Расчет в текущем режиме технологических параметров процесса полимеризации бутилкаучука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет в текущем режиме технологических параметров процесса полимеризации бутилкаучука

Представлена математическая модель для расчета ключевых технологических параметров процесса полимеризации в производстве бутилкаучука ПАО «Нижнекамскнефтехим», теоретической основой которой являются уравнения материального баланса систем «полимеризатор- дегазатор первой ступени». На основе моделирования разработан алгоритм расчета параметров процесса синтеза бутилкаучука (масса полимера, конверсия процесса, проиндекс, концентрация стеарата кальция в полимере) в режиме реального времени в распределенной системе автоматизированного управления процессом полимеризации бутилкаучука.

Бутилкаучуки (БК) применяют в производстве автомобильных камер, теплостойких деталей вулканизационного оборудования (например, варочных камер и диафрагм форматоров-вулканизаторов), многих резинотехнических изделий (паропроводных рукавов, теплостойких конвейерных лент, прорезиненных тканей и др.). На основе БК изготавливают изоляцию кабелей высокого и низкого напряжения, гуммировочные покрытия химической аппаратуры, кровельные покрытия, детали доильных аппаратов, некоторые изделия медицинского назначения и др. [1].

Общее мировое потребление бутилкаучуков и их химической модификации-галобутилкаучуков ежегодно растет и уже превышает один миллион тонн в год [2]. На мировом рынке БК доминируют американская Exxon Mobil Chemical и германская Lanxess [3], [4], при этом доля Российской Федерации от мирового производства составляет около 23%. В условиях жесткой конкуренции со стороны зарубежных производителей проблема повышения качества отечественных бутилкаучуков и увеличение объемов их производства является актуальной задачей для развития отрасли.

Лидером производства бутилкаучуков в Российской Федерации является ПАО «Нижнекамскнефтехим». На заводе БК ПАО «Нижнекамскнефтехим» [5] процесс синтеза бутилкаучука осуществляется путем сополимеризации изобутилена с изопреном в реакторах с мешалками в присутствии катализатора - хлористого алюминия в среде инертного растворителя- хлористого метила. В производстве используются  восемь систем «полимеризатор (поз. 52) -дегазатор первой ступени (поз. 53)», из которых две находятся в резерве, а шесть - в работе, при этом длительность циклов пробегов полимеризаторов невелика [6], [7]. Существует производственная необходимость повышения эффективности процесса и увеличения длительности циклов пробегов реакторов полимеризации, а также стабилизации свойств бутилкаучука и базового полимера для галобутилкаучука.

Для управления процессом синтеза БК в соответствии с требованиями технологического регламента необходимо получение оперативных и достоверных данных о качестве продукции на стадии полимеризации.  С этой целью разработаны математическая модель процесса, теоретической основой которой являются уравнения материального баланса, а на ее основе  алгоритм определения в текущем режиме следующих ключевых параметров процесса полимеризации: масса полимера, конверсия процесса, проиндекс, концентрация стеарата кальция в полимере. Разработанный алгоритм (рис.1) реализуется в виде программного модуля в автоматизированной распределенной системе управления процессом [8], [9], [10] для расчета указанных параметров в режиме реального времени.

Исходными данными для построения математической модели являются значения параметров, полученных путем опроса датчиков систем «полимеризатор-дегазатор первой ступени». При построении математической модели используются следующие допущения:

1) конверсия изопрена составляет 50%;

2) 3% хлорметила уходит с крошкой каучука на вторую ступень дегазации и далее с пульпой.

Рис.1 - Алгоритм расчета в текущем режиме технологических параметров процесса полимеризации БК

Одним из ключевых параметров процесса синтеза БК является конверсия мономеров, о величине которой судят по следующим показателям:

- содержание изобутилена в шихте, подаваемой на полимеризацию;

- содержание изобутилена в газах отсоса дегазаторов первой ступени.

В процессе получения бутилкаучука конверсию обычно рассчитывают по изобутилену, поэтому текущее значение конверсии, полученное по результатом j-го опроса датчиков расхода и состава:

,

где  - расход шихты в полимеризатор (поз.FC8072_1…7, FIC8072_8), кг/час;  - концентрация изобутилена в шихте  (поз.QA0906_3_1), % мас.;   -  количество полимера, получаемого c одной системы полимеризации в единицу времени.

Из полимеризатора на первую ступень дегазации поступает хлористый метил в количестве:

где  - концентрация изопрена в шихте  (поз.QA0906_3_2), % мас.;  - суммарный расход

катализаторного раствора (большой + малый контуры) (поз. FC8073B,M1…6, FC8073B,M_7, FIC8073B,M_8), кг/час.

С учетом допущения 2, из дегазатора первой ступени с хлорметилом в период крошкообразования уходит изобутилен в количестве:

где VISTA- концентрация изобутилена в газах отсоса дегазатора первой ступени  (поз.VISTA_1…6, QA0906_7,QIA0906_8), % мас.

При отсутствии допущения 2, т.е. без  учета 3% хлорметила, уходящего с крошкой каучука на вторую ступень дегазации, количество уходящего изобутилена (непрореагировавшего):

Следовательно, количество получаемого в единицу времени полимера c одной системы полимеризации по результатам j-го опроса датчиков:

Количество полимера, получаемого c одной (i-й) системы полимеризации за сутки цикла полимеризации:

где Дt - период опроса датчиков расхода и состава (на заводе БК ПАО «Нижнекамскнефтехим» 30 сек.), N- количество опросов датчиков за сутки цикла полимеризации.

Таким образом, количество полимера, получаемого cо всех систем полимеризации за сутки:

где i- номера реакторов полимеризации, находящихся в цикле пробега в расчетные сутки.

Эффективность катализатора характеризуется проиндексом:

где  - концентрация хлористого алюминия.

На первой ступени дегазации полимеризат подвергают обработке острым водяным паром  в присутствии антиагломератора на основе стеарата кальция. Количество стеарата кальция, подаваемого на первую ступень дегазации, составляет:

где  - расход суспензии в дегазатор первой ступени (поз.FC8127_1,…8),  - концентрация стеарата кальция в суспензии.

Следовательно, концентрация стеарата кальция в полимере составляет:

- при учете допущения 2

- без учета 3% хлорметила, уходящего с крошкой каучука на вторую ступень дегазации поз.55,

Заключение

Представлена математическая модель для расчета параметров в производстве бутилкаучука ПАО «Нижнекамскнефтехим», теоретической основой которой являются уравнения материального баланса.

На основе моделирования процесса полимеризации бутилкаучука разработан алгоритм расчета в режиме реального времени ключевых технологических параметров процесса по результатам опроса датчиков расхода и состава систем «полимеризатор дегазатор первой ступени» для реализации в распределенной системе управления.

Список литературы

алгоритм бутилкаучук математический

1.Бутилкаучук [Электронный ресурс]. - URL: http://www.xumuk.ru/encyclopedia/665.html (дата обращения: 5.09.2018).

2.Аксенов В.И. Производство синтетических каучуков в Российской Федерации и за последние десять лет. Краткие итоги / В.И.Аксенов, В.Л.Золотарев, А.В.Малыгин, А.И.Рахматуллин // Промышленное производство и использование эластомеров. - -№1. -С. 10- 17.

3.Российская промышленность синтетического каучука: логистика, экспорт и инвестиции [Электронный ресурс]. -- URL: https:// plastinfo.ru/ information/ articles/147(дата обращения: 15.10.2018).

4.Международный деловой журнал «Евразийский химический рынок» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.chemmarket.info (дата обращения: 25.11.2018).

5.Годовой отчет ПАО «Нижнекамскнефтехим» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.nknh.ru/financial_information/yearly_report/ (дата обращения: 30.11.2018).

6.Лежнева Н.В. Математическое моделирование и оптимизация узла полимеризации бутилкаучука / Н.В.Лежнева, В.И.Елизаров, В.В.Елизаров, Э.Р.Галеев // Вестник Казанского технологического ун-та. -2017. -Т. 20. -Вып. 3. -С. 132-136.

7.Галеев Э.Р.Математическое моделирование процесса полимеризации бутилкаучука / Э.Р.Галеев, Н.В. Лежнева, В.В.Елизаров, В.И.Елизаров // Вестник Казанского технологического ун-та. -2016. -Т. 19. -Вып. 23. - С. 92-955.

Размещено на Allbest.ru