一个全面竞争的 时代了。今后应从技术、规模、品种和效益等全方面发展和提高才能具有竞争力 2 2 聚酯生产工艺流程 由于聚酯的用途广泛，从8 0 年代开始，我国从国外引进多种工艺多个不 同专利的大型聚合反应得成套技术和装备，专利技术有联邦德国吉玛、日本钟纺、 瑞士伊文达、美国杜邦和意大利诺伊技术等【1 8 l ，各种专利技术从生产p e t 工艺 1 1 第2 章聚酯生产工艺流程简介 流程上加以区分，大体上有两大类：一类是吉玛、钟纺和伊文达公司的p t a 法 直缩生产p e t 工艺是采用两段酯化、三段缩聚来完成，系典型的五釜反应工艺 流程；二类是杜邦和诺伊公司的p t a 法连续直缩生产p e t 工艺则是酯化、预缩 聚和终缩聚三步，即为所谓的三釜流程。下面以诺伊技术为例，介绍聚酯生产过 程。图2 1 为工艺生产聚酯主流程图。 p t 0 3 一1 一第一酯化釜0 3 - r 0 2 一第= 酯化釜0 4 一l 一颈缩聚釜0 4 - 柚2 终缅聚釜 浆料槽工艺塔新孵驺回流e gp t 熔体p 盯切片工艺 图2 1t 艺生产聚酯主流程图 诺伊工艺的聚酯生产技术采用p t a 连续直缩路线，在酯化、预缩聚、终缩 聚各设备一台反应器，反应器的结构类似于杜邦工艺，而与其他几家有所不同， 因此工艺参数设置也会有所不同。 酯化反应过程，其设备只要包括：浆料调配槽，酯化反应器，e g 精馏塔及 其附属设备。在酯化反应器内发生酯化、缩聚和生成二甘醇等各种主副反应，同 时存在着对苯二甲酸( p t a ) 的溶解，水和乙二醇( e g ) 从液相向气相传质【1 9 】， 以及混合、传热等许多化工过程。酯化塔结构特殊，分为上下两层，下部有夹套 和换热气加热，物料进入后靠热虹吸循环。然后靠压力压送到上部，上部有溢流 堰和搅拌器。酯化反应是一个可逆过程，在某一操作压力、反应的e g p t a 摩尔 比和温度下，由一个反应能达到的最高酯化率，诺伊工艺酯化率超过9 5 ，酯化 温度很高( 2 6 5 2 7 8 。) 。吉玛、伊文达和钟纺技术在酯化段皆设置两台搅拌槽 式反应器，串联使用，这样可达到较高酯化率。杜邦技术酯化反应器是列管加热 器和反应室的组合，在密度差作用下，物料在加热器和反应室中循环。 第2 章聚酯生产工艺流程简介 在预缩聚段，p e t 齐聚物的平均聚合度一般为1 0 - 3 0 ，酯化率达9 8 以上。 预缩聚段特点是采用不断提高反应体系真空度的方法将可逆酯化、缩聚反应产生 的小分子脱出，此阶段物系黏度不太高( 般小于5 p a s ) ，反应速率较快，基本 处于反应控制区。诺伊预缩聚方应器与杜邦类似，是一个上流式的塔。物料进入 反应器前，注入了一定量游离e g ，塔底的加热器将温度升高到2 8 0 。左右。塔中 大量e g 蒸发，在汽提作用下物料自上而下通过1 4 块大泡罩式塔板，在塔顶出 料。物料在塔板上进行反应，而聚合度的提高，取决于每块塔板上e g 的汽液平 衡关系。反应器出口聚合度约为2 5 ，与钟纺技术搅拌槽预缩聚反应器出口的聚 合度相近。 终缩聚过程中，物料的黏度较高。当e g 的传质速率慢于反应速率，过程转 化为传质控制，通常成为“后缩聚”。后缩聚是一个面积过程，反应器的搅拌装置 能生产的液膜面积大，聚合度提高快，聚合度从2 5 提高到1 0 0 约需要时间1 5 h 左右。反应器结构有：圆盘卧式反应器、鼠笼式搅拌反应器及界于它们之间的 卧式反应器。吉玛、钟纺属于圆盘，伊文达、杜邦属于鼠笼，而诺伊则界与中间。 终缩聚出口黏度基本上都采用在线粘度计测量，并利用真空度或搅拌器输出功率 间接控制粘度 2 0 - 2 7 j 。 从以上的工艺流程分析可知，酯化反应过程是整个p e t 生产的“龙头”环节， 是稳定聚酯生产的关键工序。大部分副产物二甘醇( d e g ) 在这一阶段生产， 9 0 以上聚合单体对苯二甲酸乙二酯( b h e t ) 也在此产生。其中，聚合物 中的d e g 含量增高，会降低聚合物的熔点，影响染色：端羧基( - - c o o h ) 含 量对p e t 的抗酸性、抗碱性及抗光性的影响极大。酯化率的高低直接影响后续 反应的顺利进行，影响聚酯产品的结晶性能。工厂实际运行经验表明，酯化釜运 行不正常就会带来全流程的工况不稳定。聚酯终缩聚反应是p e t 生产的最后一 个反应过程，是“龙尾”，要将经过酯化、预缩聚反应得前三个反应器过来的进口 物料的特性粘度从0 2 左右提高到成品的0 6 0 ，前续反应段因干扰出现种种问题 都要在此反应器通过调整工艺操作参数使产品各项指标达到合格。对于上述种种 复杂控制问题，现有的d c s 控制系统大多数是温度t 、压力p 、液位l 的串级 调节或单回路调节【冽。对于连续的p e t 生产过程具有高温、低压、高粘度和停 留时间长的特点，而且各反应器控制系统是顺序控制，它们大多是相互独立的， 第2 章聚酯生产工艺流程简介 现有常规控制方案根据各反应器出口指标的离线分析值和人工操作经验操作来 调节，这样由于存在检测滞后问题，当有较大扰动等情况经常难以保证产品的质 量另外，仅仅依靠简单控制也难以协调各反应期各种情况的控制，现在各种复 杂控制或先进控制手段虽然可以利用，但是必须建立符合实际的各反应器的数学 模型，并探索产品质量指标的估计方法。 2 3 聚合反应机理 聚合反应 2 9 1 3 0 1 1 3 1 】是低分子量的单体转化为高分子量的聚合物的过程，有着 多种多样的聚合反应机理、物系组成和聚合类别，而对于各个类型的体系又都有 其本身的物理的和化学的特性，并且需采用不同的聚合方法。 以自由基加成聚合为例，反应历程可分为：链引发；链增长；链转移；链终止等 几个阶段。各个反应历程的表示如下。 链引发过程主要分为两个反应过程，引发剂1 分解和单体m 被激活变成活性自 由基m + ，如下式所示。r + 是引发剂分解产生的起始自由基。引发反应可由多项 原因引起：引发剂引发、热引发、光引发等。链引发过程表示式如下： ，l 2 r + r + + m 山肼? 在链增长过程中，链长为n 的活性自由基继续与单体聚合，以一定反应速率k p 产生链长为n + 1 的活性自由基。链增长过程表示式如下： m ：丰m k m 链转移过程可以有几种方式，这里列出其中的三种形式( 活性自由基分别向单体、 溶剂和引发剂转移) 。除了链增长反应，活性自由基与单体之间的另一种反应方 式( 向单体转移) 是形成链长为n 的聚合物p n ，也称为终聚物。活性自由基向 溶剂s 和引发剂i 转移也可以产生链长为n 的终聚物。链转移实际也是终止反 应的方式的之一。几种链转移过程表示式如下： m ：+ m 鱼置一r + m ： m ：+ s 墼一只+ s m ：+ i 墼一r + i 1 4 第2 章聚酯生产工艺流程简介 活性自由基本身通过一定反应速率终止反应，产生聚合物。链终止有双基偶合终 止和双基歧化终止两种方式。链终止过程表示式如下： 膨：旦一只 理论上说上述每个反应都代表无穷多个( 尼- 侄m ) 。根据拟稳态假设，各个反 应的速率常数k 与链长无关。当然，在某一特定的聚合反应中上述反应不一定 都存在。 化工聚合反应过程是化工生产的主体和龙头，聚合反应的生产水平直接影响 产品的质量和数量，是生产过程达到安、稳、长、满、优的关键操作单元。在聚 合生产过程中如何实时监控某些重要的质量指标，掌握影响产品质量和反应操作 状态关键操作的变量，运用先进控制技术，优质、高产、低耗地进行生产，成为 一个极为重要的课题。在实际生产过程中，一般以温度、压力、流量等参数进行 控制，至于聚合物的分子链长分布、粘度、数均聚合度等涉及产品的质量指标， 只能离线采样或对最终产品进行分析而得，由于滞后大已失去在线控制的价值。 为了及时控制聚合反应过程，改变过程操作条件，必须对聚合反应过程本身进行 深入的了解。 聚合反应过程的特点主要有以下几个方面：1 3 2 3 3 3 4 ( 1 ) 聚合生产过程的动态特性复杂 高聚合物生产过程是将小分子变成大分子，使产品具有小分子所不具备的可塑、 成纤、成膜、高强等一系列特性。由于反应机理多样，动力学关系复杂，聚合反 应得可塑性、并存的交换反应、传质效应和副反应等，而且反应过程大多数为放 热反应，并伴随着相变过程，存在高温、高粘度、高真空和固相聚合等。对聚合 反应过程进行分析、控制，必须研究物料的流动、传质、传热和反应机理等，采 用不同建模方法，如宏观模型与微观模型，机理模型与辨识模型，定性模型与定 量模型，非线性模型与线性模型等，建立产品质量指标和关键操作变量间复杂数 学关系。 ( 2 ) 反应的高度灵敏性和非线性 由于聚合物的单体结构对反应器的操作条件非常敏感，进料扰动、混合状态、反 应温度等都会改变临界分子的特性，比如分子重量分布、聚合物组成分布、链的 歧化度等。在大多数的连续聚合反应器中，过程的稳定结构对过程参数或操作条 第2 章聚醣生产工艺流程简介 件的微小变化都是非常敏感的。在连续搅拌反应器( c s t r ) 中，反应温度或停 留时间的微小变化都将使稳态结构发生剧烈变化。 2 4 生产过程中产品性能指标 1 、酯化率 酯化是一个可逆的平衡反应，在某一操作压力、反应的e g p t a 摩尔比和温度 下，有一个反应能达到