(57)【要約】【課題】ポリマーの製造銘柄の切替えに際して、不必要な警告アラームの作動を抑えつつ、必要な警告アラームを作動させるポリマーの製造方法を提供する。【解決手段】ポリマーの製造銘柄の切替えにあたって、制御因子の設定値を変更し、従属因子の値を間欠的又は連続的に測定する。測定された従属因子の測定値から移動平均によって所定時間後の従属因子の予測値を算出し、その予測値から、警告アラームの設定値（ＰＨ値及びＰＬ値）を決定する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーを連続的に重合するポリマーの製造方法において、
少なくとも１つの制御因子の設定値を変化させるステップと、
前記制御因子の設定値に従属して変化する少なくとも１つの従属因子の値を連続的又は間欠的に測定するステップと、
前記従属因子の測定値の時間的な変動に基づいて、該従属因子の許容上限値及び許容下限値の少なくとも一方を含む許容範囲を逐次設定するステップと、
前記従属因子の測定値が前記設定された許容範囲から外れると所定の信号を発生させるステップとを備えることを特徴とするポリマーの製造方法。
【請求項２】
前記許容範囲が、オペレータに制御因子の設定値の変更を促す信号を発生するための第１の許容範囲と、オペレータに異常発生の旨を知らせる警告アラームを発生するための第２の許容範囲とを含む、請求項１に記載のポリマーの製造方法。
【請求項３】
ポリマーの製造銘柄の変更に際して前記制御因子の設定値を変化させるステップが設けられる、請求項１又は２に記載のポリマーの製造方法。
【請求項４】
前記ポリマーの製造方法が、ポリエチレン高圧製造プロセスに適用され、前記従属因子が１秒〜１０分間に１回の割合で間欠的に測定される、請求項１〜３いずれかに記載のポリマー製造方法。
【請求項５】
前記ポリエチレン高圧製造プロセスがチューブラープロセスである、請求項５記載のポリマー製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマーの製造方法に関し、特に、製造銘柄を切り替えつつ連続的にポリエチレン、ポリプロピレン等のポリマーを重合するポリエチレンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマーを商業的に製造する重合プラントでは、供給原料や供給触媒等のフィード量、重合温度、重合圧力又は各種反応器や貯蔵槽の液面レベル等の管理すべき変動因子が数多く存在する。これらの変動因子は、製造すべきポリマーのインデックス（例えばポリマーの分子量、分子量分布、密度、組成分布など）を左右する。また、プラントの安定運転や、安全運転に直接的に関わるものである。管理すべき変動因子には、重合反応に際して直接的に目標値が設定値として与えられる制御因子と、制御因子の設定値に依存してプロセス値が変化する従属因子とが含まれる。
【０００３】
制御因子及び従属因子は、そのための各種検出器によって値が測定され、例えば計器室のディスプレイ装置に集中表示される。これらの値は、分散型制御システム（ＤＣＳ）において遠隔制御が可能である。製品ポリマーの品質を安定化させるため、これらの測定値が目標値から指定された偏差値以上外れた場合には、その旨の信号を発生し、オペレータに制御因子を微調整するように注意を促す。この指定偏差をＤＶと略称する。
【０００４】
また、安定運転のため、運転における実測値であるプロセス値（ＰＶ値）が指定範囲から外れると、警告アラームが作動し、オペレータに注意を促す。一般的には、指定範囲として上限値と下限値の双方を設定する。前者をプロセス値に対する設定上限値（ＰＨ値）、後者をプロセス値に対する設定下限値（ＰＬ値）と呼ぶ。
【０００５】
さらには、安全のため、検出値が安全指定範囲から外れると、その旨の警告アラームと共に、インターロックと呼ばれる緊急停止装置が作動し、プラントの運転が制御不能となる前に反応を停止させる。このような非常の場合における安全のための設定値をインターロック値と呼ぶ。ポリマーの重合に際しては、ＤＶ値、ＰＨ値、ＰＬ値、及び、インターロック値を適切に設定して、安定な製品品質を得るための安定運転、及び、装置やオペレータに障害が発生しないような安全運転を行っている。
【０００６】
上記インターロック値は固定値であり、通常は、製造銘柄切替え（製品切替え）の工程段階で、設定値が変更されることはない。ＤＶ値、ＰＨ値及びＰＬ値は、製造銘柄に依存して設定値が異なるものの、各製造銘柄毎には一定値である。従来のポリマー製造装置の運転では、これらの値は、初めからソフトウエアに記述され、運転管理のためのコンピュータに組み込まれ固定化されていたので、オペレータが手動でこれらを再設定することは困難であった。このため、装置運転が定常状態に落ち着くまでは、変動因子の測定値がこれら指定された範囲を外れ、警告アラームが頻繁に作動するという不都合が生じていた。また、これを防ぐため、製造銘柄の切替え時には、警告アラーム設定値の幅を広くして運転することも行われていた。
【０００７】
特開平０８−１２７６０２号公報及び特開平１１−１６６００３号公報には、ポリマーの銘柄切替えに際して、制御因子の設定値の切替え操作を、安定的かつ効率的に実施できる方法が記載されている。ここで、特開平０８−１２７６０２号公報には、製造銘柄切替えの際に、制御因子の設定値をモデルパターンに基づいて変化させ、その設定値への追従をファジー制御によって行うポリマーの重合方法が記載されており、また、特開平１１−１６６００３号公報には、シミュレータを利用し、模擬的に製造銘柄を切り替えて系内の挙動を予め予測する手法が記載されている。しかし、これら公報には、製造銘柄の切替えに際して、前記ＤＶ値、ＰＨ値及びＰＬ値をどのように設定するかについては、開示も示唆もない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０８−１２７６０２号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６６００３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリマーの製造に際して、製品ポリマーの品質の向上を図り、安定且つ安全な運転を得るために警告アラームの信頼性を高め、且つ、警告アラームに対処するオペレータの作業負担を軽減することができ、これによって、効率よく安定的にポリマーを製造するポリマーの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来は各製造銘柄毎に固定であったＤＶ値、ＰＨ値及び／又はＰＬ値を経時的に変化させることによって、オペレータの負担を軽減しつつ効率よく高品質のポリマーが製造できることに想到し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係るポリマーの製造方法は、ポリマーを連続的に重合するポリマーの製造方法において、少なくとも１つの制御因子の設定値を変化させるステップと、前記制御因子の設定値に従属して変化する少なくとも１つの従属因子の値を連続的又は間欠的に測定するステップと、前記従属因子の測定値の時間的な変動に基づいて、該従属因子の許容上限値及び許容下限値を含む許容範囲を逐次設定するステップと、前記従属因子の測定値が前記設定された許容範囲から外れると所定の信号を発生させるステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明のポリマーの製造方法では、制御因子の設定値を変化させた際の過渡的状態では、従属因子の許容上限値及び許容下限値は、一般的にその従属因子のそれまでの時間的な変動に依存することから、許容上限値及び許容下限値の少なくとも一方を含む許容範囲をその変動に基づいて定める。これによって、重合装置の安定且つ安全な運転を可能にする。
【００１３】
本発明の好ましい態様では、前記許容範囲が、オペレータに制御因子の設定値の変更を促す信号を発生するための第１の許容範囲と、オペレータに警告する警告アラームを発生するための第２の許容範囲とを含む。ここで、第１の許容範囲は例えばＤＶ値であり、第２の許容範囲としては、例えば、オペレータに通常の警告アラームを与えるＰＨ値及びＰＬ値の一方又は双方を含む。
【００１４】
本発明に係るポリマーの製造方法は、ポリマーの製造銘柄の変更に際して、或いは、装置の運転開始に際して、前記制御因子の設定値を変化させるステップを有することが好ましい。これら製造銘柄の変更や運転開始後の過渡的状態で、変動因子の値が大きく変動することから、このような許容範囲を定めることにより、不必要な警告アラームを発生することなく、必要な警告アラームが発生できるので、警告アラームの信頼性を高めることが出来る。
【００１５】
本発明のポリマーの製造方法は、好ましくは、ポリエチレン高圧製造プロセスに適用され、前記従属因子が１秒〜１０分間に１回の割合で間欠的に測定される。ポリエチレン高圧製造プロセスでは、好ましくは１秒〜１０分間に１回の割合、更に好ましくは、１秒〜１分間に１回の割合で、従属因子の変動を検出することで、製造銘柄の変更に際して特に効果的に必要な警告アラームを発生することが出来る。
【００１６】
本発明のポリマーの製造方法は、前記ポリエチレン高圧製造プロセスがチューブラープロセスである場合に特に有効に用いられる。チューブラープロセスでは、制御因子及び従属因子を含む、管理すべき変動因子は、例えば数百にも及ぶ多数が採用される場合があり、制御因子の変更に起因する従属因子の変動を監視する必要性が特に高いものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るポリマーの製造方法の好ましい例では、商業的規模のポリマー製造プラントにおいて、プラントを安定に運転するための指定範囲であるプロセス値（ＰＶ値）を経時的に変化させて、ポリマーを製造する。特に、ＤＣＳで集中監視されている原料供給量、重合温度あるいは重合圧力など各種変動因子（検出値）が経時的に変化する工程において使用できる。例えば、重合運転の立ち上げ時、シャットダウン時あるいはポリマーの銘柄切替え時が例示できる。
【００１８】
本発明のポリマーの製造方法における用語「ポリマーの製造銘柄」とは、物性の一部または全部が相互に異なる同一種類又は異なる種類のポリマーを意味し、具体的には、分子量、分子量分布、組成、組成分布の少なくとも１つが異なる製品ポリマーをいう。ポリマーの製造銘柄の切替えには、これら物性の異なるポリマーを製造するためにプロセス条件の切替えを必要とする。この切替えにあたっては、供給原料の量、当該原料が複数である場合はその量比、重合温度、重合圧力あるいは各種助剤の供給量などの重合条件を変更することによって、反応器の運転を停止することなく、異なる銘柄のポリマーを製造する。なお、重合の立ち上げ時、シャットダウン時、或いは、これらのみならず定常状運転状態においても、反応槽や貯槽のレベル監視も本発明方法を利用して監視の対象とすることができる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態例に係るポリマーの製造方法に使用される制御システムの構成を示す。制御システムは、製造銘柄切替え等の高度な制御、及び、データ収集解析などの運転支援機能を有する上位のプロセスコンピューター１０と、ポリマー重合装置を分散制御する下位の分散制御システム（ＤＣＳ）部２０と、プロセスコンピュータ１０とＤＣＳ部２０とを接続するゲートウエイ３０とを備え、ポリマー重合装置４０を制御する。
【００２０】
プロセスコンピュータ１０は、従属因子について設定された警告アラームの設定値を経時的に変更し、順次新たな設定値を入力する機能を有する。プロセスコンピュータ１０は、ポリマー重合装置に設置された多数の検出素子４１からＤＣＳ２０に送られてきた変動因子の測定値を蓄積し、その変動幅から一定時間後の従属因子の到達予測値を演算する。次いで、その予測値に合わせたＰＨ値、ＰＬ値、及び、ＤＶ値を、最後に受信した測定値の測定時刻から一定時間経過後の警告アラームの設定値としてＤＣＳ２０に入力する。
【００２１】
プラント運転の監視、制御因子の設定変更は、計器室で遠隔的に行われる。ＤＣＳ（分散型制御システム）２０は、このような計器室に導入されている。図１に例示された検出素子４１は、例えば、温度計、圧力計、又は、流量計などの各種センサーであり、同図にはこれを１つ例示している。これら検出素子４１の測定値に基づいて、プロセス量を制御する制御素子４２に制御信号が入力され、温度、圧力又は流量が所望の値になるように、重合装置の運転が制御される。制御素子は、例えば原料や補助剤のフィード量を制御する流量制御バルブである。これら電気信号は、計器室のモニターに集中的に表示され、オペレーターがＤＣＳを用いて効率的に条件変更をすることができる。
【００２２】
製品品質の管理のために、例えば重合装置の安定時の温度である実測値が第１のしきい値（例えば反応器の温度が通常温度±５℃）を超えると、第１の警告アラームが表示され、オペレータに設定値の微細な調整等を含む所定の処置を採るように促す。また、安定運転のために、運転実測値が第２のしきい値（例えば反応器の温度が通常温度±１０℃）を超えると、その旨を表示し、従属因子の測定値が警戒範囲にあることをオペレータに知らせる。さらには、安全運転のために、運転実測値が第３のしきい値（例えば反応器の温度が３００℃）を超えた場合には、その旨を表示すると共に、化学反応の暴走を未然に回避するために、緊急停止装置を動作させる。これら各しきい値は、重合装置が安定的な状態にある際には、このような固定値として、また、重合装置が過渡的な状態にあるときには、予測値に対する偏差としてそれぞれ設定される。また、これらしきい値は、特定の製造銘柄毎に定められる。
【００２３】
上位のプロセスコンピュータ１０が予測値算出のために必要なデータ収集の点数としては最低２点、好ましくは３〜１０点が採用される。また、プロセスコンピュータ１０は、ＤＣＳがデータを収集する周期（１秒後〜１０分）にデータ収集点数を乗じて算出される「データ収集時間」を一単位として、算出した予測値を次の一単位における設定値に採用する。ここで「予測値」とは、当該一単位における最後のデータ収集の時点からデータ収集周期に相当する時間が経過した時点での値をいう。例えば、３０秒ごとに測定値を収集する場合、ある時点からの測定データ収集時点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとするとこの４点が一単位に属する。この一単位における測定値の変動に基づいて算出される予測値を、次の一単位（すなわち、Ｄから３０秒経過後〜Ｄから１２０秒経過時まで）における警告アラームの設定値に反映させる。時間間隔を１秒〜１０分の範囲よりも短くすると、経済的合理性に反し、また、この範囲よりも長くすると、オペレータによる手動設定でも十分に対応が可能である
【００２４】
予測値の入力手段としては、制御因子を変化させるプロセスコンピュータと通信可能な制御システムが例示できる。例えば制御専用のプロセスコンピュータが例示できる。また、このような制御専用のプロセスコンピュータでなくとも、市販のパーソナルコンピュータを用いて、数値計算のための市販ソフト（例えば『エクセル』のマクロあるいはビジュアルベーシック）およびＤＣＳとの通信のための市販ソフト（例えば横河電機（株）社製ソフト『ＴｒｉＦｅｌｌｏｗｓ』（商品名））を組み合わせることでも目的を達することが可能である。
【００２５】
本発明方法を利用できるポリマーの製造プロセスは特に限定されず、例えば、本発明方法は、高圧重合プロセス、スラリー重合プロセス、バルク重合プロセス、溶液重合プロセスあるいは気相重合プロセスにおいて使用できる。これらの内では、特に高圧重合プロセスに適用することが有効である。高圧重合プロセスは、ポリマーの製造条件が厳しく、例えば重合温度は１００〜３００℃といった高温条件で、重合圧力は２００〜３０００ｋｇ／ｃｍ２の範囲といった高圧条件で制御する必要がある。高圧重合プロセスの中でもラジカル重合プロセスに適用することが好ましい。このプロセスでは、ポリマーの分子量及び密度等のインデックスは重合温度や重合圧力に依存する。
【００２６】
制御すべきＤＶ値、ＰＨ値及び／又はＰＬ値としては、重合における各種温度・圧力、各種流量、又は、供給される原料もしくは助剤の量が挙げられる。これらは全てを経時的に設定値を変更してもよく、別々に、例えばＰＨ値だけを経時的に設定変更してもよい。これらの内では、特に重合温度の設定値を経時変化させることが好ましい。例えば、高圧ラジカル重合プロセスの中でもチューブラープロセスの場合は、重合反応器が長大な管状構造を形成しており、設置されている温度センサーの数は百を超える場合がある。これらＤＶ値、ＰＨ値、ＰＬ値を経時的に設定変更することにより、警告アラーム監視の際のオペレータの負担が大幅に軽減できる。
【００２７】
また、本発明方法は、特に連続重合における製造銘柄の切替えの際に利用することが好ましい。銘柄切替えは、重合条件の大幅な変更が必要になる場合が多いためである。また、制御因子が多く、警告アラームの数が多い場合には、オペレータの操作が煩雑になるため、更に利点が大きい。また、異常事態にのみ警告アラームを作動させることとすれば、オペレータによる早期処理対応が可能となり、短時間で新しい定常状態に移行することが期待できる。トラブルを防止することは、結果的にグレード規定外製品を減らすことにつながり、製品品質の向上及び効率的生産という観点からも望ましい。
【００２８】
本発明方法で製造するポリマーとしては、特に制限はないが、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが例示できる。これらのポリマーは分子量がＭＦＲで０．０１〜５００（ｇ／１０分）、密度０．８６０〜０．９７０ｇ／ｃｍ３の範囲で製造が可能である。
【００２９】
ポリオレフィン製造のための重合触媒としては、ラジカル重合の場合はパーオキサイドのようなラジカル発生源となる化合物が例示できる。またイオン重合の場合は、例えばチーグラーナッタ触媒、メタロセン触媒あるいはいわゆるシングルサイト触媒が例示できる。これらの触媒は公知のものが何ら制限なく使用できる。
【００３０】
本発明の一実施形態例では、図２に示すように、第１の製造銘柄から第２の製造銘柄への切替えに際して、制御因子の設定値を変更した後に従属因子の現在値を逐次測定し、その測定値に基づいて、現時点より一定時間経過後の時刻における予測値を算出する。また、その予測値から所定幅だけ高い値をその時刻におけるＰＨ値に、予測値から所定幅だけ低い値をその時刻におけるＰＬ値に設定する。この場合、測定値が、予測値よりも一定値以上大きい場合（又は一定値以上小さい場合）に警告アラームＡ１が動作する。従属因子の測定、予測、及び、設定は、従属因子の測定値が安定になるまで継続し、その測定値が安定化した後には、ＰＨ値及びＰＬ値を、その製造銘柄についてそれぞれ定められた所定値とする。ＤＶ値も同様に設定することが出来る。
【００３１】
図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ＰＨ値とインターロック値との関係を例示するグラフである。同図（ａ）では、一定値として設定されるインターロック値を予測値から設定されたＰＨ値が一時的に上回って設定される例を示している。この場合、本来インターロック値の前に警告するＰＨアラームの機能が失われてしまう問題がある。同図（ｂ）では、コンピュータが設定命令できるＰＨ値の上限値を設けることにより、ＰＨ値が常にインターロック値以下となり、ＰＨアラーム機能が作動することを担保している。
【００３２】
図４は、測定値から次の設定ＰＨ値及び設定ＰＬ値を求める際の様子を模式的に示している。製造銘柄の切替えに際して、従属因子の設定値を測定値に追従させるものである。従属因子の測定における時間間隔は、設定可能であり、例えば３０秒に設定される。従属因子のｎ個（例えば４〜６、図４では４個の例が示されている）の測定値に基づいて平均値Ｙｎを求める。この平均値Ｙｎの勾配に基づいて、次の測定時点における従属因子の予測値を算出する。算出された予測値から、許容できる偏差を勘案して次の設定ＰＨ値及び設定ＰＬ値としている。測定時間間隔、データ数ｎ個、及び、予測値にＰＨ値及びＰＬ値を追従させる時間は、プロセス及び製造銘柄の切替え時間に合わせて任意に設定できるように、ソフトウエアが組まれている。
【００３３】
予測値からＰＨ値及びＰＬ値の設定値を算出する際には、対象とする従属因子及び／又はその測定値に応じて絶対値（固定値）或いは測定値に対する比率のどちらかを選択することが好ましい。例えば従属因子としてプランジャーストローク等で流量を調整するポンプの流量を測定する際には、流量により測定値の振れ幅が異なるため（例えば低流量である１０Ｌ／Ｈｒの場合、振れ幅は±１Ｌ／Ｈｒであるのに対し、高流量である１００Ｌ／Ｈｒでは振れ幅が±１０Ｌ／Ｈｒに拡大する特性が存在する）、このような場合は、流量に関係なく「比率」が採用され、例えば予測値±１０％のような設定とする。
【００３４】
本発明のポリマーの製造方法を、高圧ラジカル法によるエチレン重合であるチューブラープロセスで製造銘柄の切替えに適用した。チューブラープロセスは、反応器が細長い管状であり、その長さは約１５００ｍで、取り付けられる温度センサーは約１００カ所である。従来は、製造銘柄の切替えにあたっては、その切替時にプロセスが過渡的状態を伴う場合においては、銘柄変更に伴う変動因子の移行幅は、当該変動因子に設定される警告アラームの設定幅よりも十分に大きいのが通常である。したがって、上記過渡的状態に入ってすぐの段階で警告アラームの設定幅を移行幅よりも十分に大きな値に設定し、プロセスが定常状態に移行した後に、新しい銘柄における設定値に変更していた。また。別の例では、プロセスが過渡的状態にある適当な時点で、全ての従属因子のＰＨ値及びＰＬ値の設定を一度に変更していた。
つまり銘柄切替時のプロセスが過渡的状態においては、アラームによるプロセス変動の早期探知が困難であった。
【００３５】
本発明方法を適用した高圧ラジカル法による製造プロセスでは、ＤＶ値、ＰＨアラーム及びＰＬアラームを予測値から算出した。その結果、良好な製品品質が得られると共に、安定且つ安全な運転が可能となり、操作員の負担が大幅に低減した。また、反応温度以外の操作因子（重合圧力、各種助剤の供給量など）においても同様の効果が期待できる。
【００３６】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のポリマーの製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るポリマーの製造方法によると、製造銘柄切替え等のプロセスの過渡的な状態においても、不必要な警告アラームの作動を防止しながらも、必要な警告アラームの作動が可能となり、製品品質の向上、及び、装置の安定且つ安全運転が可能となり、且つ、オペレータの負担が軽減できるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係るポリマーの製造方法を実施する制御システムの構成を示すブロック図。
【図２】従属因子の予測値と警告アラームの設定値との関係を示すグラフ。
【図３】警告アラームの設定値とインターロック値との関係を示すグラフ。
【図４】制御因子の測定値から予測値を求める様子を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：プロセスコンピュータ
２０：ＤＣＳ部
３０：ゲートウエイ
４０：重合装置
４１：検出素子
４２：制御素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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