浅析聚丙烯生产过程的优化控制研究

（陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西  榆林  718500）

 摘  要：聚丙烯是一种性能优异的合成热塑性树脂。由于其体积小、无毒、易加工、耐冲击、耐高温和电气绝缘被广泛采用。聚丙烯在五种通用塑料中，消费仅次于聚乙烯。因此，改善聚丙烯生产，从而优化聚丙烯生产过程的控制非常重要。因此，提高聚丙烯的生产水平具有重要的理论和实践意义。
       关键词：聚丙烯；生产过程；优化控制；模型研究

前  言
       目前，化工、石油等大型连续生产过程一般由分布式计算机系统控制，其工作状态由控制设定值决定。通过改变原料成分、催化剂和设备老化等干扰因素，保障系统达到最佳运行状态，或者找到最佳的运行曲线。特别是近年来，随着能源和原材料成本的不断提高以及市场需求的不断变化，人们越来越重视节能和提高经济效益。从提高产品质量和结构到全球环境保护的趋势。过去稳定生产的传统操作已不能满足要求。运用先进的技术手段优化操作，提高产品质量，降低能耗是未来的发展趋势。

1  过程操作优化控制概述
       根据相关统计数据，工艺优化是经济效益发展的关键。近年来，聚丙烯逐渐取代金属、木材和水泥。它具有密度低、生产成本低、透明度高、化学稳定性好、无毒、易加工等特点。在汽车工业中，它具有抗冲击、抗干扰、电气绝缘等性能。近年来，高需求推动了聚丙烯行业的快速发展。在过去十年中，我国的聚丙烯消费量以每年17.59%的速度增长，远远高于世界平均水平^[1]。

2   聚丙烯生产概述
      催化剂和聚丙烯聚合是聚丙烯生产中的两个重要因素。

2.1 催化剂
      催化剂在化学领域中的作用非常重要，对促进反应速率及产品品质提升方面起着关键作用。近年来，在催化剂的研究方面具有显著效果。在聚丙烯的生产过程中，催化剂作为核心技术来研究。随着催化剂的不断发展，聚丙烯在生产过程中的工艺在不断改进。在20世纪50年代，结晶性聚丙烯的成功研制，大大促进了工业化生产。随着科学技术的不断进步，20世纪80年代，通过开发茂金属和后过渡金属催化剂。使聚丙烯的聚合效率和产品质量得到了快速提升。茂金属催化剂在保持之前的催化剂的性能和特点的基础上，增强了树脂的性能；而后过渡金属催化剂在兼具前者性能的同时，还降低了催化剂的生产成本。

2.1.1 传统的聚丙烯催化剂
      随着Z-N催化剂的不断开发和应用，近年来Z-N催化剂的主要发展方向是：扩大产品范围，在系统中增加Z-N催化剂系统。反应器中的高熔体流动指数(MFR)不会减少粘合剂的开裂，提高了丙烯酸聚合物的结晶度和等容性。提高光学性能，采用两段丙烯聚合物树脂的生产工艺，改善聚丙烯树脂的分子量分布，提供更好的刚度和抗冲击性。此外，正在开发的Z-N催化剂以及金属或混合催化剂系统。主要发展方向是在反应器中生产双峰或多峰丙烯酸树脂。该工艺更易于管理，分子量分布更稳定，共聚物产品更灵活^[3]。

2.1.2  茂金属型催化剂
      自20世纪90年代以来，它一直是备受推崇的烯烃聚合催化剂。茂金属催化剂的工业应用为聚丙烯树脂的生产创造了良好条件，如超硬规格聚丙烯、高透明螺旋间聚丙烯、等规聚丙烯共聚物等[2]。茂金属聚丙烯树脂的发展是低溶剂迁移率产品的开发，提高产品性能，开发高熔点新产品。大分子量分布，不规则共聚物和耐脉冲共聚物的开发，更适合当前设备的金属催化剂。

2.2    聚合工艺
      影响聚丙烯生产过程的另一个重要因素是其聚合过程，包括溶剂、液相和气相过程。其中，溶剂法和溶液法是早期工业中使用的两种方法。前者溶剂回收率高，物料消耗大，生产过程长且复杂，不再使用。溶液法生产成本高于溶剂法，工艺复杂，体积小[4]。在对聚丙烯聚合工艺深入研究的同时，发现在采用气相法或是液相烯醇法时，其能耗均处于较低水平。在摆脱催化剂残渣或产品标签方面具有新优势。因此，低能耗的生产工艺在聚丙烯的生产过程中发挥着越来越重要的生产优势。

3   聚丙烯生产工艺介绍
       从严格意义上来讲，任何通过丙烯聚合的产物均可称之为聚丙烯（PP-Polypropylene）。聚丙烯在研究初期，被认为是一种支化后所形成的低分子量的重油。然而，随着科学技术的不断发展，对聚丙烯产物的认识也越来越深入。通过不断对新工艺的开发，出现了各种功能性聚丙烯牌号。目前，最为常见的丙烯聚合工业包含三种生产工艺。

3.1  溶剂法聚合工艺
      在工业化的早期阶段，溶剂聚合是一种非常常见的方法，反应相对温和，不剧烈。该方法生产的产品质量稳定，性能优良，溶剂聚合低，设备简单，设备故障时易于维护。但也存在溶剂制造过程长、溶剂回收要求高、操作相对复杂等缺点。从能耗、材料消耗等方面进行分析。对产品的数量也有一定的限制。在聚丙烯领域，溶剂法相对成熟，可以生产稳定、强力的产品。一些制造商对工艺进行了技术更改，并没有完全放弃原有设备。因此，对溶剂型聚丙烯工艺的研究仍然非常重要。

3.2  本体法聚合工艺
       液相本体制造工艺将催化剂直接分配到液相丙烯中，并与液相本体丙烯聚合，而无需向反应系统中添加其他溶剂。将聚丙烯粉末浓缩在催化剂颗粒上，并在液体丙烯酸悬浮液中生长，由聚丙烯颗粒的液相浓缩产生。液相批量生产工艺具有物料消耗低、能耗低、生产能力强的特点。聚合反应器主要由环管反应器和釜式混合反应器组成[6]。共聚物在搅拌涡流床中反应。反应器系统是液环和气相流化床反应器的组合工艺。预聚合反应器是两个环路反应器，均聚物通常存在于两个串联回路反应器中。每个反应器由四根管子组成，每根管子通过一个循环泵形成两个环。用于生产耐冲击共聚物的多相共聚物反应器是蒸汽密度相流化床反应器。

3.3  气相法聚合工艺
        气相聚合法，顾名思义，是一种在生产过程中不需要闪蒸。也不需要离心干燥的采用高效催化剂的气象流化聚合工艺，气相技术具有无灰高效催化剂的优点。其特点是，在气相聚合生产过程中，无需去除催化剂残留物或不规则物质，且无需闪蒸或离心干燥，即可高效批量生产。目前，气态聚丙烯工艺主要包括壳牌公司开发的BASF、UCC(Union Carbide)和Unipol工艺、创新的BP工艺和Basell最新的球形区工艺。UCC(UnionCarbide)公司的气相乙烯技术具全球领先地位，根据强化流化床聚乙烯技术和流化床反应器生产的经验，采用SHAC系列催化剂和壳牌公司联合开发的先进聚丙烯unipol工艺。

4  聚丙烯生产过程的优化控制

4.1  解决生产过程中的影响因素
      聚丙烯有几种生产工艺，从中间单体的早期聚合、分离和洗涤到后处理。此外，聚丙烯生产设备的体积较大，如何协调生产过程中的操作顺序，保证质量和生产效率是生产企业需要充分重视的问题。

4.1.1生产设备
      从聚丙烯生产的角度来看，生产设备系统具有不确定性大、纯滞后大、耦合性强的特点。因此，实现上述操作过程的优化控制是实践中必须解决的重要问题之一。

4.1.2  从生产的角度看
       在生命过程中必须遵循一定的生产目标和原则，并根据生产原则实现相应的生产目标。因此，为了进一步改进生产工艺和质量，有必要遵循产品的生产流程。应考虑设备和控制等方面。

4.1.3  控制角度分析
      当生产工艺和设备在实际生产环境中完全确定时，聚丙烯产品的整个生产过程必须遵循生产原则，实现相应的生产目标。这是为了实现平衡控制，反之亦然。因为他们之间的关系是平衡且有影响力的。确保生产过程的安全和平衡是工业生产最重要的前提。只有在平衡稳定的生产环境中，才能为产品生产提供更可靠的机理模型，实现产品的优化与控制。

4.2  完善集散型控制系统
      从聚丙烯生产过程的控制效果来看，分散控制虽然有足够的优点，但其缺点是非常明显的。分散控制系统将操作变量和控制变量视为单独的对应关系。未考虑外部因素的影响。对于聚丙烯的实际生产过程，产品生产的实际控制效果取决于其他外部因素，即操作变量和控制变量之间的比率。因此，很难从根本上控制生产设备的稳定性和设备的安全生产。

4.3  优化生产过程的控制层次
       本文主要从两个方面论述了聚丙烯生产的优化与控制。主要包括以下几个方面：

4.3.1  建立合理的过程机制模型
      基于先进控制系统的静态优化模型，该模型具有目标函数原理。将目标函数与在线经济优化控制的有效性分析相结合，计算出最终的精确优化值，并将精确值作为可控极限。

4.3.2  基于控制条件在线优化控制
       为了进一步改进最终优化控制，有必要计算目标函数中定义的优化值，以便对产品生产进行有意义的控制。然而，实际应用的原理是非线性控制，具有系统理论的优点[12]。其次是预测控制方法，它不同于以往的控制方法，即适用范围不同。前者属于控制面板，后者直接应用于产品的实际生产过程，并与聚丙烯产品的生产过程相结合。为了便于实施，逐步制定控制方法，但实施的主要原则必须统一。

5   聚丙烯生产过程建模研究
       丙烯的聚合方式属于阴离子配位聚合，自由基链式聚合明显。大量活泼的π键游离在丙烯分子里，促使络合物催化剂吸附或配位，其中钦系络合物催化剂较为常见，而π键在配位过程中的作用极为明显。在活性链的形成过程中，丙烯单体通常位于钦、碳键之间，实现链增长。对于催化剂的活性问题，主要包括双金属和单金属活性中心模型理论两种。
        在聚丙烯的生产过程中，釜式聚合装置是生产过程中的主要设备。而在正常生产过程中，混合釜式是最为常用的生产设备，也可采用多台单式设备并联或串联使用。在釜内反应时，为了提高反应效率，通常采用动态控制模式。因此，在反应器建模过程中，通常是在假设的背景下进行研究，包括动态或静态控制，但是应重点考虑热平衡问题。
        在聚丙烯生产过程中，最为热点的问题应是建模研究。在反应釜装置运行的过程中，作为一项主要的生产装置，如何对其进行优化应当是研究的基础性工作。因此，在问题研究的过程中，可将反应过程进一步简化。从物料进入反应器时开始，对不可逆的一级放热反应进行研究，控制热量的升高幅度，对反应物的浓度及反应速度进行实时监测。当反应速度过快时，必须对热量的释放加以控制。通常采用的措施是采用夹套冷却和气相冷凝回流的方式将热量带走。同时，聚合过程是在液相中进行，通过搅拌的方式，避免聚合产物在反应器内壁上的沉积。保障聚丙烯生产过程得到良好控制，使反应过程顺利进行。

6    结束语
       在当今能源短缺的情况下，改善能源使用可以降低成本、节约能源并减少能源消耗。石化公司尤其需要优化生产，以显著提高经济效益。对于企业来说，优化是一项复杂的系统工程。在聚丙烯生产过程中，实现了合理的优化控制。首先，对聚丙烯生产的全过程进行分析和讨论。生产企业还需要认识到，实现聚丙烯的优化控制，还需要完成相应的建模研究，即如何将反应釜作为聚丙烯产品的核心生产设备，不仅需要提升其生产效果和效率，同时还要实现丙烯的循环利用，以真正实现其优化控制。

参考文献

[1] 袁渭康，周兴贵.石油化工过程与装置的在线操作优化[J].金山油化纤，2001，1：1-4

[2] 高倩.丙烯聚合建模研究[D].浙江：浙江大学信息学院，2019

[3] 蔡志强.Unipol气相法聚乙烯技术进展与启示[J]・合成树脂及塑料，2017，22(1)：58-63

[4] 冯连芳.丙烯聚合反应器与过程模型化研究[D].浙江大学，2018

[5] 李玉贵，陈宁观，等.液相本体法聚丙烯生产及应用[M].北京：我国石化出版社，2017

[6] 任晓燕，刘红，武颖睿.聚丙烯酰胺煤泥水处理应用及现状研究[J].化工管理，2016（07）：216-217.

[7] 姜兴亮.聚丙烯老化及抗氧剂的应用和发展[J].化学工程与装备，2016（04）：207-210.

[8] 牛慧.β晶等规聚丙烯的制备原理和研究进展[J].石油化工，2016（04）：377-386.

第一作者简介：贺进军（1988-），男，汉族， 陕西靖边人，本科，工程师；研究方向：浅析聚丙烯生产过程的优化控制研究。

       来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第12期   在线投稿  >>