Способ выбора рабочих условий реактора

СПОСОБ ВЫБОРА РАБОЧИХ УСЛОВИЙ РЕАКТОРА В изобретении приведено описание способа прогнозирования показателя текучести расплава и плотности полимера в зависимости от рабочих условий в реакторе и, наоборот, для выбора рабочих условий, необходимых для получения требуемых технических условий продукта.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ТОТАЛ ПЕТРОКЕМИКАЛС РИСЕРЧ ФЕЛЮЙ (BE) 017253 Настоящее изобретение относится к полимеризации олефиновых мономеров в одном или нескольких суспензионных петлевых реакторах и к модели для прогнозирования показателя текучести расплава и плотности полимера в зависимости от рабочих условий в реакторе(ах). Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) сначала получали путем аддитивной полимеризации, осуществляемой в жидкости, которая являлась растворителем для получаемого полимера. Этот способ был быстро заменен полимеризацией в условиях суспензии согласно процессу Циглера или Филлипс. Более конкретно, суспензионную полимеризацию осуществляли непрерывно в трубчатом петлевом реакторе. Образовывался выходящий поток полимеризации, который представлял собой суспензию твердого полимера в виде частиц, взвешенного в жидкой среде, обычно реакционном разбавителе и непрореагировавшем мономере (см., например, US-A-2285721). Было необходимо разделять полимер и жидкую среду,включающую инертный разбавитель и непрореагировавшие мономеры, не допуская загрязнения жидкой среды, так чтобы указанную жидкую среду можно было бы подавать рециклом в зону полимеризации при минимальной очистке или без нее. Как описано в US-A-3152872, суспензию полимера и жидкую среду собирали в одном или более отстойников суспензионного петлевого реактора, из которых суспензию периодически выгружали в камеру мгновенного испарения, работая таким образом периодическим способом. Сдвоенные петлевые системы являются весьма желательными, поскольку они предоставляют возможность получения полиолефинов с узким диапазоном заданных свойств путем обеспечения различных условий полимеризации в каждом реакторе, обычно путем изменения количества водорода и сомономера от одного реактора к другому. Полимерный продукт переносят из первой петли во вторую посредством одного или нескольких транспортных трубопроводов. Для того чтобы гарантировать, что полимерный продукт удовлетворяет требованиям качества, необходимо измерять плотность и показатель текучести расплава выходящих полимеров через регулярные промежутки времени в течение их производства. Однако существует задержка, составляющая примерно 90 мин, между моментом времени отбора полимера и моментом времени, когда его характеристики получают из лаборатории. Если обнаружено, что полимер не удовлетворяет техническим условиям, продукцию, полученную в течение нескольких часов, требуется забраковать. К тому же, требуется изменить рабочие условия, и амплитуда применяемой корректировки и/или природа параметров, которые требуется модифицировать, не являются очевидными. Кроме того, корректировка одной характеристики сорта,такой как плотность, изменяет другие характеристики, такие как, например, показатель текучести расплава. Определения согласованных изменений условий полимеризации, которые обеспечивают корректировку характеристик, не удовлетворяющих техническим условиям, без изменения других характеристик, которые являются правильными, часто достигают путем длительного метода проб и ошибок. Это часто вызывает дополнительную задержку во времени, из-за поиска правильных рабочих условий, прежде чем достичь надлежащих технических условий. В документе WO 01/49751 предшествующего уровня техники описан способ получения полиэтилена высокой плотности или линейного полиэтилена низкой плотности в газофазных реакторах, изолированных или соединенных, при условиях полимеризации, в присутствии водорода, кислорода, инертного(ых) разбавителя(ей) и хромового катализатора, снабженный оперативным регулированием определенных технологических параметров, так же как и физических свойств получаемой смолы. Способ включает применение моделей для вывода физических свойств и технологических параметров, которые не измеряют непрерывно, а также моделей, релевантных для регулирования указанных свойств и рабочих условий процесса. Регулирование технологических параметров обеспечивает максимизирование объема выпуска и производительности катализатора. В документе WO 00/22489 предшествующего уровня техники описана оперативная система для вывода и регулирования физических и химических свойств полипропилена и его сополимеров. Система включает модели для вывода физических и химических свойств, которые не измеряют непрерывно, и релевантные модели для регулирования этих свойств, а также объема выработки, плотности реакционной среды и других технологических параметров, представляющих интерес. Система регулирования обеспечивает возможность максимизации объема выработки и производительности катализатора. В документе WO 97/26549 предшествующего уровня техники описана оперативная система ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и соответствующие способы прогнозирования одного или более свойств полимера. Для разработки модели, которая устанавливает соотношение технологических параметров, в добавление к управляемым выходным данным ЯМР, для прогнозирования свойств полимера, используют нейронную сеть. В другом воплощении используют методику регрессии частных наименьших квадратов для разработки модели повышенной точности. Либо технологию нейронной сети, либо методику регрессии частных наименьших квадратов можно использовать в сочетании с описанной многомодельной схемой или схемой выбора наилучшей модели. Полимер может быть выбран из полиэтилена, полипропилена, полистирола или этиленпропиленового каучука.-1 017253 Эти модели представляют собой стационарные модели. Таким образом, существует потребность в получении точных оценочных значений плотности и показателя текучести расплава полимера, чтобы установить технологические параметры перед началом полимеризации. Целью настоящего изобретения является разработка модели, способной прогнозировать плотность и показатель текучести расплава в зависимости от рабочих условий. Также целью настоящего изобретения является применение этой модели для определения рабочих условий, необходимых для получения одновременно всех характеристик полимера требуемого сорта. Другой целью настоящего изобретения является построение модели, способной адекватно справляться с сильной нелинейностью, весьма сопряженными параметрами и динамическими эффектами, обусловленными перемешиванием продукта в реакторах. Дополнительной целью настоящего изобретения является применение модели для оптимизации производства полимера. Еще одной целью настоящего изобретения является составление таблицы поправок рабочих условий, которые необходимо вносить вручную, чтобы привести полимерный продукт в соответствие с целевыми свойствами, когда он отклоняется от требуемых технических условий. Любой из этих целей, по меньшей мере частично, достигают с помощью настоящего изобретения. Соответственно, в настоящем изобретении предложен способ выбора рабочих условий реактора в сдвоенном петлевом суспензионном реакторе для получения гомо- или сополимера с заданной плотностью и показателем текучести расплава в присутствии металлоценовой каталитической системы, включающий следующие стадии: а) выбор n входных параметров, связанных с реакционными условиями; б) определение модели нейронной сети с ограничениями общей формы где Xi представляют собой нормализованные по n входные параметры;aij и bi представляют собой численные коэффициенты;Ci представляют собой промежуточные функции иRes представляет собой приведенное оценочное значение свойства получаемого полимера; в) подбор (n+1)2aij и (n+1)bi параметров стадии (б) для сведения к минимуму ошибки Res при подходящих ограничениях, причем указанные ограничения наложены, путем равенств или неравенств, например, на Res или любую частную производную Res любого порядка путем равенств или неравенств или на aij, или на bi, или на Xi, или на Ci, или их сочетание, и где частные производные являются мерой изменения результата, полученного из уравнения, когда один и только один из параметров изменяется на бесконечно малую величину; г) прогнозирование в реальном времени плотности и показателя текучести расплава, получаемых из рабочих условий из уравнений стадии (б), и включая, где это подходит, динамические реакции на ступенчатое изменение для любых варьируемых входных условий; д) вывод подходящих значений для любого сочетания 2 входных параметров Xi и Xj, таких как, например, 1-гексен и Н 2, зная другие (n-2) параметра, такие как, например, температура и отходящий газC2, и требуемые значения плотности и показателя расплава; е) применение правил смешивания, чтобы вывести оценочные значения плотности и показателя текучести расплава продуктов, выходящих из реактора, включая ситуацию, когда продукт, образованный в другом реакторе, присутствует в качестве материала, подаваемого в реактор, для которого применяют модель. Для плотности и для показателя текучести расплава устанавливают отдельную нейронную систему,таким образом, стадию (в) повторяют для каждого из этих параметров. Таким образом, в настоящем изобретении все входные параметры определяют перед началом полимеризации и эти параметры затем устанавливают вручную. Поправки, если требуется, также рассчитывают с использованием той же модели и обеспечивают таблицу поправок. Эти поправки также осуществляют вручную. В каждом реакторе входные условия (или рабочие условия) обычно выбирают из температуры полимеризации, давления в реакторе, концентрации в подаче или в объеме реактора мономера, сомономера,водорода, катализатора, активирующего агента или реакционной добавки, параметров, характеризующих катализатор, объема выработки, концентрации твердых веществ и времени пребывания твердых веществ.-2 017253 Типичные ограничения могут следовать из предписанных характеристик конкретного продукта, таких как, например, плотность гомополимера с низким показателем текучести расплава; из наложенного условия, что при постоянном показателе текучести расплава плотность полимера имеет отрицательную первую частную производную относительно концентрации сомономера, но положительную вторую частную производную; из наложенного условия, с целью устойчивости численного решения, что сумма квадратов aij и bij остается ограниченной некоторым значением; из наложенного условия, что регрессия между наблюдаемыми значениями и моделируемыми значениями должна иметь тангенс угла наклона, равный 1, и величину отрезка, отсекаемого на оси координат, равную 0, или из любой иной физической или численной зависимости, определенной или наложенной на параметры специалистом. Типичный динамический отклик можно определить путем наблюдения временной эволюции каждого моделируемого параметра в ответ на ступенчатое изменение единственного параметра модели. Обычно большинство параметров имеют линейные динамические отклики первого порядка, но изменение параметра, который оказывает постоянный эффект, такого как, например, каталитический яд, имеет интегрированный отклик, который может быть аппроксимирован линейным динамическим откликом второго порядка. Термин "частная производная", используемый по всему описанию, соответствует традиционному определению: он означает производную относительно одного параметра, причем все другие параметры сохраняют постоянными. Подходящие правила смешивания применяют для прогнозирования плотности и показателя текучести расплава полимера, выходящего из реактора. Эти правила смешивания включают ситуацию, когда продукт, образованный в другом реакторе, пропускают в реактор, для которого используют прогнозирующую модель для оценки свойств продукта, покидающего указанный реактор. Правила смешивания определяют путем предположения, что каждый реактор является идеально перемешиваемым и путем расчета соответствующего среднего из состояний, существующих в реакторе в каждый момент в прошлом, и принимая в расчет время пребывания в реакторе. Состояние в каждый момент времени включает полимерный продукт, который синтезируется локально, и/или полимер, впускаемый в реактор из реактора выше по потоку. В другом аспекте настоящего изобретения ту же модель используют для составления таблицы поправок рабочих условий, которые необходимо вносить вручную, чтобы привести полимерный продукт в соответствие целевым техническим условиям, когда он отклоняется от требуемых характеристик из-за влияния некоторых нерегулируемых параметров, таких как, например, присутствие следов компонентов,действующих как каталитические яды. Предпочтительный мономер представляет собой этилен, а возможный сомономер представляет собой 1-гексен. Предпочтительно входными параметрами являются температура полимеризации, концентрация этилена, количество водорода и 1-гексена в подаче. Ограничения представляют собой равенства или неравенства, относящиеся к любому из Xi, aij, bi,Ci, Res или их сочетаниям или к любой из их частных производных любого порядка, где под частной производной понимают производную относительно одного параметра, причем все другие параметры сохраняют постоянными. Краткий перечень чертежей На фигуре представлены кривые прогнозируемых значений плотности и показателя текучести расплава в зависимости от времени для полимера, выходящего из первого реактора (реактор В) и второго реактора (реактор А) из двух соединенных последовательно суспензионных петлевых реакторов. Также показаны соответствующие измеренные значения плотности и показателя текучести расплава. Систематическая ошибка между прогнозируемыми и измеренными значениями является фактически постоянной. Примеры Пример 1. Полимеризацию этилена осуществляли в петлевом суспензионном реакторе с каталитической системой на основе мостикового бис-тетрагидроинденилового каталитического компонента. Целевое значение плотности конечного полимера составляло 0,940 г/см 3 и целевое значение показателя текучести расплава составляло 4,5 дг/мин. Кривые прогнозируемых значений плотности и показателя текучести расплава представлены на фигуре, так же как и измеренные значения. За исключением стабильной систематической ошибки, наблюдается отличное согласование между прогнозируемыми и измеряемыми значениями.-3 017253 Пример 2. В этом примере модель по настоящему изобретению использовали для определения таблицы поправок рабочих условий, которые необходимо вносить, чтобы привести полимер в соответствие с целевыми техническими условиями, когда происходят отклонения. В одном реакторе рабочие условия были отрегулированы для приготовления сополимера этилена и 1-гексена, имеющего плотность 0,9225 г/см 3 и показатель текучести расплава 0,2 дг/мин. Полимеризацию осуществляли с металлоценовой каталитической системой в условиях, приведенных в табл. 1. Таблица 1 Модель использовали для прогнозирования поправок, вносимых в количество водорода и 1-гексена,чтобы изменить значения плотности и показателя текучести расплава на другие требуемые значения. Пример поправок показан в табл. 2. Поправки выражены в г Н 2 на тонну С 2/кг 1-гексена на тонну С 2. Таблица 2 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ выбора рабочих условий реактора в сдвоенном петлевом суспензионном реакторе для получения гомо- или сополимера с заданной плотностью и показателем текучести расплава в присутствии металлоценовой каталитической системы, включающий следующие стадии: а) выбор n входных параметров, связанных с реакционными условиями; б) определение модели нейронной сети с ограничениями общей формы где Xi представляют собой нормализованные по n входные параметры,aij и bi представляют собой численные коэффициенты,Ci представляют собой промежуточные функции иRes представляет собой приведенное оценочное значение свойства получаемого полимера; в) подбор (n+1)2aij и (n+1)bi параметров стадии (б) для сведения к минимуму ошибки Res при подходящих ограничениях, причем указанные ограничения наложены на Res или любую частную производную Res любого порядка путем равенств или неравенств, или на aij, или на bi, или на Xi, или на Ci, или их сочетания, где частные производные являются мерой изменения результата, полученного из уравнения, когда один и только один из параметров изменяется на бесконечно малую величину; г) прогнозирование в реальном времени плотности и показателя текучести расплава, получаемых из рабочих условий из уравнений стадии (б); д) вывод подходящих значений для любого сочетания 2 входных параметров Xi и Xj, зная другие(n-2) параметра и требуемые значения плотности и показателя расплава; е) применение правил смешивания, которые определяют путем предположения, что каждый реактор является идеально перемешиваемым, и путем расчета соответствующего среднего из состояний, существующих в реакторе в каждый момент в прошлом, чтобы вывести оценочные значения плотности и показателя текучести расплава продуктов, выходящих из реактора, включая случай, когда продукт, образованный в другом реакторе, присутствует в качестве материала, подаваемого в реактор, для которого применяют модель. 2. Способ по п.1, в котором мономер представляет собой этилен, а возможный сомономер представляет собой 1-гексен. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором входными параметрами являются температура полимеризации, концентрация этилена, количество водорода и 1-гексена в подаче. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором выведенные входные параметры Xi иXj на стадии (д) п.1 представляют собой количество водорода и 1-гексена. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором ограничения представляют собой равенства или неравенства, относящиеся к любому из Xi, aij, bi, Ci, Res или их сочетаниям, или к любой из их частных производных любого порядка.