Имитационно-моделирующий комплекс процесса полимеризации винилхлорида суспензионным способом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационно-моделирующий комплекс процесса полимеризации винилхлорида суспензионным способом

Шулаева Екатерина Анатольевна, Шулаев Николай Сергеевич

и Коваленко Юлия Фанильевна

Кафедра «Автоматизированные технологические и информационные системы»;

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.

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 определять технологические параметры процесса, не поддающиеся прямому измерению (размер полимермономерных частиц, распределение температуры внутри частицы, распределение молекулярных масс полимера); обеспечивает автоматическое управление и поддержание оптимальных режимов проведения химических превращений. Имитационно-моделирующий комплекс, работающий в обучающем режиме, позволяет приобрести навыки управления технологическим процессом, а в контролирующем режиме оценить уровень подготовки обслуживающих специалистов.

Ключевые слова: полимер, винилхлорид, инициатор, среднемолекулярная масса.

химический имитационный моделирующий полимеризация

Введение

Совершенствование и модернизация химико-технологических процессов требует соответствующего 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 процесса. Развитие информационных технологий дает возможность создания комплексов компьютерного тренинга, позволяющего приобрести профессиональные навыки управления технологическими 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 конструкцией аппаратов и их характеристиками. В частности, приводятся характеристики конструктивных параметров реактора-полимеризатора, нагревателей, конденсатора-холодильника, насосов, сепараторов, 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 способом» 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) изменять производительность процесса, контролировать и прогнозировать изменение значений технологических 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 полимеризации 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 охлаждающую 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 следует, что температура определяется соотношением

(4)

из которого видно, что температура достигает максимального значения в центре при r0.

Рис. 4. Регулирование изменения температуры реакционной массы клапаном подачи захоложенной воды

Зависимость отклонения температуры капли от средней температуры в реакторе

химический имитационный моделирующий полимеризация

в процессе полимеризации для полимер-мономерных частиц R = 100 мкм и = 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 распределение 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 температуре ~73 С. Такая температурная зависимость молекулярной массы будет влиять на распределение молекулярной массы молекул внутри полимер-мономерной частицы винилхлорида в процессе полимеризации учитывая, что центральная часть полимер-мономерной частицы винилхлорида имеет более высокую температуру и, следовательно, меньшую молекулярную 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 процесса полимеризации. Из рисунка видно, что при температуре среды в реакторе 50 С в частицах 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 расчета 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 характеристик приборов с подробным описанием их назначения и технических параметров.

Заключение

Использование разработанного имитационно-моделирующего комплекса позволит определять 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-моделирующего 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 частиц винилхлорида отличается от температуры среды в предложенном реакторе-полимеризаторе. 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 молекулярных 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 определять 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 отклонении от штатного режима функционирования.

Литература

1. Шулаева Е.А., Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р., Шулаев Н.С., Феоктистов Л.Р. Компьютерный тренажер «Дегидрирование бутенов в электродинамической установке». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, №2010617837 от 26.11.2010 г.

2. Шулаева Е.А., Даминев Р.Р., Исламутдинова А.А. Особенности создания имитационно-моделирующих комплексов распространенных нефтехимических процессов на примере процесса синтеза винилацетата. Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т.9. №4

3. Шулаева Е.А., Шулаев Н.С., Даминев Р.Р. и др. Технологические процессы в электродинамических каталитических реакторах: имитационно-моделирующий комплекс (компьютерный тренажер). Регистрационное свидетельство обязательного федерального экземпляра электронного издания № 24312 от 27.12.2011. Номер гос. регистрации - 0321103240 (2011).

4. Шулаева Е.А., Нафикова Р.Ф., Лакеев С.Н. и др. Полимеризация винилхлорида суспензионным способом: компьютерный тренажер. Регистрационное свидетельство обязательного федерального экземпляра электронного издания № 34653 от 01.07.2014. 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. Ульянов В.М., Гуткович А.Д., Шебырев В.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.

Размещено на Allbest.ru