DE3789111T2 - Reaktor-Steuersystem zur Herstellung von schlagfestem Propylencopolymer. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Copolymerisation von Propylen und anderen α-Olefinen wie Ethylen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System zur Steuerung der Copolymer-Herstellungsgeschwindigkeit und der Zusammensetzung in einem System zur Herstellung von schlagfestem Polypropylencopolymer.
• Die Erfindung wird hier in Bezug auf Produktionssysteme zur Copolymerisation von Propylen und Ethylen beschrieben. Die Grundsätze der Erfindung können jedoch auch leicht angewendet werden, um andere Propylen-α-Olefin-Copolymerisationen zu steuern wie Propylen-Buten- und Propylen-Hexen-Systeme. "Schlagfeste Polypropylencopolymere" sind Polymere, die zusammengesetzt sind aus einer Polypropylen-Homopolymerphase, die mit einer oder mehreren Ethylen-Propylen-Copolymerphasen innig vermischt ist. Diese Mischung ergibt ein Produkt, das gute Schlagfestigkeit und gute Steifheit aufweist. Schlagfeste Copolymere werden typischerweise in zwei oder mehreren Reaktoren in Reihe hergestellt. Der erste Reaktor produziert normalerweise das Polypropylen-Homopolymer, das dann in einen zweiten Reaktor übergeführt wird. Alternativ kann der erste Reaktor verwendet werden, um ein statistisches Copolymer herzustellen, das dann in den zweiten Reaktor gegeben wird. Im zweiten Reaktor (und den weiteren Reaktoren, sofern vorhanden) wird die Zusammensetzung der Reaktionsteilnehmer variiert, so daß Copolymere mit variierenden Fraktionen an Ethylen und Propylen in jedem Reaktor hergestellt und mit dem Polymer aus den vorhergehenden Reaktoren innig vermischt werden.
• Typischerweise wird die Umsetzung in den Reaktoren mit einem Übergangsmetall-Katalysator katalysiert. In den meisten Fällen ist das Übergangsmetall Titan. Die Reaktoren selbst können Gasphasen-Reaktoren sein, müssen dies aber nicht sein. Die Produktionsgeschwindigkeit in diesen Reaktoren kann durch die eingebrachte Katalysatormenge oder durch den Partialdruck der Monomere gesteuert werden. Normalerweise wird die Zusammensetzung des Polymers in einem bestimmten Reaktor durch die relativen Partialdrücke der Monomere innerhalb dieses Reaktors bestimmt. Wenn jedoch der zweite und die folgenden Reaktoren der Reihe allein von dem Restkatalysator in dem Polymer abhängig sind, das sie von dem vorhergehenden Reaktor erhalten, bestimmen die Monomer-Partialdrücke in einem bestimmten Reaktor sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die relativen Fraktionen an Ethylen und Propylen in dem Copolymer, das so hergestellt wird.
• Fig. 1 zeigt ein Zwei-Reaktor-Polymerisationssystem, das zur Herstellung von schlagfestem Polypropylen-Copolymer verwendet wird. Zwei-Reaktor-Systeme der Art nach Fig. 1 sehen normalerweise eine katalytische exotherme Reaktion (z. B. ein Wirbelbett 14) innerhalb des ersten Reaktors RX-1 zur Umwandlung gasförmigen Rohmaterials zu einem festen Produkt vor. Die Rohmaterialien (wie Propylen, Ethylen, Stickstoff, Wasserstoff, Katalysator, Cokatalysator und ein Selektivititäts- Steuerungsmittel) werden durch einen Einlaßstrom 2 in das Reaktorsystem RX-1 eingeführt. Die Reaktionswärme wird aus dem Reaktor RX-1 entfernt, indem ein Strom gasförmigen Rohmaterials 12 durch einen Kühler 10 zirkuliert. Die Reaktionstemperatur kann durch Steuerung des Wasserflusses im Kühler 10 geregelt werden, welcher die Wärme aus dem zirkulierenden Gasstrom 12 entfernt. Das feste Produkt in Form von Polypropylen-Homopolymer oder statistischem Copolymer, das aktiven Katalysator enthält, wird aus dem Reaktor RX-1 durch periodische Überführung kleiner Mengen aus dem Wirbelbett 14 in ein Produktentnahmesystem 4 entfernt.
• Der zweite Reaktor RX-2 des Zwei-Reaktor-Systems nach Fig. 1 ist zur Herstellung eines Copolymers aus Propylen und Ethylen in inniger Mischung mit einem festen Homopolymer oder statistischem Copolymermaterial, hergestellt im ersten Reaktor RX-1, bestimmt. Bei dieser Ausführungsform wird der Produktstrom 16 aus dem ersten Reaktor RX-1 (der z. B. Homopolymer und aktiven Katalysator umfaßt) in einen zweiten Reaktor RX-2 geleitet. Die Rohmaterialien (z. B. Ethylen und Propylen) werden dem zweiten Reaktor RX-2 als Einlaßstrom 18 zugeführt, und werden durch den noch aktiven Katalysator in dem Homopolymer oder statistischem Copolymermaterial in dem Produktstrom 16 aus dem Reaktor RX-1 polymerisiert.
• In dem zweiten Reaktor RX-2 werden α-Olefin (Ethylen) und Propylen in inniger Mischung mit dem Propylen-Homopolymer oder dem statistischen Copolymer copolymerisiert, um das schlagfeste Copolymer herzustellen. Das Verfahren wird durch die Zugabe von Bestandteilen aus RX-1 und dem Beschickungsstrom 18 aufrecht erhalten, und das Kühlen erfolgt durch Zirkulation des gasförmigen Stroms 8 durch einen Kühler 20. Das Produkt wird periodisch am Extraktor 6 entnommen.
• Der Katalysator, der in den ersten Reaktor RX-1 eingeführt wird, katalysiert die Polymerisation von Propylen (und gegebenenfalls Ethylen). Die Menge an mit einer bestimmten Katalysatormenge erzeugtem Polymer ist relativ konstant. Es ist daher üblich, die Herstellungsgeschwindigkeit in dem ersten Reaktor RX-1 durch Variieren der Katalysatorbeschickung zu diesem Reaktor zu steuern.
• Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird zu dem zweiten Reaktor RX-2 kein Katalysator zugegeben. Die Umsetzung im Reaktor RX-2 wird daher vollständig durch den Katalysator katalysiert, der in dem Polymer vorhanden ist, das aus dem ersten Reaktor RX-1 kommt. Da die Katalysatormenge in dem zweiten Reaktor RX-2 im allgemeinen ungeregelt ist, muß die Umsetzungsgeschwindigkeit mit anderen Mitteln gesteuert werden wie durch Veränderung des Partialdrucks der Reaktionskomponenten in dem zirkulierenden Gas.
• Typische Zielsetzungen für den Betrieb eines zweiten oder nachfolgenden Reaktors RX-2 in einem Multi-Reaktorkettenverfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, umfassen das Aufrechterhalten der vorgeschriebenen Werte für die Fraktion (nachfolgend mit "Fc" bezeichnet) des Endprodukts (z. B. schlagfestes Polypropylen), die in dem zweiten Reaktor hergestellt wird, und für die Fraktion (nachfolgend mit "Ec" bezeichnet) von Ethylen, die in der in dem Reaktor RX-2 hergestellten Copolymerfraktion enthalten ist.
• Fc (die Fraktion des gesamten Produkts, die in dem zweiten Reaktor RX-2 hergestellt wurde), ist im allgemeinen von der Kombination der Partialdrücke von Propylen (C&sub3;H&sub6;, nachfolgend "C3") und Ethylen (C&sub2;H&sub4;, nachfolgend "C2") abhängig, die in dem Reaktionssystem RX-2 vorhanden sind. Bei einigen Katalysatorsystemen jedoch können Katalysator und Cokatalysator zu dem zweiten Reaktor zugegeben werden, um Fc zu steuern. Ec (die Fraktion an Ethylen, die in das Copolymer eingebracht wurde, das in dem Reaktor RX-2 hergestellt wurde) hängt von den relativen Partialdrücken von Ethylen und Propylen ab.
• Im allgemeinen verringert sich Ec durch Erhöhen des Verhältnisses von C3 zu C2, und verringerte Verhältniswerte von C3 zu C2 erhöhen Ec
• Die Steuerung des Verfahrens zum Erhalt der gewünschten Produkteigenschaften erfordert daher die Veränderung zusammenwirkender Verfahrensbedingungen bezüglich Fc und Ec. Ein optimales Verfahrenssteuerungssystem ermöglicht daher in hohem Maße die Regelung dieser individuellen Verfahrensvariablen, wobei deren Wechselwirkung kompensiert wird.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Steuerung von Fc und Ec in einem Polymerisationssystem zur Verfügung zustellen, mit dem ein schlagfestes Copolymer hergestellt wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Polymerisations-Steuerungssystems, welches die Wechselwirkung zwischen der Fc-Steuerung und der Ec-Steuerung bei einem Produktionssystem für schlagfestes Polypropylen-Copolymer berücksichtigt.
• In EP-A-27474 wird ein Verfahren zur Herstellung von Polyolefin, das die gewünschten physikalischen Eigenschaften, insbesondere Schmelzindex und/oder Dichte aufweist, durch Polymerisation in einem einzigen Reaktor beschrieben, und zwar aus Olefin in Anwesenheit eines Ziegler-Katalysators und Wasserstoff. Die Verfahrenssteuerung wird hauptsächlich durch Hochgeschwindigkeits-Gaschromatographie in Verbindung mit einem Computersystem erreicht. Offensichtlich wird das Verfahren von Problemen bezüglich Fc nicht beeinflußt.
• Die obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch die Schaffung eines Polypropylen-Herstellungssystems, das ein System zur Steuerung von Fc und Ec einschließt, worin die Beziehung zwischen Ec und dem relativen Partialdruck von Ethylen und Propylen simuliert ("modeled") wird, die Beziehung zwischen der Kombination von Partialdrücken von Ethylen und Propylen und Fc simuliert wird, die Menge des in dem Reaktor produzierten Materials errechnet wird, und die simulierten Beziehungen und die gemessenen Verfahrensbedingungen verwendet werden, um Ec vorherzusagen. Gemessene Ergebnisse aus Laboranalysen von Produktproben werden verwendet, um das vorausgesagte Ec zu korrigieren und die Modellbeziehungen zu kalibrieren. Fc wird durch einen Herstellungsgeschwindigkeitsregler gesteuert, dessen Sollwert in Abhängigkeit von der Produktionsgeschwindigkeit in dem ersten Reaktor ausgerichtet wird, um den gewünschten Fc-Wert zu erhalten. Ec wird durch einen Ec-Regler gesteuert, dessen Sollwert entsprechend der Produktzusammensetzung eingestellt wird, um das gewünschte Ec zu erhalten. Die errechnete Produktionsgeschwindigkeit und der vorbestimmte Wert von Ec werden als Rückkopplung für die Herstellungsgeschwindigkeits- und Ec-Regler verwendet, als wären sie direkt gemessene Mengen.
• Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Herstellung eines Copolymers aus Propylen und einem zweiten α-Olefin während des Betriebslaufs eines kontinuierlichen katalytischen Verfahrens, das durch Regelungsvorrichtungen gesteuert wird, wobei das genannte Verfahren (i) ein solches für die Herstellung eines Produkts ist, das ein zweites Copolymer, basierend auf Propylen und einem anderen α-Olefin, in inniger Mischung mit dem ersten Polymer, z. B. einem Homopolymer aus Propylen und einem statistischen Copolymer aus Propylen, umfaßt, und (ii) durchgeführt wird in zwei oder mehreren in Reihe angeordneten Polymerisationsreaktoren, wobei die genannte Steuerung die Fraktion Fc (iii) des zweiten Copolymers betrifft, hergestellt in der Gasphase in einer zweiten Reihe eines oder mehrerer Reaktoren, bezogen auf das hergestellte Gesamtprodukt, und (iv) die Fraktion Ec des genannten anderen α-Olefins, das in das zweite, in RX-2 hergestellte Copolymer eingebracht wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
• (a) Die Herstellung des genannten ersten Polymers in einer ersten Reihe eines oder mehrerer Reaktoren RX-1 in Anwesenheit eines Katalysators und unter Polymerisationsbedingungen, in Mischung mit aktivem Katalysator bei einer speziellen Herstellungsgeschwindigkeit, und Weiterleitung der Mischung zu RX-2; und
• (b) das Einführen von Propylen und dem genannten anderen α-Olefin unter Polymerisationsbedingungen in RX-2, und Veränderung der Partialdrücke von Propylen und dem genannten anderen α-Olefin in RX-2 in Übereinstimmung mit dem folgenden Algorithmus:
• (1) Vorgeben der Sollwerts von Fc und Ec auf die gewünschten Werte;
• (2) Messung der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-1;
• (3) Errechnen des gewünschten Sollwertes für die Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2;
• (4) Errechnen der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2 aus verschiedenen Betriebsbedingungen von RX-2;
• (5) Errechnen der Abweichung zwischen dem gewünschten Sollwert der Herstellungsgeschwindigkeit und der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2;
• (6) Verwendung der Abweichung aus Schritt (5) in einem Verfahrensregler-Algorithmus, um einen neuen Ausgabewert für die Reglervorrichtung zu berechnen, der zum skalierten ("scaled") Partialdruckwert für das genannte andere α-Olefin in RX-2 wird;
• (7) Messung des laufenden Ec-Werts in RX-2;
• (8) Errechnen der Abweichung zwischen dem gewünschten Ec-Sollwert und dem laufendem Ec-Wert;
• (9) Verwendung der Abweichung aus Schritt (8) in einem Verfahrensregler-Algorithmus zur Berechnung eines neuen Ausgabewertes für die Reglervorrichtung, der einen Verhältniswert von Partialdrücken von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin darstellt;
• (10) Multiplizieren des Verhältniswertes aus Schritt (9) mit der experimentell errechneten relativen Reaktivität von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin;
• (11) Addieren von 1 zu dem Produkt aus Schritt (10);
• (12) Errechnen des neuen Partialdrucks des genannten anderen α-Olefins in RX-2 durch Dividieren des in Schritt (6) genannten skalierten Partialdrucks durch die Summe aus Schritt (11);
• (13) Errechnen des neuen Propylen-Partialdrucks in RX-2 durch Multiplizieren des Quotienten aus Schritt (12) mit dem Verhältniswert der Partialdrücke von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin und
• (14) Verwendung der neuen Partialdrücke, errechnet nach Schritt (12) und (13) als Sollwert für die Regelvorrichtungen für die Partialdrücke von Propylen und des genannten anderen α-Olefins in RX-2.
• Ein bevorzugter Regler für die Produktionsgeschwindigkeit ist so beschaffen, daß er die abgeleitete Beziehung zwischen Propylen- und Ethylen-Partialdruck und relativen Propylen- und Ethylen-Reaktivitäten manipuliert, um die Herstellungsgeschwindigkeit zu steuern. Ein Ec-Regler ist derart ausgelegt, daß dieser das Verhältnis des Propylen- und Ethylen- Partialdrucks manipuliert, um Ec zu steuern. Es kann eine Computerprogrammierung benutzt werden, um die Ausgabe-werte der Herstellungsgeschwindigkeits- und Ec-Regler in Propylen- und Ethylen-Partialdruck-Sollwerte umzurechnen und die Wechselwirkung zwischen diesen stark voneinander abhängigen Verfahrenssteuerungs-Parametern zu kompensieren oder zu "entkoppeln".
• Die Erfindung wird in größeren Einzelheiten durch die folgenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zwei-Reaktor- Polymerisationssystems für schlagfestes Polypropylen-Copolymer einschließlich eines zweiten Reaktors ist, mit der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt wird; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Steuerung von Ec und Fc innerhalb eines Herstellungssystems für schlagfestes Polypropylen-Copolymer ist und
• Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von Herstellungsgeschwindigkeits- und Ec-Daten in Propylen- und Ethylen-Konzentrations-Sollwerte in solcher Weise, daß die Wechselwirkung von Propylen- und Ethylen-Partialdrücken entkoppelt wird.
• Fig. 2 stellt die Ec- und Fc-Steuerung innerhalb des Reaktionssystems zur Herstellung von schlagfestem Polypropylencopolymer dar.
• In Fig. 2 wird ein Reaktor RX-2 dargestellt, der ein Wirbelbett-Reaktor sein kann. Der Reaktor RX-2 kann der zweite Reaktor eines Zwei-Reaktoren-Polymerisationssystems für schlagfestes Polypropylencopolymer vom Typ, wie in Fig. 1 dargestellt, sein (wobei der erste Reaktor des Systems, z. B. RX-1 in Fig. 1, in Fig. 2 nicht dargestellt wird). Alternativ kann der Reaktor RX-2 der Fig. 2 der letzte oder ein Zwischenreaktor innerhalb eines Multi-Reaktorsystems (n größer als 2) sein. Bei den hier gegebenen Erläuterungen soll angenommen werden, daß RX-2 der zweite Reaktor in einem Zwei-Reaktoren- System ist.
• Bei der Ausführungsform von Fig. 2 wird ein Eintrittsstrom (20), der Propylen-Homopolymer oder statistisches Copolymer mit annähernd 20-1.000 TpM an aktivem Katalysator enthält, zu dem Reaktor RX-2 vorgesehen. Ein Eintrittsstrom 21 kann zusätzliches Rohmaterial wie Ethylen und Propylen zuführen. Der Temperaturbereich innerhalb des Reaktor RX-2 beträgt im allgemeinen etwa 40-120ºC bei einem Druck von etwa 0,28-3,45 MPa absolut (40-500 psi a.)
• Die Reaktions- oder Produktionsgeschwindigkeit in dem Reaktor RX-2 hängt von den Partialdrücken sowohl von C2 als auch C3 ab, da der gesamte Katalysator mit der Feststoffbeschickung aus dem vorhergehenden Reaktor RX-1 zugeführt wird. Die Fraktion Ec des Produkts, hergestellt in Reaktor RX-2, das C2 enthält, ist von dem Verhältnis des Partialdrucks von C3 zu dem Partialdruck von C2 in dem Reaktor RX-2 abhängig. Eine Veränderung jedes einzelnen Partialdrucks beeinflußt sowohl die Produktionsgeschwindigkeit als auch Ec, und die Steuerungen für diese Werte beeinflussen sich gegenseitig stark.
• Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Steuerung von Fc und Ec und zum "Entkoppeln" der Wechselwirkung zwischen dem Ethylen-und Propylen-Partialdruck, um eine präzisere Steuerung des Herstellungsprozesses für schlagfestes Copolymer zu ermöglichen. Vor der Beschreibung des Entkopplungsvorgangs werden zunächst Verfahren zur Überwachung/Steuerung von Fc und Ec beschrieben.
• Was die Fc-Steuerung anbelangt, können verschiedene Betriebsbedingungen von dem Reaktor RX-2 wie der Reaktordruck und die Temperaturen, die Ströme und die Zusammensetzungen des Reaktionssystems dem Reaktor RX-2 entnommen und einem Herstellungsgeschwindigkeitsrechner 22 eingegeben werden (symbolisch dargestellt durch Pfeil 23 in Fig. 2), um die tatsächliche laufende Herstellungsgeschwindigkeit innerhalb des Reaktors RX-2 zu errechnen. Die tatsächliche Herstellungsgeschwindigkeit kann unter Verwendung herkömmlicher Wärme- und Materialbilanzmethoden, die dem Fachmann bekannt sind, errechnet werden.
• Die errechnete RX-2-Herstellungsgeschwindigkeit wird einem Vergleichsregler ("comparator-controller") 24 zum Vergleich mit einem Herstellungsgeschwindigkeits- "Sollwert" zugeführt. Dieser Sollwert wird mit einem Herstellungsgeschwindigkeits- Sollwert-Rechner 26, basierend auf dem Zielwert Fc, dem eingegebenen "Rezept" 28, und auf der Herstellungsgeschwindigkeit des ersten Reaktors RX-1, bestimmt durch einen Rechner 25 für die Herstellungsgeschwindigkeit des ersten Reaktors errechnet. Der Herstellungsgeschwindigkeits-"Sollwert" wird in dem Vergleichs-Regler 24 mit der "tatsächlichen" Herstellungsgeschwindigkeit verglichen, wie sie vom Herstellungsgeschwindigkeitsrechner 22 errechnet wurde.
• Gleichzeitig mit den Berechnungen der Herstellungsgeschwindigkeit und den Vergleichen wie sie oben beschrieben wurden, wird ein vorausgesagter tatsächlicher Wirbelbett-Durchschnitts- Ec-Wert mit dem Ec-Rechner 30 errechnet, in dem Ec-Vergleichs-Regler ("comparator-controller") 32 mit einem Eck "Sollwert" verglichen und in einem Speicher vorherbestimmter Daten 38 gespeichert. Der Ec-Sollwert wird mit dem Ec-Sollwertrechner 34, basierend auf dem Rezept 28 bestimmt, um einen gewünschten Ec-Wert zu erhalten. Alternativ kann der Ec-Sollwert von einem Benutzer des Systems direkt eingegeben werden, z. B. durch eine Computereingabe.
• Weil bekannte Meßtechniken des Ec-Wertes lange Laufzeiten benötigen (etwa zwei bis acht Stunden), wird der durchschnittliche Wirbelbett-Ec-Wert bei der Ausführungsform von Fig. 2 in vorausgesagter Form verwendet. Periodisch (z. B. in Intervallen von 5 Minuten) wird ein gegenwärtiger Ec-Wert aufgrund gemessener Verfahrensparameter unter Verwendung eines kalibrierten Verfahrensmodells vorausgesagt. Der laufende durchschnittliche Ec-Wert wird dann aufgrund des gegenwärtigen Eck Werts und der gespeicherten Daten im Speicher 38 unter Verwendung eines Idealmodells der Vermischung in einem gerührten Kessel, das dem Fachmann bekannt ist, vorausgesagt.
• Periodisch während der Verarbeitung (z. B. in stündlichen Intervallen) wird eine Produktprobe aus dem Reaktor RX-2 an der Entnahmestelle 35 entnommen und der Ec-Wert wird unter Anwendung bekannter Laboranalyseverfahren gemessen 36. Der vorausgesagte durchschnittliche Ec-Wert des Bettes zum Zeitpunkt der Probeentnahme wird aus dem Speicher vorherbestimmter Daten 38 abgerufen und mit dem gemessenen Ec-Laborwert in der Vergleichsvorrichtung 40 verglichen. Jeglicher entdeckte "Fehler" zwischen den gespeicherten und den gemessenen Werten kann unter Verwendung bekannter mathematischer Filterverfahren 42 gefiltert werden. Dieser gefilterte "Fehler"-Wert wird verwendet, um das vorausgesagte Ec-Modell erneut zu eichen, und das neu geeichte Modell wird verwendet, die vorherbestimmten Daten im Speicher 38 zu korrigieren. Der korrigierte Wert des laufenden Durchschnitts-Ec-Werts im Bett vom Ec-Voraussagewert-Rechner 30 wird in den Ec-Wert-Vergleichsregler 32 zum Vergleich mit dem Ec-Sollwert 34 eingegeben.
• Das Ec-Wert-Speicherungsverfahren vorherbestimmter Daten nach Fig. 2 wird bevorzugt, weil dies die lange Verzögerung der Probenanalyse kompensiert und zeitlich genauere und akuratere Ec-Voraussagewerte ergibt. Trotzdem wäre die Erfindung auch ohne die vorausgesagten gespeicherten Daten gut durchführbar, wenn gemessene Ec-Werte direkt in dem Vergleichsregler 32 verwendet werden. Verbesserte Meßverfahren für Ec-Werte, sofern es tatsächlich laufende Werte sind, würden die Notwendigkeit solcher "Voraussagen" reduzieren.
• Nach den Vergleichen zwischen den vorausgesagten Ec-Wert und dem Ec-Sollwert im Vergleichsregler 32 und nach dem Vergleich zwischen der tatsächlichen errechneten Herstellungsgeschwindigkeit und dem Sollwert der Herstellungsgeschwindigkeit im Vergleichsregler 24 werden die Differenzen zwischen diesen jeweiligen "Sollwerten" und den errechneten Werten festgestellt, und es werden Anpassungen der Ethylen-("C2") und/oder Propylen-("C3")-Partialdrücke in der Rechnereinheit 50 errechnet, um den Ec-Wert und/oder die Herstellungsgeschwindigkeit anzupassen. Diese Anpassungen bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden wiederum zu Anpassungen bei den Ethylen- und Propylenkonzentrations-Sollwerten "C2% SP" bzw. "C3% SP" umgewandelt.
• Danach werden die jeweiligen Sollwerte an die Ethylen- und propylenkonzentrations-Regler 44 und 46 gegeben, um die relativen Mengen an Ethylen und Propylen zu beeinflussen, die in den Reaktor RX-2 geleitet werden, wodurch die Ec- und Fc-Werte geregelt werden.
• Wie in Fig. 2 angegeben, ist der Ausgabewert des Ec-Vergleichsreglers 32 ein Verhältnis des C3-Partialdrucks zu dem C2-Partialdruck, während der Ausgabewert des Vergleichsreglers für die Herstellungsgeschwindigkeit 24 ein Partialdruckwert ist, der skaliert ist, um die Funktion der "Entkopplungs"-Erfahrungswerte zu berücksichtigen, was nachstehend ausführlich beschrieben wird. Diese Werte werden in die Rechnereinheit 50 gegeben.
• Damit die erforderlichen Partialdrücke in der Recheneinheit 50 genauer errechnet werden, wird in dem Rechenmodell das Verhältnis der relativen Reaktivitäten von C3 zu C2 und der Druck des Reaktorsystems mit einbezogen. Das Verhältnis der relativen Reaktivitäten von C3 und C2 kann empirisch bestimmt werden, wohingegen der Druck direkt gemessen wird. So ist z. B. in einer Ausführungsform das Verhältnis der relativen Reaktivitäten in der Größenordnung von 0,277 (Reaktivität von C3 dividiert durch Reaktivität von C2) und der Reaktordruck kann im Bereich von 0,28 bis 3,45 MPa absolut (40-500 p.s.i.a.) sein. Im allgemeinen führt die Art des verwendeten Polymerisationskatalysators zu unterschiedlichen Reaktionsparametern, wie Selektivitätswerte und Bereichen von Verfahrensbedingungen.
• Weil eine Veränderung von C2- und/oder C3-Partialdrücken sowohl die Herstellungsgeschwindigkeit als auch den Ec-Wert verändern kann, schafft die Erfindung ein Verfahren zur Berechnung der erforderlichen Sollwerte des Partialdrucks aus den entsprechenden Ausgabewerten der Regler, die von dem Herstellungsgeschwindigkeits-Vergleichsregler 24 und dem Ec-Vergleichsregler 32 erhalten werden. Das Verhältnis der relativen Reaktivitäten von C3 und C2 werden in die Rechnung eingeführt, um die Wechselwirkung zwischen den C3- und C2-Partialdrücken zu kompensieren.
• Fig. 3 zeigt ein Steuerungsschema zum Entkoppeln der Wirkungen der C3- und C2-Partialdrücke auf die Herstellungsgeschwindigkeit und den Ec-Wert. Der Algorithmus von Fig. 3 kann als Computer-Software in die Recheneinheit 50 eingegeben werden.
Ableitung der Entkopplungsgleichung
• Die Ableitung der Formel, die in dem Algorithmus von Fig. 3 verwendet wird, kann wie folgt erklärt werden. Die folgende kinetische Gleichung (bei der "*" als Symbol für Multiplizieren verwendet wird) kann verwendet werden, um die Polymerisationsreaktion eines einzelnen Monomers a darzustellen:
• W = Kp * Pa * ([TM] * Vr)/(1,0 + Kd * THETA)
• worin bedeuten:
• W = die Reaktionsgeschwindigkeit von Komponente a, LB/HR (= 0,453 kg/h)
• Kp = die Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante der Komponente a, LB/HR/PSI/MOL von TM (1 lb = 0,453 kg; 1 psi = 6,89 kPa)
• Pa = Partialdruck von a, PSI
• [TM] = Konzentration des aktiven Übergangsmetalls im Katalysator, MOL/Ft³ (1 ft³ = 0,028 m³)
• Vc = Reaktorvolumen, Ft³
• Kd = Polymerisationsgeschwindigkeitabklingkonstante, 1/HR
• THETA = Verweilzeit im Reaktor, HR
• Da die Gesamtpolymerisationsgeschwindigkeit im Reaktor RX-2 diejenige der C2- und C3-Reaktionen umfaßt, kann die obige Gleichung zur Berechnung der Herstellungsgeschwindigkeit auf jene zwei Komponenten angewendet werden:
• PR2 = KC3 * PC32 * ([TM] * Vr)/(1,0 + Kd * THETA) + KC2 * PC22 * ([TM]Vr)/(1,0 + Kd * THETA)
• worin bedeuten:
• PR2 = die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit in RX-2, LB/HR
• KC3 = C&sub3;H&sub6;-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante, LB/HR/PSI/MOL von TM
• KC2 = C&sub2;H&sub4;-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante, LB/HR/PSI/MOL von TM
• PC32 = C&sub3;H&sub6;-Partialdruck, PSI
• PC22 = C&sub2;H&sub4;-Partialdruck, PSI
• [TM] = Konzentration des aktiven Übergangsmetalls im Katalysator, MOL/Ft³
• Vr = Reaktorvolumen Ft³
• Kd = Polymerisationsgeschwindigkeitabklingkonstante, 1/HR
• THETA = Verweilzeit im RX-2, HR
• Die Zusammenstellung der Glieder und Entwicklung der Gleichung nach den Gliedern, die die Partialdrücke enthalten, ergibt:
• KC3 * PC32 + KC2 * PC22 = PR2 * (1,0 + Kd * THETA)/([TM] * Vr)
• Durch Division durch KC2 und Einsetzen von
• RR für KC3/KC2 und
• PPR für PC32/PC22
• wird folgende Gleichung erhalten:
• PC22 * (1,0 + RR * PPR) = PR2 * (1,0 + Kd * THETA)/([TM] * Vr * KC²)
• Unter Gleichgewichtsbedingungen kann man annehmen, daß das Glied (1,0 + Kd * THETA)/([TM] * Vr * KC²) im wesentlichen eine Konstante ist, so daß man die Gleichung wie folgt reduzieren kann:
• PR2 = X * [PC22 * (1,0 + RR * PPR)]
• worin X = ([TM] * Vr * KC²)/(1,0 + Kd * THETA) ist.
• Die Gleichung definiert in dieser Form eine direkte Beziehung zwischen Herstellungsgeschwindigkeit und dem skalierten Partialdruckwert [X * PC22 * (1,0 + RR * PPR)]. Sie kann daher als Grundlage für eine Entkopplungsrechnung gelten.
• Der Ausgabewert des Ec-Reglers kann logischerweise als das Verhältnis der Partialdrücke (d. h. PPR wie oben definiert) interpretiert werden, und der Ausgabewert des Herstellungsgeschwindigkeitsreglers wird logisch als der skalierte Partialdruckwert [X * PC22 * (1,0 + RR * PPR)] interpretiert. Mit den so definierten Ausgabewerten der Regler kann eine Entkopplungsrechnung durchgeführt werden, wobei ein Wert für die "relative Reaktivität" verwendet wird, um Sollwerte für die C2- und C3-Partialdrücke zu erhalten. Die "relative Reaktivität" wird normalerweise aus Daten errechnet, die man aus dem Reaktor oder von separaten Versuchen erhält.
• Der Ausgabewert des Ec-Reglers wird danach mit dem "Verhältnis der relativen Reaktivität (RR)" multipliziert, es wird 1,0 addiert und mit X multipliziert, um folgendes Glied zu erhalten:
• (1,0 + RR * PPR) * X
• Wenn der Ausgabewert des Herstellungsgeschwindigkeitsreglers durch dieses Glied dividiert wird, wird der erforderliche C2-Partialdruck (PC2') erhalten. Da die Menge X während der erfindungsgemäßen Rechenoperation durch sich selbst dividiert wird, ist sie mathematisch nicht signifikant und ihr Wert braucht nicht extra bestimmt zu werden.
• Der Ausgabewert des Ec-Reglers wird mit dem erforderlichen C2-Partialdruck (PC2') multipliziert, wobei man den erforderlichen C3-Partialdruck (PC3') erhält:
• PC3' = PC2' * PPR
• Schließlich werden die beiden Partialdrücke durch den laufenden Reaktorgesamtdruck PT dividiert, um die Sollwerte der Konzentration zu erhalten.
• % C3 = 100 * PC3'/PT
• % C2 = 100 * PC2'/PT
Entkopplungsverfahren
• Der Betrieb der Recheneinheit 50 (Fig. 2) wird nun unter Hinweis auf Fig. 3 diskutiert. Jede der in Fig. 3 dargestellten Stufen kann durch einen Computer, der als Recheneinheit 50 dient, durchgeführt werden.
• Wenn ein Unterschied zwischen dem gewünschten Ec-Wert und dem berechneten Ec-Wert (siehe Ec-Vergleichsregler 32 in Fig. 2) vorliegt, ist dieses ein Anzeichen dafür, daß das Verhältnis von Propylen (C3) zu Ethylen (C2) nicht richtig ist. Daher wird, wie vorgesehen, eine Anpassung des Verhältnisses des Propylenpartialdrucks ("PC3") zum Ethylenpartialdruck ("PC2"), d. h. des Ausgabewertes des Ec-Vergleichsreglers 32 errechnet. Um eine Änderung der Herstellungsgeschwindigkeit zu vermeiden, wenn der Ec-Wert geändert wird, wird der Ausgabewert des Ec-Vergleichsreglers 32 in die Recheneinheit 50 in Form des Verhältnisses (PPR) des Partialdrucks von C3 (PC3) zu dem Partialdruck von C2 (PC2) überführt. Die Recheneinheit 50 errechnet dann die korrekten C3- und C2-Partialdrücke, wobei man den gewünschten Ec-Wert ohne Änderung der Herstellungsgeschwindigkeit erhält.
• Wenn eine Differenz zwischen der gewünschten Herstellungsgeschwindigkeit und der errechneten Herstellungsgeschwindigkeit auftritt (siehe Herstellungsgeschwindigkeitsvergleichsregler 24 in Fig. 2), ist dieses ein Anzeichen, daß die Kombination der C3- und C2-Partialdrücke nicht richtig ist. Daher ist vorgesehen, eine Anpassung des Propylenpartialdrucks ("PC3") und des Ethylenpartialdrucks ("PC2") auszurechnen.
• Damit eine Änderung des Ec-Wertes vermieden wird, wenn sich die Herstellungsgeschwindigkeit ändert, wird der Ausgabewert des Herstellungsgeschwindigkeitsvergleichsreglers 24 der Recheneinheit 50 in Form eines skalierten Partialdruckwerts (SPC2) zugeführt. Die Recheneinheit 50 errechnet dann die richtigen C3- und C2-Partialdrücke, um die gewünschte Herstellungsgeschwindigkeit ohne Änderung des Ec-Werts zu erreichen.
• Wenn sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch der Ec-Wert von ihren gewünschten Werten abweichen, werden beide Anpassungen gleichzeitig durchgeführt.
• In Fig. 3 entspricht Stufe I der Eingabe des Verhältnisses von PC3 zu PC2 (d. h. des Verhältnisses der Partialdrücke PC3/PC2 = PPR) aus dem Ec-Vergleichsregler 32 in Fig. 2 in die Recheneinheit 50. Das Partialdruckverhältnis PPR wird danach in Stufe II mit dem vorbestimmten Verhältnis der relativen Reaktivität (RR) multipliziert. Dann wird die Zahl 1 zu dem Produkt von RR und PPR in Stufe V hinzu addiert, um den oben erklärten Beziehungen bei der Ableitung der Entkopplungsgleichung zu entsprechen.
• Der Ausgabewert des Herstellungsgeschwindigkeitsvergleichsreglers 24 liegt in Form des skalierten Partialdruckwertes SPC2 = PC2 · (1,0 + RR · PPR) vor und ergibt die spezielle Gesamtreaktion für ein spezielles Partialdruckverhältnis [Stufe VI]. Dieser skalierte Wert ist während des Kopplungsverfahrens unskaliert. Der skalierte Partialdruckwert des SPC2 wird somit in Stufe VII durch den Wert (1,0 + RR · PPR) dividiert und man erhält den erforderlichen C2-Partialdruckwert PC2'. In Stufe VIII wird der erforderliche C2-Partialdruckwert PC2' mit dem PPR-Wert multipliziert, um den erforderlichen C3-Partialdruck (PC3') zu errechnen. Die prozentualen Konzentrationen von C2 und C3 (% C2, % C3) werden danach aus den erforderlichen C2- und C3-Partialdruckwerten PC2' bzw. PC3' errechnet, indem diese Werte durch den Reaktordruck PT in den Stufen IX bzw. X dividiert werden. Diese neuen Konzentrationswerte PC2'/PT und PC3'/PT werden in die entsprechenden C2- und C3-Konzentrationsregler 46, 44 (Fig. 2) eingegeben, welche den C2- und C3-Fluß zu dem Reaktor verändert, um Ec und Fc auf die gewünschten Werte zu korrigieren.
• Die oben genannten Rechenoperationen sollten periodisch wiederholt werden.
Computersteuerung
• Die Computersteuerung kann vorgesehen werden, um die Partialdrücke sowohl von C3 als auch von C2 zur Steuerung der Herstellungsgeschwindigkeit im Reaktor RX-2 zu manipulieren und auch das Verhältnis der beiden Partialdrücke zur Reglung des Ec-Wertes zu manipulieren (vergl. Fig. 3). Ein Computersystem oder Computer können auch zur Überwachung der Wärme, die sich im Wirbelbett des Reaktors RX-2 entwickelt, der festen Beschickung, die von dem Reaktor RX-1 kommt, und der Abstimmung zwischen Propylen-und Ethylen-Material in der Gasphase des Reaktionszyklus vorgesehen sein. Aus den gesammelten Daten und von speziellen Verfahrens-, Betriebs- und/oder Geometrieparameter kann die laufende Herstellung oder Reaktionsgeschwindigkeit in dem Wirbelbett errechnet werden.
• In Fig. 2 werden die Systemelemente, die leicht an die Software angepaßt werden können, als unterbrochene horizontale Linie in der Mitte dargestellt und mit COMPUTER bezeichnet.
• Die verschiedenen Funktionen des Computerbereichs können durch einen einzigen Computer oder durch vernetzte verteilte Computer durchgeführt werden. Jene, die mit den Reaktorkomponenten verbunden sind, befinden sich unterhalb der gestrichelten Linie und sind mit FELD bezeichnet.
• Wie bereits angegeben, wurde die Erfindung als ein System zur Herstellung von Propylen-Ethylen-Mischpolymer beschrieben. Es soll jedoch bemerkt werden, daß die Erfindung auch leicht für andere Mischpolymerisationen von Propylen und α-Olefin, wie Propylen-Buten- und Propylen-Hexen-Systeme verwendet werden kann.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung der Herstellung eines Copolymers aus Propylen und einem zweiten α-Olefin während des Betriebslaufs eines kontinuierlichen katalytischen Verfahrens, das durch Regelungsvorrichtungen gesteuert wird, wobei das genannte Verfahren (i) ein solches für die Herstellung eines Produkts ist, das ein zweites Copolymer, basierend auf Propylen und einem anderen α-Olefin, in inniger Mischung mit dem ersten Polymer, z. B. einem Homopolymer aus Propylen und einem statistischen Copolymer aus Propylen, umfaßt, und (ii) durchgeführt wird in zwei oder mehreren in Reihe angeordneten Polymerisationsreaktoren, wobei die genannte Steuerung die Fraktion (iii) des zweiten Copolymers betrifft, hergestellt in der Gasphase in einer zweiten Reihe eines oder mehrerer Reaktoren (hier als RX-2 bezeichnet), bezogen auf das hergestellte Gesamtprodukt (diese Fraktion wird im folgenden als Fc bezeichnet), und (iv) die Fraktion des genannten anderen α-Olefins, das in das zweite, in RX-2 hergestellte Copolymer eingebracht wird (hier als Ec bezeichnet), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Die Herstellung des genannten ersten Polymers in einer ersten Reihe eines oder mehrerer Reaktoren (hier als RX-1 bezeichnet) in Anwesenheit eines Katalysators und unter Polymerisationsbedingungen, in Mischung mit aktivem Katalysator bei einer speziellen Herstellungsgeschwindigkeit, und Weiterleitung der Mischung zu RX-2; und

(b) das Einführen von Propylen und dem genannten anderen α-Olefin unter Polymerisationsbedingungen in RX-2, und Veränderung der Partialdrücke von Propylen und dem genannten anderen α-Olefin in RX-2 in Übereinstimmung mit dem folgenden Algorithmus:

(1) Vorgeben der Sollwerts von Fc und Ec auf die gewünschten Werte;

(2) Messung der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-1;

(3) Errechnen des gewünschten Sollwertes für die Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2;

(4) Errechnen der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2 aus verschiedenen Betriebsbedingungen von RX-2;

(5) Errechnen der Abweichung zwischen dem gewünschten Sollwert der Herstellungsgeschwindigkeit und der laufenden Herstellungsgeschwindigkeit in RX-2;

(6) Verwendung der Abweichung aus Schritt (5) in einem Verfahrensregler-Algorithmus, um einen neuen Ausgabewert für die Reglervorrichtung zu berechnen, der zum skalierten Partialdruckwert für das genannte andere α-Olefin in RX-2 wird;

(7) Messung des laufenden Ec-Werts in RX-2;

(8) Errechnen der Abweichung zwischen dem gewünschten Ec-Sollwert und dem laufendem Ec-Wert;

(9) Verwendung der Abweichung aus Schritt (8) in einem Verfahrensregler-Algorithmus zur Berechnung eines neuen Ausgabewertes für die Reglervorrichtung, der einen Verhältniswert von Partialdrücken von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin darstellt;

(10) Multiplizieren des Verhältniswertes aus Schritt (9) mit der experimentell errechneten relativen Reaktivität von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin;

(11) Addieren von 1 zu dem Produkt aus Schritt (10);

(12) Errechnen des neuen Partialdrucks des genannten anderen α-Olefins in RX-2 durch Dividieren des in Schritt (6) genannten skalierten Partialdrucks durch die Summe aus Schritt (11);

(13) Errechnen des neuen Propylen-Partialdrucks in RX-2 durch Multiplizieren des Quotienten aus Schritt (12) mit dem Verhältniswert der Partialdrücke von Propylen zu dem genannten anderen α-Olefin und

(14) Verwendung der neuen Partialdrücke, errechnet nach Schritt (12) und (13) als Sollwert für die Regelvorrichtungen für die Partialdrücke von Propylen und des genannten anderen α-Olefins in RX-2.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin Stufe 7 die folgenden Stufen umfaßt:

(i) Analysieren einer Produktprobe aus dem genannten Reaktorsystem, um die tatsächlich vorliegende Fraktion dieses Produktes, welche das genannte zweite α-Olefin umfaßt, zu bestimmen;

(ii) Vergleichen dieser tatsächlich vorliegenden, in Stufe (i) bestimmte Fraktion mit einem vorhergesagten Durchschnittswert der zweiten α-Olefinfraktion im Bett, der in dem Speicher vorherbestimmter Daten von früheren α-Olefinfraktionswerten, vorhergesagt aufgrund eines empirischen Verhältnisses bezüglich dieses Fraktionswertes zu den Verfahrensbedingungen, enthalten ist;

(iii) Erhalt eines berichtigten Durchschnittswertes der zweiten α-Olefinfraktion im Bett zur Zeit der Entnahme der Probe durch Ausfiltern eines evtl. gefundenen Fehlers zwischen dem vorausgesagten und dem tatsächlichen Fraktionswert, die in Stufe (ii) verglichen wurden;

(iv) Erneute Eichung dieses empirischen Verhältnisses aufgrund des ausgefilterten Fehlers zwischen den vorhergesagten und tatsächlichen Werten; und

(v) Berichtigung des Speichers der vorhergesagten Werte unter Verwendung dieses korrigierten Wertes der zweiten α-Olefinfraktion aus Stufe (iii) und des erneut geeichten empirischen Verhältnisses aus Stufe (iv).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, worin das zweite α-Olefin ausgewählt wurde aus Ethylen, Buten und Hexen.