一種丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工業(yè)丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Spheripol聚丙烯工藝/裝置是目前主要的聚丙烯生產(chǎn)工藝之一，也稱為液相本 體環(huán)管聚合工藝。其中，環(huán)管反應(yīng)器是該工藝核心反應(yīng)器之一，主要用來生產(chǎn)均聚聚丙烯產(chǎn) 品。在采取上述工藝生產(chǎn)聚丙烯過程中，環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的壓力會影響聚合速率、物料進(jìn)出量 及產(chǎn)品質(zhì)量。此外，由于環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的丙烯均聚反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)劇烈不易控制， 進(jìn)出料流量、物料組成及生產(chǎn)裝置實(shí)際運(yùn)行條件的波動都會導(dǎo)致環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度及壓力 的急劇上升，反應(yīng)器失效，造成嚴(yán)重的安全事故。因此，有必要獲得聚丙烯液相環(huán)管反應(yīng)器 內(nèi)的溫度、壓力和事故排放量的數(shù)據(jù)。從安全生產(chǎn)角度而言，尤其需要計(jì)算環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部 壓力。
[0003] 經(jīng)過對現(xiàn)有關(guān)于工業(yè)丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部流場計(jì)算方法(壓力參數(shù)屬于流 場分布參數(shù)之一）文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，雖然有一大批科學(xué)工作者開展工業(yè)丙烯聚合環(huán)管反應(yīng) 器內(nèi)部流場參數(shù)的模擬與計(jì)算工作，但是相關(guān)研究集中在環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)的溫度、聚丙烯固 含率、聚合轉(zhuǎn)化率、聚合物熔融指數(shù)及顆粒粒徑分布的計(jì)算，很少涉及到反應(yīng)器內(nèi)部壓力 的計(jì)算。近期，Luo Z.H.等（Luo Z.H·，Su P.L·，Wu W. "Industrial loop reactor for catalytic propylene polymerization:Dynamic modeling at emergency accidents，'，I ndustrial&Engineering Chemistry Research. 2010, 49:11232-11243)建立了一個(gè)計(jì)算丙 烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力模型，模型把丙烯聚合動力學(xué)方程、環(huán)管反應(yīng)器動態(tài)數(shù)學(xué)模型、 高壓液體的狀態(tài)方程以及環(huán)管反應(yīng)器的進(jìn)出口物料管口方程進(jìn)行了耦合，并通過環(huán)管兩端 的壓差并結(jié)合管口方程來計(jì)算內(nèi)部壓力，然而由于進(jìn)出口物料管口方程中需要太多的待定 參數(shù)，使得該壓力計(jì)算模型適用范疇小（只能用來計(jì)算雙環(huán)管反應(yīng)器工藝，不能用來計(jì)算單 環(huán)管反應(yīng)器工藝；此外，因?yàn)楣芸诜匠讨性S多待定參數(shù)與催化劑類型相關(guān)，目前難以獲取丙 烯聚合催化劑類型與這些待定參數(shù)的關(guān)系，因此丙烯聚合催化劑類型變化容易導(dǎo)致模型計(jì) 算結(jié)果發(fā)散，計(jì)算無法成功)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有的丙烯均聚環(huán)管反應(yīng)器壓力計(jì)算方法計(jì)算精度不高且適用范疇小 的不足，本發(fā)明提供一種簡便有效與低成本并具有適用范疇寬的丙烯均聚環(huán)管反應(yīng)器壓力 計(jì)算方法。本發(fā)明直接采用高壓液體的狀態(tài)方程來計(jì)算反應(yīng)器內(nèi)部壓力。其中，狀態(tài)方程 中的溫度及密度參數(shù)通過聚合環(huán)管反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，動態(tài)模型中輸入?yún)?shù)與環(huán) 管兩端的物料性能關(guān)聯(lián)。因此，本發(fā)明在沒有管口方程下僅通過狀態(tài)方程也能直接計(jì)算管 內(nèi)壓力，不僅省去了管口方程帶來的待定參數(shù)多（受計(jì)算過程受催化劑類型影響)，具有簡 便的優(yōu)點(diǎn)。此外，Luo Z.H.等（Luo Z.H·，Su P.L·，Wu W. "Industrial loop reactor for catalytic propylene polymerization:Dynamic modeling at emergency accidents，'，I ndustrial&Engineering Chemistry Research. 2010, 49:11232-11243)計(jì)算方法由于存在 管口方程，而這需要管兩端存在明顯的壓差，這個(gè)特點(diǎn)主要在雙環(huán)管中才存在，因此文獻(xiàn)中 的計(jì)算方法僅適用于能存在明顯壓差的雙環(huán)管。本發(fā)明由于沒有管口方程，因此本發(fā)明不 僅適用于雙環(huán)管，也適用于單環(huán)管，具有更寬的適應(yīng)范疇。
[0005] 本發(fā)明的主要技術(shù)方案為：首先通過環(huán)管內(nèi)部的聚合動力學(xué)方程獲得主要物料的 變化速率，在此基礎(chǔ)上求解環(huán)管內(nèi)部的動態(tài)反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型得到各物料的質(zhì)量濃度、密度 及溫度，并直接通過高壓液體的狀態(tài)方程得到環(huán)管內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種工業(yè)丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力計(jì)算方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] 1)、建立丙烯均聚動力學(xué)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，參見式（1)-(6):
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力計(jì)算方法，所述方法包括以下步驟： 1) 建立丙烯均聚動力學(xué)數(shù)學(xué)模型獲得主要物料的變化速率； 2) 建立丙烯本體聚合環(huán)管反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到各物料的質(zhì)量濃度、密度及溫 度； 3) 運(yùn)用高壓丙烯液體的狀態(tài)方程將反應(yīng)器內(nèi)部的壓力參數(shù)與動態(tài)數(shù)學(xué)模型求解得到 的反應(yīng)器內(nèi)的溫度及物料含量參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，計(jì)算得到環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的壓力。
2. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于所述方法包括以下步驟： 1) 建立丙烯均聚動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，如式（1)-(6)所示： rP=kP[M] [C*] (1) -rtr=ktr[H2]°-5[C*] (2) -rd=kd[C*] (3)
式中rp、和rd分別表示聚合增長速率、聚合鏈轉(zhuǎn)移速率、及聚合催化劑失活速率；kp 表示聚合增長速率常數(shù)；kta表示聚合鏈轉(zhuǎn)移速率常數(shù)；kd表示聚合催化劑失活速率常數(shù)； kp(l、ktrfl和kd(l分別表示各對應(yīng)速率方程的常數(shù)；E p、Efe和Ed分別表示各速率方程對應(yīng)反應(yīng) 的活化能；[M]表示丙烯單體濃度；[Cf]表示催化劑活性中心濃度；[H 2]表示氫氣濃度，R為 氣體常數(shù)，T表示聚合反應(yīng)的溫度； 輸入具體的聚合反應(yīng)溫度，通過式（1)-(6)計(jì)算得到聚合增長速率4、聚合鏈轉(zhuǎn)移速率 rtl?及聚合催化劑失活速率rd ; 2) 建立丙烯本體聚合環(huán)管反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，如式（7)-(12)所示：
式中A表示反應(yīng)器的總傳熱面積，Cp表示物料熱容，G表示物料質(zhì)量流量，G〃表示氫氣 質(zhì)量流量，K表示反應(yīng)器壁面的總傳熱系數(shù)，m表示反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)量，MjFf2表示氫氣的摩爾 質(zhì)量，Mp表示聚丙烯的摩爾質(zhì)量，Q表示物料的體積流量，t表示聚合時(shí)間，V表示體積，w表 示反應(yīng)器內(nèi)的固含率，P表示反應(yīng)器內(nèi)物料密度，表示丙烯聚合反應(yīng)焓；下標(biāo)i表示第 i個(gè)環(huán)管反應(yīng)器；下標(biāo)in，out和relife分別表示反應(yīng)器的進(jìn)料、出料以及泄放； 3)運(yùn)用高壓丙烯液體的狀態(tài)方程將反應(yīng)器內(nèi)部的壓力參數(shù)與動態(tài)數(shù)學(xué)模型求解得到 的反應(yīng)器內(nèi)的溫度及物料含量參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如式（13)-(28)所示： 首先根據(jù)式（13)計(jì)算第i個(gè)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的丙烯單體的密度：
中Psu表示第i個(gè)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)丙烯的密度； 其次，采用Tait方程求解環(huán)管內(nèi)部的壓力，見式（14):
整理式（14)得到式（15):
D=Exp (-2. 5355+1. 1690 ξ +0. 1458Tbr) (18)
式（21)中P°表示高壓丙烯液體的飽和壓力，由式（22)計(jì)算得到： P0 = Exp(A-Jfr) (22, 式（22)中： A=lnl01325+(B/Tc) (Tbr+C/Tc) (23) B=Tc [ (1+C/Tc) (Tbr+C/Tc) In (Pc/101325) ] / (I-Tbr) (24) C=Tc (0. 7F-0. 3Tbr) / (0. 3-F) (25) F= [ (I-Tbr) (1+ β ) InlO] / [In (Pc/101325) ] (26) Tr=T/Tc (27) Tbr=Tb/T。(28) 式（13)-(28)構(gòu)成高壓液態(tài)丙烯的狀態(tài)方程，通過該狀態(tài)方程計(jì)算得到反應(yīng)器內(nèi)的 [M]、[Cl、[H2]、w、m及T值，即得到環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的壓力。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于所述計(jì)算方法適用于雙環(huán)管與單環(huán)管聚 合工藝。
4. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于通過改變丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器的動態(tài)數(shù) 學(xué)模型結(jié)構(gòu)中輸入的反應(yīng)器規(guī)模參數(shù)，計(jì)算任意規(guī)模的環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的壓力。
5. 如權(quán)利要求1所述的計(jì)算方法，其特征在于所述計(jì)算方法適用于環(huán)管中烯烴共聚體 系下的壓力計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力計(jì)算方法，該方法以工業(yè)聚丙烯全流程工藝中核心環(huán)管反應(yīng)器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合丙烯均聚動力學(xué)模型以及高壓液體的狀態(tài)方程實(shí)現(xiàn)對環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力的計(jì)算。本發(fā)明最重要的特征是在無需采集工業(yè)規(guī)模的丙烯聚合動力學(xué)數(shù)據(jù)下，僅事先通過實(shí)驗(yàn)室小試獲得丙烯聚合動力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)并輸入工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸及其操作工藝條件，即可在相當(dāng)寬的生產(chǎn)規(guī)模內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)丙烯聚合環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部壓力的計(jì)算，具有簡便有效和低成本的優(yōu)勢，可極大提高環(huán)管反應(yīng)器在非穩(wěn)態(tài)事故工況下模擬效率以及它對主要操作性能的響應(yīng)頻率，從而降低工業(yè)環(huán)管反應(yīng)器在運(yùn)行過程中的安全隱患，增加生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。
【IPC分類】G05B17-02
【公開號】CN104656457
【申請?zhí)枴緾N201310585420
【發(fā)明人】張長軍, 陳旭, 劉義, 劉小燕, 朱博超, 許云波, 王卓妮, 竺棟榮, 郭珺, 李廣全, 邢趙中, 王玲玲, 慕雪梅, 謝克鋒, 吳冬
【申請人】中國石油天然氣股份有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年11月19日