连续聚合反应牌号切换过渡过程的多目标协同优化研究

作     者：邬琪磊 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭青

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：牌号切换 聚合反应 约束处理机制 多目标粒子群算法 连续搅拌反应釜 

摘      要：随着聚合物需求的多样性趋势,单个反应釜设备一般需要生产不同牌号的聚烯烃产品,因此聚合反应牌号切换操作需频繁进行,以建立柔性的生产模式。该切换过渡阶段不可避免地缩短了生产时间,产生了大量过渡废料,造成原材料的损耗以及生产效率的降低。因此,聚合物牌号切换优化问题成为近年来聚合工业生产技术领域的重要研究内容。本文针对连续聚合反应过程的牌号切换,提出了多目标协同优化方法,并进行了相关研究:1.以实验室规模的CSTR中苯乙烯聚合反应牌号切换过程为对象,从自由基聚合反应机理的角度出发,根据物料守恒和能量守恒方程计算并构造聚合反应过程动态特性模型,采用矩计算得到聚合物的分子量分布作为模型的质量衡量指标。提出分段式牌号切换优化策略,并运用CVP方法及龙格库塔法转化动态优化问题,建立牌号切换模型。2.聚合反应过程的牌号切换操作需要同时满足安全运行,过渡时间短,运行成本低等多项要求,是一个带约束的多目标优化问题,而传统计算方法具有局限性,故提出了一种改进的约束多目标粒子群优化算法。从多目标处理机制和约束处理机制两方面入手,一方面保证Pareto解集的良好分布性,同时避免算法陷入局部最优,另一方面在不增加算法复杂度的前提下增强算法的目标搜索能力,提高算法的效率。并选取了具有不同特征的多种多目标测试函数,证明了算法的有效性和普适性。3.针对实验规模的CSTR中苯乙烯牌号切换过程的经济协同,建立关于聚合物牌号切换时间和过渡用料的多目标函数,采用BBO算法优化质量模型以确定质量指标目标函数的权值,并通过对聚苯乙烯的质量指标施加终点约束,提出带终点约束与不带终点约束两种方案。采用改进的CMOPSO分别对两种方案进行优化计算并仿真验证,结果表明两种切换方案与阶跃切换相比过渡时间和原料的消耗量都显著减小,证明了所提方案的有效性。4.针对高密度聚乙烯淤浆工艺聚合反应过程串联牌号切换过程的质量协同,对该工艺进行描述及分析,在反应过程质量模型的基础上,提出关于质量的瞬时指标和累积指标的多目标函数作为优化目标,同时为保证反应过程中操作量的稳定性,引入相关操作变量的路径约束,提出带约束和不带约束的优化方案,采用CMOPSO求解此牌号切换多目标优化问题,与传统方案进行比较。提出关于操作变量的瞬时变化率指标对Pareto解集进行评价,指导决策者根据需求做出选择,仿真结果表明两种切换方案都明显优于传统方案,证明了所提方案的有效性。