CN1552753A - 一种聚酯产品质量指标的软测量和工艺操作优化的方法 - Google Patents

Abstract

聚酯(PET)生产装置软测量和工艺参数优化操作系统属于聚合反应工程与工艺、化学工程、自动控制理论和控制工程等交叉学科领域的研究前沿。本发明结合PET生产装置的生产工艺特点，在聚酯反应机理实验研究的基础上，对生产过程进行模型化研究，建立了各釜出口指标的软测量系统，实现了产品质量：酯化率、端羧基、粘度和二甘醇含量等指标的在线测量，精度满足工艺要求，起到了“在线分析仪表”的作用。按聚酯过程的工艺特点，以酯化率和粘度为优化控制目标，采用非线性规划最优算法，开发了在线运行的工艺优化操作指导软件系统，优化给出的操作设定值在线实时给予工艺操作指导，能使装置一直处在最佳条件下运行，提高了生产装置管理自动化水平。

Description

一种聚酯产品质量指标的软测量和工艺操作优化的方法

                                技术领域

本发明属于聚合反应工程、自动控制理论和控制工程等交叉学科领域，涉及生产过程模型化、聚酯产品质量指标的软测量和工艺参数操作优化的方法。

                                背景技术

石化产品中85％以上以聚合物作为最终产品，聚合物的质量指标(特性粘度、分子量分布等)决定了产品的物化性能，如成纤、成膜、高强等一系列特性，这些特性与聚合方法有关，更依赖于工艺操作条件，聚酯生产过程的出口质量指标的在线估计及控制方法的研究已成为当前的开发重点。

聚酯(PET)生产线都采用计算机集散控制系统(DCS)进行生产的管理和控制。多年来这些控制装置为安全稳定生产发挥了作用，但由于消化、吸收和自主开发投入不多，DCS仍主要用于数据采集、显示打印及单回路控制，DCS和上位机软硬件功能远没有得到充分发挥。聚酯产品对工艺操作条件较敏感，酯化、预缩聚和终缩聚釜出口质量指标：端羧基、粘度和二甘醇含量等，生产中只靠人工抽样分析，滞后大，已失去在线指导作用。

                                发明内容

本发明克服了现有技术的不足，结合非纤PET生产装置的工艺特点，在不增加硬件投资下，充分利用计算机集散控制系统(DCS)和通过网络与其连接的上位计算机的数据采集传输、存储和高速计算的功能，建立了动态数据库，并运用多种滤波技术及数据校正和诊断技术，保证了软件系统在工程装置中正常运行。

PET生产过程为一典型的非线性、时变的复杂过程，结合针对PET生产的工艺特点，深入分析研究了酯化、预缩聚和终缩聚反应机理，结合装置的结构和实时操作工况，采用机理分析和实时数据反应动力学参数辨识相结合方法，建立了酯化釜、预缩聚釜和终缩聚釜数学模型。为使模型实时在线运行和负荷适应工况变化，引入了模型参数在线校正技术和多模型结构来适应原料品种的改变，扩大了模型的应用范围，满足了工艺操作和软件开发对模型精度的要求。

基于过程模型化的工作和工艺操作对各釜质量指标的检测要求，开发出实时在线运行的质量指标软测量系统。采用以模型为基础的软测量技术，对酯化、预缩聚和终缩聚反应釜的出口质量指标：酯化率、端羧基浓度、DEG含量、粘度等进行在线检测，以“软仪表”实现了质量指标的实时在线分析。

按聚酯过程的工艺特点，抓两头，将酯化釜出口酯化率和终缩聚釜出口产品的粘度为优化操作控制目标，采用有约束非线性规划最优算法，开发出工艺操作参数优化指导系统，优化计算出酯化率和终缩聚釜的常规控制回路的优化设定值，给出在线工艺操作指导。

上述系统在装置土投运后，进一步平稳和优化了PET的生产操作。质量指标的软测量值和人工抽样分析比较相对误差小于2.5％，用“软仪表”实现了在线分析。工艺操作参数优化指导系统计算的优化设定值，给出了工况波动或负荷变化时操作参数优化预测指导值，促使装置在最佳条件下运行，提高了工艺操作水平，平稳了产品质量。开发的人机界面友好、交互功能齐全，满足了工艺工程技术和操作人员软件系统的操作。经测试软件系统可靠、稳定。

基于模型的质量指标软测量系统和工艺操作参数优化指导系统的开发成功，将DCS系统和上位机软硬件功能得到充分发挥，控制理论及控制技术得到了成功的工业应用。本发明所建模型、软测量技术和优化指导系统均可推广应用于同类的不同专利的聚酯生产过程。

                                附图说明

图1是预缩聚釜结构图

图2是预缩聚釜内部一层剖面图

图3是连续熔融缩聚的两相模型图

图4是在线优化控制总体框图

图5是粘度优化操作指导系统

图6是程序运行流程图

图7是软件系统总体结构图

图8是酯化釜指标动态显示图

图9是终聚釜指标动态显示图

图10是酯化釜工艺参数操作优化

图11是终聚釜工艺参数操作优化

                              具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

一、过程模型开发

过程模型技术的应用发展和自动化水平提高，已经体现了企业的高技术内涵，也是现代工业核心技术的重要组成部分，也是本软件系统开发的创新点和难点所在。过程模型开发在深入分析反应釜结构、传质及流动状况后采用机理分析和实测数据进行参数辨识相结合方法，建立的酯化、预缩聚和终缩聚反应釜模型，所开发的模型经仿真研究和参数校验及在线运行，模型精度满足不同控制目的和工艺分析的要求。

1.酯化反应釜模型

酯化反应器内进行着酯化反应也发生缩聚反应，同时还有生成乙醛和生成DEG的副反应。在反应过程中只有不断排出水产物才能使酯化反应按正方向进行下去，水分的排出速率影响到酯化反应总速率。酯化釜结构特殊，分为上下两层，下部有夹套和换热器加热，物料进入后靠热虹吸循环。在反应机理分析基础上建立了模型方程，其中计算用到的反应动力学表达式是经装置运行数据参数辨识后的回归式。开发出酯化釜数学模型方程主要用于酯化产品端羧基、酯化率和DEG含量的在线检测。模型如下：

(1)端羧基(酸值)的计算方程

Av＝Av0-R_Av*tau

式中，Av0为酯化釜入口酸值，R_Av为酸值反应速率；tau为平均停留时间。它们的计算如下：

            Av0＝2000/(166.13+62.07MET)

对于酯化釜2入口酸值：

            Av0＝酯化釜1出口酸值

酸值的综合反应速率和操作参数关系式如下：

            R_Av＝1.0*10⁷exp(-10100/T)(Av-Ava)^0.66

式中，Ava为平衡酸值，它是温度、压力和配比的函数，其表达式如下。

            Ava＝0.018exp(2653.6/T)P^0.76MET^-3.49

式中，P为反应压力；MET为EG/PTA的摩尔比，其计算为：

            MET＝(Feg/Meg)/(Fpta/Mpta)

式中，Meg，Mptafe分别为EG和PTA的分子量，Feg和Fpta为EG和PTA的流量平均停留时间的计算：

      tau＝V/F

式中，V为反应物料液相体积，和操作参数关联，F为平均流量。

(2)DEG含量方程

二甘醇(DEG)的重量比：

      DEG％＝DEG0+R_DEG*Tau0*10.6

式中，R_DEG为二甘醇(DEG)的综合反应速率：

      R_DEG＝6.0*10¹¹exp(-39020/RT)OHV²

(3)反应生成的水量

根据酯化率可求得釜内生成得水量为：

      Q_H2O＝2*(Ftpa/Mtpa)*18.02*(Es-Es0)

(4)酯化釜出口指标的计算

根据齐聚物中各端基间转换关系和计算得到酸值可推导出酯化产品其他性能指标：

端羧基：COOH＝1000*AV

皂化值：Sv＝2000/(166.13+62.07MET-36Es)

酯化率：Es＝1-Av/Sv

聚合度：Pn＝62.07/((2000/Sv)+88.10(1-Es)-192.17)

端羟基：OHV＝Sv/Pn-Av

2.预缩聚反应釜模型

预缩聚釜为立式反应釜，内共有14块塔板，组成结构如图1所示，每两块可看成一个全混合搅拌釜(CSTR)，则预缩聚釜由7个CSTR串联，而每个CSTR分别可看作在一定温度、压力、停留时间条件下的全混釜处理，结构如图2所示。

针对预缩聚釜结构和反应过程建模作如下假设：

(1)预缩聚釜由7个CSTR串联，反应混合物自下而上溢流输出，无返混现象；

(2)每个反应室内部压力处处相等；

(3)预缩聚反应处于反应控制阶段，无传质过程；

(4)预缩聚釜生成的水和乙二醇以汽相全部蒸发。

从反应机理模型出发，利用现场运行数据进行参数辨识后，得到反应动力学表达式，用于预缩聚模型方程计算。所开发模型用于预缩聚釜出口质量指标的在线测量。预聚釜模型如下：

(1)端羧基、粘度和DEG的模型

假设预聚釜一个CSTR入口指标：粘度、端羧基、二甘醇含量分别为IV₀，COOH₀，DEG₀，反应条件为

T，P，则CSTR出口指标可由下列表达式计算：

端羧基浓度：      COOH＝COOH₀-R_COOH*tau

粘度：             IV＝IV₀-R_IV*tau

式中，tau为停留时间，R_COOH为端羧基的反应速率，R_IV为粘度的变化速率，其表达式为：

R_COOH＝-68.561exp(-4278.9/T)(COOH-COOHa)^1.14

R_Iv＝2.3845*10³exp(-8131/T)(Y-0.6-BY^2.46)

式中，

   COOHa＝9.3461*10^-5exp(5010/T)(27.6+0.34P-1.16*10-3P²)

    B＝1.3901*10^-8exp(9824/T)P^1.2

DEG的计算与酯化反应类似。

(2)其它指标的计算

    聚合度：Pn＝187.95(IV^1.45-0.001718)

    数均分子量：Mn＝192*Pn

3.终缩聚反应釜模型

如图3所示，终缩聚釜是卧式反应器，结构特殊，处于圆盘式和鼠笼式反应器之间，反应混合物为熔体，除PET、PTA、Edeg、Ev和Eg等非挥发性组分外，还有EG、H₂O和A等挥发性物质。物料在反应器内，经笼体搅拌装置转动使物料提升形成薄膜，在真空下挥发性物质不断挥发到气相，缩聚反应沿轴向向右进行，粘度不断提高。终缩聚反应根据反应器结构，分成若干段，每一段可看作一个反应室。

终缩聚反应是将预缩聚反应物料粘度0.2Pa.S提升到0.6Pa.S左右，反应混合物以熔体相和气相的形式存在，物料流动为平推流，反应过程以脱挥为主。因此简化机理模型是以扩散为主的平推流模型。该模型通过回归分析方法建立，终缩聚产品质量指标：平均聚合度Pn、粘度IV、端羧基COOH、二甘醇含量DEG％等与反应操作条件之间关系。

(1)粘度变化速率方程

产品粘度与端基浓度有定量的对应关系，因此粘度变化速率可以用端基表示的过程速率来计算。根据经验公式，这里采用阻力方式来表达过程总速率模型

式中，R_反应、R_脱挥分别为反应和脱挥的速率方程，其表达式如下：

式中， $K_g=2.5437\×{10}^8{e}^{\frac{1.8437\×{10}^4}{\mathrm{RT}}},$ s_w为传质系数，与终聚釜的搅拌转速、盘的直径、盘结构及熔体特性有关。

$s_w=\frac{(\mathrm{\π}\×{r_1}^2+\mathrm{\π}\×{r_2}^2\×x)\·R}{60}$

式中，r₁，r₂为笼体的内外径；x为盘间轴向距离；R为搅拌速率。

以上方程参数经现场运行数据辨识得到。

(2)终聚釜的每个反应室出口指标的计算

               端基浓度：[C_E]＝-R_总×τ+[C_E0]

               粘度： $\mathrm{IV}={\left(\frac{\left[C_E\right]}{0.05537}\right)}^{-1/1.46}$

               聚合度：  P_n＝187.95×(IV^1.46-0.001718)

               端羧基： $\mathrm{COOH}=\frac{{\mathrm{COOH}}_0}{\left[C_{E0}\right]}\×\left[C_E\right]+7.2\×{10}^{12}{e}^{\frac{37800}{\mathrm{RT}}}$

式中，τ为每个反应室停留时间，[C_E0]为每个反应室入口端基浓度。

(3)终聚釜模型

如前所述，终聚釜为卧式反应釜，假设以扩散为主的无反混平推流模型，等效为多个反应室串联，每个反应室随着轴向进程，熔体相的反应条件：停留时间、传质系数、反应温度随结构有所不同，前个反应室的出口指标为后一个反应室的入口指标，串联形成终聚釜的模型方程组。

二、质量指标的在线检测

由于聚酯生产中各釜出口指标不能直接测量，以模型为基础的软测量技术是当今“软仪表”检测的主要发展方向。软测量技术实际上是运用计算机技术，把生产过程中不可测量的变量(质量指标)，以模型为基础进行实时在线模型推算和状态估计，并将计算出来的质量指标进行检测和显示，提供给操作人员质量指标的瞬间检测值、并在此基础上实现对聚酯生产的工艺操作参数优化。软测量技术在具体实施过程中，需要考虑：数据的预处理、模型参数校正、输出平滑、结果校验等环节。

1.数据的预处理

由于现场采集的数据包含有大量的噪声、冗余信息，有时会严重干扰估计或测量结果，因此过程数据的预处理是工程实施中不可缺少的一个环节。数据预处理技术包括：标度变换、显著误差检测、故障剔除和数据协调等。考虑到聚合反应釜的停留时间的影响，因此数据采集和计算结果应考虑数据的滤波、延时和平滑等。

2.模型参数在线校正

在实际生产过程中，需要不断调整产品生产负荷和品质以满足市场的不同要求，从而获得更大的经济效益，因此生产过程的操作工况会经常随着原料性质、装置负荷及产品质量指标等因素而改变，为扩大软测量模型的泛化性，实际运行时必须考虑模型参数的在线校正问题，即建立具有自适应的过程模型。

模型参数校正基本思路：程序自动采集并记录各釜抽样人工分析的质量指标及对应的操作条件。操作条件的选取要考虑每个反应釜的停留时间及反应速率，来确定某个时刻的操作变量值或某时间段操作变量值的加权平均。从而形成不同工况下积累的数据样本。

聚酯模型参数校正分为酯化模型参数校正、预缩聚模型参数校正和终缩聚模型参数校正三部分，参数校正算法采用非线性规划最优化算法，其数学表达式一般形式如下

                               min $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(y_n-{\hat{y}}_n)}^2}{{\hat{y}}_n}$

                               s.t.

                                   y_n＝f(x_n，θ)

                                   θ_min≤θ≤θ_max

式中，y_n为模型的计算输出， 为化验分析值，x_n为对应的操作条件，N表示数据的组数；f表示酯化、预缩聚和终缩聚模型方程；θ表示对应的模型参数，具有上下限约束。

3.输出平滑

由于聚合反应釜本身存在一定的反应时间，过程存在纯滞后，计算出的瞬时值不能直接作为反应釜出口指标值，为此，模型推算的瞬时值，经过滑动平均或按一定的分布平滑，作为软测量值。滑动次数或间隔时间的选取应与停留时间、反应速率有关。

输出平滑的表达式为：

$y_n=\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{y}_i$

式中，n-m表示滑动次数，0＜α_i＜1表示加权系数，与反应速率有关。

4.结果校验

经过平滑输出的质量指标与离线化验分析值的比较，检验它们之间的相对误差是否满足实际生产工艺要求，也是质量指标的在线测量成功的标志。根据现场操作运行数据，模型参数进行校正后，酯化、预缩聚和终缩聚各釜出口质量指标(端羧基、特性粘度、二甘醇DEG含量)的在线检测值与化验分析值之间的相对误差小于2.5％。

三、工艺操作参数优化指导系统

1.酯化率优化操作系统

酯化反应是时变、非线性过程，在实际生产中存在原料性质改变和负荷调整等。工艺操作参数优化指导系统是以产品的质量指标为目标值，在线优化计算出常规控制回路的优化设定值，提供给操作人员以指导，保持酯化反应釜在最佳条件下运行。酯化过程优化与常规PID控制的框架由操作优化层、常规控制层和优化与控制协调层三个层次组成，如图4所示。酯化优化的基本思路：根据工艺特点，选择酯化率和DEG含量作为优化目标值，选择温度、液位为决策变量，采用带有约束的非线性规划法来解决多目标多自由度操作优化问题。数学表达式表示如下：

Min F+w×γ≤∈

S.t.

    F＝(COOH-COOH_设定)²/COOH_设定+(DEG-DEG_设定)²/DEG_设定

   COOH＝f₁(T，P，tau，MET)

    DEG＝f₂(T，P，tau，MET)

    TL≤T≤TU，LL≤L≤LU

式中，w为权因子；γ为自由度因子，目的规划算法就是选择决策变量使自由度因子γ达到最小；ε为设定相对误差，其大小取决于COOH、DEG两个指标的重视程度。COOH_设定，DEG_设定为酯化出口质量指标的目标值；f₁，f₂为过程模型的约束方程；TL、TU、LL、LU分别为温度、液位的上下限约束。运用非线性规划算法，可在线给出温度、液位的优化设定值。

2.终缩聚釜粘度优化操作系统

粘度优化操作指导系统如图5所示。终缩聚釜常规控制回路为出口粘度与反应釜的压力构成串级调节，由于粘度检测滞后和终缩聚反应过程本身的大停留时间，常规的控制方案经常难以保证产品质量。粘度优化操作指导系统设计的基本思想：利用基于缩聚过程模型的在线软测量粘度值，与目标值、约束条件一起构成非线性优化问题，在线计算出粘度和压力的优化设定值，以前馈形式作用于常规控制回路。

粘度优化的目标函数和约束条件用数学表达式表示如下：

Min F+w×γ≤∈

S.t.

    F＝(IV-IV_设定)²/IV_设定+(COOH-COOH_设定)²/COOH_设定

    IV＝f₁(T，P，tau，MET)

   COOH＝f₂(T，P，tau，MET)

    PL≤P≤PU，TL≤T≤TU，LL≤L≤LU

式中，w为权因子；γ为自由度因子；ε为设定相对误差，其大小取决于IV、COOH两个指标的重视程度。IV_设定，COOH_设定为终缩聚釜出口质量指标的目标值；f₁，f₂为终缩聚模型的约束方程；PL、PU、TL、TU、LL、LU分别为压力、液位的上下限约束。运用非线性规划算法，可在线输出压力、液位工艺参数优化设定值。

四、软件系统。

聚酯产品质量指标在线检测和工艺操作参数优化的软件系统是将装置DCS系统、网络和上位机连接，在上位机上建立动态数据库。在建立装置模型的基础上，在上位机上开发出聚酯生产过程各釜出口质量指标(转化率、平均分子量、端基浓度、粘度和二甘醇含量)的在线检测的软测量系统和工艺参数的优化指导系统。并将上述显示于人机界面上供操作人员观察，完成实时在线检测和优化指导。

该软件系统程序编制采用高级控制语言，其程序流程如图6所示，采用VB作为人机界面开发语言，系统软件系统总体结构如图7所示，主要分几部分：

1.用CSDDE软件建立动态数据库，实现DCS系统和上位机的数据交换；

2.采用高级控制语言在上位机上开发各釜出口质量指标软测量系统软件及工艺操作条件优化指导的软件系统；

3.采用Visual Basic语言开发数据显示界面和人机交互界面系统。

根据系统软测量和控制及现场工艺人员的要求，整个软件系统的界面分为以下五个模块：

(1)动态显示：酯化釜1、酯化釜2、预聚釜、终聚釜的瞬时曲线显示、当前操作条件数据显示、统计指标输出数据以及优化数据显示等，界面如图8、图9、图10、图11所示。

(2)历史数据显示：多项软测量质量指标的历史数据记录、趋势及曲线显示。

(3)参数设置：优化模块的参数设置，和模型参数在线校正。

(4)化验数据：完成用于模型参数校正和多模型结构的数据样本采集，软测量结果与化验分析比较。

Claims (8)

1.一种聚酯产品质量指标的软测量和工艺操作优化的方法，其特征是将装置DCS系统、网络和上位机连接，在上位机上建立动态数据库，在建立了酯化、预缩聚和终缩聚反应釜模型的基础上，完成聚酯产品质量指标的实时在线检测和工艺操作参数优化操作。

2.如权利要求1所述的酯化反应釜模型，其特征是根据酯化反应机理、工业釜结构和实时操作工况建立了酯化反应釜模型。

3.如权利要求1所述的预缩聚反应釜模型，其特征是根据预缩聚反应机理、塔式反应釜结构和实时操作工况建立预缩聚反应釜模型。

4.如权利要求1所述的终缩聚反应釜模型，其特征是根据终缩聚反应机理、工业特殊搅拌卧式反应釜的结构和实时操作工况建立终缩聚反应釜模型。

5.如权利要求1所述的质量指标的实时在线检测，其特征是采用以模型为基础的软测量技术，对各釜出口质量指标进行实时在线检测，用“软仪表”实现了在线分析。

6.如权力要求1所述的工艺操作参数优化，其特征是酯化率优化操作和终缩聚釜粘度优化操作。

7.如权利要求6所述的酯化率优化操作，其特征是根据酯化釜出口质量指标为目标值，采用有约束的非线性规划算法在线计算出工艺操作参数常规控制回路的优化设定值。

8.如权利要求6所述的终缩聚釜粘度优化操作，其特征是根据终聚釜出口质量指标为目标值，采用有约束的非线性规划算法在线计算出工艺操作参数常规控制回路的优化设定值。

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