專利名稱：生產聚合物的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備聚合物的方法。本發明特別涉及一種采用在線分析儀制備聚合物的方法。
背景技術：
化學產品生產過程中，以及特別是當那些產品是聚合物時，生產試樣的實驗室分析是生產工藝的必要部分。這些分析的目的包括工藝控制以及確保產品質量，特別是在產品等級之間進行轉換過程中。
這種化學分析可以是離線的或在線的。離線分析是通過提取工藝物流試樣，然后對其進行實驗室分析而完成的。在線分析通常是通過將一部分工藝物流直接引入化學工藝分析儀，例如在線氣相色譜儀，或者通過使用可以直接插入工藝物流的探頭或其它器件而完成的。例如，可以將pH或腐蝕探頭直接插入工藝物流。在線化學工藝分析儀可以在減少試樣分析時間中提供顯著優點，進而可以通過減少形成不合格產品的浪費或者防止需要化學品制造商直接和間接費用的超時維護，結果改善產品質量和降低成本。
使用在線分析儀是已知的。例如，Lowenhaupt的US 4,370,201公開一種在混合煤中保持煤比例的在線FTIR方法。Faix等人的US 4,743,339公開一種用于控制木漿蒸解的離線FTIR方法。Lange等人的US 5,151,474公開FTIR在聚烯烴生產中的應用。
發明內容
一方面，本發明是一種制備聚合物的方法。該方法包括具有至少一個工藝物流，并且該工藝物流具有至少一個所關心的持征。該方法進一步包括使工藝物流通過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭以及使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計，其中光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接。測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定所關心的持征的值。所關心的持征的值是一種演算分量，而該演算用于實時監視、控制或監視和控制制備聚合物的過程。
另一方面，本發明是一種制備聚苯乙烯的方法。該方法包括具有至少一個工藝物流，并且該工藝物流具有至少一個所關心的持征。該方法還包括使工藝物流通過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭以及使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計。該光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接。測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定所關心的持征的值，以及用該所關心的持征的值作為一種演算的分量，用于實時監視、控制、或監視和控制制備聚苯乙烯的方法。
又一方面，本發明是一種制備聚乙烯的方法。該方法包括具有至少一個工藝物流，并且該工藝物流具有至少一個所關心的持征。該方法還包括使工藝物流通過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭以及使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計。該光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接。測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定所關心的持征的值，以及用該所關心的持征的值作為一種演算的分量，用于實時監視、控制、或監視和控制制備聚乙烯的方法。
為了詳細理解和更好評價本發明，應結合附圖參考以下發明詳述和優選的實施方案，其中圖1是表示具有不同顆粒橡膠粒徑的兩種沖擊改性聚苯乙烯的近IR光譜的圖示；圖2是表示如使用近IR分析和本發明方法預測的聚乙烯粒徑和如使用常規實驗室分析觀察的聚乙烯粒徑之間相互關系的圖示；圖3是表示如使用近IR分析和本發明方法預測的聚乙烯密度和如使用常規實驗室分析觀察的聚乙烯密度之間相互關系的圖示；和圖4是表示如使用近IR分析和本發明方法預測的聚乙烯固態重量百分比和如使用常規實驗室分析觀察的聚乙烯固態重量百分比之間相互關系的圖示。
具體實施例方式
在一個實施方案中，本發明是一種制備聚合物的方法。該聚合物可以是具有可以使用在線近紅外(近IR)分析儀分析所關心的特征的工藝物流的任何聚合物。對于本發明目的來說，近IR分析儀是可以覆蓋近IR范圍操作的分光光度計、光源和探頭。近IR有時也稱為短波長IR并且具有0.75到2.5微米(u)(750到2500納米)的峰值波長。同樣對于本發明目的而言，術語工藝物流是指用在線近紅外(近IR)分析儀能使物料在經過的過程中所進行的任何一種運動。例如，經過管道的液流是工藝物流，經過熱交換器或反應器的液流同樣也是工藝物流。
可以使用本發明方法制備的聚合物是任何一種這樣的聚合物，即其工藝物流的所關心的持征可用近IR分析并且所得結果作為演算分量用來監視、控制或監視和控制該聚合物的生產。本發明方法可用于生產滿足這種限定的任何聚合物，同時在一個實施方案中，本發明方法可用于制備聚苯乙烯。在另一個實施方案中，本發明方法可用于制備聚乙烯。
在本發明方法中，近IR分光光度計通過使工藝物流經過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭用于監視、控制或監視和控制聚合物的生產。可用于本發明方法的傳感器探頭包括用于監視工藝物流中所關心的特征的任何傳感器探頭。例如，該探頭可以選自透射探頭、反射探頭、衰減反射探頭等。在一個實施方案中，本發明方法使用的探頭為反射探頭。在另一個實施方案中，探頭為雙回波反射探頭。
在本發明方法中，使用纖維光纜將近IR分光光度計連接到探頭。該探頭在光學上連接到光源和近IR分光光度計。在一個實施方案中，近IR分光光度計是現場的，而在另一個實施方案中，近IR分光光度計是遙控的近IR分光光度計。纖維光纜實際上可以是一對纖維光纜，其中第一條光纜用于向目標探頭提供光，第二條光纜用于使光經過探頭到達分光光度計。在本發明的一個實施方案中，光纜是允許光線在單一光纜上的雙向透射的一束多模纖維。
本發明方法是使用能夠產生近IR光譜的光來實施的。能夠產生這種光的任何光源都可以用于本發明。本發明使用聲光可調濾波器使該光源可以長時間可靠地反復調節到精確波長。也可以使用常規調節的光源，只要它們與分光光度計結合工作能夠在近IR區域內進行快速精確的測量就行。光源可以單獨放置，或者其可以是分光光度計和光源整體組合的一部分。可用于本發明的近IR分光光度計可以是自動的并與計算機做成一體，執行一些或全部解釋光譜及對其進行計算的程序。
本發明的方法也可以在具有至少一個所關心的特征的相同或不同工藝物流中使用多于一個探頭。使用遙控分光光度計的一個優點是可以有多個探頭用在聚合物生產設備的不同部分，而只有一個分光光度計維持使用。遙控分光光度計的另一個優點是其使這種維護可以以遙控形式進行并能減少對環境的危害。在本發明的一個實施方案中，在連接到分光光度計的同一工藝物流中存在兩個探頭。在另一個實施方案中，本發明方法中用兩個探頭，而這兩個探頭處于不同工藝物流中。使用纖維光纜可以使幾個探頭分開并且使分光光度計的光程可長達150米。
對于本發明目的來說，工藝物流是聚合物生產過程中通過管道的液體或流動固體物流中的任一部分。例如，工藝物流可以是在管道、反應器中，或者是來自蒸餾塔的塔頂物流。在本發明的實際操作中，探頭與工藝物流接觸。作為構成工藝物流運動通過的物料，該物料的一些組分與探頭互相作用，在探頭中吸收光或折射光，使得進入探頭的光在近IR光譜的至少一些部分中的強度與經由纖維光纜離開探頭的光強度不同。在本發明方法中，這種差別隨后用于測定所關心的特征的值。該測量可以直接或間接涉及所關心的持征。例如，一個所關心的持征是可以存在一種本身不是用近IR可測量的化合物，但是其與另一種可以這樣測量的材料存在著已知的關系。這一點將是間接測量的一種實例并在本發明方法的范圍之內。
在本發明方法的實際操作中，對經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果進行測量并用于確定至少一個所關心的持征的值。這種確定可以手工完成，但在本發明的一個實施方案中是使用與分光光度計連接的計算機完成的。可以用于本發明的儀器包括由Analytical Spectral Devices，Inc.；Varian，Inc.；Foss-NIR Systems等制造的那些。可以使測量具有足夠精確度和可靠性并對監視、控制、或監視和控制聚合物生產過程有用的任何近IR分光光度計均可以用于本發明方法的實際操作中。
在一個實施方案中，本發明為一種生產聚合物的方法，所述聚合物例如在工業高密度聚乙烯料漿回路反應器中生產的高密度聚乙烯。本發明的方法包括使用所關心的持征的值控制或監視生產單元。這種值可以被包括在人工計算方法的演算中，或者在另一個實施方案，被包括在人工電子數據表格中，或者在又一個實施方案，其也可以被引入控制器的邏輯電路中。在一個實施方案中，控制器為一種神經網絡或其它人工智能(AI)控制器。
聚合物化學工藝中的許多操作通常使用比例積分微分(PID)控制器進行控制。包括所關心的特征值的演算可以被引入或編入這種控制器的程序中。在本發明的一個實施方案中，許多PID控制器與第二控制器結合使用，所述第二控制器可以從PID控制器接收數據，然后基于包括本發明值的演算對PID控制器進行重新編程。能夠接受多路輸入并發送多路輸出的AI控制器也可以用于本發明的方法。例如，一種這樣的控制器為使用由PavilionTechnologies研發的Process Perfecter軟件的控制器。
自動化控制器用于本發明方法可以理想地實時控制聚合物生產過程，但是不應低估本發明用手動控制。當引入電子表格時，本發明的方法是非常有用的，特別是當改變聚合物等級或生產率時。在這兩種情況下，本發明的方法均可以用于例如優化和控制回路反應器，使其生產出具有所需性能的聚乙烯。
生產聚乙烯方法中所關心的持征的實例可以包括聚乙烯固體含量、密度和粒徑。凡是可以用近IR在工藝物流中測量的并且可以用作控制或監視演算分量的任何參數，均可以是本發明方法中所關心的持征。
在另一個實施方案中，本發明方法可用于制備聚苯乙烯。在本發明的又一個實施方案中，該方法用于制備沖擊改性聚苯乙烯。在沖擊改性聚苯乙烯中，所關心的持征包括但不限于苯乙烯含量、橡膠粒徑、聚苯乙烯含量、橡膠含量等。
在本發明方法的實際操作中，近IR分析儀可以在適于測定所關心的特征的值的任何波長或波長范圍使用。例如，制備沖擊改性聚苯乙烯的方法可以使用約1100nm到約1800nm的波長范圍。
在本發明方法中，至少一個所關心的特征的值是一種演算分量，用于實時監視、控制或監視和控制制備聚合物的過程。對于本發明目的來說，術語“實時”表示立即和基本上沒有延遲。例如，在常規方法中，總是將生產單元中的測試試樣收集起來然后送入實驗室。然后對該試樣進行測試，以及然后向生產單元報告結果。由于試樣收集、傳送和常規測試而延遲的時間可以是幾分鐘，但經常是幾小時。因為許多聚合物生產單元以極快的速率生產聚合物，一小時生產的不合格材料可能有幾噸乃至幾十噸是無法使用的或至少是價值較差的不合格材料。
實施例提供以下實施例以說明本發明。該實施例不希望限制本發明的范圍并且它們也不應被如此解釋。除非另有說明，各量按重量份或重量百分比計。
實施例1使用本發明的方法監視沖擊改性聚苯乙烯的生產方法。該方法中，工藝物流包括苯乙烯、聚苯乙烯、稀釋劑、橡膠和礦物油。安裝漫反射探頭，使工藝物流接觸到該探頭。探頭使用纖維光纜連接到得自FOSS-NIR的近紅外處理(process near-infrared)系統。該儀器配備有InGaS檢測器。以一分鐘間隔收集工藝物流的光譜并在每四個試樣掃描之后進行一個參考掃描。在線實驗過程中執行五種生產620、960E、975E、825E和7240。根據常規實驗室分析和同時取得的對應光譜，對苯乙烯、聚苯乙烯、稀釋劑、礦物油、橡膠和橡膠粒徑百分比建立回歸。
當選擇苯乙烯、聚苯乙烯或稀釋劑作為回歸分量時，回歸法通常是部分的最小平方，以及在所有情況中將因素數限制到最大值為七個—分量加上溫度影響的總數。在所有情況中，產品特定回歸能夠說明光譜中隨這種數目的因素或較少因素而變化。對于全部回歸，因素數增加到十二個—分量數加上產品總數。
在回歸之前對光譜應用數學預處理。應用標準普通變量，然后取二次導數。標準普通變量表明數據的分散，二次導數確定光譜峰的位置和尺寸。選擇所有這些分量的光譜范圍在1100nm到1800nm之間，由此覆蓋了表明所有C-H振動的第二諧波區域和部分的第一諧波區域。在該區域之外，光譜是有干擾的。每個試樣以單值表示并加權成回歸，與產生交叉驗證過程中的試樣的無規移動相反。用于關聯苯乙烯百分比和稀釋劑百分比回歸的實驗數據是直接從常規GC分析得到的。稀釋劑被一起處理。
得出由本發明方法預測的所關心的特征的值和使用常規實驗室實際操作測定的值之間的關系和結果示于以下表中。
圖1表示不同橡膠粒徑的相同進料配方下面的光譜對應于1.7微米材料，上面的光譜對應于8.5微米材料。與這兩個值之間的橡膠粒徑相應的光譜自然落入這兩個光譜之間。為俘獲(capture)這些基線的位移，不必應用任何數學預處理。在標準普通變量的情況下，應用任何處理均會使基線位移衰減，或者在二次導數的情況下，任何這種應用將完全抵消基線位移。試樣以先前描述的方式進行加權。雖然從光譜看來所關心的范圍應當至少俘獲短波長反射率的較大差別，但是上限可能截止在1600nm。
假設例2重復實施例1的方法，并且將苯乙烯含量的值輸入神經網絡人工智能處理控制器。苯乙烯的值隨時間變化到低于正在生產的產品的規定值。神經網絡控制器調節幾個工藝參數，包括苯乙烯進料速率和反應溫度，使產品恢復到規范。
假設例3重復實施例1的方法，并且將聚苯乙烯含量的值輸入神經網絡人工智能處理控制器。聚苯乙烯的值隨時間變化到高于正在生產的產品的規定值。神經網絡控制器調節幾個工藝參數，包括反應溫度和聚合引發劑濃度，使產品恢復到規范。
實施例4使用本發明的方法監視聚乙烯生產方法。使用與實施例1中使用的相同設備監視包括聚乙烯蓬松物的工藝物流。選擇用于回歸的分量為粒徑、密度和固態百分比。
如實施例1測量這些所關心的特征的值，并將其與根據用常規實驗室實際測定的值聯系起來。用得到的數據繪圖并將那些繪制的圖作為圖2-4附上。
假設例5如實施例4監視聚乙烯生產方法。將這些值從近IR分光光度計輸入到正在PC上運行的實驗室信息管理程序包。PC顯示表明粒徑向下偏移的圖形。單元中的操作員使用工藝控制程序記錄該偏移，調節反應器溫度使過程恢復到規范。
評價有關的實施例實施例1表明本發明的方法可用于精確預測與工藝物流的所關心的特征有關的值，其可用于控制沖擊改性聚苯乙烯工藝方法。實施例4聚乙烯工藝方法的結果相同。假設例表明部分乃至全部自動化工藝控制系統可以使用近IR測量聚合物工藝的控制范圍。
表
權利要求
1.一種制備聚合物的方法，包括使用具有至少一個工藝物流的工藝來制備聚合物，該至少一個工藝物流具有至少一個所關心的持征，并且該工藝進一步包括使至少一個工藝物流經過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭和使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計，其中光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接；其中測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定至少一個所關心的特征的值；以及其中至少一個所關心的特征的值是一種用于實時監視、控制、或監視和控制聚合物制備方法的演算分量。
2.權利要求1的方法，其中聚合物為聚苯乙烯或聚乙烯。
3.權利要求1的方法，其中近IR分光光度計掃描約750到約2500微納米的波長范圍。
4.權利要求4的方法，其中近IR分光光度計掃描約1100到約1800納米的波長范圍。
5.權利要求1的方法，其中近IR分光光度計和光源是分離的。
6.權利要求1的方法，其中近IR分光光度計和光源是整合單元。
7.權利要求1的方法，其中探頭選自透射探頭、反射探頭和衰減反射探頭。
8.權利要求1的方法，其中探頭緊靠著近IR分光光度計。
9.權利要求1的方法，其中探頭遠離近IR分光光度計。
10.權利要求1的方法，另外包括使近IR分光光度計連接到工藝控制器。
11.權利要求10的方法，其中工藝控制器為PID控制器。
12.權利要求10的方法，其中工藝控制器為基于人工智能的控制器。
13.權利要求12的方法，其中基于人工智能的控制器為神經網絡人工智能控制器。
14.權利要求1的方法，其中有兩個探頭連接到近IR分光光度計。
15.權利要求14的方法，其中該兩個探頭在同一工藝物流中。
16.權利要求14的方法，其中這些探頭在分開的工藝物流中。
17.權利要求14的方法，其中近IR分光光度計是自動的。
18.權利要求1的方法，其中近IR分光光度計結合入計算機來完成一些或全部光譜解釋和對其進行計算的程序。
19.一種制備聚苯乙烯的方法，包括使用具有至少一個工藝物流的工藝來制備聚苯乙烯，該至少一個工藝物流具有至少一個所關心的持征，并且該工藝進一步包括使至少一個工藝物流經過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭以及使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計，其中光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接；其中測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定至少一個所關心的特征的值；以及其中至少一個所關心的特征的值是一種用于實時監視、控制、或監視和控制聚苯乙烯制備方法的演算分量。
20.權利要求19的方法，其中所關心的持征選自苯乙烯含量、橡膠粒徑、聚苯乙烯含量、礦物油、稀釋劑和橡膠含量。
21.一種制備聚乙烯的方法，包括使用具有至少一個工藝物流的工藝來制備聚乙烯，該至少一個工藝物流具有至少一個所關心的持征，并且該工藝進一步包括使至少一個工藝物流經過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭以及使來自光源的光線經過該探頭并進入分光光度計，其中光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接；其中測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定至少一個所關心的特征的值；以及其中至少一個所關心的特征的值是一種用于實時監視、控制、或監視和控制聚乙烯制備方法的演算分量。
22.權利要求21的方法，其中所關心的持征選自聚乙烯固體含量、聚乙烯密度和聚乙烯粒徑。
全文摘要
公開了一種制備聚合物的方法。該方法包括至少一個工藝物流，并且該工藝物流具有至少一個所關心的持征。該方法進一步包括使工藝物流通過連接到近IR分光光度計的傳感器探頭并使來自光源的光經過該探頭并進入分光光度計，其中光源、分光光度計和傳感器探頭通過纖維光纜連接。測量經過傳感器探頭的工藝物流與光相互作用的結果并用于確定所關心的持征的值。所關心的持征的值是一種演算的分量并且用該演算來實時監視、控制、或監視和控制制備聚合物的方法。
文檔編號G01N21/35GK1914254SQ200480041464
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月2日 優先權日2003年12月9日
發明者杰伊·L·賴默斯, 塞恩·古延 申請人:菲納科技股份有限公司