非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法。本发明专利技术对于自由基聚合模型，以给定的分子量分布曲线作为产品质量指标，在满足产品质量指标的前提下，求取使得反应物的转化率最大的反应器入口引发剂浓度和进料温度条件。该方法包括优化、模拟和接口三部分。在每个优化迭代中需要调用一次模拟，建立了接口程序，以实现优化过程的自动化。利用该方法得到的优化结果，分子量分布曲线与目标的误差小于10‑6，转化率比初始点的转化率有大幅提高。本发明专利技术相比于实验方法可以极大缩短反应条件设计周期，降低开发成本，能实现聚合物产品操作条件优化，可应用于离线优化和产品设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高分子自由基聚合分子量分布的操作条件优化方法，尤其涉及一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法。
技术介绍
自由基聚合物产品的使用性能和加工性能由聚合物的分子量分布曲线决定，反应物的利用率主要由反应物转化率指标决定。不同的操作条件，包括入口引发剂浓度和进料温度等，对自由基聚合物的分子量分布和转化率指标都会产生重大影响。因而通过给定分子量分布曲线来确定产品的使用及加工性能，根据最大化反应物转化率的目标来得到符合特定质量指标的反应操作条件，可以为实际的工业生产提供指导，有着十分重要的意义。这种模拟和优化不仅降低了产品的开发成本，同时也可以缩短设计周期，指导相关实验设计和产品生产。实际生产中为提高自由基聚合物的产量和质量，我们往往需要通过实验或者数值方法对产品进行模拟，然后根据经验或优化算法设计操作条件。数值模拟方法比实验更加快捷、低成本，可以克服实验方法耗时长、工作量大、成本高、测量方法有限、危险性高等问题。经过对现有技术的文献检索发现，目前对于自由基聚合反应的操作条件优化时，全部将聚合反应假设为理想反应器，即全混流或者平推流。但是工业反应器的尺度较大，反应器内物料无法混合均匀，这种假设并不合理。这种过于简化的反应器模型，不考虑聚合反应器内部反应物浓度、温度在空间上的分布，也不考虑反应混合时间，因而存在较大误差。目前存在一些对非理想反应器内自由基聚合反应过程进行模拟的研究，这些研究都只停留在了模拟仿真的阶段，只能给出一些性质的变化趋势，然后仍旧需要有经验的工程师进行深入研究进行优化。而且这种根据经验进行的优化无法给出可行域内的最优解，而多数情况下只能给出一个较好的可行解，优化效果不够理想。此外，目前在使用计算流体力学(CFD)软件对非理想反应器内自由基聚合反应过程进行分析时，方法存在一定弊端。直接采用商业CFD软件Fluent内部自带的反应模块模拟反应的方法，不能满足各种假设条件变化下的需求。利用概率密度函数方法与CFD方法结合的办法，模型过于复杂，不能快速给出模拟结果。本专利技术在自由基聚合分子量分布操作条件的优化方法中，引入反应器内空间分布对出口产品产量和分子量分布的影响。在优化过程中引入计算流体力学方法，考虑反应器内物料的空间分布对最终出口处结果的影响。在每一个优化迭代步内，进行非理想反应器内的模拟，求解不同操作条件下反应器出口处产品产量和分子量分布，同时关注出口产量最优和满足分子量分布的约束条件。在进行模拟时，采用用户自定义函数(UDF)程序与用户自定义标量(UDS)方程结合的方式，引入聚合反应，程序简单且能满足计算要求的复杂度，并易于修改和移植。本专利技术着重给出了在C语言平台下用于调用Fluent软件进行优化的接口方法。该接口方法可以将新的操作条件数据传递至Fluent软件并调用软件进行模拟，得到相应的模拟结果后将参数回传至C语言平台，进行下一步优化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法，包括如下步骤：S01：建立优化模型，以最大单体转化率为优化目标，以分子量分布在采样点上与目标值的误差平方和为约束，并以控制变量的上下限为约束，构建优化命题；S02：设置优化参数，优化参数包括：最大迭代次数，约束优化转化为无约束优化的惩罚项系数，优化算法误差容限，分子量分布误差容限，以及单纯形算法的参数值；S03：优化计算初始化，设定初始反应器入口引发剂浓度x0和进料温度T0，分别在入口引发剂浓度和进料温度上进行摄动，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到初始单纯形，开始优化；S04：进行单纯形顶点排序，判断是否收敛，如果满足收敛准则，优化结束，求解成功，得到最优解；如果不满足收敛准则，进行步骤S05；S05：根据单纯形算法，对于得到的结果进行反射，膨胀，收缩和塌缩操作，得到新的入口引发剂浓度和进料温度，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到分子量分布的模拟结果，进而得到转化率结果，按照单纯形生成规则，得到新的单纯形，进行步骤S04。所述的步骤S01具体为：在已知聚合物目标分子量分布曲线条件下，在链长的对数坐标曲线上，横坐标每隔0.1间隔选取采样点，以采样点上分子量分布的模拟值与目标值的误差平方和为约束，并以入口引发剂浓度x和进料温度T的上下限为约束，构建优化命题如下： m a x c o n v e r s i o n ( x , T ) s . t . | | M W D - M W D ‾ | | ≤ ϵ x l o w ≤ x ≤ x 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法,其特征在于包括如下步骤：S01：建立优化模型，以最大单体转化率为优化目标，以分子量分布在采样点上与目标值的误差平方和为约束，并以控制变量的上下限为约束，构建优化命题；S02：设置优化参数，优化参数包括：最大迭代次数，约束优化转化为无约束优化的惩罚项系数，优化算法误差容限，分子量分布误差容限，以及单纯形算法的参数值；S03：优化计算初始化，设定初始反应器入口引发剂浓度x0和进料温度T0，分别在入口引发剂浓度和进料温度上进行摄动，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到初始单纯形，开始优化；S04：进行单纯形顶点排序，判断是否收敛，如果满足收敛准则，优化结束，求解成功，得到最优解；如果不满足收敛准则，进行步骤S05；S05：根据单纯形算法，对于得到的结果进行反射，膨胀，收缩和塌缩操作，得到新的入口引发剂浓度和进料温度，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟，得到分子量分布的模拟结果，进而得到转化率结果，按照单纯形生成规则，得到新的单纯形，进行步骤S04。

【技术特征摘要】
1.一种非理想反应器内自由基聚合物分子量分布操作条件的优化方法,其特
征在于包括如下步骤：
S01：建立优化模型，以最大单体转化率为优化目标，以分子量分布在采样
点上与目标值的误差平方和为约束，并以控制变量的上下限为约束，构建优化命
题；
S02：设置优化参数，优化参数包括：最大迭代次数，约束优化转化为无约
束优化的惩罚项系数，优化算法误差容限，分子量分布误差容限，以及单纯形算
法的参数值；
S03：优化计算初始化，设定初始反应器入口引发剂浓度x0和进料温度T0，
分别在入口引发剂浓度和进料温度上进行摄动，通过接口模块调用Fluent软件进
行分子量分布求解模拟，得到初始单纯形，开始优化；
S04：进行单纯形顶点排序，判断是否收敛，如果满足收敛准则，优化结束，
求解成功，得到最优解；如果不满足收敛准则，进行步骤S05；
S05：根据单纯形算法，对于得到的结果进行反射，膨胀，收缩和塌缩操作，
得到新的入口引发剂浓度和进料温度，通过接口模块调用Fluent软件进行分子量
分布求解模拟，得到分子量分布的模拟结果，进而得到转化率结果，按照单纯形
生成规则，得到新的单纯形，进行步骤S04。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于所述的步骤S01具体为：
在已知聚合物目标分子量分布曲线条件下，在链长的对数坐标曲线上，
横坐标每隔0.1间隔选取采样点，以采样点上分子量分布的模拟值与目标值的误
差平方和为约束，并以入口引发剂浓度x和进料温度T的上下限为约束，构建优
化命题如下：
maxconversion(x,T)
s . t . | | M W D - M W D ‾ | | ≤ ϵ ]]>xlow≤x≤xupTlow≤T≤TupMWD为聚合物分子量分布曲线的模拟值，xlow，xup分别为入口引发剂浓度x

\t的下限和上限，Tlow，Tup分别为进料温度T的下限和上限，ε为分子量分布的误
差容限。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于步骤S03和S05中所述通过
接口模块调用Fluent软件进行分子量分布求解模拟具体为：
基于计算流体力学方法，进行网格划分和建立，利用计算流体力学软件
Fluent进行求解模拟，求解过程中需要加载编写好的用户自定义函数程序，将
聚合反应方程加载到Fluent软件中，以耦合聚合反应和流体流动，最终得到模
拟稳态解，方法具体采用如下步骤：
(1)利用计算流体力学前处理软件Gambit，根据聚合反应器装置绘制装置模
型，对模型划分有限元网格；
(2)在计算流体力学软件Fluent中导入反应器模型，进行模拟设置，进行
聚合反应的稳态模拟，作为优化过程中的模拟初值，该过程具体包括：1)设置
反应条件，所述的反应条件具体包括选择求解器、选择湍流模型、选择反应材料、
设置边界条件；2)在Flu...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，陈曦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33