一种聚酰胺聚合过程的工艺参数多目标优化模型建模方法技术

本发明专利技术涉及一种基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，控制各原料进料量恒定，以聚酰胺聚合装置的两个VK管中四个全混流反应器的温度和压力以及两个平推流反应器的温度共十二个变量为工艺参数，将一组工艺参数值及其对应的工艺指标值作为一个个体，采用NSGA

【技术实现步骤摘要】
phase[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2003,42(13):2946
‑
2959.)研究了聚酰胺聚合过程的机理模型，文献5(大型聚酯生产过程智能建模、控制与优化研究[D].华东理工大学,2010.)在上述模型的基础上，利用Aspen Plus Plus软件对聚合过程智能建模，不仅提出一种将分布估计算法与柯西分布算法和粒子群算法相结合的混合智能优化算法而且运用提出的智能算法建立聚合酯化过程模型并以反应温度和停留时间为决策变量，以能量消耗最小为单一的优化目标进行优化，对实际生产具有一定的指导作用。但是目前还没有同时对聚酰胺生产过程智能建模、控制与优化的研究，并且聚酰胺聚合过程是一个复杂的工业过程，其性能指标远远不止三个，对其进行1个目标的优化无法使得聚酰胺聚合过程整体优化。因此，对聚酰胺聚合过程同时进行仿真建模分析和多目标的优化是非常必要的。
[0006]因此，研究一种基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法。本专利技术通过对聚酰胺生产过程智能建模与控制的改进，提出一种能够对多个目标进行优化的聚酰胺聚合过程的工艺参数多目标优化模型建模方法并用于生产高质量聚酰胺聚合物。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0009]基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，控制各原料进料量恒定，以聚酰胺聚合装置的两个VK管中四个全混流反应器的温度和压力以及两个平推流反应器的温度(每个全混流反应器对应有一个温度和压力、每个平推流反应器对应有两个温度为本领域公知常识)共十二个变量为工艺参数，将一组工艺参数值及其对应的工艺指标值作为一个个体，采用NSGA
‑Ⅱ
算法优化多个个体并选择效果最优的一批个体，再基于对聚酰胺转换率和环状二聚体摩尔含量的要求从效果最优的一批个体中选择出一个最优个体后，按最优个体的工艺参数值设置聚酰胺聚合过程的工艺参数，并按照所设置的聚酰胺聚合过程的工艺参数进行生产，制得聚酰胺聚合物；
[0010]多个个体是按照工艺参数的约束条件生成多组工艺参数值后，将工艺参数值逐组输入到两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型中，由其输出各组工艺参数值对应的工艺指标值得到的；
[0011]两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型是基于聚合热力学物性的选择方程和单官能酸条件下PA6聚合反应动力学方程确立的，参考文献“已内酰胺水解聚合的模拟研究[D].郑州大学,2010.”；
[0012]工艺指标为聚酰胺转换率和环状二聚体摩尔含量。
[0013]作为优选的技术方案：
[0014]如上所述的基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，各原料比例为：己内酰胺97.8wt％，水2wt％，乙酸0.2wt％。
[0015]如上所述的基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，具体步骤如下：
[0016](1)根据工艺参数的约束条件，对工艺参数值进行初始化，生成K组工艺参数值，并设置进化代数计数器P
t
＝1，种群数量为M，最大进化代数为Gen；
[0017](2)将步骤(1)生成的K组工艺参数值逐组输入到两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型中，由其输出各组工艺参数值对应的工艺指标值，以各组工艺参数值及其对应的工艺指标值作为个体，并基于提高聚酰胺转换率和降低环状二聚体摩尔含量设计目标函数，表达式如下：
[0018][0019]其中，T为两个VK管中四个全混流反应器和两个平推流反应器的反应温度，单位为℃；P为两个VK管中四个全混流反应器的反应压力，单位为mmHg；E
s
为聚酰胺转换率，单位为％；W
t
为环状二聚体摩尔含量，单位为％；
[0020]目标函数的建立基于聚酰胺聚合过程的Aspen Plus仿真模型；聚酰胺聚合过程的Aspen Plus仿真模型是根据实际工业装置，建立的两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型，根据文献公认的动力学和平衡常数，进行数据参数拟合，对模型进行准确性验证；设计的两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型以全混流反应器(CSTR)和平推流反应器(RPLUG)串联组合的模式对聚酰胺6生产过程进行仿真。两段式是指整个聚合反应在两个反应器中完成。在VK管顶部的CSTR反应区域，聚集了被汽化的水和单体己内酰胺，并进入精馏塔进行回收，液相经FLASH
‑
1闪蒸计算后流入到CSTR2。CSTR2流出的物料在FLASH
‑
2中进一步进行闪蒸计算，熔体部分进入RPLUG
‑
1，气相被重新送回CSTR
‑
1反应器中。对于第二个VK管反应状态与第一个VK管内基本相同，不再详细赘述。仿真模型由化学反应动力学和热力学原理为过程建模基础，并结合针对己内酰胺聚合过程动力学公开报道的文献数据联立得到，其中，聚合热力学物性的选择方程如下：
[0021]ΔS
mix
＝ΔS
C
+S
R
；
[0022][0023][0024][0025][0026]式中，N代表相对分子质量，1表示单体，2代表聚合物，r为聚合物链的长度，x为二元交相互参数，lnσ1为活度系数，ΔS
mix
表示混合熵，ΔS
C
和S
R
分别表示熵的组合值和偏差值，RT的物理意义为1摩尔溶剂放到高分子中时所发生的能量变化，和分别为单体溶剂和聚合物溶剂的体积分数，N1和N2分别表示单体和聚合物混合时两者的物质的量。
[0027]单官能酸(乙酸是单官能酸)条件下PA6聚合反应动力学方程如下：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]γ
0x
＝[P
1x
]0；
[0038][0039][0040]式中，γ
i
和γ
ix
为i阶矩的定义，n表示聚合度，P
n
代表聚合度为n的大分子浓度，W为反应器内反应混合物总质量，单位为kg，k1～k5为化学反应速率常数，单位为kg/(mol
·
h)，因上式为在单官能酸条件下的对矩的质量平衡方程，不同聚合度的聚合物分子的质量平衡方程式,故C1、C2分别代表不同液相中各组分的浓度，单位为mol/kg，P
m,x
为x时间段聚合度为m的大分子浓度；n
i
为第i个大分子的聚合度；
[0041]整个生产过程的主要化学反应式为：
[0042][0043][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，其特征在于：控制各原料进料量恒定，以聚酰胺聚合装置的两个VK管中四个全混流反应器的温度和压力以及两个平推流反应器的温度共十二个变量为工艺参数，将一组工艺参数值及其对应的工艺指标值作为一个个体，采用NSGA
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算法优化多个个体并选择效果最优的一批个体，再基于对聚酰胺转换率和环状二聚体摩尔含量的要求从效果最优的一批个体中选择出一个最优个体后，按最优个体的工艺参数值设置聚酰胺聚合过程的工艺参数，并按照所设置的聚酰胺聚合过程的工艺参数进行生产，制得聚酰胺聚合物；多个个体是按照工艺参数的约束条件生成多组工艺参数值后，将工艺参数值逐组输入到两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型中，由其输出各组工艺参数值对应的工艺指标值得到的；两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型是基于聚合热力学物性的选择方程和单官能酸条件下PA6聚合反应动力学方程确立的；工艺指标为聚酰胺转换率和环状二聚体摩尔含量。2.根据权利要求1所述的基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，其特征在于，各原料比例为：己内酰胺97.8wt％，水2wt％，乙酸0.2wt％。3.根据权利要求1所述的基于聚合过程的工艺参数多目标优化生产聚酰胺的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)根据工艺参数的约束条件，对工艺参数值进行初始化，生成K组工艺参数值，并设置进化代数计数器P
t
＝1，种群数量为M，最大进化代数为Gen；(2)将步骤(1)生成的K组工艺参数值逐组输入到两段式己内酰胺连续水解熔融聚合生产聚酰胺6的工艺过程模型中，由其输出各组工艺参数值对应的工艺指标值，以各组工艺参数值及其对应的工艺指标值作为个体，并基于提高聚酰胺转换率和降低环状二聚体摩尔含量设计目标函数，表达式如下：其中，T为两个VK管中四个全混流反应器和两个平推流反应器的反应温度，单位为℃；P为两个VK管中四个全混流反应器的反应压力，单位为mmHg；E
s
为聚酰胺转换率，单位为％；W
t
为环状二聚体摩尔含量，单位为％；(3)判断是否生成了第一代子种群，若已生成则令进化代数P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝矿荣，丁贺，陈磊，王朝生，王华平，朱秀丽，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：