[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】聚合反应器的测量和控制-中文翻译

1 聚合反应器的测量和控制 约翰 .理查兹著，邓霜霖译 摘要 由于其物理机制的复杂性和聚合反应动力学，聚合反应器中的测量和控制是非常具有挑战性的。在这些反应器中，有许多重要的变量，这些变量与最终使用的聚合物的性质，不能进行在线测量或在只能低采样频率下测量。此外，共聚组合物的最终用途的聚合物性能与整个分子量，序列长度，分支分布有关。本文调查的仪器技术，是聚合反应器的重点，例如，粘度，组合物，分子量，和粒子大小。本文为控制系统设计、回顾传统的管理技术以及先进控制策略、半间歇，连续反应器提出了分层的方法。这些方法是针对商业的连续乳液聚合反应器的控制说明。最后，本文抓住一些聚合物中的行业趋势，可能影响未来的发展度和反应器的控制。 2006 Elsevier 公司保留所有权利。 关键词：过程控制；聚合反应；溶液聚合；乳液聚合；数学模型；反应器控制 1 引言 对于终端客户制造商，一致的聚合物性能最为重要，他们必须为了最后的应用，在最终外观和形状方面生产聚合物。这些属性是由于复杂的聚合物结构和成分形成的反应和可能进一步影响隔离和挤压过程。产生一致的 ,统一的 ,在规范聚合物为最终用户是任务的聚合物过程测量和控制系统。聚合物过程 ,是否分批或连续 ,很少在具体条件下运行 ;干扰移动过程远离期望轨迹。然而 ,为了操作这些过程安全、为了设置特点的产品 ,最优的一组过程的操纵变量必须保持恒定或系统地修改过程中反应或过程中的各种反应步骤。 聚合物反应工程从成立之初到目前挑战并存的今天，雷，苏亚雷斯和哈钦森（ 2004）最近评论了其高分子科学。这种贡献的目的是讨论各种测量和控制技术的重要性 ,工程师和科学家们设计和操作聚合物反应堆和相关设备。我们已经试图总结和更新信息，已提供在我们先前的工作 (Congalidis &理查兹 ,1998;理查兹 & Congalidis,2005;理查兹 & Schnelle,1988)。 在图形 1 中，我们讨论的框架是分层方法。这已经被证明是非常有用2 的，复杂的工业环境中的成功应用，过程控制，提前审查由理查兹和 Schnelle的（ 1988）中所示。一直以来，我们自己的经验和学习，同一层次的控制在聚合物反应器中尤为重要。 流程知识 ,通常是捕获一个数学模型 ,通过实验验证的基石 ,得到一个成功的控制策略。尤其是对于聚合反应堆 , 处理操作中对聚合物性能有影响的操作变量的深入知识可以使控制系统的设计有很大的优势，并可能导致在一个更为明了的策略。这一点将在第 3 节中，特别是通过使用图所述的例子中示出。如图 2 和 3。 3 使用聚合反应器建模结合控制设计讨论了作者在前面的出版物 (Congalidis,理查兹 ,和雷 ,1989)。流程知识连同适当的传感器、变送器、和分析仪 ,前提条件是设计的基本控制系统来调节压力、温度、水平 ,和流 (PTLF)。只有当元素的监管控制系统是在地方和设计合理并保持可以控制工程师尝试 ,递增的顺序复杂性 ,实现更高级的监管控制策略 ,基于模型的多变量控制算法 ,和在线调度和优化策略计算设置点监管控制。在许多情况下，先进控制应用都失败了，因为算法在工业环境中不存在故障，但因为 基本的监管控制系统表现不佳，要么是因为设计不足（导致在开环模式下操作） ，或者因为维护不善的关键测量（即过程分析仪） 。在其他情况下，基本的监管控制可能已经到位，但一些先进的监管控制的元素（例如级联控制和比例控制）不落实导致降解反应器性能一致的聚合物性能方面。 在这方面的贡献，我们曾试图控制主题，我们认为应该是在聚合物行业的工程师和科学家的广泛兴趣。因此，我们已经当选为讨论它们适用于聚合物反应器控制完全实现较低水平的控制是显而易见的学术界或执业经验丰富的工业过程控制层次结构的所有元素。 4 2 测量技术 以选择的测量技术主要由测量值，由必须被测量的变量的准确性。测量仪器产生一个信号，它可以被注册的一种指示器或记录设备，并进行进一步处理以这样一种方式，必须被转换。这个要求通过一些测量方法可直接实现，但是，在大多数情况下，一个测量变送器传感器和测量装置之间的操作。电气信号更常用的今天比气动信号。指定聚合物过程的测量技术，我们将集中讨论。在测量过程中，可以引入随机误差。可以最小化的过程和测量噪声的影响，信号调理或滤除（理查兹 Congalidis， 2005 年 Seborg，埃德加， Mellichamp，2004 年） 。 所有的技术来遵循先进、代表聚合物测量在这里列出原因或者是他们的新奇或其频繁的利用率 ,与多个技术目前即使在一个单独的安装。总结表在线硬件传感器分类技术对聚合反应堆可以在 Kammona 发现 ,关联性有显著的统计学意义 , Kiparissides(1999)。 2.1PTLF 测量 压力，温度，液位，和重量是非常重要的基本测量聚合物过程。他们形成的监管和先进的控制策略的基石。这些测量都能在 Richards 和 Congalidis (2005) 和 Lipt ak (2003)查到。 2.2 光密度，热膨胀仪和重力 液体的密度进行位移和浮子式研究室 ,摘要 ,和静压研究室。更先进的仪器是振荡科里奥利 ,辐射、振动和超声研究室。许多这些仪器可以连接图度量或机械生产可用电信号 (Liptak,2003)。 膨胀计测量的液体聚合反应过程中的体积收缩，主要用于实验室测量的单体转化。它们都是基于聚合物密度比单体的原则。作为单体转化为聚合物量的变化是监测通过带刻度的毛细管内的溶液高度的变化。转换监测与计算机联光电探测器，跟踪半月板中的毛细管和记录的高度变化（罗德里格斯，科恩，奥伯盖特林，阿彻， 2003） 。 2.3 粘度测量 粘度是为了遵循一个聚合反应的过程中，或连续监测产品质量的聚合物技5 术的兴趣。粘度是常数（牛顿） ，剪切增稠（胀流） ，或剪切变稀（假）与剪切速率。对于聚合物体系中，溶液或熔体的粘度，可以与该聚合物的分子量（ Kammona 等人， 1999; Lipt 楹阿克， 2003 年，罗德里格斯等人， 2003） 。在大多数情况下，粘度的测定通过毛细管相 的 cometers 或旋转粘度计。毛细管粘度计也可以采用线监测维加，利马，平托（ 2001 年）中所描述的聚合分子量获得快速和廉价的分子大小是衡量一个间接的方法是熔融指数（ Rodriguez 等 2003 年） 。熔融指数是阈作为直径和 8mm 长通过毛细管 2.1 毫米的在一定的温度和压力（ ASTMD1238）在 10 分钟内挤出的聚合物克数。显而易见的是，熔体指数的聚合物的分子量成反比变化。 2.4 组合物的测量 原材料的成分、成品样品的各个步骤的反应通常是在实验室测量使用适当的物理和化学分析方法。然而 ,取样和分析是耗时的 ,并且在许多情况下 ,这种分析的结果是只有当前的利益。为了不断学会操作仪表组成 ,需要自动运行分析工具 ,可以不断获得成分的混合物。 光学方法是常见的红外光谱分析在许多情况按照许可证的外观或消失的一个或更多的特征吸收频段。这些频段对应债券分子的振动频率。必须分析的频谱照射，然后测量其相应频率。最近的傅里叶变换红外（ FTIR）技术已被用于更快的数据采集和处理比传统的红外光谱分析。 IR 和 FTIR 可应用于聚合物溶液或固体阈夸勾毫秒组合物分析是特别有用的共聚物组合物红外光谱已被用来控制聚合反应器中产生的溶液聚合物编分子量（奥斯曼， Fevotte Peycelon，Egraz，及 Suau， 2004） 。光学分析装置，还内置了用于测量辐射的紫外线（ UV）和可见光谱区域，但此处得到的光谱吸收带，通常是如此广泛这些设备只有有限的使用。 一种质谱仪源产生离子和有关样本的信息可以通过分析与样品相互作用，当他们使用的质量电荷比的离子的分散液。有时质谱仪后用一个分离步骤如气相色谱或液相色谱对分数识别。 2.5 表面张力 在乳液聚合中，特别是它可能是感兴趣的测量乳化液的表面张力。的表面张力，可以给一个指示是否胶束的存在，这是重要的，在上述颗粒的成核剂的6 临界胶束浓度（ CMC） （朔尔克， 1993;朔尔克 Deshpande 说， Leffew 的， 1993年） 。网上的方法采用的是通常的气泡压力法（朔尔克等人， 1993） 。 2.6 分子量分布（ MWD） 对于一个给定的直接列校准聚合物要求使用窄分子量分布的聚合物样品。这些标准的色谱图的峰和每个标准给狭窄有关 ,滞留量的峰值最大。有许多聚合物同时狭窄的随钻测量标准是商业上可用。最近三探测器仪器设计 ,其中包括一个微分粘度计、光散射仪器 ,和一个微分折射计帽子监视柱流出物。一个校准曲线可以得到这个安排只要所有信号校准 (罗德里格斯等。 ,2003)。 在线的目的 ,粘度措施之前 2.3 节中提到的已被用来作为替代分子量平均在线控制。有些供应商是商业化更迅速的 GPC /秒仪器在线控制与一些仪器已经可用。 2.7 粒度分布 (PSD) 粒子大小分布可以有一个基本的物理性质影响群众 ,是常见的高分子产品。测量的平均粒度可能是不够的。例如 ,出现大小不同的人口导致多峰分布可以深刻影响着最后的属性和可能需要被控制。有几种粒度测量技术使用如光学成像、电子成像、光学衍射和散射 ,电阻变化、过筛、沉降、超声波衰减(Liptak,2003)。 毛细水动力分馏 (CHDF)是一个水动力法测量毫微米大小的微粒。在这个方法中 ,泥浆含有颗粒是通过迫使一个毛细管。可测粒径范围 nm-2m CHDF 大约是 15。在线控制 ,这些技术必须被评估为速度、可靠性和样品死时间 (Liptak,2003)。在随钻测量技术 ,制造商正朝着最近的在线实现方法 ,但许多这些技术仍然是熟练的在这个过程中分析实验室离线。 3 先进的监管控制 3.1 控制器和致动器 测量仪器供应信息在当前操作条件的一种植物。这些形式的基础 ,控制过程和保持条件常数 ,以便得到最优质量的结果。为了这个目的 ,控制器也被使用 ,它是设备 ,目的是保持一个特定的控制变量恒定尽管外部干扰。在过去 ,大部分的控7 制器连续控制器 ,但数字控制器已成为常见的由于计算机的广泛应用和分布式控制系统。数字信号是离散的性质和产生于取样连续测量 ,在同等的时间间隔或他们可能源于自然的离散信号 ,例如 ,从分析程序。一个更广泛的讨论中可以找到理查兹和 Congalidis(2005)。 3.2 聚合物反应堆控制问题 在聚合反应器通常在生产过程的核心影响下游加工和最终相关的聚合物性质。下列因素造成了工业意义的聚合物反应堆控制 : (1)需要改进固定资产生产率优化反应堆产量和正常运行时间。 （ 2）较短的制造业活动的趋势，不同的聚合物制造的档次在同一反应器或向更频繁上线的产品转换，降低产品库存，因此营运资金。 （ 3）全球竞争，这不仅规定了严格要求聚合物级的均匀性，但也需要新的聚合物类型商品化的时间尽可能短。 （ 4）安全和环境方面的考虑，对于一个潜在的热不稳定的反应的稳定运行。 3.3 前馈控制 传统的 PID 反馈控制器是非常广泛的使用，因为它需要为其设计的最小的工艺知识。特别是，一个数学模型的过程不是必需的，虽然它可以是相当有用的，进行适当的微调。此外，如果工艺条件的变化， PID 控制器可以被重新调整，以保持令人满意的性能。正确调整 PID 控制器可以相当稳健，保持良好稳定的状态下运行在面对不可测干扰。 然而，由于控制操作只能发生，如果发生偏离设定点和测量变量之间，完美的控制是不可能的。因此，反馈控制无法提供预测的控制行动，以补偿已知的干扰的影响。一个更严重的限制，这是特别重要的聚合物的反应器控制，受控变量不能总是在线测量。 3.3.1 稳态模型前馈控制 为了说明这种方法的 Congalidis 聚合过程描述和理查兹 (1998)被认为是。存在的循环流反应器中引入了干扰 ,扰乱聚合物性质饲料。前馈控制的目的是为了弥补这些干扰通过操作新鲜饲料为了保持常数饲料成分和流向反应器。前馈控制的循环允许设计师来独立控制反应堆从其余的过程。 8 前馈控制的方程式 (1)和 (2)得到编写组件材料余额在循环之外点。例如对于单体流这种平衡是 : qna3 = qna1 + ya2qn2 (1) qna1 = qna3 ya2qn2 (2) 9 3.3.2 比例控制 比例控制是一种前馈控制，在化学工业中被广泛应用，并已证明非常有用用在反应堆控制。从它的名字是显而易见的，其目的是两个过程变量的比值保持在一个给定的值，因此它可以被部署时，目的是维持一定的比例，或化学计量比，向反应器中的反应物。虽然这个概念是相当明显的，我们已经看到，它已不被广泛应用于聚合物反应器控制，尤其是在反应器的情况下，生产特种聚合物与复杂的聚合配方。 通常情况下，阈控制器被设计为每一个反应器进料流（例如，单体，引发剂，链转移剂） ，这些控制器的每一个都有一组点，这是依赖于特定的聚合物。然而，当比控制来实现，如图 4 所示，一个反应器进料流（在这种情况下的A）被选择作为参考流的单体。所测得的阈夸抗瓦特率的单体 A，然后传送到比站 RC，由所期望的比例（通常由聚合物化学家）计算阈单体 B 控制器的设置点的信号 3.4 串级控制 广泛应用于化学加工工业，特别是在案件串级控制，有可能是非线性控制回路的动态行为。它还涉及传统的反馈控制的主要缺点，即控制行动的事实，只发生在控制变量偏离设定点。串级控制与前馈控制，干扰被显式计量和10 模型可用来计算控制器的输出，引入了一个额外的测量和一个额外的反馈控制器。通常位于二级计量，以便它能够识别底价条件比控制变量更快。串级控制的概念已被广泛使用，以获得有效的反应器的温度控制。 在许多情况下聚合反应堆操作绝热地。对于图 5 所示 ,仅限于传统的反馈控制使用 ,测量反应堆的温度被用来操纵换热器流来冷却反应堆提要 ,以便反应堆绝热温升足以消除聚合热。这种传统的方案可能会做一份满意的工作温度的调节反应