Способ автоматического управления процессом

Союз Советсних Соаиалистическив РеслублинКомитет ло деламобретений и открытий оритет Опубликовано 30.11.1967. Бюллетеньри Совете Министров, С. В. Лебеде ВТОМАТИЧ ЕСКОГО УП РАВЛ ЕН ИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛ ИМЕРИЗАЦИ И ПО 2 имое чесола кал/кгТ темпер из кож темпер змееви началь град. тура рассо па н ха, град; тура рассола наа, град; ая температура ходе ыходе из ола,стоящее изобретение относится к спосоавтоматического управления процессом еризации, например в производстве кауполивчуков.Известны способы автоматического управления процессом полимеризации каучуков, например при помощи управляюшей вычислительной машины, путем определения знака отклонения конверсии мономеров от заданного значения с последующим изменением нагрузки на батарею или подачи активирую- щего 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, при условии, что температура полимеризации не должна превышать заданного значения, Количество тепла, которое отводится от полимеризапора при помощи кожуха и змеевика определяется по формуламЯ"= К,.С, (Т, - Т ) и (1) ц," -т,с (т - т,), (2)отвгде Я; - количество тепла, отводрез кожух, ккал;отвЯ, - количество тепла, отводимое через змеевик, ккал;Я у - расход рассола через кожух,кгчас;К, - расход рас через змеевик,кг(час;С, - теплоемкость рассола, кградЕсли 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 теплосьема. откуда;.,. р макс- коэффициент, учитывающий увеличение скорости рассола, про.текающего через змеевик; - внешний диаметр змеевика, м; - коэффициент теплопередачизмеевика, кка,г/ма час град; - длина змеевика, л;- плотность рассола, кг/лг:; - внутренний радиус змеевика, лг: - максимальная скорость прохождения рассола через змеевик,м/час. где аа Р;с1 макс Максимальное количество тепла, отводимое от полимеризатора, может быть определено по формулам (1 и 2) при максимальных расходах У/ и Ис в кожухе и змеевике н максимально допустимой температуре реакции Т. При этом оказывается неудобным не. посредственно измерять температуру рассола на выходе кожуха и змеевика - Т и Т, так как для этого нужно подавать максимальное количество рассола в змеевик и кожух - фмакс И ф смакс И ТЕМ СЯМЫМ ВНОСИТЬ ВОЗ- мущения в процесс. Температуры рассола Т, и Тдля этого случая могут быть опреде. лены из следующих уравнений тепловых балансов кожуха и змеевика в статике:а) для кожуха.Ь:Л; (Tмакс - /;) С.11. (Т; - Т), ГДЕ Сгг - КОЭффИЦИЕНт, УЧИтЫВаЮЩИй УВЕличение скорости рассола, протекающего через кожух;. - коэффициент теплопередачи кожуха, ккал/ма час град;Ау - поверхность теплопередячи кожуха, лг-;Тмакс МЯКСИМЯЛЬНО ЛОПЪСТИМЯЯ ТЕМПОратура реакции, град;Далее по формуле (2) можно определитьЯсотвсмакс Яс - Вс С (Тмакс 7. ) л , /: а,Ус Х 1-ехр р С Гмъвск, )(4) Исследуя формулы (3 и 4), можно видеть,10 что в координатах Я - Ф они имеют экспоненцняльный характер и предел, к которому оннстремятся, определяется коэффициентами теплопередачи С/ и (l, .Следовательно, максимально возможныйтеплосъем при выбранном расходе рассола имаксимально допустимой температуре реакции ограничен коэффициентами теплопередачи, Коэффициенты тепло передачи могутбыть определены из тепловых балансов ко 20 жуха и змеевика при помощи управляющейвычислительной машины (УВМ):а) для кожухаС(Т - Тсс)25 А (Т - У;:)где Т - температура реакции, град,б) для змеевика ц . С 7 с фс (Тсо Т") 30 П=-Г где Р - нагрузка эмульсии на батарею,лЯчас;ср - конверсия мономеров, %,Для увеличения производительности нужноне просто увеличить подачу эмульсии на батарею (нагрузку Р), что приведет к соответ 65 ствующему уменьшению конверсии мономе 60 где А, - поверхность теплоперелячи змеевика, м-.Коэффициент теплопередачи является функцией времени работы данного полимеризя.тора в батарее, так как изменение коэффициентов теплопередачи происходит в результате постоянного нароста коагулюма на стенках кожуха и змеевика. Поскольку вязкость 40 эмульсии при эмульсионной полимеризациипо длине батареи меняется незначительно, можно считать, что коэффициенты теплопередачи кожухов и змеевиков меняются с одинаковыми скоростями во всех полимеризаторах 45 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 ско рости протекания рассола по змеевикам икожухам отдельных полимеризаторов. Эта зависимость может быть учтена при помощи коэффициентов аи а, которые введены в формулы (3 и 4).Как известно, производительность батареиравнаров р при сохранении прекней 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.Увеличение активности процесса может быть достигнуто повышением температуры реакции в полимеризаторах, а также увеличением концентрации актив ирующего комплекса (или одного из его компонентов).Запас по тенлосъему 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: отв отв Яотв отв , - отвимакс/макс"смакс где отв отв отв Количество тепла, которое выделяется в процессе реакции полимеризации, например при реакции нулевого порядка, определяется следующим. образом;Я =- РрЛНК, (6) где Р - объем нолимеризатора, мз;р - плотность эмульсии, кг/ма;ЛН - удельная теплота реакции, ккал/кг;К - 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 ЛЯ, для каждого полимеризатораЛ К .(7)1;. ЬНТекущие значения скорости реакции К,могут быть уточнены при помощи уравненийматериальных балансов отдельных полимери.заторов в статикеГ(Х, - Х) 1 кгде Х,. - конверсия мономеров в с-м полимеризаторе, /оОднако для этого необходимо поставитьдатчики конверсии на входе и выходе для техполимеризаторов, скорость реакции которыхнужно проверить. Зная зависимости скоростиреакции от температуры реакции К= -(Т),можно определить при помощи УВМ насколько в каждом полимеризаторе нужно повысить Кроме того, необходимо также определить текущие значения скорости реакции К, в каждом полимеризаторе из следующего уравнения;температуру реакции, чтобы использовать имеющийся запас теплосъема ЛЯ, .Здесь могут быть два случая:1. Увеличивая температуру реакции, повышают скорость реакции до нового рассчитанного значения 1(;. При этом температура не выходит за верхний допустимый предел.В этом случае весь запас теплосъема будет реализован путем увеличения температуры реакции, т. е. приК асТТкаксгде К,тскорость реакции, достигнутаяв -ом полимеризаторе за счет 15 увеличения в нем температурыреакции - Т;.2. Температура реакции достигнет верхнего предела, а скорость реакции Кгт не получит увеличения, определяемого по формуле 20 (7) для данного полимеризатора, т. е.Т -- Тмакс а Кт КрасВ этом случае весь запас по теплосъемуиспользовать за счет увеличения темпера туры реакции не удается. Это можно сделатьувеличением концентрации активирующего комплекса.Таким образом, для некоторых полимеризаторов (первый случай) должна быть принята З 0 скорость реакции, рассчитанная при помощиуправляющей вычислительной машины по формуле (7), для других (второй случай) должна быть принята скорость реакции, определяемая из зависимости К =(Т), исходя З 5 из недопустимости превышения верхнего предела температуры реакции.Далее рассчитывают среднюю скоростьреакции К,р для всей батареи и из уравнения материального баланса полимеризацион ной батареи находят нагрузку Р на батареюпо формулам Ю К, г; г:1ср(8) 45где Ж - число полимеризаторов в батарее;и РХт =1Ксргде Х - концентрация полимера на выходеиз последнего полимеризатора, кг/к:".50 Откуда ушакР=Х Таким образом, нагрузка Р соответствует55 активности процесса усредненной по длинеполимеризационной батареи, и следовательно,концентрация полимера на выходе промежуточных зон и отдельных полимеризаторовможет не соответствовать заданному значе 60 нию, однако на выходе из батареи концентрация полимера (конверсия) будет равна за.данной, что и обеспечит заданное количествоготового продукта,Поэтому нужно непрерывно определять, на65 пример при помощи УВМ, текущие значения(10) 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 теплосьема может быть использован повышением температуры реакции, В таких случаях для более полного использования запаса теплосъема можно увеличить концентрацию активирую- щего 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 неиспользованного запаса теплосъема в последнем полимеризрторе.Гак 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 У - 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 формулеЛКюс - Кчрас Кмтгде Кл рас - расчетная скорость реакции впоследнем полимеризаторе;Ккг - 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 40 45 50 55 60 65 того, подача активирующего комплекса в по лимеризаторы должна быть осуществлена так, чтобы скорость реакции в последнем полимеризаторе не превышала расчетного значения, Поскольку активирующий комплекс оказывает модифицирующее действие на процес пол имеризации, необходимо соотвегственно изменить подачу модификатора, чтобы обеспечить неизменным качество получаемого продукта,В частном случае, если позволяет запас теплос ьема. увеличение скоростеи реакции может быть произведено равномерно по полимеризаторам, расположенным за тем, запас теплосъема которого близок к нулю, В этом случае определяется увеличение скорости реакции для полимеризатора, следующего непосредственно за п-ым, по формулеЬКУ - п Затем из зависимости скорости реакции от концентрации активирующего комплекса К = -(С,) определяется соответствующее увеличение концентрации для всех У - и-последних полимеризаторов. Подача активирующего комплекса осуществляется по дополнительным трубопроводам, подведенным к каждому полимеризатору.Поскольку увеличение активности процесса в одном полимеризаторе отражается на всех последующих, увеличение скорости реакции для любого из У - п-последних полимеризаторов, может быть рассчитано по следующей формуле Для последнего полимеризатора ЛК гс =- = ЛКлс, т. е, увеличение активности будет соответствовать имеющемуся запасу тепло- съема. Нужно учитывать также повышение скорости реакции, определяемое по формуле (10) в У - п-последних полимеризаторах и одновременно по формулам (8 и 9) рассчитывать новое значение нагрузки Р 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 использованиятемпературы 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 вЗаказ 1375/18 Тираж 535 ПодписноеЦНИИПИ 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 поддержанич 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 теплосьема может быть использована для повышепия производительности полимеризацпоннойбатареи. Предмет изобретения1, Способ автоматического управления процессом полимеризации, например с помощью управляющей вычислительной машины, путем изменения нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, или температур в 10 зонах реакции, отличающийся тем, что, сцелью повышения производительности полимеризационной батареи, изменение указанных параметров производят в зависимости от разности между максимально возможной теоре тической и фактической величинами теплосъсмов с каждого из полимеризаторов.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, чтонагрузку на батарею, подачу активирующего комплекса и температуру в зонах реакции 20 изменяют одновременно.3. Способ по пп. 1 и 2, отличтощийся тем,что нагрузку на батарею изменяют одновременно с температурой в зонах реакции или с подачей активирующего комплекса.