Способ автоматического управления процессом

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сопиалистическив

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Кл, 39с, 25/01

42г, 3

Заявлено 28,1.1965 (№ 941445/23-5) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 30.111.1967. Бюллетень № 8

М11К С 08f

G 05b

УДК 22.6.66(088.8) 66 095 26 62-523 8

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров им. С. В. Лебедева

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УП РАВЛ ЕН ИЯ ПРОЦЕССОМ

ПОЛ ИМЕРИЗАЦИ И

Настоящее изобретение относится к способам автоматического управления процессом полимеризации, например в производстве каучуков.

Известны способы автоматического управления процессом полимеризации каучуков, например при помощи управляющей вычислительной машины, путем определения знака отклонения конверсии мономеров от заданного значения с последующим изменением нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, или температуры в зоне реакции.

Настоящее изобретение по сравнению с известным способом позволяет повысить производительность полимеризационной батареи.

Предлагаемый способ заключается в том, что изменение нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, или температуры в зонах реакции производят в зависимости от разности между максимально возможной теоретической и фактической величинами теплосъемов с каждого из полимеризаторов, при этом нагрузку па батарею изменяют одновременно с температурой в зонах реакции или с подачей активирующего комплекса.

Реакция полимеризации идет с выделением тепла, поэтому количество продукта, получаемого с батареи полимеризаторов в единицу времени (производительность), ограничено возможностями теплосъема, т. е. тем количеством тепла, которое может быть отведено от батареи при помощи кожухов и змеевиков, имеющихся в каждом полимеризаторе, и ри условии, что температура полимеризации не должна превышать заданного значения. Количество тепла, которое отводится от полимериза1ора при помощи кожуха и змеевика

10 определяется по формулам

Q, " = К,С (T, — T ) и (1)

Q:" ==, - (Т.. — Т ), (2) отв

15 где Q . — количество тепла, отводимое через кожух, ккал; отв

Q — количество тепла, отводимое через змеевик, ккал;

Vv J — расход рассола через кожух, кг/час;

W, — расход рассола через змеевик, кг/час;

С, — теплоемкость рассола, ккал/кг °

° град;

Т вЂ” температура рассола на выходе из кожуха, град;

҄— температура рассола на выходе из змеевика, град;

T — начальная температура рассола, 30 град.

194311

Если определить максимальное количество тепла, которое можно отводить от каждого полимеризатора батареи прн максимально допустимой температуре реакции, и далее вычислить разность между этим максимальным количеством тепла и количеством тепла, действительно отводимым от каждого полимеризатора батареи в данный момент времени, т. е. если определить тепло, которое может быть дополнительно отведено от каждого полимеризатора, появляется возможность увеличения производительности батареи путем повышения активности процесса за счет максимального использования возможностей теплос.ьема. откуда.,ь,:.4,тма„ С„„и, „„т, Cr,С,„,4 (тм,„,, — — т,,) Q. о св умакс ((>мскс,, а1 с. гА вика б) для змее

В.а С,г, ои ю макс

Тео 7 макс — (Тмакс Т-а)ехр — коэффициент, учитывающий увеличение скорости рассола, протекающего через змеевик; — внешний диаметр змеевика, м;

= коэффициент теплопередачи змеевика, кка.г/м час. град; — длина змеевика, л; — плотность рассола, кгглг:; — внутренний радиус змеевика, лг: — максимальная скорость прохождения рассола через змеевик, м/час. где и» - е

/, Р !

1 макс

Максимальное количество тепла, отводимое от полимеризатора, может быть определено по формулам (1 и 2) при максимальных ра=ходах У/ и W, в кожухе и змеевике н максимально допустимой температуре реакции Т. При этом оказывается неудобным непосредственно измерять температуру рассола на выходе кожуха и змеевика — Т . и Т „, так как для этого нужно подавать максимальное количество рассола в змеевик и кожух—

К;мак, и Ю,м„,, и тем самым вносить возмущения в процесс. Температуры рассола Т, и Т„для этого случая могут быть определены из следующих уравнений тепловых балансов кожуха и змеевика в статике: а) для кожуха г(/,.4. (Тм,к, — I;) C,„Ã;„„., (Т вЂ” Т„„), где ni — коэффициент, учитывающий увеличение скорости рассола, протекающего через кожух;

U — коэффициент теплопередачи кожуха, ккал/и- час град;

Ау — поверхность теплопередачи кожуха, лг- ;

Тмакс — максимально допустимая температура реакции, град;

Далее по формуле (2) можно определить

Qñ отв смакс

Qс — |г с, С1в (Тмакс Т- ) ", /, D Яву !!

; 1- ехр р C. ã -"„„„) (4) 30 где А, — поверхность теплопередачи змеевика, м- .

Коэффициент теплопередачи является функцией времени работы данного полимеризатора в батарее, так как изменение коэффициентов теплопередачи происходит в результате постоянного нароста коагулюма на стенках кожуха и змеевика. Поскольку вязкость

40 эмульсии при эмульсионной полимеризации по длине батареи меняется незначительно, можно считать, что коэффициенты теплопередачи кожухов и змеевиков меняются с одинаковыми скоростями во всех полимеризаторах

46 и зависят только от времени работы полимеризаторов в батарее. Следовательно, изменение этих коэффициентов может быть скорректировано при помощи УВМ. Кроме того, коэффициенты теплопередачи зависят от скорости протекания рассола по змеевикам и кожухам отдельных полимеризаторов. Эта зависимосгь может быть учтена при помощи коэффициентов п1 и а2, которые введены в формулы (3 и 4) .

Как известно, производительность батареи равна

17=- F где F — нагрузка э м у л ьсн и н а батарею, лЯчас; ср — конверсия мономеров.

Для увеличения производительности нужно не просто увеличить подачу эмульсии на батарею (нагрузку F), что приведет к соответ6S ствующему уменьшению конверсии мономе60

Исследуя формулы (3 и 4), можно видеть, что в координатах Q — W они имеют экспоненцнальный характер и предел, к которому онн стремятся, определяется коэффициентами теплопередачи UJ и U, .

Следовательно, максимально возможный теплосъем при выбранном расходе рассола и максимально допустимой температуре реакции ограничен коэффициентами теплопередачи. Коэффициенты теплопередачи могут быть определены из тепловых балансов кожуха и змеевика при помощи управляющей вычислительной машины (УВМ): а) для кожуха „„ ; (,— ; )

25 rl) (т — ;:) где Т вЂ” температура реакции, град. б) для змеевика

194311 отв отв (о) где отв @отв отв (8) У1 К

F=

Х (9) ров ry при сохранении прежней производительности, но необходимо повысить также активность процесса полимеризации, чтобы поддержать конверсию на заданном уровне для обеспечения определенного качества "конечного продукта и повышения производительности полимсризационной батареи.

Увели ение активности процесса может быть достигнуто повышением температуры реакции в полимеризаторах, а также увеличением концентрации активирующего комплекса (или одного из его компонентов).

Запас по теплосъему может быть определен при помощи УВМ для каждого полимеризатора как разность между максимально возможным отводимым теплом и теплом. отводимым в данный момент времени, а именно:

Qотв отв, - отв и макс «/макс «смакс

Количество тепла, которое выделяется в процессе реакции полимеризации, например при реакции нулевого порядка, определяется следующим. образом:

Q=-V p.AH К, (6) где V — объем полимеризатора, ма; р — плотность эмульсии, кг/ма;

ЛН вЂ” удельная теплота реакции, ккал/кг;

К вЂ” скорость реакции, ма/час.

Из уравнения (6) можно определить увеличение скорости реакции ЛК;, т. е. увеличение активности процесса, которое можно произвести, исходя из имеющегося запаса теплосьема AQ, для каждого полимеризатора .х К,.: —- (7) Кроме того, необходимо также определить текущие значения скорости реакции К, в каждом полимеризаторе из следующего уравнения:

Qi

ЬН

Текущие значения скорости реакции К,. могут быть уточнены при помощи уравнений материальных балансов отдельных полимеризаторов в статике

/ (х, — х,-,) =- v.i . где Х,. — конверсия мономеров в 1 -м полимеризаторе, %.

Однако для этого необходимо поставить датчики конверсии на входе и выходе для тех полимеризаторов, скорость реакции которых нужно проверить. Зная зависимости скорости реакции от температуры реакции К =- f (Т), можно определить при помощи УВМ насколько в каждом полимеризаторе нужно повысить температуру реакции, чтобы использовать имеющийся запас теплосъема ЛЯ, .

Здесь могут быть два случая:

1. Увеличивая температуру реакции, повышают скорость реакции до нового рассчитанного значения /(;ра . При этом температура не выходит 33 верхний допустимый предел.

В этом случае весь запас теплосъема будет реализован путем увеличе|п1я температуры реакции, т. е. при

К - /,i- ; т, . Тм„„, где /(„ -- скорость реакции, достигнутая в i-ом полимеризаторе за счет

15 увеличения в нем температуры реакции — Т;.

2. Температура реакции достигнет верхнего предела, а скорость реакции Кгт не получит увеличения, определяемого по формуле (7) для данного полимеризатора, т. е.

Ti-- — — Тмакс а Kiò --- Ki ас °

В этом случае весь запас по теплосъему использовать за счет увеличения темпера25 туры реакции не удается. Это можно сделать увеличением концентрации активирующего комплекса.

Таким образом, для некоторых полимеризаторов (первый случай) должна быть принята

З0 скорость реакции, рассчитанная при помощи управляющей вычислительной машины по формуле (7), для других (второй случай) должна быть принята скорость реакции, определяемая из зависимости К = f (Т), исходя из недопустимости превышения верхнего предела температуры реакции.

Далее рассчитывают среднюю скорость реакции К,р для всей батареи и из уравнения материального баланса полимеризацион40 ной батареи находят нагрузку F на батарею по формулам

45 где N — число полимеризаторов в батарее; и F 4 = / 1 Кср где Х вЂ” концентрация полимера на выходе из последнего полимеризатора, кг/к:".

50 Откуда

Таким образом, нагрузка F соответствует активности процесса усредненной по длине полимеризационной батареи, и следовательно, концентрация полимера на выходе промежуточных зон и отдельных полимеризаторов может не соответствовать заданному значе60 нию, однако на выходе из батареи концентра. ция полимера (конверсия) будет равна заданной, что и обеспечит заданное количество готового продукта.

Поэтому нужно непрерывно определять, на.

65 пример при помощи УВМ, текущие значения

194311 скоростей реакции К, всех полимеризаторов и соответственно корректировать подачу эмульсии на батарею по формулам (8 и 9), что обеспечит точное поддержание конверсии на выходе батареи.

Как уже было сказано ранее, в некоторых полимеризаторах не весь запас теплос ьема может быть использован повышением температуры реакции. В таких случаях для более полного использования запаса теплосъема можно увеличить концентрацию активирующего комплекса и тем самым поднять активность процесса полимеризации. Однако увеличение концентрации активирующего комплекса через некоторое время, определяемое параметрами полимеризаторов, отразится нз, всех последующих полимеризаторах, поэтому оно возможно только при наличии неиспользованно "o запаса теплосъема в последнем полимеризрторе. ! a«как коэффициенты теплопередачи, определяющие запас теплосъема, имеют по длине батареи разные значения, зависящие от времени работы полимеризатора в батарее, то коэффициент теплопередачи хотя оы одного полимеризатора, запас теплосъема которого в основном определяется увеличением температуры реакции, будет наименьшим.

Если этот реактор находится не в конце батареи, а является промежуточным л-ым, то в N — и-последний полимеризаторах появляется возможность увеличить концентрацию активирующего комплекса. Это делается следующим образом.

Определяется возможное увеличение скорости реакции для последнего полимеризатора как разность между расчетной скоростью реакции и скоростью, достигнутой за счет повышения температуры реакции, по формуле Кжс — Ки рас +NT где Кvpac расчетная скорость реакции в последнем полимеризаторе;

Advt — скорость полимеризации в последнем полимеризаторе при температуре Т.

Увеличение скорости реакции ЛКмс в последнем полимеризаторе может быть достигнуто дополнительной подачей активирующего комплекса. При этом активирующий комплекс может быть подан или весь в последний полимеризатор, или распределен по полимеризаторам, расположенным непосредственно за тем, запас теплосъема которого близок к нулю. В последнем случае можно получить более высокую производительность, так как скорость реакции повышается не только в последнем полимеризаторе, но и в нескольких предыдущих. Однако в этом случае необходимо дополнительно рассчитать при помощи управляющей вычислительной машины распределение повышения скоростей реакции по полимеризаторам, причем ограничением повышения скорости реакции в каждом полимеризаторе служит в нем запас теплосъема. Кроме того, подача активирующего комплекса в по. лимеризаторы должна быть осуществлена так, чтобы скорость реакции в последнем полимеризаторе не превышала расчетного зна5 чения. Поскольку активирующий комплекс оказывает модифицирующее действие на процес полимеризации, необходимо соответственно изменить подачу модификатора, чтобы обеспечить неизменным качество получае10. мого продукта.

В частном случае, если позволяет запас теплос ьема. увеличение скоростей реакции может быть произведено равномерно по полимеризаторам, расположенным за тем, запас

15 теплосъема которого близок к нулю. B этом случае определяется увеличение скорости реакции для полимеризатора, следующего непосредственно за п-ым, по формуле ь, 20 ЛКл- г—

М вЂ” n

35 (10) 40

Затем из зависимости скорости реакции от концентрации активирующего комплекса

К = — t (С,„) определяется соответствующее увеличение концентрации для всех М вЂ” и-последних полимеризаторов. Подача активирующего комплекса осуществляется по portoлнительным трубопроводам, подведенным к каждому полимеризатору.

Поскольку увеличение активности процесса в одном полимеризаторе отражается на всех последующих, увеличение скорости реакции для любого из N — n-последних полимеризаторов, может быть рассчитано по следующей формуле

Для последнего полимеризатора ЛК гс == ЛКлс, т. е. увеличение активности будет соответствовать имеющемуся запасу теплосъема. Нужно учитывать также повышение скорости реакции, определяемое по формуле (10) в N — n-последних полимеризаторах и одновременно по формулам (8 и 9) рассчитывать новое значение нагрузки F на батарею, что увеличивает производительность при сохранении заданного значения конверсии мономеров на выходе полимеризационной батареи.

При автоматическом управлении процессом полимеризации, например процессом эмульсионной полимеризации, в случае повышенных требований к качеству готового продукта, когда необходимо поддерживать температуру реакции в каждом полимеризаторе в узких пределах, исключается возможность использования температуры реакции для повышения активности процесса полимеризации.

В этом случае повышение производительности полимеризационной батареи за счет использования запаса теплосъема может быть осуществлено только дополнительной подачей активирующего комплекса в реакторы батареи и повышением нагрузки па батарею в

194311

Составитель Е. P. Розанцева

Редактор Л. K. Ушакова Техред Л. Брнккер Корректоры: М. П. Ромашова и Е. Ф. Полионова

Заказ 1375!18 Тираж 535 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2 соответствии с расчетом, выполненным УВМ по способу, описанному ранее. Температуру реакции в каждом полимеризаторе поддерживают в узких пределах охлаждающим рассолом, подаваемым в кожухи и змеевики полимеризаторов. Поскольку для поддержания температуры в узких пределах с помощью рассола необходимо иметь определенный запас теплосъема, то фактически найденный запас теплосъема в каждом реакторе используют для повышения производительности полимеризационной батареи путем дополнительной подачи активирующего комплекса и увеличения нагрузки, в соответствии с расчетом, описанным выше, и для борьбы с возмущениями в канале регулирования температуры реакции.

Запас теплосъема в соответствии с конкретным возмущением, действующим в процессе в данный момент времени, корректируют с помощью управляющей вычислительной машины. При этом большая часть запаса теплос.ьема может быть использована для повышепия производительности полимеризацпонной оатаоси

Предмет изобретения

1. Способ автоматического управления процессом полимеризации, например с помощьго управляющей вычислительной машины, путем изменения нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, илп температур в

10 зонах реакции, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности полимеризационной батареи, изменение указанных параметров производят в зависимости от разности между максимально возможной теоре15 тической и фактической величинами теплосъсмов с каждого из полимеризаторов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку на батарею, подачу активирующего комплекса и температуру в зонах реакции

20 изменяют одновременно.

3. Способ по пп. 1 и 2, oT,ãè÷òoùèé ñÿ тем, что нагрузку на батарею изменяют одновременно с температурой в зонах реакции или с подачей активирующего комплекса.