聚合反应过程的复杂计算问题研究

Polymerization is a key process for polymer production. Optimal operation is of great significance to improve the production efficiency and produce high value-added products. Polymerization optimization based on a rigourous first principle model is the key to implement that. Compared with traditional chemical process, polymerization is more complicated in the following aspects. First, it has to deal with the large scale feature in describing the product quality with molecular weight distribution. Second, the viscosity of the polymer is changing with the reaction rate and structure of the nonlinear reactor, resulting in the state transition and distributed feature. Third, complicated operation is frequently required due to the grade transition demand. This project aims to study the complex computational problems in polymerization through three different levels covering kinetics, reactor, and process. The key contents include: optimization on kinetics model with conditional modeling of the cage, glass and gel effects, calculation method for molecular weight distribution in non-ideal reactors, and operational optimization with flexible process structures. The implementation of this project provides scientific support to real industry.

聚合反应过程是聚合工业装置中的核心生产环节。提高装置生产效率，不断推出高性能、高附加值的新牌号产品，对增强我国聚烯烃行业的市场竞争力十分重要。基于严格机理模型的聚合反应过程优化研究则是实现上述目标的重要技术手段。相比于传统化工过程，聚合反应过程优化的研究难点主要来自于机理模型的复杂性，包括分子量分布的大规模特征、流变与传质随反应深度的时变特征和反应器构造的分布式特征，以及多流程结构切换的复杂操作等。本项目将以聚合反应过程为研究对象，分别从聚合反应动力学、反应器和反应流程三个层次上提取关键科学问题，以聚烯烃工业装置为典型应用对象，开展聚合反应过程的复杂计算问题研究，包括条件建模描述的聚合反应过程优化、非理想反应器的大规模分子量分布计算、以及聚合反应过程变流程的操作优化，为提高国产聚合装置的科技竞争力提供科学与技术支持。

本项目以聚合反应过程为研究对象，从反应动力学、反应器和反应流程三个层次上提取关键科学问题，针对聚合物微观质量的精细建模与表征、复杂聚合反应过程的模拟与优化进行了深入研究，取得了一系列原创性成果：1)在反应动力学层次，研究了复杂聚合反应机理下的微观质量精细建模与大规模优化计算方法，具体成果包括：基于活性位维度的分子量分布动态模拟并行计算研究、基于GPU的共聚MonteCarlo并行模拟计算研究、基于并行蒙特卡洛模型的共聚反应质量优化、基于条件建模的自由基聚合反应过程动态优化方法。2)在反应器层次，研究了非均相态下的热力学建模问题与非理想混合下的反应传质建模及分布式求解问题，具体成果包括：聚合反应体系中的复杂热力学计算方法研究、非线性系统的三角化表征及在PC-SAFT热力学模型上的应用、非理想反应器分子量分布的模拟与优化。3)在反应流程层次，针对微观质量描述下的大规模流程计算问题，研究了参数估计、流程重构、在线监测、动态优化等问题，具体成果包括：基于分子量分布的乙烯淤浆聚合过程动力学参数估计方法、基于分子量分布的聚合反应流程重构优化方法、聚合过程在线软测量的快速可靠算法研究、基于分子量分布的牌号切换动态优化方法。项目成果共发表论文27篇，包括本领域的顶级SCI期刊论文13篇，在PSE世界大会等国际权威学术会议发表论文/报告共10次，受邀做国际会议大会报告1次、分组报告1次、国内大会报告1次。研究成果两次获得了中国过程系统工程年会优秀论文奖。项目授权发明专利2项，授权软件著作权3项。项目获得的技术成果也受到了工业界的认可，已在多个企业进行应用推广。执行过程中与美国工程院院士Biegler教授开展了紧密的合作研究，在国际上引领了聚合物微观质量大规模优化理论与方法研究，并于2016年底获得国家科技部批准成立“流程生产质量优化与控制”国家级国际联合研究中心，2017年底获批科技部中美政府间合作项目“高端定制化聚合物生产过程精细建模与质量优化”。