CN101125291B - 一体化的化工工艺控制 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种化工制备方法的控制系统，其中除反应器(202、204)外，具有至少一件工艺控制设备(212)。该系统使用一个或多个多变量预先优化控制器(216、224、214、220、218、222)以优化控制化学反应器(202、204)及位于反应器(202、204)上游或下游的生产控制设备(212)，从而对反应器(202、204)和生产控制设备(212)实现一体化工艺控制。

Description

一体化的化工工艺控制
本申请是申请日为2002年9月25日，申请号为02818783.0(PCT国际申请号PCT/US02/30417)，发明名称为“一体化的化工工艺控制”的专利申请的分案申请。
相关专利申请的相互参考文献
本专利申请享有2001年9月26日提交、序列号为60/325,012的临时专利申请的权利，其名称是“一体化的先进化学工艺控制”。
发明领域
本发明涉及化工制备方法控制。更具体而言，本发明涉及化学反应器和相关系统的一体化控制，以同时控制制备过程化学反应器系统内外的速率控制步骤。
发明背景
典型地，化学反应器在催化剂系统和其他材料存在时将一种或几种原料进行反应，产生宽范围的化学产品。反应器典型地在液相或气相情况下操作，操作条件如温度、压力和催化剂浓度，以使反应器产品的数量或性能最佳化。
一些反应器系统通过控制重要操作条件的指标加以控制。当操作者发现不希望的变化趋势或偏离时，可以进行干预，改变一个或几个可控参数，使反应器系统回到期望的操作状况。不幸的是，这种初级的控制系统典型地对最近化工厂采用的复杂连续过程反应器不实用。即使可以使用这种初级控制方法，反应器操作者的反应也是主观的，可能太大，可能太小或者最坏的情况下可能不正确。
为此，现代化工厂典型采用以计算机为基础的控制系统，它能快速而精确地连续控制和调节反应器参数。这种现代控制系统可以用类似汽车行驶控制系统的方式运转，它能使反应器在没有操作者干预的情况下保持最佳运行状态，操作者可以向控制系统指示期望改变运行状态，但不必为达到期望的最终状态来指示系统改变。
现代化学反应器控制系统的一个例子是集散控制系统或“DCS”，它用于控制化学反应器，例如气相制备聚烯烃如聚丙烯的反应器。DCS连续地控制关键的反应器参数，采用许多现场调节控制回路，以改变操作条件如催化剂流速、丙烯单体流速和氢气流速。DCS在聚丙烯生产中的应用能够确保产生大量高质量的聚丙烯。但是，现场调节控制回路固有的局限性及其相关的控制逻辑使其在反应器控制方面存在改进的空间。
为了进一步改进现代聚烯烃反应器的性能，工厂的工程师们已转向先进的工艺控制系统或“APC’s”，以使反应器系统的控制最佳化。APC’s采用模拟技术如神经网络法、偏最小二乘法、主成分回归分析法或第一原则模型的工艺水平来推断反应器状态变量的快速变化，然后将预测的控制信号提供给DCS现场控制回路，以维持反应器处于最佳状态。和控制仅仅基于在DCS趋势及其形成的现场回路控制变化中发现的偏离比较，由于APC’s能够预测反应器状态变量的变化，因此能保持反应器操作状态更接近最佳。
尽管该先进控制技术的工艺水平还有效，但现代化工厂不能生产出理论上质和量都最佳的产品。这就需要一种提高上述化工厂效能的方法，这种方法不是上述先进反应器工艺控制系统能实现的。
发明概述
令人惊奇的是，我们发现即使反应器控制方法的工艺水平得到较好利用，通过对工厂的先进工艺控制系统的上游或下游设备中某个速率控制步骤的一体化控制，化工厂的效能也还能够有基本的提高。
具体而言，在本发明的一个实施方案中，我们公开一种控制化工制备方法的系统，它至少有一个化学反应器，以及位于反应器上游或下游的生产控制设备。第一多变量预先优化控制器优化化学反应器的控制，第二多变量预先优化控制器则依等级地在第一控制器和生产控制设备之上操作，以实现反应器和生产控制设备的一体化工艺控制。该实施方案的一个实施例是第二控制器同时优化位于聚烯烃制备反应器下游的挤出机的操作。优选地，第三多变量预先优化控制器依等级地在第二控制器之下操作以提高对生产控制设备如挤出机的控制。
正如本申请所用，术语“化学反应器”指任何容器，化学原料在其中被转化为各种不同的化学产物，不管催化剂或其他材料存在与否，也不管反应是在液相、固相或气相或其组合相中发生。
正如本申请所用，术语“多变量预先优化控制器”指一种控制器，它基于线性或非线性的、多变量的、动力学(即时间变量)的表达式，这些表达式是对数值或函数矩阵的处理和计算，这些矩阵则将许多操作变量、任选为干扰变量与许多控制变量、任选为制约变量关联起来，关联的方法应该能够实现较容易地预测将来某一时刻的变量状态，并根据这种预测，能够全部或部分地控制系统。
正如本申请所用，术语“生产控制要素”指由反应器的多变量预先优化控制器或控制器组控制的位于反应器系统上游或下游的任何设备或条件，其中控制器控制化工制备方法产生产品的质或量的能力。“生产控制设备”指由反应器的多变量预先优化控制器或控制器组控制的位于反应器系统上游或下游的任何机械设备如挤出机或热交换器，其中控制器控制化工制备方法产生产品的质或量的能力。
在本发明的另一个实施方案中，化工制备方法包括至少一个化学反应器、位于反应器上游或下游的生产控制设备、优化控制化学反应器的第一非线性多变量预先优化控制器以及依等级地在第一控制器和生产控制设备之上操作的第二非线性多变量预先优化控制，以实现对反应器和生产控制设备的一体化工艺控制。
优选地，工艺也包括第三多变量预先优化控制器，它依等级地在第二控制器之下操作以优化控制生产控制设备。
在这些发明的优选实施方案中，化学反应器是聚烯烃反应器，其中利用聚烯烃反应器制备的聚烯烃选自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。正如这里所用，“聚烯烃反应器”是一种化学反应器，其中至少50wt.％的反应器原料为丙烯、乙烯或其混合物，丙烯和/或乙烯在催化剂存在下在其中反应，产生包含聚丙烯、聚乙烯或聚丙烯/聚乙烯共聚体的聚烯烃。这类聚烯烃也包括一种或多种含四个或更多碳原子的α-烯烃。优选地，聚烯烃反应器使用的催化剂选自Ziegler-Natta催化剂、后过渡金属催化剂以及茂金属催化剂。
本发明的另一个实施方案是一种控制至少部分在气相中发生的化工制备方法的系统。该系统包括至少一个化学反应器和位于反应器下游的生产控制设备，还包括优化控制化学反应器的第一多变量预先优化控制器以及控制与反应器运转相关的气体组成的第二多变量预先优化控制器。该系统也包括依等级地在第一控制器、第二控制器和生产控制设备之上操作的第三多变量预先优化控制器，以实现反应器和生产控制设备的一体化控制。该系统对于聚烯烃的制备尤其有用，特别是含丙烯的聚合物，能和一个或多个横向搅拌的亚流化床气相反应器一起被有效地使用。
在一些实施方案中，优选使用非线性多变量预先优化控制器。
正如本申请所用，术语“非线性”在用于描述控制器时指一种控制器，它能够通过将结果近似为非线性关系，直接或者典型为间接地优化非线性关系，例如用多元方程对具体的变量数值范围进行非线性关系模拟。
当反应器和生产控制设备“紧密连接”时，本发明系统和工艺尤其有用，因为反应器和生产控制设备之间紧密连接使得反应器或生产控制设备的控制更直接影响与其紧密连接的其它设备(即生产控制设备或反应器)的运行。正如这里所用，如果反应器和生产控制设备之间系统的过负荷能力小于系统额定产率的三倍，则系统为“紧密连接”。例如，如果生产控制设备位于反应器下游，系统在额定稳态产率为100单元/h下运转，则紧密连接系统中反应器出口和生产控制设备入口之间的过负荷能力小于300单元。按此关系，“过负荷能力”指在稳态运转时化工制备系统中反应器出口和生产控制设备入口之间所允许的物料低储存量和高储存量之间的差值。同样地，如果生产控制设备位于化学反应器上游，而系统在额定稳态产率为100单元/h下运转，则紧密连接系统中生产控制设备出口和反应器入口之间的过负荷能力小于300单元。
在本发明另一个实施方案中，本发明用单个多变量预先优化控制器来实现优化控制化学反应器和生产控制设备。控制器同时考虑单个M×N矩阵中所有变量之间的关系，其中矩阵中M行是操纵和扰动变量，矩阵中N列为控制和约束变量。虽然该实施方案在计算上更复杂，但本发明采用足够的计算能力解决更复杂系统的方式来得以实现。该实施方案证实了一些本申请的优势，因为它允许建立的模型可以观察所有控制和约束变量与操纵和扰动变量之间的关系，当用针对制备系统特殊方面的较小分离控制器建立初级模型时可能揭示出未被考虑的关系。正如其它实施方案一样，该实施方案优选使用非线性控制器，和聚烯烃反应器一起使用更有利，其中挤出机为下游的生产控制设备。本发明所述的工艺，其中用聚烯烃反应器制备的聚烯烃选自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。
附图简述
图1显示制备聚丙烯的横向搅拌式次流化床反应器以及相关设备。
图2为聚丙烯高抗冲共聚体制备系统的示意图。该系统使用两个图1描述的反应器，采用先进工艺控制技术优化共聚体产品。
图3a和3b阐明与图2系统的第一气体组成控制器一起使用的非线性多变量预先优化控制器所模拟和选用的变量关系。
图4表示为改进共聚体产品而按本发明改造后的图2系统的示意图。
发明详述
下面结合聚丙烯和聚乙烯的挤出式高抗冲共聚体的制备来描述本申请人的发明。事实上，本申请人的发明在任何化工制备情况下都可使用，通过应用包含在本申请中的教导很容易适合于其他的应用。
图1说明一种横向机械搅拌式次流化床反应器系统10，其中包括用于制备聚丙烯的某些关键的相关设备。
单体原料的聚合在横向圆柱体反应器12中进行。催化剂、助催化剂和改性剂以连续可变的速率经进料管线16和18分别进入容器12的入口端14。
在稳态操作时，聚合起初在位于容器12上方的蒸汽域20中发生，随着颗粒的增大和下落，聚合继续在容器12下方的粒子床22中进行。搅拌器24位于容器12的纵轴A方向。搅拌器24的搅拌桨26在搅拌器24旋转时搅动粒子床22，由此促进粒子床22中物料的混合及朝容器12的出口端28活塞式流动。
来自气液分离器42的单体和冷凝液体一同被称为“冷却液”，通过垂直位于容器12顶部蒸汽域20中的骤冷喷嘴30被加进容器12的蒸汽域20。经骤冷喷嘴30加入的液体使粒子床22上表面的热颗粒冷却，然后搅拌桨26将这些冷却颗粒以及任何残留的液态单体赶进粒子床22，继续进行放热聚合反应并进一步冷却粒子床22。液体进入容器12的流速可以通过容器12中的骤冷控制阀31局部控制。
循环反应蒸汽可通过压缩机32经气体入口34进入粒子床22的下部。通过在压缩机32的入口或出口附近加入氢气，也可经气体入口34将氢气引入粒子床22的下部。
聚合产品通过一个或多个放料阀35经容器12的放料端28转移。放出的产品经过固气分离器36(也叫“袋滤器”)后，排出的固体产品输送到清洗塔(图2)，而分离出的气体去尾气压缩机46，冷凝前压缩后补充进容器12。
反应器尾气冷凝器44将直接来自反应器蒸汽域20的蒸汽冷凝，也冷凝在尾气压缩机46中被压缩后经固气分离器36而来的尾气。蒸汽和液体进入容器12由气液分离器42来完成。通过泵38进入容器12的液体是冷凝液和经过单体补充管线40补充的新鲜单体的合并。
在额定操作条件下，上述反应器系统的操作压力约为1400-2800kPa(200-400psig)，温度约为50-90℃(122-194°F)。粒子聚合物床的体积典型约为容器12体积的约40-80％。
反应器系统10典型用于生产均聚丙烯或丙烯与其它α烯烃如乙烯的无规共聚体。控制这种反应器系统包括操纵上述设备以改变反应器条件，既使产率最大又使产品质量最佳。
控制如上所述反应器系统典型地需要操纵的因素有：
a)催化剂流速，以控制产率；
b)氢气浓度，以控制产品分子量或其熔体的流速；
c)共聚用单体的进料和浓度(制备无规共聚体时)，以控制产品性质；
d)助催化剂与催化剂之比；
e)催化剂系统使用助催化剂如三烷基铝和给电子体时的助催化剂与给电子体之比；
f)决定合适的原料和循环物料补充量的各种气体浓度及比率，以维持反应器中期望的浓度。
图2为制备聚丙烯的均聚体、无规共聚体和高抗冲共聚体的多级反应器系统100的简化示意图。图中包括主要的工艺组成，阐明了系统采用的先进工艺控制器的构造。具体而言，系统使用两个图1描述的反应器，采用先进的工艺控制技术优化共聚体产品。系统100采用四个非线性多变量预先优化控制器，以使产率最大及希望产品的质量最佳，并缩短产物之间的转化时间。
系统100的机械设备包括第一反应器102、第二反应器104、从第一反应器102到第二反应器104输送聚丙烯粉末的粉末传送系统105或“吹扬器”、第一反应器的气液分离器106、第二反应器的气液分离器108、对反应器104产生的高抗冲共聚体粉末里的残留烃进行脱气的清洗塔110以及将脱气粉末转变为转换工业典型使用的小球的挤出机112。
反应器102和104都以图1的系统10所详细描述的方式运转。系统10与系统100之间主要的机械差别是系统100的反应器102和104串联运转以生产均聚体、无规共聚体和高抗冲共聚体产品。这种横向气相反应器的串联运转为本领域的普通技术人员所熟知，在我们的专利US 4,888,704和US 5,504,166中做了描述，这些公开内容在此引入本申请作为参考。
由上可知，系统100也采用四个非线性多变量预先优化控制器。
控制器114为反应器102的第一气体组成控制器，主要与控制加入反应器102和通过它循环的气体有关。
控制器116为第一反应器控制器，主要与第一反应器102的聚合物产品有关。
控制器118为第二气体组成控制器，主要与控制加入反应器104和通过它循环的气体有关。
控制器120为第二反应器控制器，主要与第二反应器104的聚合物产品有关。图2中，机械设备硬件102、104、106、108、110和112之间的实箭头一般表示物料在系统中的流动方向，而进出控制器114、116、118和120的虚箭头一般表示进出这些控制器的控制信号及其方向。
分别结合下面的表1、2、3及4，更容易描述控制器114、116、118和120的操作。表1至4列出了每个优化器操纵的主要系统变量，以及最受操纵对应系统变量直接影响的操作参数。应当指出，在本实施例和下面实施例提及的变量为生产高抗冲共聚体产品的变量。如果使用双反应器系统制备均聚体，则不需要与乙烯相关的变量。
表1-第一气体组成控制器
  操纵变量   控制变量
  氢气(H<sub>2</sub>)流速乙烯(C<sub>2</sub><sup>＝</sup>)流速气体排放流速(从气液分离器)   尾气中氢气与丙烯之比(H<sub>2</sub>/C<sub>3</sub><sup>＝</sup>)尾气中乙烯与丙烯之比(C<sub>2</sub><sup>＝</sup>/C<sub>3</sub><sup>＝</sup>)
  尾气中丙烷浓度(排气中的C<sub>3</sub>)
  扰动变量   约束变量
  气体排放速率补充速率(新鲜单体流入第一反应器气液分离器)产率   无
第一气体组成控制器114基于与时间相关的非线性模型，它通过具有代表性的运转周期内数据的积累而建立。熟悉下面将讨论的控制化学工艺的工艺控制工程师对此模型进行进一步调整。
首先，通过模拟软件建立相关工艺变量和无关工艺变量之间的关系。虽然收集足够数据以建立一个充分的工艺模型所需要的时间周期长短不一，但对于如系统100的共聚体设备，六个月左右的操作周期将足够获得在宽范围的操作条件和产品情况下极好的变量间的关联。
为第一气体组成控制器114建立的模型和工艺工程师为应用对其进行的后续修正示意于图3。
图3a为描述关系R1至R9的3×3矩阵，它关联了氢气流速、乙烯流速、气体排放流速、尾气中氢气与丙烯之比、尾气中乙烯与丙烯之比以及尾气排放的丙烷浓度，它是为第一气体组成控制器114建立的模型。这些关系是不固定的，经常为非线性关系，它虽然描述了第一反应器尾气系统的模拟行为，但对反应器控制可能适用也可能不适用。
一旦这些关系建立，工艺控制工程师就仔细检查每个关系以考察其对工艺控制模型的影响。在工艺工程师认为模型的响应不稳定、非线性特别突出或有其它不适合于稳定工艺控制的地方，他就从模型中选去这些模拟关系，使矩阵的关系数目减少，这在工艺控制的模型中经常用到。
图3b代表用于第一尾气控制器114的模型最终结构。从图3b可见，关系R2(氢气流速与乙烯/丙烯之比的关系)、R3(氢气流速与尾气排放的丙烷的关系)、R4(乙烯流速与氢气/丙烯之比的关系)和R6(乙烯流速与尾气排放的丙烷的关系)被从模型中选去，要么因为其不需要的动作预期会引起控制响应，要么因为其它原因被工艺控制工程师认为不适合。
在工艺工程师评价模型期间，他也会为任何特殊变量或作为扰动变量的变量(影响控制变量熟知的变量，但被限制或阻止操纵模型中变量)在模型内指定某些限制。选去某些工艺关系和指定工艺限制的技术为工艺控制领域的普通技术人员所熟知，在文献中也能找到，例如“Process Control：Structures and Application”，Balchen，J.G.和Mumme，K.I.，1988以及“Application of Neural Networks to Modelingand Control”，Gomm，J.B.，Page，G.F.和Williams，D.，1993，这些公开的内容在此引入作为参考。建立这些模型的程序能够买到，有许多来源，例如位于Texas，Austin的Pavilion Technologies公司的PROCESSINSIGHTS和PROCESS PERFECTER程序，或者位于Massachusetts，Cambridge的Aspen Technologies公司的ASPEN IQ及DMC PLUS程序。要指出的是，在工程师分析给定控制器例如上述第一气体组成控制器时，要列出扰动变量并在概念上看作操纵变量，而约束变量在概念上看作控制变量(即扰动变量列于图3a左列，约束变量列于图3a顶行)。为简化起见，这些约束变量和扰动变量被省略。
表2、3和4列出用于第一反应器控制器116、第二尾气控制器118和第二反应器控制器120的关系。这些控制器的初始模型用与第一尾气控制器114相同的方法建立，然后由工艺控制工程师加以修正，如上所述。
表2-第一反应器控制器
  操纵变量   控制变量
  催化剂流速反应器中氢气浓度反应器中乙烯浓度给电子体与催化剂之比反应器蒸汽与液体之比铝硅比   产率熔体流速产物中乙烯百分含量产物参数(如可提取的己烷和可溶的萘烷)
  扰动变量   约束变量
  给电子体与催化剂之比反应器温度催化剂产量   冷却水阀的位置(去尾气冷凝器)丙烯骤冷液阀的位置
第一反应器控制器的主要目的是使产率最大、质量稳定和过渡时间最短。控制器必须考虑的主要的控制器制约因素是反应器冷却系统和反应器骤冷系统的处理能力。
结合第一和第二反应器控制器，应当指出，许多参数的数据并非直接可用或者需要根据模型中使用的其它可测参数进行模拟。熔体流速、乙烯百分含量、可提取的己烷和可溶的萘烷值就属于这种变量。这些参数可按化学和控制领域的普通技术人员的要求进行模拟。这些参数的模拟方法在上面提及的参考文献中可以找到，也存在于专利US5,933,345和US 5,877,954中，这些公开的内容在此引入作为参考。适于模拟这些参数的商业软件包括Aspen Technologies公司的ASPEN IQ及DMC PLUS程序和Pavilion Technologies公司的PROCESSINSIGHTS和PROCESS PERFECTER程序。上述控制器应用的其他信息可见于Morshedi的专利US 4,616,308和Prett的专利US 4,349,869中，其公开内容在此全部引入作为参考。
表3-第二气体组成控制器
  操纵变量   控制变量
  氢气(H<sub>2</sub>)流速乙烯(C<sub>2</sub><sup>＝</sup>)流速气体排放流速(从气液分离器)   尾气中氢气与丙烯之比(H<sub>2</sub>/C<sub>3</sub><sup>＝</sup>)尾气中乙烯与丙烯之比(C<sub>2</sub><sup>＝</sup>/C<sub>3</sub><sup>＝</sup>)尾气中丙烷浓度(排气中的C<sub>3</sub>)循环液中丙烷浓度
  扰动变量   约束变量
  补充速率(新鲜单体流入第二反应器气液分离器)   无
应当指出，第二反应器气体组成控制器和第一反应器气体组成控制器基本一样。
表4-第二反应器控制器
  操纵变量   控制变量
  尾气中氢气与丙烯之比尾气中乙烯与丙烯之比活性调节剂流速反应器蒸汽与液体之比   熔体流速聚合橡胶分数(％RC)橡胶中乙烯的浓度(％RCC2)
  扰动变量   约束变量
  补充速率(新鲜单体流入第二反应器气液分离器)   无
不幸的是，我们相信，即使如上述公开的控制方案的技术水平，也不能使聚丙烯装置的性能最佳。其原因是即使如此复杂的反应器控制系统也不能将上游或下游工艺设备的相关数据都合并处理，如果合并处理，先进的工艺控制器就会得到不同的结果。
在上述实施例中，我们相信，由于加入非线性多变量预先优化控制器来控制挤出机，以及依等级地用非线性多变量预先优化控制来操作反应器和气体组成控制器及挤出机控制器，以使系统总产率最大化，聚丙烯装置的生产能力得到提高。尽管不希望被任何特殊理论所限，但我们相信，挤出机112的现场控制会导致挤出机不必要的保守运行。在下述情况下确信尤其有关，例如，繁重的工作量会导致挤出机操作者做出保守的决定以避免挤出机出现任何冒进的、无人看守的运行状态，引起挤出机停转或上游设备混乱，又导致反应器102和104的关闭或损害性操作。
图4说明系统200，其中添加了挤出机控制器和最重要的产品控制器以提高机械设备的生产能力。设备包括第一反应器202、第二反应器204、将粉末从第一反应器202输送到第二反应器204的粉末传送系统205或“吹扬器”、第一反应器的固液分离器206、第二反应器的固液分离器208、对反应器204产生的高抗冲共聚体粉末里的残留烃进行脱气的清洗塔210，其中在任何时间都含有预置上限和低限之间的固有粉末储存量、以及将脱气粉末转变为固态聚合物线材，再切断成变换工业典型使用的小球的挤出机212。
和系统100一样，反应器202和204都按结合图1和2详细描述的方式运转。同样在图2中，机械设备硬件之间的实箭头一般表示物料在系统中的流动方向，而进出控制器的虚箭头一般表示进出这些控制器的控制信号及其方向。
系统200采用六个非线性多变量预先优化控制器。
和系统100一样，控制器214为反应器202的第一气体组成控制器，主要与控制加入反应器202和通过它循环的气体有关。控制器216为第一反应器控制器，主要与第一反应器202的聚合物产品有关。控制器218为第二气体组成控制器，主要与控制加入反应器204和通过它循环的气体有关。控制器220为第二反应器控制器，主要与第二反应器204的聚合物产品有关。
和系统100不同，系统200包括第5控制器、主要与挤出机212的操作有关的挤出机控制器222以及第6控制器、与高水平的产品最佳化相关的产率控制器224。
控制器214、216、218和220的操作类似于系统100的控制器114、116、118和120的操作。
表5确定与挤出机控制器222相关的参数。
表5-挤出机控制器
  操纵变量   控制变量
  粉末进料器过氧化物进料   挤出机产率挤出机熔体流速
  扰动变量   约束变量
  反应器熔体流速(进入挤出机的聚合物)反应器产率   成球机速度挤出机马达电流混合器马达电流齿轮泵速率齿轮泵电流挤出机筛网填充差压挤出机旋转干燥电流
和其它控制器一样，相关的制约因素应当确定；因此，列于上表。应当指出，挤出机的过氧化物进料用于控制挤出物料的流变性，正如本领域所熟知，在专利US 4,448,736中也有详细讨论，这些公开内容在此引入作为参考。也应当指出，列出的挤出机变量是多种挤出机构造的代表，其中一些变量与特殊的挤出机构造会毫无关系。
表6确定与产率控制器224有关的参数。
表6-产率控制器
  操纵变量   控制变量
  第一反应器产率挤出机产率   总产量(在挤出机产量中测得)第一反应器产率挤出机产率
  扰动变量   约束变量
  无   第一反应器产率增量挤出机增加的产量第二反应器冷却水阀门位置第二反应器骤冷阀门位置吹扬器水平清洗塔水平地窖储存量(如果使用地窖)袋滤器压力
同样，相关的制约因素应当确定；因此，列于上表。
在本发明的其它实施方案中，所有操纵变量、扰动变量、控制变量和约束变量之间的关系在单个M×N矩阵中确定，其中M是操纵变量和扰动变量的总数，N是控制变量和约束变量的总数。虽然同时考虑单个M×N矩阵中所有变量间的关系在计算时更为复杂，但本发明因采用足够的计算能力解决复杂系统的方式而得以实现。
表1-6有助于想象刚才描述的这些关系的矩阵。当一起考虑这些表格中的变量时可见，矩阵中M行为操作和扰动变量所定义，N列为控制变量和约束变量所定义。一旦优化者发现M行与N列之间的必然关系，正如图3a，控制工程师就选去那些不希望的关系，采用的方式与图3a和3b所讨论的相同，从而产生如图3b似的数量减少的关系，除非明显需要较大的范围。
本发明中该实施方案的潜在优势在于已有实施例中无关联的变量之间的关系在模型建立期间就被识别出来。工艺控制工程师能够判断任何一个这些附加的关系是否会改进模型，如果需要就选择它们。许多情况下，早先描述的较简单的实施方案足以产生本发明的优势，但是，如果建立一个模型的计算来源包含所有变量之间的关系，那么在某些情况下，更复杂的模型就可能产生更好的控制效果。
包括对下游的生产控制设备如挤出机112进行一体化控制的系统200在其反应器与挤出机“紧密连接”时特别有利。
正如为控制领域的普通技术人员所推崇，紧密连接系统对下游的干扰更敏感，更有可能从我们申请所描述的一体化先进工艺控制系统的应用中获得好处。
我们相信，构造与系统200中类似的挤出机控制器222和产率控制器224的使用能引起平均产率的提高，和现有设计的相似系统如系统100比较，可从约1％提高到至少约5％，而系统100没有对下游的生产控制设备如挤出机112进行一体化的先进工艺控制。而且，我们相信，从一种等级的丙烯聚合物到另一(等级的丙烯聚合物)的过渡时间会得到基本减小，与不对反应器系统及其外部的速率控制设备进行一体化先进工艺控制的制备系统比较，其过渡时间减小约10-约60％。
事实上，如上所述的先进工艺控制技术可被任何化工制备方法应用，特别是如果先进工艺控制用于系统的反应器或反应器组以及如果至少有一个上游或下游的生产控制设备。应当控制与反应器系统关联的生产控制设备，以通过使用至少一个优选为非线性的多变量预先优化控制器对工艺中反应器和速率控制设备进行一体化控制，从而提高化工制备方法总产量和/或产品质量。
依据本发明方便地进行控制的其它速率控制设备包括高成本的设备如大型旋转搅拌烘干机、连续离心机和装置如包装工艺线，其位置在化学反应器系统的上游或下游均可。
优选地，配置的生产控制设备本身易受其自身在产品控制器下依等级运作的非线性多变量预先优化控制器运行的影响，或者如果采用上述单矩阵实施方案，易受非线性多变量预先优化控制的影响。应指出，虽然反应器系统的多变量预先优化为优选，但我们的发明不要求。本发明者宁可只要求多变量预先优化器获取反应器系统和生产控制设备的输入信息以使二者的协作效果最佳。
虽然有许多对化学反应器进行优化非线性多变量预先控制的其它聚合物制备方法，并从应用上述非线性多变量预先优化控制器中受益，但其它可能的运用仍大量存在。
例如，采用本发明、在反应器系统上游或下游连接挤出机或其它速率控制设备的其它聚烯烃制备方法包括使用任何一种不同的催化剂如Ziegler-Natta、茂金属或后过渡金属催化剂的“浆态床”、“填充床”和流化床聚合工艺。
在浆态床工艺中，和单体聚合不同，聚合在具有不同化学组成的烃液中进行。溶剂的选择可多样化，如己烷和聚丙烯制备中使用的ISOPAR，并有一个或多个“干燥”步骤，其中使用的设备如闪蒸装置以及分离固体、液体和未反应单体的离心机。在这种系统中选择操纵变量、扰动变量、控制变量和约束变量一般遵循前面实施例的方法，但由于工艺性质做某些改变，对工艺控制领域的普通技术化学工程师而言是显而易见的。例如，当系统由许多平行反应器组成时，气液平衡就被用来估计液相的组成，这些计算结果可作为气体控制器的控制变量(例如见Topliss的专利US 4,888,704)。在反应器控制器中，约束控制变量基本一样，但由于未采用聚丙烯骤冷进行冷却，因此操纵变量将被各个热交换设备的冷却水流速代替。反应器中固体浓度将被添加为控制变量，来自已提及的干燥设备的能力是另外的约束控制变量。该设备中特别有用的约束控制变量为闪蒸分离器的闪蒸压和离心机的马达电流。挤出机和产品控制器的操纵变量基本与上面详述的连接两个反应器的聚丙烯反应器制备系统相同。
如果浆态床系统一定要用到许多串联的反应器，气体控制器就可采用与局部氢气浓度有关的控制和操纵变量，或者使用多级气体控制器模拟反应器系统上游和下游部分。
“填充床”聚合工艺中聚合物由单体溶液形成，可采用上述相同类型的变量。
最后，流化床烯烃聚合系统的运作方式更与上面详述的双反应器聚丙烯系统相同，除了它需要另外建立与其操作如流化气体流速、床层高度等相关的控制、操纵及约束控制变量以外。
在上述任何系统中有时期望使用温度和压力控制变量。
因此，化工制备领域的技术人员可知，即使将非线性多变量预先优化控制的技术水平用于化学反应器系统，另外再加入依等级地在反应器系统和其它生产控制设备之上操作的非线性多变量预先优化控制仍能改进制备方法的运行。因此本发明意欲仅为所述权利要求的范围所限制。

Claims (12)

1.一种控制含有至少一个化学反应器和位于反应器上游或下游的生产控制要素的化工制备工艺的系统，包括：
第一多变量预先优化控制器，优化控制化学反应器；及
第二多变量预先优化控制器，在第一控制器和生产控制要素之上分级操作以实现反应器和生产控制要素的一体化工艺控制，
其中生产控制要素指由反应器的多变量预先优化控制器或控制器组控制的位于反应器系统上游或下游的任何设备或条件，其中控制器控制化工制备方法产生产品的质或量的能力。
2.权利要求1的系统，还包括在第二控制器之下分级操作以控制生产控制要素的第三多变量预先优化控制器。
3.按权利要求1的系统，其中生产控制要素是位于反应器下游的生产控制设备。
4.按权利要求3的系统，其中生产控制设备和反应器紧密连接，其中如果反应器和生产控制设备之间系统的过负荷能力小于系统额定产率的三倍，则系统为“紧密连接”。
5.按权利要求1的系统，其中多变量预先优化控制器采用选自神经网络法、偏最小二乘法、主成分回归分析法或第一原则模型的数学方法来推断反应器状态变量的即将发生的变化。
6.按权利要求1的系统，其中至少一个多变量预先优化控制器是非线性的。
7.按权利要求1的系统，其中系统用于控制包括聚烯烃反应器和挤出机的化工制备工艺，其中挤出机位于反应器下游，其中挤出机为生产控制设备。
8.按权利要求7的系统，其中反应器和挤出机紧密连接，其中如果反应器和生产控制设备之间系统的过负荷能力小于系统额定产率的三倍，则系统为“紧密连接”，且其中挤出机为生产控制设备。
9.按权利要求7的系统，在所述化工制备工艺中用聚烯烃反应器制备的聚烯烃选自包含至少50wt.％聚丙烯的聚合物和包含至少50wt.％聚乙烯的聚合物。
10.按权利要求7的系统，在所述化工制备工艺中反应器选自浆态床、填充床和流化床反应器。
11.按权利要求7的系统，在所述化工制备工艺中使用的催化剂选自Ziegler-Natta催化剂、茂金属催化剂或后过渡金属催化剂。
12.按权利要求7的系统，在所述化工制备工艺中反应器为水平搅拌的次流化床气相反应器，用于制备含有至少50wt.％聚丙烯的聚合物。
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