专利名称：生产聚合物的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备聚合物的方法。本发明特别涉及一种采用在线分析仪制备聚合物的方法。
背景技术：
化学产品生产过程中，以及特别是当那些产品是聚合物时，生产试样的实验室分析是生产工艺的必要部分。这些分析的目的包括工艺控制以及确保产品质量，特别是在产品等级之间进行转换过程中。
这种化学分析可以是离线的或在线的。离线分析是通过提取工艺物流试样，然后对其进行实验室分析而完成的。在线分析通常是通过将一部分工艺物流直接引入化学工艺分析仪，例如在线气相色谱仪，或者通过使用可以直接插入工艺物流的探头或其它器件而完成的。例如，可以将pH或腐蚀探头直接插入工艺物流。在线化学工艺分析仪可以在减少试样分析时间中提供显著优点，进而可以通过减少形成不合格产品的浪费或者防止需要化学品制造商直接和间接费用的超时维护，结果改善产品质量和降低成本。
使用在线分析仪是已知的。例如，Lowenhaupt的US 4,370,201公开一种在混合煤中保持煤比例的在线FTIR方法。Faix等人的US 4,743,339公开一种用于控制木浆蒸解的离线FTIR方法。Lange等人的US 5,151,474公开FTIR在聚烯烃生产中的应用。
发明内容
一方面，本发明是一种制备聚合物的方法。该方法包括具有至少一个工艺物流，并且该工艺物流具有至少一个所关心的持征。该方法进一步包括使工艺物流通过连接到近IR分光光度计的传感器探头以及使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计，其中光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接。测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定所关心的持征的值。所关心的持征的值是一种演算分量，而该演算用于实时监视、控制或监视和控制制备聚合物的过程。
另一方面，本发明是一种制备聚苯乙烯的方法。该方法包括具有至少一个工艺物流，并且该工艺物流具有至少一个所关心的持征。该方法还包括使工艺物流通过连接到近IR分光光度计的传感器探头以及使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计。该光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接。测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定所关心的持征的值，以及用该所关心的持征的值作为一种演算的分量，用于实时监视、控制、或监视和控制制备聚苯乙烯的方法。
又一方面，本发明是一种制备聚乙烯的方法。该方法包括具有至少一个工艺物流，并且该工艺物流具有至少一个所关心的持征。该方法还包括使工艺物流通过连接到近IR分光光度计的传感器探头以及使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计。该光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接。测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定所关心的持征的值，以及用该所关心的持征的值作为一种演算的分量，用于实时监视、控制、或监视和控制制备聚乙烯的方法。
为了详细理解和更好评价本发明，应结合附图参考以下发明详述和优选的实施方案，其中图1是表示具有不同颗粒橡胶粒径的两种冲击改性聚苯乙烯的近IR光谱的图示；图2是表示如使用近IR分析和本发明方法预测的聚乙烯粒径和如使用常规实验室分析观察的聚乙烯粒径之间相互关系的图示；图3是表示如使用近IR分析和本发明方法预测的聚乙烯密度和如使用常规实验室分析观察的聚乙烯密度之间相互关系的图示；和图4是表示如使用近IR分析和本发明方法预测的聚乙烯固态重量百分比和如使用常规实验室分析观察的聚乙烯固态重量百分比之间相互关系的图示。
具体实施例方式
在一个实施方案中，本发明是一种制备聚合物的方法。该聚合物可以是具有可以使用在线近红外(近IR)分析仪分析所关心的特征的工艺物流的任何聚合物。对于本发明目的来说，近IR分析仪是可以覆盖近IR范围操作的分光光度计、光源和探头。近IR有时也称为短波长IR并且具有0.75到2.5微米(u)(750到2500纳米)的峰值波长。同样对于本发明目的而言，术语工艺物流是指用在线近红外(近IR)分析仪能使物料在经过的过程中所进行的任何一种运动。例如，经过管道的液流是工艺物流，经过热交换器或反应器的液流同样也是工艺物流。
可以使用本发明方法制备的聚合物是任何一种这样的聚合物，即其工艺物流的所关心的持征可用近IR分析并且所得结果作为演算分量用来监视、控制或监视和控制该聚合物的生产。本发明方法可用于生产满足这种限定的任何聚合物，同时在一个实施方案中，本发明方法可用于制备聚苯乙烯。在另一个实施方案中，本发明方法可用于制备聚乙烯。
在本发明方法中，近IR分光光度计通过使工艺物流经过连接到近IR分光光度计的传感器探头用于监视、控制或监视和控制聚合物的生产。可用于本发明方法的传感器探头包括用于监视工艺物流中所关心的特征的任何传感器探头。例如，该探头可以选自透射探头、反射探头、衰减反射探头等。在一个实施方案中，本发明方法使用的探头为反射探头。在另一个实施方案中，探头为双回波反射探头。
在本发明方法中，使用纤维光缆将近IR分光光度计连接到探头。该探头在光学上连接到光源和近IR分光光度计。在一个实施方案中，近IR分光光度计是现场的，而在另一个实施方案中，近IR分光光度计是遥控的近IR分光光度计。纤维光缆实际上可以是一对纤维光缆，其中第一条光缆用于向目标探头提供光，第二条光缆用于使光经过探头到达分光光度计。在本发明的一个实施方案中，光缆是允许光线在单一光缆上的双向透射的一束多模纤维。
本发明方法是使用能够产生近IR光谱的光来实施的。能够产生这种光的任何光源都可以用于本发明。本发明使用声光可调滤波器使该光源可以长时间可靠地反复调节到精确波长。也可以使用常规调节的光源，只要它们与分光光度计结合工作能够在近IR区域内进行快速精确的测量就行。光源可以单独放置，或者其可以是分光光度计和光源整体组合的一部分。可用于本发明的近IR分光光度计可以是自动的并与计算机做成一体，执行一些或全部解释光谱及对其进行计算的程序。
本发明的方法也可以在具有至少一个所关心的特征的相同或不同工艺物流中使用多于一个探头。使用遥控分光光度计的一个优点是可以有多个探头用在聚合物生产设备的不同部分，而只有一个分光光度计维持使用。遥控分光光度计的另一个优点是其使这种维护可以以遥控形式进行并能减少对环境的危害。在本发明的一个实施方案中，在连接到分光光度计的同一工艺物流中存在两个探头。在另一个实施方案中，本发明方法中用两个探头，而这两个探头处于不同工艺物流中。使用纤维光缆可以使几个探头分开并且使分光光度计的光程可长达150米。
对于本发明目的来说，工艺物流是聚合物生产过程中通过管道的液体或流动固体物流中的任一部分。例如，工艺物流可以是在管道、反应器中，或者是来自蒸馏塔的塔顶物流。在本发明的实际操作中，探头与工艺物流接触。作为构成工艺物流运动通过的物料，该物料的一些组分与探头互相作用，在探头中吸收光或折射光，使得进入探头的光在近IR光谱的至少一些部分中的强度与经由纤维光缆离开探头的光强度不同。在本发明方法中，这种差别随后用于测定所关心的特征的值。该测量可以直接或间接涉及所关心的持征。例如，一个所关心的持征是可以存在一种本身不是用近IR可测量的化合物，但是其与另一种可以这样测量的材料存在着已知的关系。这一点将是间接测量的一种实例并在本发明方法的范围之内。
在本发明方法的实际操作中，对经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果进行测量并用于确定至少一个所关心的持征的值。这种确定可以手工完成，但在本发明的一个实施方案中是使用与分光光度计连接的计算机完成的。可以用于本发明的仪器包括由Analytical Spectral Devices，Inc.；Varian，Inc.；Foss-NIR Systems等制造的那些。可以使测量具有足够精确度和可靠性并对监视、控制、或监视和控制聚合物生产过程有用的任何近IR分光光度计均可以用于本发明方法的实际操作中。
在一个实施方案中，本发明为一种生产聚合物的方法，所述聚合物例如在工业高密度聚乙烯料浆回路反应器中生产的高密度聚乙烯。本发明的方法包括使用所关心的持征的值控制或监视生产单元。这种值可以被包括在人工计算方法的演算中，或者在另一个实施方案，被包括在人工电子数据表格中，或者在又一个实施方案，其也可以被引入控制器的逻辑电路中。在一个实施方案中，控制器为一种神经网络或其它人工智能(AI)控制器。
聚合物化学工艺中的许多操作通常使用比例积分微分(PID)控制器进行控制。包括所关心的特征值的演算可以被引入或编入这种控制器的程序中。在本发明的一个实施方案中，许多PID控制器与第二控制器结合使用，所述第二控制器可以从PID控制器接收数据，然后基于包括本发明值的演算对PID控制器进行重新编程。能够接受多路输入并发送多路输出的AI控制器也可以用于本发明的方法。例如，一种这样的控制器为使用由PavilionTechnologies研发的Process Perfecter软件的控制器。
自动化控制器用于本发明方法可以理想地实时控制聚合物生产过程，但是不应低估本发明用手动控制。当引入电子表格时，本发明的方法是非常有用的，特别是当改变聚合物等级或生产率时。在这两种情况下，本发明的方法均可以用于例如优化和控制回路反应器，使其生产出具有所需性能的聚乙烯。
生产聚乙烯方法中所关心的持征的实例可以包括聚乙烯固体含量、密度和粒径。凡是可以用近IR在工艺物流中测量的并且可以用作控制或监视演算分量的任何参数，均可以是本发明方法中所关心的持征。
在另一个实施方案中，本发明方法可用于制备聚苯乙烯。在本发明的又一个实施方案中，该方法用于制备冲击改性聚苯乙烯。在冲击改性聚苯乙烯中，所关心的持征包括但不限于苯乙烯含量、橡胶粒径、聚苯乙烯含量、橡胶含量等。
在本发明方法的实际操作中，近IR分析仪可以在适于测定所关心的特征的值的任何波长或波长范围使用。例如，制备冲击改性聚苯乙烯的方法可以使用约1100nm到约1800nm的波长范围。
在本发明方法中，至少一个所关心的特征的值是一种演算分量，用于实时监视、控制或监视和控制制备聚合物的过程。对于本发明目的来说，术语“实时”表示立即和基本上没有延迟。例如，在常规方法中，总是将生产单元中的测试试样收集起来然后送入实验室。然后对该试样进行测试，以及然后向生产单元报告结果。由于试样收集、传送和常规测试而延迟的时间可以是几分钟，但经常是几小时。因为许多聚合物生产单元以极快的速率生产聚合物，一小时生产的不合格材料可能有几吨乃至几十吨是无法使用的或至少是价值较差的不合格材料。
实施例提供以下实施例以说明本发明。该实施例不希望限制本发明的范围并且它们也不应被如此解释。除非另有说明，各量按重量份或重量百分比计。
实施例1使用本发明的方法监视冲击改性聚苯乙烯的生产方法。该方法中，工艺物流包括苯乙烯、聚苯乙烯、稀释剂、橡胶和矿物油。安装漫反射探头，使工艺物流接触到该探头。探头使用纤维光缆连接到得自FOSS-NIR的近红外处理(process near-infrared)系统。该仪器配备有InGaS检测器。以一分钟间隔收集工艺物流的光谱并在每四个试样扫描之后进行一个参考扫描。在线实验过程中执行五种生产620、960E、975E、825E和7240。根据常规实验室分析和同时取得的对应光谱，对苯乙烯、聚苯乙烯、稀释剂、矿物油、橡胶和橡胶粒径百分比建立回归。
当选择苯乙烯、聚苯乙烯或稀释剂作为回归分量时，回归法通常是部分的最小平方，以及在所有情况中将因素数限制到最大值为七个—分量加上温度影响的总数。在所有情况中，产品特定回归能够说明光谱中随这种数目的因素或较少因素而变化。对于全部回归，因素数增加到十二个—分量数加上产品总数。
在回归之前对光谱应用数学预处理。应用标准普通变量，然后取二次导数。标准普通变量表明数据的分散，二次导数确定光谱峰的位置和尺寸。选择所有这些分量的光谱范围在1100nm到1800nm之间，由此覆盖了表明所有C-H振动的第二谐波区域和部分的第一谐波区域。在该区域之外，光谱是有干扰的。每个试样以单值表示并加权成回归，与产生交叉验证过程中的试样的无规移动相反。用于关联苯乙烯百分比和稀释剂百分比回归的实验数据是直接从常规GC分析得到的。稀释剂被一起处理。
得出由本发明方法预测的所关心的特征的值和使用常规实验室实际操作测定的值之间的关系和结果示于以下表中。
图1表示不同橡胶粒径的相同进料配方下面的光谱对应于1.7微米材料，上面的光谱对应于8.5微米材料。与这两个值之间的橡胶粒径相应的光谱自然落入这两个光谱之间。为俘获(capture)这些基线的位移，不必应用任何数学预处理。在标准普通变量的情况下，应用任何处理均会使基线位移衰减，或者在二次导数的情况下，任何这种应用将完全抵消基线位移。试样以先前描述的方式进行加权。虽然从光谱看来所关心的范围应当至少俘获短波长反射率的较大差别，但是上限可能截止在1600nm。
假设例2重复实施例1的方法，并且将苯乙烯含量的值输入神经网络人工智能处理控制器。苯乙烯的值随时间变化到低于正在生产的产品的规定值。神经网络控制器调节几个工艺参数，包括苯乙烯进料速率和反应温度，使产品恢复到规范。
假设例3重复实施例1的方法，并且将聚苯乙烯含量的值输入神经网络人工智能处理控制器。聚苯乙烯的值随时间变化到高于正在生产的产品的规定值。神经网络控制器调节几个工艺参数，包括反应温度和聚合引发剂浓度，使产品恢复到规范。
实施例4使用本发明的方法监视聚乙烯生产方法。使用与实施例1中使用的相同设备监视包括聚乙烯蓬松物的工艺物流。选择用于回归的分量为粒径、密度和固态百分比。
如实施例1测量这些所关心的特征的值，并将其与根据用常规实验室实际测定的值联系起来。用得到的数据绘图并将那些绘制的图作为图2-4附上。
假设例5如实施例4监视聚乙烯生产方法。将这些值从近IR分光光度计输入到正在PC上运行的实验室信息管理程序包。PC显示表明粒径向下偏移的图形。单元中的操作员使用工艺控制程序记录该偏移，调节反应器温度使过程恢复到规范。
评价有关的实施例实施例1表明本发明的方法可用于精确预测与工艺物流的所关心的特征有关的值，其可用于控制冲击改性聚苯乙烯工艺方法。实施例4聚乙烯工艺方法的结果相同。假设例表明部分乃至全部自动化工艺控制系统可以使用近IR测量聚合物工艺的控制范围。
表
权利要求
1.一种制备聚合物的方法，包括使用具有至少一个工艺物流的工艺来制备聚合物，该至少一个工艺物流具有至少一个所关心的持征，并且该工艺进一步包括使至少一个工艺物流经过连接到近IR分光光度计的传感器探头和使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计，其中光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接；其中测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定至少一个所关心的特征的值；以及其中至少一个所关心的特征的值是一种用于实时监视、控制、或监视和控制聚合物制备方法的演算分量。
2.权利要求1的方法，其中聚合物为聚苯乙烯或聚乙烯。
3.权利要求1的方法，其中近IR分光光度计扫描约750到约2500微纳米的波长范围。
4.权利要求4的方法，其中近IR分光光度计扫描约1100到约1800纳米的波长范围。
5.权利要求1的方法，其中近IR分光光度计和光源是分离的。
6.权利要求1的方法，其中近IR分光光度计和光源是整合单元。
7.权利要求1的方法，其中探头选自透射探头、反射探头和衰减反射探头。
8.权利要求1的方法，其中探头紧靠着近IR分光光度计。
9.权利要求1的方法，其中探头远离近IR分光光度计。
10.权利要求1的方法，另外包括使近IR分光光度计连接到工艺控制器。
11.权利要求10的方法，其中工艺控制器为PID控制器。
12.权利要求10的方法，其中工艺控制器为基于人工智能的控制器。
13.权利要求12的方法，其中基于人工智能的控制器为神经网络人工智能控制器。
14.权利要求1的方法，其中有两个探头连接到近IR分光光度计。
15.权利要求14的方法，其中该两个探头在同一工艺物流中。
16.权利要求14的方法，其中这些探头在分开的工艺物流中。
17.权利要求14的方法，其中近IR分光光度计是自动的。
18.权利要求1的方法，其中近IR分光光度计结合入计算机来完成一些或全部光谱解释和对其进行计算的程序。
19.一种制备聚苯乙烯的方法，包括使用具有至少一个工艺物流的工艺来制备聚苯乙烯，该至少一个工艺物流具有至少一个所关心的持征，并且该工艺进一步包括使至少一个工艺物流经过连接到近IR分光光度计的传感器探头以及使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计，其中光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接；其中测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定至少一个所关心的特征的值；以及其中至少一个所关心的特征的值是一种用于实时监视、控制、或监视和控制聚苯乙烯制备方法的演算分量。
20.权利要求19的方法，其中所关心的持征选自苯乙烯含量、橡胶粒径、聚苯乙烯含量、矿物油、稀释剂和橡胶含量。
21.一种制备聚乙烯的方法，包括使用具有至少一个工艺物流的工艺来制备聚乙烯，该至少一个工艺物流具有至少一个所关心的持征，并且该工艺进一步包括使至少一个工艺物流经过连接到近IR分光光度计的传感器探头以及使来自光源的光线经过该探头并进入分光光度计，其中光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接；其中测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定至少一个所关心的特征的值；以及其中至少一个所关心的特征的值是一种用于实时监视、控制、或监视和控制聚乙烯制备方法的演算分量。
22.权利要求21的方法，其中所关心的持征选自聚乙烯固体含量、聚乙烯密度和聚乙烯粒径。
全文摘要
公开了一种制备聚合物的方法。该方法包括至少一个工艺物流，并且该工艺物流具有至少一个所关心的持征。该方法进一步包括使工艺物流通过连接到近IR分光光度计的传感器探头并使来自光源的光经过该探头并进入分光光度计，其中光源、分光光度计和传感器探头通过纤维光缆连接。测量经过传感器探头的工艺物流与光相互作用的结果并用于确定所关心的持征的值。所关心的持征的值是一种演算的分量并且用该演算来实时监视、控制、或监视和控制制备聚合物的方法。
文档编号G01N21/35GK1914254SQ200480041464
公开日2007年2月14日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月9日
发明者杰伊·L·赖默斯, 塞恩·古延 申请人:菲纳科技股份有限公司