聚合過程模擬與優(yōu)化：基于Polymer

1 緒論

1.1 聚合過程流程模擬簡介

1.2 聚合過程的建模方法

1.3 聚合物流程模擬與優(yōu)化應(yīng)用實(shí)例介紹

1.4 我國開展聚合過程模擬與優(yōu)化的意義

2 Aspen Plus使用初步介紹

2.1 Aspen Plus模擬的一般步驟

2.2 圖形界面

2.3 示例

2.3.1 苯乙烯的生產(chǎn)工藝和流程圖

2.3.2 打開Aspen Plus

2.3.3 選擇運(yùn)行類型

2.3.4 建立空白模擬文件

2.3.5 創(chuàng)建流程

2.3.6 規(guī)定計(jì)算的全局信息

2.3.7 規(guī)定組分

2.3.8 選擇物性方法

2.3.9 輸入流股規(guī)定

2.3.10 輸入模塊規(guī)定

2.3.11 運(yùn)行模型

2.3.12 查看運(yùn)行結(jié)果

2.3.13 模型的驗(yàn)證與分析

2.3.14 模擬所對(duì)應(yīng)的Input文件

2.3.15 工程提示

3 聚合物的計(jì)算機(jī)表示

3.1 聚合物體系的分子組成

3.2 聚合物的鏈段表示

3.2.1 鏈段的基本概念

3.2.2 鏈段的種類

3.2.3 鏈段的命名

3.2.4 鏈段數(shù)據(jù)庫

3.3 聚合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

3.3.1 聚合物的矩

3.3.2 聚合度

3.3.3 平均分子量

3.4 低聚物

3.5 計(jì)算舉例

3.6 敏感性分析

4 自由基聚合的模擬

4.1 基本知識(shí)

4.2 自由基聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的建模

4.3 凝膠效應(yīng)

4.4 動(dòng)力學(xué)反應(yīng)組的定義

4.5 聚合物屬性的計(jì)算

4.6 聚苯乙烯的模擬

4.6.1 模型運(yùn)行和計(jì)算結(jié)果

4.6.2 模型分析

5 離子聚合的模擬

5.1 離子聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的建模

5.1.1 活性中心生成反應(yīng)

5.1.2 鏈引發(fā)反應(yīng)

5.1.3 鏈增長反應(yīng)

5.1.4 締合反應(yīng)

5.1.5 離子交換反應(yīng)

5.1.6 活性種電離

5.1.7 鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)

5.1.8 鏈終止反應(yīng)

5.2 離子聚合反應(yīng)的定義

5.3 離子聚合物屬性的計(jì)算

5.4 SBS聚合工序的模擬

5.4.1 SBS簡介

5.4.2 模擬流程

5.4.3 組分與進(jìn)料

5.4.4 物性和相平衡

5.4.5 聚合動(dòng)力學(xué)

5.4.6 反應(yīng)器的操作

5.4.7 模型結(jié)果和結(jié)論

6 配位聚合的模擬

6.1 Z-N聚合的特點(diǎn)

6.2 Z-N聚合動(dòng)力學(xué)簡介

6.3 多活性中心數(shù)據(jù)解析

6.4 乙烯淤漿聚合熱力學(xué)參數(shù)的回歸

6.4.1 Sanchez-Lacombe狀態(tài)方程

6.4.2 HDPE聚乙烯SL狀態(tài)參數(shù)的回歸

6.5 聚合物本體物性的計(jì)算

6.5.1 液相摩爾體積(密度)的計(jì)算

6.5.2 Van Krevelen液相摩爾體積模型

6.5.3 Tait模型

6.5.4 混合物的液相摩爾體積

6.5.5 熔體流動(dòng)速率(MFR)的預(yù)測

6.5.6 Bremnei-Rudin熱塑性塑料模型

6.5.7 Quaekenbos關(guān)系式

6.5.8 用戶的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及其實(shí)現(xiàn)

6.6 LLDPE的模擬計(jì)算

6.6.1 流程和工藝描述

6.6.2 組分

6.6.3 Properties——物性方法

6.6.4 主要單元的操作條件

6.6.5 聚合動(dòng)力學(xué)機(jī)理和參數(shù)估計(jì)方法

6.6.6 單中心反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

6.6.7 GPC曲線的解析

6.6.8 多中心反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

6.6.9 收斂算法

6.6.10 全流程模擬

6.6.11 數(shù)據(jù)回顧和一致性檢驗(yàn)

6.6.12 模型的應(yīng)用

7 逐步聚合的模擬

7.1 逐步聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

7.2 逐步聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模

7.3 聚合物非隨機(jī)二液相活度系數(shù)模型(PolyNRTL)

7.4 PET三釜聚合工藝的模擬

7.4.1 生產(chǎn)工藝流程簡介

7.4.2 組分的定義

7.4.3 定義聚合物

7.4.4 定義低聚物

7.4.5 流股數(shù)據(jù)

7.4.6 單元操作數(shù)據(jù)

7.4.7 物性和相平衡

7.4.8 聚合動(dòng)力學(xué)

7.4.9 計(jì)算結(jié)果

7.4.10 產(chǎn)品性質(zhì)——特性黏度的建模

7.4.11 模型應(yīng)用

8 附錄

8.1 Segment數(shù)據(jù)庫中整理的鏈段列表

8.2 模擬文獻(xiàn)

8.2.1 一般性文獻(xiàn)

8.2.2 乳液聚合的文獻(xiàn)

8.2.3 懸浮聚合的文獻(xiàn)

8.2.4 離子聚合的文獻(xiàn)

8.2.5 聚烯烴的文獻(xiàn)

8.2.6 逐步聚合模擬的文獻(xiàn)

8.2.7 聚合物熱力學(xué)的文獻(xiàn)

8.2.8 其他

參考文獻(xiàn)

Polymer Plus是Aspen Tech公司在20世紀(jì)90年代推出的主要產(chǎn)品之一，是Aspen Teeh公司聚合物工業(yè)解決方案的重要組成部分。它提出了一套以鏈段為特征的聚合物識(shí)別方法；能對(duì)自由基均相、懸浮及乳液聚合、離子聚合、Ziegler-Natta聚合、縮聚等動(dòng)力學(xué)模擬；包含了一個(gè)完善的聚合物、單體、鏈段、官能團(tuán)的物性數(shù)據(jù)庫和大量物性及動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型；可對(duì)部分使用性能，如t、熔融流動(dòng)速率（流動(dòng)性）進(jìn)行預(yù)測。

本書基于Aspen Tech公司的聚合物流程模擬軟件Polymer Plus，介紹聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的建模、相平衡的計(jì)算、最終性質(zhì)的預(yù)測以及聚合過程的模擬與優(yōu)化的方法。

本書按聚合反應(yīng)機(jī)理來進(jìn)行組織，為了讀者學(xué)習(xí)的方便，在第2章增加了Aspen Plus軟件使用指南；第3章對(duì)流程模擬中聚合物的數(shù)字表示方法進(jìn)行了說明，定義了一系列聚合物的結(jié)構(gòu)屬性，并用一個(gè)簡單的實(shí)例說明了Polymer Plus建模的基本方法和步驟；第4章對(duì)Polymer Plus中內(nèi)置的自由基聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并用聚苯乙烯的例子加以說明；第5章對(duì)離子聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行了介紹，以SBS為例介紹了間歇聚合過程的模擬；第6章對(duì)Ziegler-Natta聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了介紹，并以乙烯/聚乙烯的相平衡參數(shù)求取為例，說明了參數(shù)估計(jì)方法；以LLDPE的聚合過程為例，詳細(xì)說明了Zie-gler-Natta聚合過程中多活性中心的建模方法。此外，還簡單介紹了聚合物最終性質(zhì)——熔融指數(shù)的預(yù)測方法；第7章對(duì)逐步聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行了簡單介紹，并詳細(xì)解析了Pol-ymer Plus中逐步聚合建模的步驟和內(nèi)在的化學(xué)原理。并以聚酯生產(chǎn)的簡化模型為例進(jìn)行了說明。在建模中，對(duì)相平衡計(jì)算的活度系數(shù)模型進(jìn)行了簡單介紹，最后再次對(duì)特性黏度、熔融指數(shù)的預(yù)測進(jìn)行了說明。

本書由北京石油化工學(xué)院顧凱、黃繼紅編寫。筆者在Polymer Plus的學(xué)習(xí)中得到了美國弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)化工系劉裔安教授的指導(dǎo)。在學(xué)習(xí)和教學(xué)及工業(yè)實(shí)踐中，得到了中國石油化工有限公司科技開發(fā)部、燕山仿真培訓(xùn)中心和石化盈科信息技術(shù)有限公司的支持，在此表示感謝！

限于筆者業(yè)務(wù)活動(dòng)范圍和學(xué)識(shí)水平，書中必有許多不盡如人意之處，誤漏之處在所難免，敬請(qǐng)讀者不吝賜教和指正。2100433B

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《聚合過程模擬與優(yōu)化:基于Polymer Plus》：高等學(xué)校教材。

《水資源系統(tǒng)規(guī)劃模擬與優(yōu)化配置》重點(diǎn)探索了基于地理信息系統(tǒng)的省級(jí)水資源綜合規(guī)劃配置模型系統(tǒng)建立，各水平年長系列水資源三次供需平衡分析水資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)與自優(yōu)化模擬、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等技術(shù)的綜合應(yīng)用改進(jìn)，以及建設(shè)項(xiàng)目水資源論證、大型引調(diào)水工程調(diào)水規(guī)模論證、河流水量分配等領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用等科學(xué)技術(shù)問題。

《軟基處理施工過程的數(shù)值模擬與應(yīng)用》可供土建、水利、交通等行業(yè)的科研、設(shè)計(jì)、施工和勘察工作人員閱讀，也可供高等院校土建相關(guān)專業(yè)的師生參考。

本課題圍繞基于過程的城市建筑三維建模技術(shù)開展理論方法和關(guān)鍵技術(shù)研究工作，重點(diǎn)開展了基于單張圖像的建筑物組件重復(fù)性檢測與幾何過程建模技術(shù)，基于圖像集的建筑建模、組件幾何和反射屬性建模技術(shù)，基于GIS數(shù)據(jù)的城市虛擬場景快速建模技術(shù)與工具等研究工作。 在基于單張圖像的建筑物過程建模技術(shù)方面，研究了針對(duì)單張圖像建筑物重復(fù)性組件的檢測算法、建筑規(guī)則和組件生成算法。從分割的單張圖像中自動(dòng)生成三維建筑組件、建筑規(guī)則及三維建筑模型。通過簡單的人工交互可以生成風(fēng)格相同、形狀可變的三維建筑模型。在基于圖像集的建筑建模技術(shù)方面，以未標(biāo)定數(shù)碼相機(jī)拍攝的建筑物多幅照片為輸入，提出了一系列算法，研究了建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的恢復(fù)與分割、建筑物組件重復(fù)性檢測、建筑物前后層結(jié)構(gòu)自動(dòng)提取等技術(shù)，能夠全自動(dòng)的重構(gòu)出逼真度較高的建筑物三維模型。在基于圖像集的建筑物組件幾何和反射屬性建模技術(shù)方面，研究了基于本征圖像分解的建筑物組件材質(zhì)反射屬性建模技術(shù)、基于徑向基函數(shù)的逐像素組件深度插值算法，從而構(gòu)建出可重光照的建筑物組件模型。在基于GIS數(shù)據(jù)和過程建模技術(shù)的城市場景快速建模方面，通過解析地理信息數(shù)據(jù)，提取地圖數(shù)據(jù)中的建筑位置和朝向信息，結(jié)合本課題已研究的單個(gè)建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部區(qū)域的三維場景，研制了場景建模工具原型系統(tǒng)。 在本項(xiàng)目資助下，發(fā)表論文10篇（SCI檢索2篇、EI檢索4篇）、專利申請(qǐng)2項(xiàng)、專利授權(quán)2項(xiàng)，其中8篇文章發(fā)表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推薦國際B類、C類期刊與會(huì)議上。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲2013年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，排名第7（總發(fā)明人數(shù)為9），并晉升副教授。3名碩士在本項(xiàng)目資助下完成畢業(yè)論文，2名博士基本完成論文。 2100433B