非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法技術

本發明專利技術公開了一種非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法。本發明專利技術對于自由基聚合模型，以給定的分子量分布曲線作為產品質量指標，在滿足產品質量指標的前提下，求取使得反應物的轉化率最大的反應器入口引發劑濃度和進料溫度條件。該方法包括優化、模擬和接口三部分。在每個優化迭代中需要調用一次模擬，建立了接口程序，以實現優化過程的自動化。利用該方法得到的優化結果，分子量分布曲線與目標的誤差小于10?6，轉化率比初始點的轉化率有大幅提高。本發明專利技術相比于實驗方法可以極大縮短反應條件設計周期，降低開發成本，能實現聚合物產品操作條件優化，可應用于離線優化和產品設計。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及高分子自由基聚合分子量分布的操作條件優化方法，尤其涉及一種非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法。
技術介紹
自由基聚合物產品的使用性能和加工性能由聚合物的分子量分布曲線決定，反應物的利用率主要由反應物轉化率指標決定。不同的操作條件，包括入口引發劑濃度和進料溫度等，對自由基聚合物的分子量分布和轉化率指標都會產生重大影響。因而通過給定分子量分布曲線來確定產品的使用及加工性能，根據最大化反應物轉化率的目標來得到符合特定質量指標的反應操作條件，可以為實際的工業生產提供指導，有著十分重要的意義。這種模擬和優化不僅降低了產品的開發成本，同時也可以縮短設計周期，指導相關實驗設計和產品生產。實際生產中為提高自由基聚合物的產量和質量，我們往往需要通過實驗或者數值方法對產品進行模擬，然后根據經驗或優化算法設計操作條件。數值模擬方法比實驗更加快捷、低成本，可以克服實驗方法耗時長、工作量大、成本高、測量方法有限、危險性高等問題。經過對現有技術的文獻檢索發現，目前對于自由基聚合反應的操作條件優化時，全部將聚合反應假設為理想反應器，即全混流或者平推流。但是工業反應器的尺度較大，反應器內物料無法混合均勻，這種假設并不合理。這種過于簡化的反應器模型，不考慮聚合反應器內部反應物濃度、溫度在空間上的分布，也不考慮反應混合時間，因而存在較大誤差。目前存在一些對非理想反應器內自由基聚合反應過程進行模擬的研究，這些研究都只停留在了模擬仿真的階段，只能給出一些性質的變化趨勢，然后仍舊需要有經驗的工程師進行深入研究進行優化。而且這種根據經驗進行的優化無法給出可行域內的最優解，而多數情況下只能給出一個較好的可行解，優化效果不夠理想。此外，目前在使用計算流體力學(CFD)軟件對非理想反應器內自由基聚合反應過程進行分析時，方法存在一定弊端。直接采用商業CFD軟件Fluent內部自帶的反應模塊模擬反應的方法，不能滿足各種假設條件變化下的需求。利用概率密度函數方法與CFD方法結合的辦法，模型過于復雜，不能快速給出模擬結果。本專利技術在自由基聚合分子量分布操作條件的優化方法中，引入反應器內空間分布對出口產品產量和分子量分布的影響。在優化過程中引入計算流體力學方法，考慮反應器內物料的空間分布對最終出口處結果的影響。在每一個優化迭代步內，進行非理想反應器內的模擬，求解不同操作條件下反應器出口處產品產量和分子量分布，同時關注出口產量最優和滿足分子量分布的約束條件。在進行模擬時，采用用戶自定義函數(UDF)程序與用戶自定義標量(UDS)方程結合的方式，引入聚合反應，程序簡單且能滿足計算要求的復雜度，并易于修改和移植。本專利技術著重給出了在C語言平臺下用于調用Fluent軟件進行優化的接口方法。該接口方法可以將新的操作條件數據傳遞至Fluent軟件并調用軟件進行模擬，得到相應的模擬結果后將參數回傳至C語言平臺，進行下一步優化。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供了一種非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法，包括如下步驟：S01：建立優化模型，以最大單體轉化率為優化目標，以分子量分布在采樣點上與目標值的誤差平方和為約束，并以控制變量的上下限為約束，構建優化命題；S02：設置優化參數，優化參數包括：最大迭代次數，約束優化轉化為無約束優化的懲罰項系數，優化算法誤差容限，分子量分布誤差容限，以及單純形算法的參數值；S03：優化計算初始化，設定初始反應器入口引發劑濃度x0和進料溫度T0，分別在入口引發劑濃度和進料溫度上進行攝動，通過接口模塊調用Fluent軟件進行分子量分布求解模擬，得到初始單純形，開始優化；S04：進行單純形頂點排序，判斷是否收斂，如果滿足收斂準則，優化結束，求解成功，得到最優解；如果不滿足收斂準則，進行步驟S05；S05：根據單純形算法，對于得到的結果進行反射，膨脹，收縮和塌縮操作，得到新的入口引發劑濃度和進料溫度，通過接口模塊調用Fluent軟件進行分子量分布求解模擬，得到分子量分布的模擬結果，進而得到轉化率結果，按照單純形生成規則，得到新的單純形，進行步驟S04。所述的步驟S01具體為：在已知聚合物目標分子量分布曲線條件下，在鏈長的對數坐標曲線上，橫坐標每隔0.1間隔選取采樣點，以采樣點上分子量分布的模擬值與目標值的誤差平方和為約束，并以入口引發劑濃度x和進料溫度T的上下限為約束，構建優化命題如下： 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 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法,其特征在于包括如下步驟：S01：建立優化模型，以最大單體轉化率為優化目標，以分子量分布在采樣點上與目標值的誤差平方和為約束，并以控制變量的上下限為約束，構建優化命題；S02：設置優化參數，優化參數包括：最大迭代次數，約束優化轉化為無約束優化的懲罰項系數，優化算法誤差容限，分子量分布誤差容限，以及單純形算法的參數值；S03：優化計算初始化，設定初始反應器入口引發劑濃度x0和進料溫度T0，分別在入口引發劑濃度和進料溫度上進行攝動，通過接口模塊調用Fluent軟件進行分子量分布求解模擬，得到初始單純形，開始優化；S04：進行單純形頂點排序，判斷是否收斂，如果滿足收斂準則，優化結束，求解成功，得到最優解；如果不滿足收斂準則，進行步驟S05；S05：根據單純形算法，對于得到的結果進行反射，膨脹，收縮和塌縮操作，得到新的入口引發劑濃度和進料溫度，通過接口模塊調用Fluent軟件進行分子量分布求解模擬，得到分子量分布的模擬結果，進而得到轉化率結果，按照單純形生成規則，得到新的單純形，進行步驟S04。

【技術特征摘要】
1.一種非理想反應器內自由基聚合物分子量分布操作條件的優化方法,其特
征在于包括如下步驟：
S01：建立優化模型，以最大單體轉化率為優化目標，以分子量分布在采樣
點上與目標值的誤差平方和為約束，并以控制變量的上下限為約束，構建優化命
題；
S02：設置優化參數，優化參數包括：最大迭代次數，約束優化轉化為無約
束優化的懲罰項系數，優化算法誤差容限，分子量分布誤差容限，以及單純形算
法的參數值；
S03：優化計算初始化，設定初始反應器入口引發劑濃度x0和進料溫度T0，
分別在入口引發劑濃度和進料溫度上進行攝動，通過接口模塊調用Fluent軟件進
行分子量分布求解模擬，得到初始單純形，開始優化；
S04：進行單純形頂點排序，判斷是否收斂，如果滿足收斂準則，優化結束，
求解成功，得到最優解；如果不滿足收斂準則，進行步驟S05；
S05：根據單純形算法，對于得到的結果進行反射，膨脹，收縮和塌縮操作，
得到新的入口引發劑濃度和進料溫度，通過接口模塊調用Fluent軟件進行分子量
分布求解模擬，得到分子量分布的模擬結果，進而得到轉化率結果，按照單純形
生成規則，得到新的單純形，進行步驟S04。
2.根據權利要求1所述的優化方法，其特征在于所述的步驟S01具體為：
在已知聚合物目標分子量分布曲線條件下，在鏈長的對數坐標曲線上，
橫坐標每隔0.1間隔選取采樣點，以采樣點上分子量分布的模擬值與目標值的誤
差平方和為約束，并以入口引發劑濃度x和進料溫度T的上下限為約束，構建優
化命題如下：
maxconversion(x,T)
s . t . | | M W D - M W D ‾ | | ≤ ϵ ]]>xlow≤x≤xupTlow≤T≤TupMWD為聚合物分子量分布曲線的模擬值，xlow，xup分別為入口引發劑濃度x

\t的下限和上限，Tlow，Tup分別為進料溫度T的下限和上限，ε為分子量分布的誤
差容限。
3.根據權利要求1所述的優化方法，其特征在于步驟S03和S05中所述通過
接口模塊調用Fluent軟件進行分子量分布求解模擬具體為：
基于計算流體力學方法，進行網格劃分和建立，利用計算流體力學軟件
Fluent進行求解模擬，求解過程中需要加載編寫好的用戶自定義函數程序，將
聚合反應方程加載到Fluent軟件中，以耦合聚合反應和流體流動，最終得到模
擬穩態解，方法具體采用如下步驟：
(1)利用計算流體力學前處理軟件Gambit，根據聚合反應器裝置繪制裝置模
型，對模型劃分有限元網格；
(2)在計算流體力學軟件Fluent中導入反應器模型，進行模擬設置，進行
聚合反應的穩態模擬，作為優化過程中的模擬初值，該過程具體包括：1)設置
反應條件，所述的反應條件具體包括選擇求解器、選擇湍流模型、選擇反應材料、
設置邊界條件；2)在Flu...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張弛，陳曦，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33