Статья публикуется по материалам доклада на “Международном научном форуме
Бутлеровское наследие – 2015”. http://foundation. /bh-2015/
УДК 66.02+004.94. Поступила в редакцию 24 декабря 2014 г.
Имитационно-моделирующий комплекс процесса
полимеризации винилхлорида суспензионным способом
© Шулаева1+ Екатерина Анатольевна, Шулаев2* Николай Сергеевич
и Коваленко2 Юлия Фанильевна
1 Кафедра «Автоматизированные технологические и информационные системы»;
2 Кафедра «Информатика, математика и физика». Филиал ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет в г. Стерлитамаке.
Пр. Октября, 2. г. Стерлитамак, 453118. Республика Башкортостан. Россия.
Тел.: (3473)24-25-12. E-mail: 1) *****@***ru ; 2) *****@***ru
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: полимер, винилхлорид, инициатор, среднемолекулярная масса.
Аннотация
В представленной работе приводятся результаты исследования физико-химических свойств поливинилхлорида с помощью имитационно-моделирующего комплекса процесса полимеризации винилхлорида суспензионным способом. Имитационно-моделирующий комплекс позволяет опреде-лять технологические параметры процесса, не поддающиеся прямому измерению (размер полимер-мономерных частиц, распределение температуры внутри частицы, распределение молекулярных масс полимера); обеспечивает автоматическое управление и поддержание оптимальных режимов прове-дения химических превращений. Имитационно-моделирующий комплекс, работающий в обучающем режиме, позволяет приобрести навыки управления технологическим процессом, а в контролирующем режиме оценить уровень подготовки обслуживающих специалистов.
Введение
Совершенствование и модернизация химико-технологических процессов требует соот-ветствующего развития компьютерно-моделирующих систем, обеспечивающих: определение физико-химических параметров, не поддающихся непосредственным измерениям в ходе про-ведения химических превращений, определение и поддержание оптимальных режимов про-ведения технологических процессов, способствующих безаварийности функционирования. Для использования таких интеллектуальных систем моделирования и управления техно-логическими установками [1-3] требуются специалисты, обладающие навыками работы с компьютерными системами и знающими особенности химической технологии данного про-цесса. Развитие информационных технологий дает возможность создания комплексов ком-пьютерного тренинга, позволяющего приобрести профессиональные навыки управления тех-нологическими процессами, дополняя не всегда доступные и не исключающие создания аварийных ситуаций тренировки на реальных объектах.
В представленной работе демонстрируются возможности имитационно-моделирующего комплекса одного из самых распространенных химических производств – процесса полимеризации винилхлорида (ВХ) суспензионным способом [4, 5], который позволяет определять изменение физико-химических параметров в процессе полимеризации, параметры технологической аппаратуры и рецептуру для заданной производительности процесса.
Экспериментальная часть
Имитационно-моделирующий комплекс полимеризации винилхлорида суспензионным способом оснащен интерактивной мнемосхемой (рис. 1), двух - и трехмерным режимом отображения установок и технологической аппаратуры (рис. 2), позволяющим пользователю наглядно ознакомиться с конст-рукцией аппаратов и их характеристиками. В частности, приводятся характеристики конструктивных параметров реактора-полимеризатора, нагревателей, конденсатора-холодильника, насосов, сепарато-ров, теплообменников, колонны дегазации, центрифуги и др.
Рис. 1. Интерактивная мнемосхема имитационно-моделирующего комплекса
Рис. 2. 3D модель реактора-полимеризатора
Использование компьютерного тренажера «Полимеризация винилхлорида суспензионным спо-собом» в процессе обучения и тренировки обслуживающего персонала промышленных предприятий и студентов технических университетов позволит за счет предусмотренной в тренажере возможности выбора объема реактора и задания рецептуры (количество винилхлорида и других компонентов) изме-нять производительность процесса, контролировать и прогнозировать изменение значений техноло-гических параметров таких, как температура и давление в реакторе.
Процесс полимеризации винилхлорида изотермический (в зависимости от заданной сте-пени полимеризации температуру поддерживают в пределах 50-72 oС), поэтому необходимо обеспечение условий отвода тепла реакции изменяющегося во времени в зависимости от рецептуры процесса, в частности, от концентрации инициатора полимеризации. Имитационно-моделирующий комплекс в зависимости от концентрации инициатора процесса полимери-зации винилхлорида (например, триго-нокса (диизобутирилпероксида) в пределах 0.062-0.1% масс. от ВХ) позволяет определить при задан-ной степени конверсии необходимое количество хладагента для обеспечения протекания процесса при заданной температуре.
Результаты и их обсуждение
Из анализа экспериментальных данных [6] (рис. 3) следует, что процесс тепловыделения нарастает на начальной стадии полимеризации, достигает максимального значения, а затем убывает. Приведенные кривые теплового потока (Вт/м2) аппроксимируются следующими зависимостями от времени (t, ч) (1, 2, 3).
При концентрации тригонокса 0.062% масс. от ВХ:
Q = 0.000t6 + 0.003t5 - 0.042t4 + 0.270t3 - 0.954t2 + 1.876t - 0.336. (1)
При концентрации тригонокса 0.077% масс. от ВХ:
Q = 0.000t6 - 0.018t5 + 0.186t4 - 0.926t3 + 2.360t2 - 2.680t + 2.327. (2)
При концентрации тригонокса 0.1% масс. от ВХ:
Q = 0.004t6 - 0.100t5 + 0.943t4 - 4.483t3 + 11.34t2 - 14.30t + 8.501. (3)
Рис. 3. Зависимость теплового потока от времени полимеризации при концентрациях инициатора (тригонокса): 0.065 % масс. от ВХ. 0.077 % масс. от ВХ и 0.10 % масс. от ВХ
Указанные зависимости используются для управления расходом хладагента в охлаждаю-щую рубашку реактора для обеспечения изотермического проведения процесса (рис. 4).
Изменение теплового потока в процессе полимеризации приводит к изменению температуры полимер-мономерных частиц винилхлорида, которая существенно отличается от температуры реакционной среды Тс. Из решения стационарного уравнения теплопроводности, для сферических полимер-мономерных частиц радиуса R и коэффициентом теплопроводности l следует, что температура определяется соотношением
| , (4) |
из которого видно, что температура достигает максимального значения в центре при r®0.
Рис. 4. Регулирование изменения температуры реакционной
массы клапаном подачи захоложенной воды
Зависимость отклонения температуры капли от средней температуры в реакторе
в процессе полимеризации для полимер-мономерных частиц R = 100 мкм и l = 1.25Вт/(м·К) приведена на рис. 5. Из приведенных графиков следует, что отклонение температуры внутри капли от температуры реакционной смеси может достигать ~10 °С, что влияет на распределе-ние молекулярной массы молекул полимера.
Имитационно-моделирующий комплекс позволяет исследовать процесс полимеризации при различных температурах и гидродинамических режимах перемешивания определяющих размер полимер-мономерных частиц в процессе полимеризации, и величину молекулярной массы молекул. Из экспериментальных данных [7] следует, что молекулярная масса молекул полимера определяется температурой процесса полимеризации (рис. 6) и изменяется в широких пределах от 250∙103 при температуре полимеризации 50 °С до 70∙103 при темпе-ратуре ~73 °С. Такая температурная зависимость молекулярной массы будет влиять на рас-пределение молекулярной массы молекул внутри полимер-мономерной частицы винилхло-рида в процессе полимеризации учитывая, что центральная часть полимер-мономерной час-тицы винилхлорида имеет более высокую температуру и, следовательно, меньшую молеку-лярную массу, чем периферийные области (см. формулу (4)).
Имитационно-моделирующий комплекс позволяет определять массовую долю молекул с различной молекулярной массой в частице полимера.
На рис. 7 представлена зависимость массовой доли молекул с различной молекулярной массой в частице полимера радиусом ~100 мкм при различной концентрации инициатора про-цесса полимеризации. Из рисунка видно, что при температуре среды в реакторе 50 °С в час-тицах полимера молекулярная масса молекул будет изменяться в широких пределах от 170∙103 до 250∙103 при этом доля молекул с относительно низкой молекулярной массой не превышает 10%. Основная доля молекул ~70% будет приходиться на молекулы молекулярной массой соответствующим температуре среды в реакторе-полимеризаторе.
Имитационно-моделирующий комплекс включает в себя технические калькуляторы рас-чета производительности реактора и загрузки компонентов, которые дают возможность в ходе моделирования различных режимов проведения процесса определять изменяющиеся во времени технологические параметры.
Рис. 5. Зависимость отклонения температуры в капле полимера
от радиуса при различных концентрациях инициатора
Рис. 6. Зависимость средневесовой молекулярной массы полимера от температуры
Имитационно-моделирующий комплекс «Полимеризация винилхлорида суспензионным способом» позволяет не только имитировать процесс полимеризации винилхлорида, но и с помощью включенного в программу модуля «Функциональная схема автоматизации» (ФСА) ознакомиться и изучить систему автоматического управления и контроля процесса в целом, так и отдельных его контуров регулирования. ФСА содержит необходимую базу харак-теристик приборов с подробным описанием их назначения и технических параметров.
Заключение
Использование разработанного имитационно-моделирующего комплекса позволит опре-делять физико-химические свойства поливинилхлорида в процессе полимеризации, будет способствовать обеспечению оптимальных режимов проведения технологических процессов, прогнозировать изменение параметров при возникновении нештатных ситуаций, что повысит уровень безаварийности функционирования.
В обучающем и контролирующих режимах работы с помощью имитационно-модели-рующего комплекса можно оперативно оценить уровень подготовки персонала, а также при необходимости провести их обучение на основе включенных в него модулей виртуального воспроизведения технологического процесса.
Рис. 7. Зависимость объемной доли молекул с различной молекулярной
массой при различной концентрации инициатора
Выводы
1. Из-за теплового эффекта реакции полимеризации температура полимер-мономерных час-тиц винилхлорида отличается от температуры среды в предложенном реакторе-поли-меризаторе. Определено, что температура внутри частиц нарастает по параболическому за-кону, достигая максимального значения в центре. Отклонение температуры от средней в реакторе пропорционально размеру полимер-мономерных частиц и может достигать ~10 °С.
2. Неоднородность температурного поля внутри полимер-мономерных частиц в предложен-ном реакторе-полимеризаторе приводит к расширению спектра распределения молекуляр-ных масс полимера в область меньших значений. При этом доля молекул с относительно низкой молекулярной массой не превышает 10%. Основная доля молекул полимера ~70% будет приходиться на молекулы с молекулярной массой соответствующей температуре среды в реакторе.
3. Использование разработанного имитационно-моделирующего комплекса позволит опреде-лять физико-химические свойства поливинилхлорида, недоступные прямому измерению в ходе проведения процесса (размеры полимерных частиц, распределение температуры, и спектр молекулярных масс), будет способствовать обеспечению оптимальных режимов проведения химических превращений, прогнозировать изменение параметров при откло-нении от штатного режима функционирования.
Литература
[1] А., Х., Р., С., Р. Компьютерный тренажер «Дегидрирование бутенов в электродинамической установке». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, № 000 от 26.11.2010 г.
[2] А., Р., А. Особенности создания имитационно-моделирующих комплексов распространенных нефтехимических процессов на примере процесса синтеза винилацетата. Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т.9. №4. С.127-134.
[3] А., С., Р. и др. Технологические процессы в электродинамических каталитических реакторах: имитационно-моделирующий комплекс (компьютерный тренажер). Регистрационное свидетельство обязательного федерального экземпляра электронного издания . Номер гос. регистрации – 0321103240 (2011).
[4] А., Ф., Н. и др. Полимеризация винилхлорида суспензионным способом: компьютерный тренажер. Регистрационное свидетельство обязательного федерального экземпляра электронного издания . Номер гос. регистрации – 0321400123 (2014).
[5] E. A. Shulaeva, Yu. F. Kovalenko, N. S. Shulaev. Simulation and Modeling Software in Chemical Technology: Polymerization of Vinyl Chloride. Advanced Materials Research. 2014. Vol.1040. P.581-584.
[6] М., Д., В. Технологическое оборудование производства суспензионного поливинилхлорида: Монография. Н. Новгород. 2004. 253с.
[7] Получение и свойства поливинилхлорида. Под ред. Е. Н. Зильбермана. М.: Химия. 1968. 432с.
Основные порталы (построено редакторами)