專利名稱：由基于模型的預測控制器控制的高壓反應器中乙烯均聚物或共聚物制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及乙烯均聚物或共聚物制備工藝，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°C 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器中、在使用基于模型的預測控制器的高壓反應器中進行，其中自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)；控制所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法；以及利用該控制乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法來從一個級別(grade)轉變到另一級別的方法。[State of the art]聚乙烯是最廣泛使用的商品化聚合物。它可通過多種不同方法制備。在自由基引發(fā)劑存在下的高壓聚合最初用以制備聚乙烯，后繼被發(fā)現是重要的 低密度聚乙烯(LDPE)制備方法，具有高的商業(yè)關聯性。LDPE是多用途的聚合物，其可用于多種應用諸如薄膜、涂布、模塑以及電線和電纜絕緣。因此，仍需要優(yōu)化其制備工藝。高壓LDPE聚合設備的正常配置基本上由一組雙壓縮機、聚合反應器和雙分離器組成，所述雙壓縮機為初級壓縮機和高壓壓縮機，雙分離器用于分離離開高壓反應器的單體-聚合物混合物，其中在第一分離器即高壓分離器中，自單體-聚合物混合物分離的乙烯再循環(huán)至位于初級壓縮機和高壓壓縮機之間的乙烯-進料中，而在第二分離器即低壓分離器中，自混合物分離的乙烯在新鮮乙烯流供料至初級壓縮機前加入新鮮乙烯流中。此類高壓聚合設備通常進一步包括如擠出造粒機之類的裝置用于使所得聚合物?；?。常見的高壓LDPE反應器是管式反應器或高壓釜反應器。這二類反應器經常具有不止一個引發(fā)劑注入點，因此造成多個反應區(qū)。向高壓反應器供給單體，可僅僅在反應器起始處進行，亦或在起始處只供給一部分而其它部分經一或多個側部供料入口供料。更常見的是使用引發(fā)劑混合物。例如，WO 2004/078800描述了就盡可能降低引發(fā)劑成本來選擇引發(fā)劑混合物的方法。高壓反應器中的聚合工藝可在甚至達到350 MPa的壓力下進行。如此高壓需要專門的技術來以安全和可靠的方式運用所述工藝。此外，需要很多能量來將單體壓至反應的聞壓。所得乙烯均聚物或共聚物的特性和結構，諸如分子量、分子量分布以及短和長鏈支化量，很大程度上取決于反應參數如壓力和溫度。這意味著對反應條件的控制是至關重要的。還存在影響所得聚合物屬性的其它可能，例如會降低分子量的鏈轉移劑的加入，或者一或多種共聚單體的加入。生產乙烯均聚物或共聚物的再一限制性因素是反應器除熱，因為乙烯聚合的熱量比較高。對于包括一些聚合工藝在內的多種化學工藝，有可能使用先進工藝控制(advanced process control)方法，以便用閉合回路控制來操作生產工藝。WO 96/41822公開了反應器中化學產品合成工藝的控制方法，所述反應器可堪比完美混合的反應器。WO2004/040283描述了化學制造工藝控制，其能夠制造聚丙烯均聚物、無規(guī)共聚物和抗沖共聚物。然而，所述控制方法尚不適用于乙烯高壓聚合。原因可能在于，工藝中的小偏差可導致反應器中高溫波動。可是，如果溫度上升太多，風險在于乙烯會分解成碳以及甲烷與氫的混合物，導致反應器壓力迅速升高，需要借助于安全閥或自裂放壓片緊急關停反應器。這是相當不可取的。此外，高壓反應器中由自由基引發(fā)的乙烯聚合是快速運行的過程。在商業(yè)化運轉的高壓反應器中，反應混合物的平均停留時間是約I 約5分鐘。這意味著，如發(fā)現有可能利用先進工藝控制方法來操作高壓反應器中的乙烯高壓聚合，這可能會是改善產品質量并使級別變更自動化以及提高生產率并降低能耗的一種途徑。[Object of the invention]因此,本發(fā)明的一個目的在于,克服前述障礙,找到使用基于模型 的預測控制器的高壓反應器中乙烯均聚物或共聚物制備工藝，使得能夠在較窄質量規(guī)格內可靠地生產乙烯均聚物或共聚物、使得級別變更更加容易并且允許以最大化的生產率和最小化的能耗進行聚合。我們發(fā)現，這一目的可通過由基于模型的預測控制器控制的乙烯均聚物或共聚物制備工藝來實現，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°c 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)，所述基于模型的預測控制器執(zhí)行以下步驟
a)若制備乙烯均聚物，則將針對待制乙烯均聚物密度和熔體流動速率(MFR)的目標值作為設定點范圍饋送至控制器，或者，若制備乙烯共聚物，則將針對待制乙烯共聚物密度、MFR和共聚物組成的目標值作為設定點范圍饋送至控制器；
b )測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值；
c )獨立于步驟b )，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值；
d)若制備乙烯共聚物，則獨立于步驟b)和C)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值；
e)將針對密度、針對MFR和若制備乙烯共聚物時針對共聚物組成的計算值作為受控變量饋送至控制器；和
f)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些測量數據、步驟a)中所饋送的設定點范圍以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，借助于控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出，
其中用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍的計算至少每3分鐘重復一次。此外，我們發(fā)現了使用基于模型的預測控制器控制乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°c 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器中進行，其中自由基聚合引發(fā)劑供料入每個反應區(qū)；以及利用該控制乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法來從一個級別轉變到另一級別的方法。借助于以下描述和附圖
可更好地理解本發(fā)明特性和優(yōu)點，其中圖I示意地顯示可用于本發(fā)明工藝的高壓聚合設備的配置。圖2描繪了控制本發(fā)明工藝的一般方案，圖3顯不用于優(yōu)選的工藝實施方式的一般方案。本發(fā)明工藝既可用于乙烯均聚，又可用于乙烯與一或多種其它單體共聚，條件是這些單體在高壓下與乙烯可經自由基共聚。適宜的可共聚單體的示例是a，￠-不飽和c3 c8-羧酸，特別是馬來酸、富馬酸、衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸和巴豆酸，a，￠-不飽和C3 C8-羧酸的衍生物，例如不飽和C3 C15-羧酸酯、特別是C1 C6-鏈烷醇酯或者酸酐，特別是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯或甲基丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸酐、馬來酸酐或衣康酸酐，和1_烯烴諸如丙烯、I- 丁烯、I-戍烯、I-己烯、I-辛烯或I-癸烯。此外，羧酸乙烯酯，特別優(yōu)選乙酸乙烯酯，可用作共聚單體。丙烯酸正丁酯、丙烯酸或甲基丙烯酸特別有利地用作共聚單體。在共聚情況下，基于單體量，也即乙烯與其他單體的總量，反應混合物中共聚單體(一或多種)的比例為I 45 wt%，優(yōu)選3 30 wt%。依據共聚單體的類型，可優(yōu)選在多個不同點將共聚單體供料至反應器。為本發(fā)明目的，聚合物是由至少兩個單體單元構成的所有物質。它們優(yōu)選是平均分子量Mn大于20000 g/mol的LDPE聚合物。但是，本發(fā)明方法也可有利地應用于制備分子量Mn小于20000 g/mol的低聚物、蠟和聚合物。在各個反應區(qū)中可能用于啟動自由基聚合的引發(fā)劑是例如空氣、氧氣、偶氮化合物或過氧化物類聚合引發(fā)劑。利用有機過氧化物或偶氮化合物引發(fā)，代表了本發(fā)明工 藝的特別優(yōu)選實施方式。適宜的有機過氧化物的示例是過氧酯、過氧酮縮醇、過氧酮和過氧碳酸酯，例如過氧二碳酸二(2-乙基己基)酯、過氧二碳酸二環(huán)己酯、二乙酰過氧二碳酸酯、過氧異丙基碳酸叔丁酯、二叔丁基過氧化物、二叔戊基過氧化物、二枯基過氧化物、2，5_ 二甲基_2，5- 二叔丁基過氧己燒、叔丁基 枯基過氧化物、2，5_ 二甲基_2，5- 二(叔丁基過氧)己-3-炔、一氫過氧化1，3- 二異丙基或氫過氧化叔丁基、過氧化二癸酰、2，5- 二甲基-2，5- 二(2-乙基己酰-過氧)己烷、過氧-2-乙基己酸叔戊酯、過氧化二苯甲酰、過氧-2-乙基-己酸叔丁酯、過氧二乙基乙酸叔丁酯、過氧二乙基異丁酸叔丁酯、過氧-3，5, 5- 二甲基己酸叔丁酯、1，I- 二(叔丁基過氧)-3，3, 5- 二甲基環(huán)己燒、1，I- 二(叔丁基-過氧)環(huán)己烷、過氧乙酸叔丁酯、過氧新癸酸枯酯、過氧新癸酸叔戊酯、過氧新戊酸叔戊酯、過氧新癸酸叔丁酯、過馬來酸叔丁酯、過氧新戊酸叔丁酯、過氧異壬酸叔丁酯、氫過氧化二異丙苯、氫過氧化枯烯、過氧苯甲酸叔丁酯、氫過氧化甲基 異丁基酮、3，6，9-三乙基-3，6，9-三甲基三過氧代環(huán)壬烷和2，2-二(叔丁基過氧)丁烷。偶氮烷烴(二氮烯)、偶氮二羧酸酯、偶氮二羧酸二腈諸如偶氮二異丁腈，以及分解成自由基且還稱作C-C引發(fā)劑的烴例如1，2- 二苯基-1，2- 二甲基乙烷衍生物和1，I, 2，2-四甲基乙烷衍生物，也是適宜的。有可能使用單個引發(fā)劑或優(yōu)選多種引發(fā)劑的混合物。廣泛的引發(fā)劑，特別是過氧化物，是市售可得的，例如以商品名Trigonox 或Perkadox 供應的Akzo Nobel產品。在本發(fā)明工藝的優(yōu)選實施方案中，使用具有較高分解溫度的過氧化物類聚合弓I發(fā)齊U。適宜的過氧化物類聚合引發(fā)劑包括例如，1，I-二(叔丁基過氧)環(huán)己烷、2，2-二(叔丁基過氧)丁烷、過氧_3，5，5-三甲基己酸叔丁酯、過氧苯甲酸叔丁酯、2，5- 二甲基-2，5- 二(叔丁基過氧)己烷、叔丁基 枯基過氧化物、二叔丁基過氧化物和2，5- 二甲基-2，5- 二(叔丁基過氧)己-3-炔，特別優(yōu)選使用二叔丁基過氧化物。在每一反應區(qū)中，弓丨發(fā)劑可單個地使用，或以混合物方式使用，其濃度為每噸所生產的聚乙烯0.1 50 mol,特別是0. 2 20 mol。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，供料至反應區(qū)的自由基聚合引發(fā)劑是至少兩種不同偶氮化合物或有機過氧化物的混合物。如果使用這樣的引發(fā)劑混合物，優(yōu)選將它們供料至所有反應區(qū)。這樣的混合物中不同引發(fā)劑的數目沒有限制，但優(yōu)選混合物由2 6種、特別是4或5種不同引發(fā)劑組成。特別優(yōu)選的是，使用具有不同分解溫度的引發(fā)劑的混合物。使用溶解態(tài)引發(fā)劑常常是有利的。適宜溶劑的示例是酮和脂族烴，特別是辛烷、癸烷和異十二烷以及其它飽和C8 C25-烴。溶液包含引發(fā)劑或引發(fā)劑混合物，其比例為2 65 wt%、優(yōu)選5 40 wt%和特別優(yōu)選10 30 wt%。在本發(fā)明工藝中，照例可通過添加充當鏈轉移劑的改性劑來改變待制聚合物的分子量。適宜改性劑的示例是氫，脂族和烯屬烴，例如戊烷、己烷、環(huán)己烷、丙烯、I-戊烯或I-己烯，酮諸如丙酮、甲基 乙基酮(2- 丁酮)、甲基 異丁基酮、甲基 異戊基酮、二乙基酮或二戊基酮，醛諸如甲醛、乙醛或丙醛，和飽和脂族醇諸如甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇或丁醇。特別優(yōu)選的是，使用飽和脂族醛，特別是丙醛，或I-烯烴諸如丙烯或I-己烯。反應混合物通常包含，基于單體-聚合物混合物計，0 45 wt%、優(yōu)選0 35 wt%的聚乙烯。 本發(fā)明工藝在160 MPa 350 MPa壓力、優(yōu)選180 MPa 340 MPa壓力、特別優(yōu)選200 MPa 330 Pa壓力下進行。溫度為100°C 350°C，優(yōu)選120°C 340°C，特別優(yōu)選150°C 320°C。在乙烯與敏感的或強調控性的共聚單體共聚情況下，聚合優(yōu)選在低于230°C的溫度下進行，所述敏感的或強調控性的共聚單體特別為自由基可聚合羧酸酯，例如乙烯酯。一般而言，優(yōu)選的是聚合溫度不高于320°C的工藝。本發(fā)明工藝可使用所有具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器類型進行，所述高壓反應器優(yōu)選具有2 6個反應區(qū)、特別優(yōu)選3 5個反應區(qū)。反應區(qū)的數目由引發(fā)劑注入點的數目決定。這意味著，在每一反應區(qū)中聚合是通過加入引發(fā)劑來引發(fā)，所述引發(fā)劑分解成自由基。適宜的高壓反應器是例如管式反應器或高壓釜反應器。高壓反應器優(yōu)選是管式反應器，特別是長度-直徑比大于1000、優(yōu)選10000 40000和特別優(yōu)選25000 35000的管式反應器。圖I顯示了優(yōu)選管式聚合反應器的典型配置，但本發(fā)明不限制于其中描述的實施方案。新鮮乙烯通常壓力在I. 7 MPa，首先利用初級壓縮機(I)將其壓至約30 MPa壓力，然后使用高壓壓縮機(2)壓至約300 MPa的反應壓力。向初級壓縮機(I)加入分子量調控劑。離開高壓壓縮機(2 )的反應混合物供料至預加熱器(3 )，所述預加熱器(3 )安裝有加熱夾套(4)，溫度約150 250°C的加熱介質、優(yōu)選熱水或蒸汽(HW)供入該加熱夾套(4)。反應混合物在預加熱器(3)中加熱到約120°C 220°C的反應起始溫度，然后被輸送至管式反應器(5)。管式反應器(5)基本上是一長的厚壁管，其通常長約0.5 km 4 km、優(yōu)選I. 5km 3 km和特別是2 km 2. 5 km。管的內徑通常為約30 mm 120 mm,優(yōu)選60 mm 90 _。管式反應器(5)安裝有冷卻套管，以利用冷卻介質、優(yōu)選冷卻水(CW)來除去溫度為約100 220°C的反應混合物反應放熱。冷卻套管分為四個區(qū)(6a)至(6d)，這些區(qū)全部分別地供給以冷卻介質。圖I所示的管式反應器(5)具有兩個空間上分隔的引發(fā)劑注入點(7a)和(7b)，在那里兩引發(fā)劑或引發(fā)劑混合物Il和12供料給反應器，因此造成兩個反應區(qū)。引發(fā)劑注入點和反應區(qū)的數目優(yōu)選為2 6，特別是2、3或4，最優(yōu)選4。反應混合物經高壓排放閥(8)離開管式反應器(5)，并且通過反應器后冷卻器
(9)。爾后，所得聚合物借助于高壓分離器(10)和低壓分離器(11)與未反應的乙烯和其它低分子量化合物(單體、低聚物、聚合物、添加齊U、溶劑等)分離開，排出，并經由擠出造粒機
(12)粒化。高壓分離器(10)中分離開的乙烯在30 MPa下的高壓回路(13)中供料回管式反應器(5)進口端。它首先在至少一個純化段中清除掉其它成分，然后加入到初級壓縮機(I)與高壓壓縮機(2)之間的單體流中。圖I顯示了一個由熱交換器(14)和分離器(15)組成的純化段。但也可使用多個純化段。高壓回路(13)常分離蠟。低壓分離器(11)中分離開的乙烯還特別包含低分子量聚合產品(低聚物)的主要部分和引發(fā)劑的溶劑，所述乙烯在約0. I 0.4 MPa壓力下的低壓回路(16)中在多個分離器中逐漸積累，其中熱交換器位于每一所述分離器之間。圖I顯示了由熱交換器(17)和
(19)以及分離器(18)和(20)組成的兩個純化段。但也可只使用一個純化段或優(yōu)選使用超 過兩個純化段。低壓回路(16)常分離油和蠟。適宜的管式聚合反應器當然也可能有不同的構造。制備高粘性產品時，例如MFR(190°C /2. 16kg) < I g/10min，可能有利的是，不僅在反應器管進口加入單體(一或多種)，還在反應器上的多個不同點供入單體、優(yōu)選冷卻的單體。這特別優(yōu)選在進一步的反應區(qū)的起始處進行。根據本發(fā)明工藝，聚合的進行伴有閉合回路控制，該閉合回路控制由基于模型的預測控制器實施。優(yōu)選的受控變量是產品質量相關參數如密度、熔體流動速率(MFR)和若制備乙烯共聚物時共聚物組成，以及生產率和能耗及添加劑如引發(fā)劑或改性劑的比耗。本發(fā)明工藝包括以下步驟將針對待制乙烯均聚物或共聚物的密度和MFR以及若制備乙烯共聚物則待制乙烯共聚物的共聚物組成的目標值，作為設定點范圍饋送至控制器；這些目標值所對應的是這樣的范圍，在其中高壓反應器中所得乙烯聚合物的密度、MFR和適用時共聚物組成必須處于穩(wěn)態(tài)生產，以便所得乙烯聚合物可被歸類為符合規(guī)格的。在級別變更的情況下，所述目標值是級別變更后將生產的產品的目標值。為實施本發(fā)明工藝，所采用的密度可以是針對LDPE能重現地測出的任何密度。本發(fā)明工藝中用作目標值和受控變量的密度優(yōu)選是使用2 mm厚的壓塑基板、根據DIN EN ISO1183-1:2004的方法A (浸潰)測定的密度，所述壓塑基板是經180°C、20 MPa下壓制8分鐘，連同隨后沸水中結晶30分鐘。類似地，為實施本發(fā)明工藝，原則上所有用于測量MFR值的條件都能適用，只要該測量產生隨反應條件變化而變化的可辨識值即可。但優(yōu)選采用依照DIN EN ISO 1133:2005常規(guī)用于評估乙烯聚合物的測量條件。根據本發(fā)明最優(yōu)選的熔體流動速率是依照DIN EN ISO 1133:2005的條件D，在190°C溫度、在2. 16 kg載荷下測定的 MFR。本發(fā)明工藝包括以下步驟基于高壓聚合設備中所測量的數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值。密度是需要時間去測量的聚乙烯特性。因此，為控制生產工藝，需要即刻得到與所制聚乙烯的密度有關的信息。因此開發(fā)了所謂的軟傳感器。密度軟傳感器是包含動力學、熱力學和物料衡算的第一原理模型。它們使用來自聚合設備的在線信息如流動速率或溫度。在乙烯高壓聚合的情況下，能夠在高壓聚合設備測量用以計算密度的適宜數據是乙烯、共聚單體(若使用的話)、引發(fā)劑、改性劑和冷卻水的流動速率以及在不同的反應器部分中的溫度。用于測定乙烯均聚物或共聚物密度的軟傳感器是本領域已知的，述于例如c.-u. Schmidt, F. -0. Mailing: “ModelApplication in the Polyolefin Industry”， 7th Int. Workshop on PRE, Hamburg 8-10Oct. 2001, Dechema Monographs Vol. 137, ffiley-VCH, p 147。獨立于密度計算，本發(fā)明工藝進一步包括如下步驟基于高壓聚合設備中所測量的數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值。MFR也是需要時間去測量的特性，并因此開發(fā)了軟傳感器。MFR軟傳感器常是數據驅動的模型，其使用來自反應器和來自擠出機的信息。MFR軟傳感器述于例如Ind. Eng. Chem. Res.,2005，44，p 8。構建MFR軟傳感器的另一方法述于WO 2008/064843。若制備乙烯共聚物，則獨立于密度和MFR計算，本發(fā)明工藝進一步包括如下步驟基于高壓聚合設備中所測量的數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值。共聚物組成應理解為是用以制備共聚物的單體比例的平均值。共聚物組成優(yōu)選以單體的重量百分數表示。 針對密度、MFR和若制備乙烯共聚物時共聚物組成的相應計算值作為受控變量饋送至基于模型的預測控制器。這樣的控制器在本領域中是眾所周知的，它們的使用經常被稱為先進工藝控制(APC)。多個供應商供應用以實現APC的軟件。但是，該軟件只提供用以實現特有設計的構造環(huán)境。此外，將能夠直接在高壓聚合設備中測量的附加受控變量饋送至基于模型的預測控制器。這樣的附加受控變量例如是約束因素如
-生產率；
-壓縮機吸入端的溫度和壓力；
-壓縮機出料端的溫度和壓力；
-溫度廓線的最低和最高溫度；
-高壓回路的熱交換器中的溫度和壓力；
-低壓回路的熱交換器中的溫度和壓力；和 -閥門開啟度約束因素。基于在高壓聚合設備中直接測量的數據，和基于由軟傳感器提供的針對密度、MFR和若制備乙烯共聚物制備時共聚物組成的值，控制器計算出有關于高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，作為輸出。這些可直接測量的數據是進一步受控變量。操縱變量調節(jié)到這些設定點范圍的效果在于，工藝目標值得以滿足，進一步受控變量如生產率和能耗得以優(yōu)化，而且約束因素得以遵守。用以調節(jié)高壓聚合工藝的適宜操縱變量例如是
-每一冷卻水區(qū)的冷卻水溫度；
-每一冷卻水區(qū)的冷卻水流動速率；
-改性劑流動速率；
-反應器壓力；
-乙烯進料和在乙烯側部進料情況下的進料分流；
-若使用共聚單體時共聚單體進料；
-乙烯預加熱器中的熱水溫度；
-放氣(bleed);和
-引發(fā)劑流動速率和若每一反應區(qū)中使用不止一種引發(fā)劑時引發(fā)劑混合物組成。
對于本發(fā)明工藝必要的是，以足夠高的頻率至少進行用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍的計算，該設定點范圍也即針對每一反應區(qū)中引發(fā)劑流動速率以及若使用不止一種引發(fā)劑時每一反應區(qū)中引發(fā)劑混合物組成的設定點范圍。因此，該計算至少每3分鐘重復一次。用以重復有關于供料引發(fā)劑的輸出計算的周期長短優(yōu)選為I秒 3分鐘，更優(yōu)選3 60秒，特別是5 30秒，尤其是10 20秒。圖2中描繪了用以控制本發(fā)明工藝的一般方案。聚合設備(20)是如同例如圖I所示的高壓聚合設備。針對聚合設備(20)中所測量的工藝變量(PV’ s)諸如溫度、壓力或流動速率的值被饋送至密度模型(21)，該密度模型(21)計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值，并且將該值作為針對受控變量(CV)的值饋送至控制器(24)。并行地，針對聚合設備(20)中所測量的工藝變量(PV’s)諸如溫度、壓力或流動速率的值被饋送至MFR模型(22)，該MFR模型(22)計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值，并且將該值作為針對受控變量(CV)的值饋送至控制器(24 )。此外，若制備乙烯共聚物，則針對聚合設備(20)中所測量的工藝變量(PV’s)諸如溫度、壓力或流動速率的值被并行地饋送至組成模型(23)，該組成模型(23)計算出針對高壓反應器中當前所制乙 烯共聚物的共聚物組成的值，并且將該值作為針對受控變量(CV)的值饋送至控制器(24)。設定點范圍(SP’ S)，諸如針對待制乙烯均聚物或共聚物的密度和MFR的目標值、以及若制備乙烯共聚物時待制乙烯共聚物的共聚物組成的目標值，被饋送至控制器(24)。此外，針對作為可直接測量的受控變量的工藝變量(CV PV’s)諸如溫度、壓力或流動速率的值，也在聚合設備(20)中進行測量，并且饋送至控制器(24)?？刂破?24)隨后計算出針對操縱變量的設定點范圍，作為輸出，其可用于調節(jié)高壓聚合工藝。這些設定點范圍是不涉及供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍(OP’s)以及用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍(OP’s引發(fā)劑)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，控制器分為主令控制器和從屬控制器。針對密度、MFR和若制備乙烯共聚物時共聚物組成的目標值和計算值饋送至主令控制器?；诟邏壕酆显O備中所測量的數據，以及基于針對密度、MFR和共聚物組成(若制備乙烯共聚物時)的值，主令控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，作為輸出，但是所述設定點范圍不包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，反而包括針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍。針對每一反應區(qū)最高溫度的這些設定點范圍饋送至從屬控制器，基于高壓聚合設備中所測量的數據和這些設定點范圍，從屬控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出。優(yōu)選地，從屬控制器只計算用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，所有其它針對操縱變量的設定點范圍由主令控制器計算。主令控制器和從屬控制器的如此布置促成以高重復率計算用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，因為只有從屬控制器輸出的計算須以此高速重復進行，而主令控制器輸出的計算能夠以較低速度重復進行。這意味著，優(yōu)選的情況下，主令控制器重復計算針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍，相比之下，從屬控制器以較短的時間間隔重復計算用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍。優(yōu)選地，主令控制器以15秒 10分鐘的周期長短、更優(yōu)選30秒 5分鐘的周期長短、特別是60秒 2分鐘的周期長短重復計算針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，從屬控制器以I秒 3分鐘的周期長短、更優(yōu)選3 60秒的周期長短、特別是5 30秒的周期長短、尤其10 20秒的周期長短重復計算用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍。圖3中描繪了根據這一優(yōu)選實施方式控制本發(fā)明工藝的一般方案。針對在聚合設備(20)中所測量的工藝變量(PV’s)如溫度、壓力或流動速率的值被饋送至密度模型(21)、MFR模型(22)和組成模型(23)，這些模型獨立地計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度和MFR的值，以及若適用時針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值，并且將這些值作為受控變量(CV)值饋送至主令控制器(25)。此外，針對那些作為可直接測量的受控變量的工藝變量(CV PV’s)諸如溫度、壓力或流動速率的值，也在聚合設備(20)中進行測量，并且饋送至主令控制器(25)。設定點范圍(SP’S)，諸如針對待制乙烯均聚物或共聚物密度和MFR的目標值，饋送至主令控制器(25)。主令控制器(25)隨后計算出針對操縱變量的設定點范圍，作為輸出(OP’s)，其可用于調節(jié)高壓聚合工藝。但是，這樣的設定點范圍不包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍。主令控制器(25)還計算出針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍，作為進一步輸出(OP’s峰值)。這些值作為針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點(SP’s峰值)，饋送至從屬控制器(26)。從屬控制器 (26)隨后計算出可用于調節(jié)高壓聚合工藝的針對操縱變量的設定點范圍作為輸出(OP’ S)，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍作為輸出(OP’s引發(fā)劑)。此外，我們發(fā)現了使用基于模型的預測控制器控制乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°c 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)，所述方法包括以下步驟
a)若制備乙烯均聚物，則將針對待制乙烯均聚物密度和熔體流動速率(MFR)的目標值作為設定點范圍饋送至控制器，或者，若制備乙烯共聚物，則將針對待制乙烯共聚物密度、MFR和共聚物組成的目標值作為設定點范圍饋送至控制器；
b )測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值；
c)獨立于步驟b)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值；
d)若制備乙烯共聚物，則獨立于步驟b)和C)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值；
e)將針對密度、針對MFR和若制備乙烯共聚物時針對共聚物組成的計算值作為受控變量饋送至控制器；和
f)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些測量數據、步驟a)中所饋送的設定點范圍以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，借助于控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出，
其中有關于供料自由基聚合引發(fā)劑的輸出的計算至少每3分鐘重復一次。在控制方法的優(yōu)選實施方案中，控制器分為主令控制器和從屬控制器。針對密度、MFR和若制備乙烯共聚物時共聚物組成的目標值和計算值饋送至主令控制器?；诟邏壕酆显O備中所測量的數據，以及基于針對密度、MFR和共聚物組成(若制備乙烯共聚物時)的值，主令控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，作為輸出，但是所述設定點范圍不包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，反而包括針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍。針對每一反應區(qū)最高溫度的這些設定點范圍被饋送至從屬控制器，基于高壓聚合設備中所測量的數據和這些設定點范圍，從屬控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出。優(yōu)選地，從屬控制器只計算出用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，所有其它針對操縱變量的設定點范圍由主令控制器計算。這一控制方法尤其適用于在乙烯均聚物或聚合物制備工藝中從一個級別轉變到另一級別，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°c 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)。本發(fā)明有利地提高生產率，同時嚴守產品規(guī)格。以這種方式,能夠降低不合規(guī)格產品的比例。工藝安全性可提高，并且專門操作成本可盡可能降低。級別變更可加速。定制級別的生產變得更為方便。而且本發(fā)明促成節(jié)能，這主要在壓縮機中實現，通過使反應器壓 力降低到依舊能保證質量規(guī)格的值來進行。本發(fā)明借助于實施例進行舉例說明，但不限于實施例。
實施例給包括LDPE生產用管式高壓反應器的高壓聚合設備安裝上根據本發(fā)明的基于模型的預測控制器。反應器具有圖I所示的總體設計，帶兩個引發(fā)劑注入點以及相應地有兩個反應區(qū)。然而新鮮乙烯不僅供料至管式反應器的起始處，而且還以冷卻乙烯供料至第二反應區(qū)起始處。管式反應器總長1000 m，第一反應區(qū)直徑為45 mm，第二反應區(qū)直徑為55mm。丙醛用作分子量調控劑，其用量為每噸所制聚乙烯0.5 2. 5 kg。將它加到進初級壓縮機的新鮮乙烯流中。在兩個反應區(qū)中引發(fā)劑均為氧氣。吞吐量隨生成不同級別而變，但總在13 17公噸/h的范圍。反應器進口壓力在250 320 MPa范圍內變化。安裝的控制器分為主令控制器和從屬控制器。主令控制器控制聚合物的MFR和密度，優(yōu)化生產率和能耗。此外遵守若干約束因素。因此，考慮了以下受控變量
-MFR;
-密度；
-生產率(PR);
-壓縮機出口溫度(⑶T)，即離開壓縮機的壓縮乙烯的溫度；
-高壓回路的熱交換器中的壓力(ffiP);
-預加熱器溫度(PHT)，即離開預加熱器的乙烯的溫度；
-反應區(qū)I的出口溫度(RZ10T)，即離開反應區(qū)I的反應混合物的溫度；
-混合點溫度(MPT);添加乙烯支流后反應混合物的溫度；
-反應區(qū)2的出口溫度(RZ20T)，即離開反應區(qū)2的反應混合物的溫度；
-C2分流閥(C2SV);即調控供料至管式反應器起始處乙烯與供料至第二反應區(qū)起始處乙烯之比的閥門的開啟度；
-蒸汽閥(SV);即調控進入預加熱器加熱夾套的蒸汽流量的閥門開啟度；和 -冷卻水閥(CWV)，即調控進入熱交換器冷卻套管的水流的閥門開啟度，所述熱交換器用以冷卻在第二反應區(qū)起初處供料至反應器的乙烯。為使這些受控變量保持在指定限度內，編址了以下操縱變量
-反應區(qū)I的最高溫度(MTRZl)
-反應區(qū)2的最高溫度(MTRZ2)
-改性劑進料；即丙醛進料(MF)
-反應區(qū)I的進口溫度(RZ1IT)，即進入反應區(qū)I的反應混合物的溫度；
-反應區(qū)2的進口溫度(RZ2IT)，即進入反應區(qū)2的反應混合物的溫度； -C2分流(C2S);即供料至管式反應器起始處乙烯與供料至第二反應區(qū)起始處乙烯之
比；
-反應器混合點壓力(RMPP)，即乙烯供料至第二反應區(qū)起始處所在點的反應器壓力；
和
-放氣(BL);即排氣量。所用受控變量與操縱變量之間的相互聯系在表I中示出，其中X意指相應受控變量受相應操縱變量變動的影響。表I
權利要求
1.一種由基于模型的預測控制器控制的乙烯均聚物或共聚物制備工藝，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°C 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)，所述基于模型的預測控制器執(zhí)行以下步驟 a)若制備乙烯均聚物，則將針對待制乙烯均聚物密度和熔體流動速率(MFR)的目標值作為設定點范圍饋送至控制器，或者，若制備乙烯共聚物，則將針對待制乙烯共聚物密度、MFR和共聚物組成的目標值作為設定點范圍饋送至控制器； b)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值； c)獨立于步驟b)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值； d)若制備乙烯共聚物，則獨立于步驟b)和C)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值； e)將針對密度、針對MFR和若制備乙烯共聚物時針對共聚物組成的計算值作為受控變量饋送至控制器；和 f)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些測量數據、步驟a)中所饋送的設定點范圍以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，借助于控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出， 其中用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍的計算至少每3分鐘重復一次。
2.根據權利要求I的工藝，其中控制器分為主令控制器和從屬控制器，針對密度、MFR和若制備乙烯共聚物時共聚物組成的目標值和計算值饋送至主令控制器； 基于高壓聚合設備中所測量的數據以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，主令控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，作為輸出，但是所述設定點范圍不包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，反而包括針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍； 針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍被饋送至從屬控制器；并且 基于高壓聚合設備中所測量的數據和針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍，從屬控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出。
3.根據權利要求2的工藝，其中從屬控制器只計算出用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍。
4.根據權利要求2或3的工藝，其中主令控制器重復計算針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍，相比之下，從屬控制器以較短的時間間隔重復計算用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍。
5.根據權利要求4的工藝，其中主令控制器以15秒 10分鐘的周期長短重復計算，且從屬控制器以I秒 3分鐘的周期長短重復計算。
6.根據權利要求I一 5的工藝，其中高壓反應器是管式反應器。
7.根據權利要求I一 6的工藝，其中每一反應區(qū)彼此獨立地從空氣、氧氣、偶氮化合物和有機過氧化物中選擇自由基聚合引發(fā)劑。
8.根據權利要求I一 7的工藝，其中在所有反應區(qū)中，自由基聚合引發(fā)劑是至少兩種不同偶氮化合物或有機過氧化物的混合物。
9.根據權利要求7的工藝，其中用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍包括針對引發(fā)劑混合物組成的設定點范圍。
10.一種基于數學工藝模型控制乙烯均聚物或共聚物制備工藝的方法，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°C 350°C、160 MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合弓I發(fā)劑供料至每個反應區(qū)，所述方法包括以下步驟 a)若制備乙烯均聚物，則將針對待制乙烯均聚物密度和熔體流動速率(MFR)的目標值作為設定點范圍饋送至控制器，或者，若制備乙烯共聚物，則將針對待制乙烯共聚物密度、MFR和共聚物組成的目標值作為設定點范圍饋送至控制器； b )測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值； c)獨立于步驟b)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值； d)若制備乙烯共聚物，則獨立于步驟b)和c )，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值； e)將針對密度、針對MFR和若制備乙烯共聚物時針對共聚物組成的計算值作為受控變量饋送至控制器；和 f)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些測量數據、步驟a)中所饋送的設定點范圍以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，借助于控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出， 其中用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍的計算至少每3分鐘重復一次。
11.根據權利要求10的方法，其中控制器分為主令控制器和從屬控制器，針對密度和MFR的目標值和計算值饋送至主令控制器； 基于高壓聚合設備中所測量的數據以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，主令控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，作為輸出，但是所述設定點范圍不包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍，反而包括針對高壓反應器每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍； 針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍被饋送至從屬控制器；并且 基于高壓聚合設備中所測量的數據和針對每一反應區(qū)最高溫度的設定點范圍，從屬控制器計算出針對高壓反應器操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出。
12.利用根據權利要求10或11的控制方法在乙烯均聚物或共聚物制備工藝中從一個級別轉變到另一級別的方法，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100°C 350°C、160MPa 350 MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)。
全文摘要
由基于模型的預測控制器控制的乙烯均聚物或共聚物制備工藝，所述乙烯均聚物或共聚物制備工藝在100℃～350℃、160MPa～350MPa壓力和自由基聚合引發(fā)劑存在下，在高壓聚合設備中進行，所述高壓聚合設備包括具有一或多個反應區(qū)的高壓反應器，自由基聚合引發(fā)劑供料至每個反應區(qū)，所述基于模型的預測控制器執(zhí)行以下步驟a)若制備乙烯均聚物，則將針對待制乙烯均聚物密度和熔體流動速率(MFR)的目標值作為設定點范圍饋送至控制器，或者，若制備乙烯共聚物，則將針對待制乙烯共聚物密度、MFR和共聚物組成的目標值作為設定點范圍饋送至控制器；b)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物密度的值；c)獨立于步驟b)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯均聚物或共聚物MFR的值；d)若制備乙烯共聚物，則獨立于步驟b)和c)，測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些數據，借助于模型計算出針對高壓反應器中當前所制乙烯共聚物的共聚物組成的值；e)將針對密度、針對MFR和若制備乙烯共聚物時針對共聚物組成的計算值作為受控變量饋送至控制器；和f)測量高壓聚合設備中的數據，并且基于這些測量數據、步驟a)中所饋送的設定點范圍以及步驟b)、c)和d)中所計算的值，借助于控制器計算出針對高壓聚合設備操縱變量的設定點范圍，包括用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍在內，作為輸出，其中用于供料自由基聚合引發(fā)劑的設定點范圍的計算至少每3分鐘重復一次?？刂聘邏悍磻髦幸蚁┚畚锘蚬簿畚镏苽涔に嚨姆椒?。以及用于在高壓反應器中乙烯均聚物或共聚物制備工藝中從一個級別轉變到另一級別的方法。
文檔編號C08F2/00GK102666608SQ201080059147
公開日2012年9月12日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2009年12月22日
發(fā)明者C-U.施密特, K.伯哈爾特, K.泰勒, S.馬金 申請人:巴塞爾聚烯烴股份有限公司