авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Системный анализ и моделирование в задачах управления качеством в процессах растворной полимеризации

На правах рукописи

ТИХОМИРОВ Сергей Германович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

В ПРОЦЕССАХ РАСТВОРНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и о бработка

информации (в пищевой и химиче ской промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Воронеж – 2008

Работа выполнена на кафедре информационных и управляющих си стем ГОУ ВПО Воронежской государственной технологической академ ии

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Битюков Виталий Ксенофонтович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гордеев Лев Сергеевич, РХТУ им. Д.И. Менделеева Д октор технических наук, профессор Матвейкин Валерий Григорьевич Тамбовский государственный технич еский университет, Д октор технических наук, профессор Корыстин Сергей Иванович, Воронежская государственная технологич е ская академия

Ведущая организация: ФГУП НИИСК, г. Воронеж

Защита состоится « 19 » июня 2008 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.035.02 в Государственном образовател ь ном учреждении Воронежской государственной технологической акад е мии по адресу: 394017, г. Воронеж, проспект Револ юции, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Хаустов И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основной целью управления больши н ством технологических процессов является достижение заданного к а чества производимой продукции. В то же время во многих случаях технические средства измерения показателей качества либо отсутст вуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. В такой ситуации для получения необходимой информации можно использовать методы математического моделирования технол о гических процессов с целью получения зависимости неизмеряемых показателей качества от оперативно измеряемых характеристик да н ных процессов. Но даже при условии решения задачи определения п о казателей качества в процессе производства возникает еще одна пр о блема – разработка методов управления качеством производимого про дукта, отличающихся от традиционно используемых методов управл е ния технологическими процессами.

Типичными примерами технологических процессов являются процессы получения синтетических каучуков и термоэластоп ластов ме тодами растворной полимеризации. Наиболее важными показателями качества синтетических каучуков, соответствующими требованиям Гос у дарственного стандарта (ГОС), являются пласто -эластические характери стики каучуков: вязкость по Муни ( Mh) и пластичность по Карреру (Pl).

Оперативный контроль показателей качества производимых каучуков отсутствует, а управление технологическими процессами осуществляется методами регулирования режимных технологических параметров, что обуславливает запаздывание по коррек тировке качества производимых каучуков. Это приводит к негативным последствиям в условиях крупно тоннажности технологических процессов и существенного влияния не контролируемых возмущений на различных стадиях производства. По этому поставленная для решения в диссертации проблема разработки м е тодов управления качеством продукции для технологических процессов растворной полимеризации в производстве эластомеров является акт у альной, а ее решение имеет научное и народно-хозяйственное значение.

Данная работа является продолжением исследований по модел и рованию и управлению процессами растворной полимеризации, кот о рые в течение длительного времени проводились в РХТУ им. Д.И.

Менделеева под руководством академика В.В. Кафарова, в ВГТУ под руководством профессора С.А. П одвального и в отраслевых НИИ (НИИСК (г. Санкт-Петербург), НИИСК (г. Воронеж), ОКБА (г. Мос к ва)).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы я в ляется разработка методологии построения систем управления и мето дов формирования математических мо делей молекулярно-структурных характеристик полимеров в режиме реального времени на основе о б работки получаемой информации для периодических и непрерывных технологических процессов в производстве эластомеров, обеспечи вающих достижение заданного качества пр оизводимой продукции.

Реализация поставленной цели осуществляется посредством р е шения следующих задач:

1.Системный анализ процессов, методов косвенных и прямых измерений характеристик качества полимеров, систем контроля и управления для типовых периодических и непрерывных технологич е ских процессов растворной полимеризации.

2.Обоснование методологии конструирования и разработка ма тематических моделей периодических и непрерывных процессов ра с творной полимеризации с учетом связи показателей качества и стру к турно-молекулярных свойств полимеров с контролируемыми и упра в ляющими переменными, определяющими протекание технологич еских процессов на всех стадиях производства.

3.Получение и обоснование связей реологических характеристик растворов полимеров с пласто-эластическими свойствами, опреде ляющими их показатели качества.



4.Разработка методов контроля, позволяющих в режиме реальн о го времени по доступной информации о состоянии технологическ ого процесса оценивать показатели качества производимых полимеров:

вязкости по Муни и пластичности по Карреру.

5.Постановка и решение задачи оптимального управления путем введения показателей качества технологических процессов раство рной полимеризации в пространство управляемых переменных с использ о ванием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.

6.Разработка и апробация в условиях реального производства ал горитмического и программного обеспечения для реализации методов моделирования и расчетов управляющих воздействий в замкнутой си с теме оптимального регулирования показателей качеств а производимых полимеров с применением ЭВМ.

Методы исследования. В работе используются общая методол о гия системного анализа и моделирования сложных систем, методы фи зической химии, термодинамики и теплофизики, гидростатики и гид родинамики, математической статистики, математического моделиро вания и дифференциального исчисления, методы идентификации, те о рия оптимального управления динамическими системами и экспери мент.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разрабо т ке комплексного системного п одхода, методологии и решения многофак торной задачи управления качеством производимых в растворе полим е ров и характеризуется следующими результат ами:

1. Математические модели периодических и непрерывных те х нологических процессов растворной полимеризации, дополненные уравнениями, позволяющими рассчитывать эволюцию структурно молекулярных свойств и связанных с ними показателей качества п о лимеров на ключевых стадиях указанных процессов.

2. На основе экспериментальных исследований получены и обо с нованы зависимости реологических характеристик растворов полим е ров от их пласто-эластических и структурно-молекулярных свойств:

средней молекулярной массы, коэффициента полидисперсности и п а раметра разветвленности в широком диапазоне их изменения. Получе но решение обратной задачи определения структурно -молекулярных свойств полимеров по значениям эффективной вязкости растворов п о лимеров при различных скоростях сдвигов, что позволяет получать информацию о формировании производимой продукции с различным композиционным составом.

3. Разработан метод определения эффективной вязкости раств о ров полимеров при различных скоростях сдвигов, основанный на и з мерении физических характеристик технологического процесса: пер е паде давлений и потребляемой электрической мощности на перемеш и вание реакционной среды, непосредственно связанных с указанной эффективной вязкостью. Предложен гидростатический и тепловой м е тод определения концентрации полимера и конверсии мономера. На основе этих методов создана система контроля показателей качества полимеров в режиме реального времени в условиях неоднородности фракционного состава полимеров.

4. Решена задача управления качеством производимой проду к ции для непрерывных и периодических технологических процессов растворной полимеризации с использовани ем динамических моделей и аппарата нечеткой логики.

На защиту выносятся:

1. Комплекс математических моделей периодических и непреры в ных процессов растворной полимеризации с учетом эволюции показа телей качества и структурно-молекулярных свойств полим еров.

2. Уравнения связи структурно-молекулярных (средняя молек у лярная масса, коэффициент полидисперсности, параметр разветвле н ности) и качественных (вязкость по Муни, пластичность по Карреру) свойств полимеров с экспериментально измеряемыми вязкостными характеристиками растворов полимеров.

3. Методы контроля, обеспечивающие на ключевых стадиях си н теза полимеров в режиме реального времени получение оценок показ а телей качества полимеров с помощью прямого измерения рекоменду е мых физических характеристик технол огического процесса.

4. Решение задачи оптимизации управления динамической си с темой, удовлетворяющей условиям управляемости и наблюдаемости, посредством введения оценок ненаблюдаемых переменных состояния системы на основе предложенных методов косвенных из мерений.

5. Постановка и решение задачи управления качеством период и ческих и непрерывных технологических процессов растворной пол и меризации путем введения показателей качества производимых поли меров в пространство управляемых переменных системы с использ о ванием динамических моделей и аппарата нечеткой логики.





Практическая значимость работы состоит во внедрении разраб о танных методов контроля и управления, алгоритмического и пр о граммного обеспечения в реально действующие производства полим е ров в растворах.

Основные теоретические и практические результаты диссерт а ции апробированные в производстве, можно рекомендовать для вн е дрения на предприятиях СК и применения проектным организациям при проектировании и модернизации технологических процессов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Автоматизация и робот и зация в химической промышленности», Тамбов, 1988;

В сесоюзной конференции «Математическое моделирование сложных химико технологических систем», К азань, 1988;

Всесоюзной конференции «Методы кибернетики химико -технологических процессов», Москва, 1989;

Международной конференции, Intensivierung der Kautschukher stellung, DDR, 1990;

Научно-исследовательской конференции МХТИ, Москва, 1991;

Всесоюзной конференции по математическому и м а шинному моделированию, Воронеж, 1991;

Республиканской электро н ной научной конференции, Воронеж, 1997;

Всероссийской конфере н ции «Синтез и полимеризационные превращения», «Каучук -99», Мо сква, 1999;

IV Международной электронно й научной конференции, Воронеж, 1999;

Международной отраслевой конференции по метрол о гии и автоматизации в нефтехимической и пищевой промышленн о сти», Воронеж, 2002;

Международной конференции «Киберн етика и технологии 21 века», Воронеж, 2003 ;

Международной конференции «Математическое моделирование информационных и технологич еских систем», Воронеж, 2005;

XIX Международной научной конф еренции «Математические методы в технике и технологиях», Вор онеж, 2006;

научно-практической конференции «Качество науки – качество жиз ни», Тамбов, 2006.

Результаты работ прошли апробацию на ОАО «Ефремовский з а вод синтетического каучука» и «Воронежсинтезкаучук», где под рук о водством и непосредственным участием автора были разработаны и внедрены системы контроля и управления технологическими процес сами. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результ а тов исследований составил более 2 миллионов рублей в ценах 2000г.

Публикации. По результатам произведенных исследований и практических разработок опубликованы 54 научных работы, включая 10 работ в научных изданиях и журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов докторской диссертации, получено 6 патентов и авторских свидетельств на из о бретения.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заклю чается в по становке задач и их решении. Автором разработаны математические модели [1, 2, 3, 7, 13, 26, 27, 39], методы расчетов для проведения их параметрической идентификации [9-11, 20, 25, 29, 42, 45, 48-51, 53, 54], предложены алгоритмы и написаны прог раммы, реализующие функции моделирования [8, 18, 30, 32-34, 41, 46], расчета управляю щих воздействий для замкнутой системы оптимального регулиров ания [5, 12, 14, 15-17, 19-24, 28, 31, 35-38, 43, 44, 47, 52]. Результаты, во шедшие в диссертационную работу, я вляются итогом исследований, проведенных автором совместно с сотрудниками РХТУ им. Менделе е ва (Москва) и ВГТА (Воронеж). Участие ведущих соавторов публика ций заключалось в следующем: академик В.В. Кафаров, д.т.н. профе с сор В.Н. Ветохин, д.т.н. профессор В. К. Битюков и д.т.н. профессор В.Ф. Лебедев участвовали в постановке задач, обсуждении и интерпр е тации результатов, опубликованных в совмес тных работах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 270 стра ницах машинописного текста, состоит из введен ия, пяти глав, 57 ри сунков, 22 таблиц, заключения, списка литературы из 278 наименова ний и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулиров а ны цели и задачи, научная новизна диссертационной работы, пре д ставлены выносимые на защиту научные положения и результаты.

Первая глава посвящена системному анализу многофакторных характеристик и закономерностей периодических и непрерывных те х нологических процессов получения синтетических каучуков (СК) м е тодом растворной полимери зации, математических моделей и методов математического моделирования, исследованию современного уро вня контроля и управления в условиях неполной информации. Провед ено сравнение способов производства СК реакторах периодическ ого (РПД), непрерывного (РНД) и полунепрерывного (РПНД) дейс твий (Табл. 1), рассмотрены стадии исследования процессов растворной п о лимеризации (Табл. 2) и выполнен системный анализ по дходов к управлению процессами (Табл. 3).

Исследуемые технологические процессы характеризуются сло ж ностью и недостаточной изученностью механизмов реакций, нелине й ностью, наличием возмущающих воздействий, в том числе св язанных с неконтролируемыми примесями в составе сырья, что необходимо уч и тывать при построении математических моделей и систем управл ения.

Основным недостатком существующих математических моделей процессов полимеризации в растворе является отсутствие оценки стру к турно-молекулярных свойств и связанных с ними показателей к ачества получаемого продукта – вязкости по Муни и пластичности по Карреру, на всех стадиях производственного процесса. Недост аточно изучена связь особенностей гидродинамического движения реакцио нной массы по реакторам каскада с показателями качества пол учаемого каучука.

Используемые средства контроля показателей синтезируемых полимеров основаны преимущественно на лабораторных методах ан а лиза, которые требуют большого времени измерения по сравнению с характерным временем изменения параметров технологических пр о цессов. Методы, используемые для управления технологическими процессами, не обеспечивают поддержание молекулярно -массового распределения (ММР) полимеров, необходимого для получения опт и мального качества производимого продукта.

Таблица Сравнительный анализ способов производства СК РПД П р е и м ущ е ств а Н е д о ста тки М о б и л ь н о сть те хн о л о ги и п р о и зв о д ств а С л о ж н о сть а в то м а ти за ц и и м а л о то н а ж н о й п р о д укц и и У н и в е р са л ь н о сть и сп о л ь зуе м о й а п п а р а тур ы Н и зка я п р о и зв о д и те л ь н о сть М и н и м а л ь н о е в р е м я в ы хо д а п р о ц е сса н а режим Л уч ш и е ф и зи ко-хи м и ч е ски е усл о в и я по отношению к реактору непрерывного действия (РНД) по отношению к реактору непрерывного действия (РНД) п р о те ка н и я п р о ц е сса У в е л и ч е н и е ч и сл а п а р а л е л ь н о-д е й ств ую щ и х а п п а р а то в д л я п р о и зв о д ств а м н о го то н а ж н о й В о зм о ж н о сть со в м е щ е н и я а п п а р а тур ы д л я п р о д укц и и р а зн ы х ста д и й п р о ц е сса М и н и м ум а п п а р а тур ы д л я в е д е н и я п р о ц е сса К р и ти ч н о сть к ув е л и ч е н и ю о б ъ ё м а а п п а р а тур ы Р а зд е л е н и е и схо д н ы х в е щ е ств и п р о д укто в р е а кц и и в р е м е н н ы м б а р ь е р о м М и н и м а л ь н о е в р е м я в в о д а уста н о в ки в Ц и кл и ч н о сть п р о ц е сса д е й ств и е Г и б ко сть к ко н ь ю ктур е р ы н ка У н и в е р са л ь н о сть п о в и д а м и сп о л ь зуе м ы х Н а л и ч и е м е ж ста д и й н ы х р е а ге н то в и ф и зи ч е ски м ха р а кте р и сти ка м п е р е хо д о в РМ Н и зки е тр е б о в а н и я п о н а д е ж н о стн ы м ха р а кте р и сти ка м В о зм о ж н о сть и зуч е н и я ф и зи ко-хи м и ч е ски х и Н е ста ц и о н а р н о сть п р о и схо д я щ и х в те р м о д и н а м и ч е ски х п а р а м е тр о в п р о ц е сса р е а кто р е п р о ц е ссо в В ы со ко е ка ч е ств о п о л уч а е м о го п р о д укта Х о р о ш а я уп р а в л я е м о сть п р о ц е ссо м У худ ш е н и е ка ч е ств а п о л уч а е м о го п р о д укта п р и ув е л и ч е н и и о б ъ ё м а р е а кто р а В о зм о ж н о сть п о л уч а ть п р о д укц и ю б о л е е Д о п о л н и те л ь н ы е сл о ж н о сти п о в ы со ко го ка ч е ств а а в то м а ти за ц и и р е а кто р а по отношению к РПНД по отношению к РПНД Н а л и ч и е д о п о л н и те л ь н ы х в о зм о ж н о сте й п о З а тр а ч и в а н и е б о л ь ш е го в р е м е н и д л я в в о д а уп р а в л е н и ю п р о ц е ссо м уста н о в ки в д е й ств и е Б о л е е в ы со ка я ги б ко сть к ко н ь ю ктур е р ы н ка У в е л и ч е н и е в р е м е н и д л я п р о в е д е н и я в се го и в о зм о ж н о сть о р га н и за ц и и п е р и о д и ч е ско го п р о ц е сса п р о ц е сса в ч и сто м в и д е Таблица Стадии исследования процессов растворной полимериз ации Исследование процесса Исследование Исследование не- Исследование каче- Разработ периодиче- прерывного процес- ственных характери- ка алго ского процес- ритмов са полимеризации стик процесса оптимиза са ции Кинетическая Алгорит Теплообмен мика процесса Гидродина Пластоэла Переходные схема про- мы управ режимы стические ММР цесса ления свойства Реология Структура растворов АСУ ТП Разработка математической модели процесса с учетом структу рно молекулярных параметров Математиче Техническое обес ская модель Функциональная структура печение Синтез ав Оптимиза- Пара- Струк- томатизиро ция процес- метриче- турная ванной сис ская иденти са в РВ темы кон иденти- фикация троля каче фикация ственных показателей Отмеченные выше трудности при описании процессов раство р ной полимеризации требуют при создании систем управления качес т вом производимой продукции разработки методов у правления, соот ветствующих уровню сложности указанных процессов. В качестве т а ких методов можно использовать методы управления динамич ескими системами в комплексе с логико -лингвистическими методами оценки и принятия решений на основе многозначной нечеткой логики, что по зволяет в полной мере использовать опыт операторов и технологов по управлению технологическими процессами.

Таблица Структура системного анализа подходов к управлению процессами полимериз ации процессы полим еризации периодические непреры вны е реж им ф ункционирования установивш ийся динам ический подходы к управлению классические законы теории управление с использованием оценки управления для линейны х систем ненаблю даемы х переменны х экспертны е систем ы систем ы с систем ы с использованием использованием экспертны х оценок экспертны х оценок м атем атических м оделей оптим изация сам ообучаю щ иеся адаптивны е м етоды м аксим ум а экспертны е систем ы Вторая глава диссертации посвящена разработке и обоснованию математических моделей периодических и непрерывных технологич е ских процессов растворной полимеризации при использовании сис темного подхода с учетом структурно -молекулярных свойств полим е ров и их связи с качественными п оказателями синтезируемых полим е ров на всех стадиях указанных процессов. Решена задача адапт ации и параметрической идентификации полученных моделей к р еальным условиям производства. Обоснован выбор управляющих переменных для решения задачи управления качес твом производимой продукции.

В связи со сложностью постановки и решения задачи моделир о вания различных технологических процессов растворной полимериз а ции применяется декомпозиционный подход, включающий следу ю щие структурные компоненты моделей: стехиометрия химического процесса, кинетика реакций, термодинамика, гидродинамика и усл о вия протекания реакций полимеризации.

Решена задача моделирования типового периодического проце с са растворной полимеризации в режиме идеального перемеш ивания на примере производства дивинил-стирольных термоэласт опластов (ДСТ 30Р) блочным методом на литий -органических катализаторах. При этом получены и учтены зависимости, отражающие механизмы ин и циации активных центров и роста полимерных цепей, при использов а нии в качестве зависящих от времени переменных вектора с остояния системы –конверсии мономера и температ уры.

Математическая модель получения первого блока (полистир ола) представлена в следующем виде:

dXmS t K m S J0 1 Xm t ;

S dt K f F s tL T t T Gh c dXmS t h h h K te S M Vt 0 S dt K F s tL Ghc dT t f h h ;

dt Map c Vm c ap t p pm J0 V Jk Vt;

k SV S M ;

0S Vt M M S Vt Vs Vr V;

k M ( t) S D M K A Be ;

r f (1) EmS RT K mS k1 M X M e ;

1 1 S m r S M t S t ;

J 0 Vt X tn 0;

T tn T;

mS t tn, tk, где KmS – константа скорости роста цепи, (л/моль)1/2/мин;

XmS t – конвер сия мономера (стирола);

T t - текущая температура, °К;

J0 – концентрация активных центров полимеризации, участвующих в реа кции, моль/л;

t – время, мин;

M0S - начальная концентрация стирола, моль/л;

Vt, Vk, VS, Vr – полный объем реакционной массы, катализат ора, стирола и растворителя соответственно, л;

Jk – концентрация катализатора в растворе, моль/л;

MMS – молекулярная масса стирола, кг/моль;

s – плотность стирола, кг/л;

- активность катализатора;

Ktes - коэффициент тепловыделения при п о лимеризации стирола, Дж/кг;

C pm и - теплопроводность и плотность pm полимеризата, Дж/(кг К), кг/л;

K f - коэффициент теплопередачи через стенку аппарата, Дж/(мин м2 К);

Fst - поверхность теплообмена, м2;

ch теплоемкость хладагента, Дж/(кг К);

Th - температура хладагента на вх о де, °К;

Gh - объемная скорость, л/мин;

- плотность хладагента, кг/л;

L h - степень заполнения реактора;

M ap - масса аппарата, кг;

cap - теплоем кость аппарата, Дж/(кг К);

Ms t = Ms XmS t – масса полистирола, кг;

A, B, K, k1, - феноменологические константы;

Ms.- масса стирола, кг.

В систему уравнений (1) включено уравнение для характерист и ческой вязкости (t) раствора полистирола, которая является качест венным показателем дивинил-стирольных термоэластопластов, свя занным с феноменологическими константами Флори 1 и 2.

Математическая модель получения в торого (полидивинильного) блока представлена в следующем виде:

dX m d t K md J d 1 Xm d t ;

dt K f t FstL T t T h G hc dX m d t h h K te d M0 Vd Vt d dt K FstL G hc dT t f h h ;

dt M apc V V c ap d t pm pm (2) Jd J0 V d Vd Vt;

M 0d Vd MM Vt Vd ;

d d D MS Md Xmd Mr Kf A Be ;

Em d 1 MS Md Xm 1 RT K md k1 e ;

d Mr X md tn 0;

T t n T;

t tn, tk, где Xmd t – конверсия мономера (дивинила);

Kmd – константа скоро сти роста дивинильной цепи, (л/моль) 1/4/мин;

Vd – объемная дозировка дивинила, л;

Ктеd – коэффициент тепловыделения при полимериз ации бутадиена, Дж/моль;

M0d – начальная концентрация дивинила в реа к ционной смеси, моль/ л;

MMd – молекулярная масса дивинила, кг/моль;

d – плотность дивинила, кг/л;

T1 - температура реакционной смеси в момент окончания первой стадии технологического пр оцесса, К;

Md – масса дивинила, кг;

Mr – масса раствора полим ера, кг;

k1, 1, A, B, D - феноменологических константы, учитывающие на блюдаемые зависимости величин K f и Km d от конверсии мономера.

Задача параметрической идентификации математических мод е лей получения первого и второго блоков решена при использовании методов нелокальной оптимизации, найдены значения феноменолог и ческих констант, входящих в уравнени я (1), (2) и показана адекват ность моделей экспериментальным данным (см. рис. 1 – 4).

1, 1, Xm Xm 0, 0, 0, 0, 0, 0, расчетн.

0, 0, расчетн.

эксперим. экспе 0, рим.

0, 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 t, m in t, m in Рис. 1.Кинетика полимериза- Рис. 2.Кинетика полимеризации ции стирола дивинила T, T, К К 333 **** расчетн.

*** расчетн. эксперим.

эксперим.

0 10 20 30 0 5 10 15 20 25 t, m in t, m in Рис. 3.Изменения температуры Рис. 4. Изменения температуры при полимеризации дивинила при полимеризации стирола Точность моделей полимеризации стирола и дивинила с оставила 4,4% и 4,7% соответственно.

На примере периодического процесса растворной полимериз ации для получения изопренового каучука при использовании катализат о ров Циглера-Натта построены кинетические уравнения, позв оляющие получить зависимость моментов молекулярно -массового распределе ния полиизопрена от времени и режимных параметров. Показана аде к ватность полученных уравнений экспериментальным данным пр о мышленного реактора.

Выполнено исследование непрерывного процесса растворной пол и меризации на примере производства полибутадиена в каскаде N соединенных реакторов при использовании катализаторов Циглера -Натта.

Обоснована структура математической модели процесса, отлич и тельной особенностью которой является учет изменения мольной д о зировки Al- и Ti-компонентов катализатора: хл хл Ep dm i t 1 RT i t mi t mi t k pe C t;

1 i dt E dC t 1 RT i t i C t C t k 0e C t;

i1 i i dt Ep dT i 1 RT i t Ti t Ti t k pe mi t C t H K T Ti ;

1 i dt X m0 m i m0 ;

i (3) M Ti MX M1 e Mh i ;

i PMh P2 ;

Pl m1 0 m0 ;

m i 0 mi 1 ;

T1 0 T0 ;

T i 0 T i 0;

S Ti, S 1, C 0 1 2 i Ti Al k a Al ka 4 Ti S1,S 1;

где m — концентрация мономера в растворе, моль/л;

k p и k 0 - кон станты скоростей реакций образования и дезактивации активных це н тров, 1/мин;

— среднее время пребывания в реакционной зоне, мин;

t — текущее время, мин;

C *i t — концентрация активных полимерных молекул, моль/л;

i— номер реактора;

T — температура, К;

Tхл — тем пература хладагента, К;

Кхл — коэффициент, характеризующий и н тенсивность теплосъёма, 1/мин;

H — тепловой эффект реакции, К л2/моль2 ;

m0 - начальная концентрация мономера в первом реакторе, моль/л;

Ti и Al - концентрация титановой и алюминиевой комп о ненты в катализаторе Циглера -Натта, моль/л;

S Al Ti ;

k a - ко эффициент активности катализ атора, моль/л.

В эту модель введены уравнения, позволяющ ие рассчитывать значения параметров качества полимеров - вязкость по Муни (Mh) и пластичность по Карреру ( Pl) как функции температуры и конверсии мономера на ключевых стадиях синтеза полимера.

Проведена параметрическая идентификация построенной матем а тической модели растворной полимеризации полибутадиена с использ о ванием отобранных по ходу процесса лабораторных проб и устано влена адекватность предложенной модели условиям производства (р ис. 5).

П о и ь ко вер и м н м а, рфл н си о о ер % П о и ь вязк сти п М н, ед М н рфл о о уи. уи 38. 32. 26. 0 2 3 4 5 2 3 4 5 Нм о ер ап ар п ата Нм р о ер еакто а р Рис. 5. Результаты моделирован ия конверсии мономера и вязкости по Муни пол имера в каскаде полимеризаторов ( — расчётный профиль конверси и с ka = const, — — расчётный профиль с ka const;

- - - экспериментальный профиль конверсии) При использовании метода радиоактивных индикаторов разрабо тана математическая модель формирования молекулярно -массового распределения полибутадиена, получаемого в каскаде реакторов, о т личающаяся тем, что в каждый последующий аппарат подается реа к ционная среда с фракционным составом, формируемым в предыд ущем аппарате. В рамках указанной модели рассчитаны молек улярно массовые распределения Pi l полибутадиена в различных реа кторах каскада 1 i N, где l – длина молекулы полимера, пропорци о нальная числу мономеров n в молекуле:

i nc N k p nc Pi n e, (4) i 1! i где с – масштабный множитель.

Эти распределения оказались в удовлетворительном согласии с соответственными экспериментальными распределениями ( рис.6).

Молекулярная масса Молекулярная масса 30 26. 10 13. 0 2 10 5 440 5 6 105 8 105 106 2 10 5 4 10 5 6 105 Длина5 10 0 10 0 810 молекул Длина молекул 26. f5 ( z ) y53 i 13. 5 5 5 5 0 2 10 4 10 6 10 8 10 1 Длина молекул z xi Рис. 6.Экспериментальные и расчетные функции молекулярно-массового распределения Pi l в шкале длин l молекул для первого (i=1), третьего (i=3) и пятого (i=5) реакторов производственн ого каскада реакторов Исследовано влияние режимных параметров процесса на фра к ционный состав получаемого полибутадиена и выбраны наиболее э ф фективные управляющие параметры : температура, расход катализат о ра, нагрузка на батарею.

В третьей главе исследованы зависимости реологических и пл а сто-эластических свойств полимеров для периодических и непреры в ных технологических процессов растворной полимеризации от их структурно-молекулярных свойств и разработаны методы эк спресс контроля качества полимера в растворах.

В общем случае растворы полимеров ведут себя как неньютоно в ские жидкости с эффективной вязкостью, зависимость которой от характеристик растворов при до статочно малых скоростях сдвигов на основе экспериментальных данных можно предст авить в форме:

b b b g b4, 1 BK П1 (5) 0 причем 0 - ньютоновская вязкос ть, связанная с параметрами полиме ров по закону логарифмической аддитивности:

E AC П1 M 2 K П3 g exp, (6) RT где C П - концентрация, M - средняя молекулярная масса, K П - ко эффициент полидисперсности, g - параметр разветвленности молек у лы полимера, E - энергия активации вязкого течения, T - температура раствора, А, B, 1, 2, 3, 4, - феноменологические константы.

Детальное исследование гидродинамических характеристик ра с творов полимеров при различных скоростях сдвига подт вердило спра ведливость формул (5) и (6) для эффективной и ньютоновской вязк о сти. При этом было показано, что э нергия активации вязкого теч ения раствора полимера связана с концентрацией C П полимера линейным уравнением.

Установлено, что пласто -эластические свойства полимеров вязкость по Муни Mh и пластичность по Карреру Pl, определяющие качественные характеристики производимых полимеров, связ аны со структурно-молекулярными свойствами полимеров M, K П, g зави симостями, аналогичными зависимости (6 ):

P Mh C1 M x1 К П2 g x3 ;

x Pl P Mh 1, (7) где C1, C 2, x1, x 2, x3, P, P1 - феноменологические параметры.

Для периодических и непрерывных технологических процессов растворной полимеризации проведена параметрическая идентифик а ция формул (5)-(7) для линейных и разветвленных по лимеров и с вы сокой статистической значимостью при использовании критерия Ф и шера определены значения феноменологических параметров, вход я щих в указанные формулы.

Знание зависимости (5), (6) эффективной вязкости растворов пол и от их молекулярных параметров M, K П, g при известных меров значениях температуры Т и концентрации полимера C П позволяет ре шить обратную задачу определения молекулярных параметров по знач е ниям эффективной вязкости растворов пол имеров при различных скоро стях сдвига. На основе экспериментальных данных обоснованно, что зн а чения молекулярных параметров позволяют по формулам ( 7) получить оценки параметров качества полимеров - вязкость по Муни и пластич ность по Карреру на всех стадия х технологического процесса.

Для определения концентрации полимера C П и значения эффек тивной вязкости растворов полимеров при различных скоростях сдвига были разработаны методы экспресс -контроля, основанные на соотношениях, связывающих величины C П и с определенными фи зическими характеристиками технологического процесса в различных р е акторах, нахождение которых не требует длительного времени изме рения.

Эти соотношения формируются на основе физических представл ений о протекающих в реакторе процессах и параметрически обосновыв аются путем проведения соответствующих экспериментальных исслед ований.

На основе проведенных исследований разработан и реал изован гидростатический метод контроля концентрации полимера и конве р сии мономера в реакторах пр оизводственного комплекса (см. р ис. 7).

Метод основан на зависимости конверсии мономера Х(t) и кон центрация полимера С П (t) от разности P t гидростатического да в ления на дно реактора проконвертированной среды P t и давления исходной шихты P0 :

Pt Pt ;

CП t, (8) Xt 1 P 1 CM P t P где C M - начальная концентрация мономера;

- отношение плотно сти мономера к плотности полимера.

Р0 Р0 Р0 Р Мономер непрореаги- усадка объема непрореаги СМ0=НМ0/Н ровавший ровавший Н(T) мономер мономер С ’М С М= непрореаги СМ0 (1-х)= Н М НМ ровавший НМ/Н мономер Н С’М=НМ(Т)/Н НМ полимер Н(Т) прогеагиро СП’ полимер вавший мо Ср’=Hp0(T)/H полимер номер ’ СH(T) р= НМП Н Hp0(T)/H НП(Т) Растворитель H(T) Ср0=Нр0/Н СМЛ=СМ0х= Растворитель С р’ Н Раствори НМЛ/Н Н тель Ср'=Нр0(T)/Н Растворитель Растворитель ' Т СH(T) р= Нр0(T)/Н Ср= Ср0 = То H(T) Нр0/Н НП 0(Т) Т Т НР а) б) в) г) Рис. 7. Гидростатический метод контроля концентрации полим ера Альтернативный экспресс -метод определения концентрации по лимера и конверсии мономера был разработан при использовании з а висимости изменения температуры T t для химической реакции полимеризации, протекающей в изолированной системе с постоянн ы ми параметрами - объем реактора, его теплоемкость и активность кат а лизатора от концентрации полимера C П t, образованного при пол и меризации мономера и, следовательно, от конве рсии мономера X t.

Умножив первое уравнение системы (3) на H и сложив его с третьим уравнением системы, можно исключить из рассмотрения член, связанный с величиной P i t и получить систему уравнений:

dy i t yi yi Qi t, (9) dt Ti t mi t H, i 1 ;

y0 T m H Qi t KХЛ TХЛ Ti t где y i t ;

,а 0 i 1 ;

y1 0 y0.

начальные условия имеют вид: y i 0 yi, Для изотермического установившегося режима работы реа кторов ( Ti t const при t ) из системы (9) следуют алгебраические соотношения:

i T Ti0 KХЛ TХЛ TK yi Ti i K yi 1 y0 Qj ;

mi ;

Xi,(10) H mH j1 позволяющие определить коэффициент конверсии мономера X i во всех реакторах каскада.

Для нестационарного режима система уравнени й (9) приводится к системе интегральных уравнений t 1 t g t eat dt,где ;

gt KЛ ХTt y t 1,(11) yi t e yi 0 ХT Л i i решение которых находится при использовании метод а дискретизации времени.

Погрешности определения концентрации полимеров и конве рсии мономера в реакторах каскада для установившегося и неустановивш е гося режимов технологического процесса составляют 4,3% и 5,4% с о ответственно и оказываются близкими к соотв етствующим погрешно стям лабораторных способов измерения.

Разработаны методы определения эффективной вязкости раств о ра полимеров с учетом неньютоновского характера течения ра створа, основанные, во-первых, на измерениях величины потребляемой мо щ ности в цепях электроприводов перемешивающих ус тройств и, во вторых, на разности давлений на линейных участках трубопр оводов, соединяющих соседние реакторы.

Проанализированы возможности метода нахождения эффекти в ной вязкости раствора полимеров при различных скоростях с двига, основанного на измерении частоты вращения и момента сил для сф е ры, заполненной указанным раствором.

При использовании комбинации предложенных выше методов измерения концентрации полимера и эффективной вязкости раств ора полимера при различных скорост ях сдвига была создана система эк с пресс-контроля структурно-молекулярных свойств полимера и связа н ных с ними показателей качества каучука - вязкости по Муни и пл а стичности по Карреру в режиме реального времени. Преим ущество этой системы определяется тем фа ктором, что значения п оказателей качества полимеров находятся не с помощью прямых лабор аторных измерений, а путем решения с использованием ЭВМ ура внений (7), связывающих указанные параметры со структурно -молекулярными свойствами полимеров. Структурно -молекулярные характеристики, в свою очередь, находятся путем решения уравнений (5 ), (6), описы вающих связь этих характеристик с эффективной вязкостью раств оров полимеров при различных скоростях сдвига.

Поскольку эффективная вязкость растворов полимеров в общем случае зависит от трех структурно -молекулярных параметров полим е ров – средней массы M, коэффициента полидисперсности K П и па раметра разветвленности g, то для определения этих параметров ест е ственно использовать систему экспресс -контроля, основанную на и з мерении значений эффективной вязкости при трех различных скор о стях сдвига, блок-схема которой представлена на рис. 8.

TE QE Полимеризат Полимеризат в из предыду- следующий щего аппарата аппарат FE QE Точность измерения Моле- Mh Pl куляр.

парам.

ТQ Cп 2% 7.743% 9.44% Расчёт средней молекулярной массы, к о эффициента полидисперсности, фактора разветвлённости, вязкости по Муни и пластичности Рис. 8. Блок-схема системы экспресс -контроля структурно-молекулярных и параме т ров качества полимеров На этом же рисунке представлена таблица, показывающая то ч ность измерения структурно -молекулярных и параметров качества по лимеров.

xt ut T J xt Qtxt ut Rtut dt pt dx Atxt Btut x x dt dp AT t p t Qtxt pT dt t BT t p t ut R yt Ct xt At Bt nn n m Ct nr Qt Rt yt r n nn p(t) = K(t)x(t), K(t) dK t T KA t A tKt Qt KtStKt dt S(t) S(t) = B(t)R-1(t)BT(t), ut u(t) =- R-1(t)BT(t)K(t)x(t), A(t) B(t) Q(t) R(t) u(t) x(t) T, К 0 5 10 t, m in 1, Xm 0, 0, 0, 0, 0, 0 5 10 t, min K KA AT K K SK Q х(t) p(t) A S M AT Q U MU U U U U U U U U AU SU U AT U QU U AT U U A SU U UU Q UU К K U U t xt Ue U xt R B T Kx t ut (n-r) xt G h РЕГУЛЯТОР Ms M Md Ms Mk a r Ms M Md M Mk a r s РЕАКТОР G h x Mhзад Mh Plзад Pl eMh ePl eMhv хН Pl ~~ Qd, Qt Qd, Qt Mh Mhv a a Qd Qt TE TE TE QE FE Нечёткий регулятор ЭФФ1, ЭФФ2, ЭФФ Q Тk Тх Тk- Mh Mhv Cп x Mw Kп g Mh Pl x Сп Перечень публикаций автора по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, определенных ВАК РФ по научной специальности диссертационной раб оты:

Публикации в других изданиях,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.