Способ измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом и устройство для его осуществления

ИЕ ИЭОБ ПИ Иои испол тбира ему азом,ростат лоннойнамичесидкости ого давл(57) Изобретение бам автоматическ рации полимера и в производстве к использовано для контроля процесс ало тос относится к го измерения конверсии мо в камеру время пр в исслед пр ебыван 1 с. и 2 10 и равн ой реакции ным не мене Ц екания химич мой жидкой с омеро в емен ыть чуков и может втоматическог мере,2 ия эталона в ег з,п, ф-лы, 4 т олиме олуче ся к способ;каучука иСхема ния концентраии мономера ви может быть ис гаемого бя блок и и нефтехими для автоматиссов получени ходная ср выхода п готовый ка следнегожидкая с л пользуетс уст- гаеНа фйства ввода ин подается уществления пред саба ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 21) 4433213/23-0522) 30.05.8846) 07.10.90, Бюл,72) Б.П. Буконов,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИПОЛИМЕРА И КОНВЕРСИИ МОНОМЕРОВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ С ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИЕЙ И НПОСТОЯННЫМ ФРАКЦИОННЫМ СОСТАВОМ ИУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСП 1 ЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относ автоматического изме ции полимера и конве производстве каучуко польэовано в химичес ческой промышленност ческого контроля про ков.елью изобретения является повышочности измерения концентрацииера и конверсии мономера,иг.1 и 2 приведена схема ров. Изобретение позволяет повыситьточность измерения концентрации полимера и конверсии мономеров по величине гидростатического давления столбаисследуемой жидкости с компенсациейбалластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температурной компенсацией засчет дополнительного измерения объемной концентрации мономеров в исходнойжидкой среде, регулирования расходаэталонной жидкости, в качестве котоьзуют исходную жидкую ю до ввода инициатор чтобы обеспечить отн ического давления эт к величине ее гидрод ения в точке ввода э4 м е р 1. Производство СКЛолимеризацией в растворе,устройства реализации предспособа (фиг. 1) включаереакторов полимеризации,ого реактора 1 подаются иеда и инициатор реакции, аследнего реактора 2 снимародукт, Объем заполненияеактора равен 1. Эталоннаеда, в качестве которой ия исходная жидкая среда дциатора с входа реакторав секционную камеру 3 дляэталона, последняя секция которой -представляет собой установленный вер-тикально участок трубы, высота которого равна высоте камеры для исследуе 5мой среды, в качестве которой используется реактор 2.Расход исходной жидкой среды, подаваемой в реактор 1, измеряется датчиком 4 расхода, а объемная концентрация мономеров в исходной жидкой среде - датчиком 5. Расход эталоннойжидкости, в качестве которой служитисходная жидкая среда, в камеру 3 дляэталона измеряется датчиком 6 и регулируется с помощью регулятора 7 и клапана 8. Перепад гидростатическогодавления между основаниями равновысотных столбов эталонной и исследуемойсред измеряется датчиком 9. Гидростатическое давление эталонной жидкостив вертикальной трубчатой секции измеряется датчиком 10. Температуру исследуемой жидкой среды в реакторе 2измеряют датчиком 11 температуры, а 25температуру эталонной жидкости в последней секции камеры для эталонадатчиком 12 температуры. Камеру дляэталонной жидкости устанавливают так,чтобы верхняя часть ее объема из(И), (где И - число реакторов, секции быпа на одном горизонтальном уровне с днищем реактора, Информация отдатчиков 4, 5, 9 - 12 поступает навходы блока 13 расчета концентрацииполимера и конверсии мономеров, который рассчитывает задание регуляторурасхода эталонной жидкости и определяет концентрацию полимера и конверсиюмономеров в исследуемой среде. Информация и задания регулятору 7 расходапоступают с выхода блока 13 в камерузадания этого регулятора,В качестве мономера используетсябутадиен, растворителем являются толуол, бензин или отдельные фракциибензина.Исходная жидкая среда (шихта) приготовляется смешением в трубопроводе мономера и растворителя в задан.ном соотношении, охлаждается и подается на полимеризацию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения,Влинию исходной жьщкой среды на еевходе в первый реактор каскада подается инициатор. В результате непрерыв 55ной подачи исходной жидкой среды иинициатора реакционная масса последовательно проходит все аппараты каскада, количество которых не превышает4-6. Объем аппарата составляет 1 Ьэ20 м в зависимости от конструкции,высота аппаратов 5,0 мм. Отводтеплоты полимеризации осуществляется в результате предварительногоохлаждения исходной жидкой среды иохлаждения аппаратов каскада рассолом температурой 258 К, поступающим врубашки аппаратов,Основные параметры процесса полимеризации представлены в табл. 1. Концентрация мономера С = 0,1 и может изменяться до См = 0,2.Температура исходной среды Т261 К, а температура исследуемой среды Т = 306 К.В эталоне соотношение объемных концентраций мономера и растворителя изменяется в диапазоне (О, 1-0,9) (0,2-0,8) или (10 : 90) - (20 : 80) .В качестве камеры для пропускания исследуемой среды (реакционной массы) используют реактор 2. Камера 3 эталона, например, при измерении конверсии мономеров и концентрации полимера во втором реакТоре состоит из двух секций. Последняя секция камеры имеет высоту, равную высоте реактора, т.е. 5 м. Общий объем камеры эталона выбирается таким, чтобы расход эталона через его камеру обеспечивал равенство времени протекания химической реакции в исследуемой среде и времени пребывания эталона в камере, а отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру устанавливалось не менее 10 . При об 4 щем объеме камеры эталона в 25 л, расходе исходной жидкой среды, равном 8 - 32 м /ч, и расходе эталона, устазнавливаемом в соответствии с расходом исходной жидкой среды в диапазоне 6,25-25 л/ч, время протекания химической реакции в реакторах 1 и 2 изменяется от 4 до 1 ч, Время пребывания эталона в его камере также изменяется от 4 до 1 ч в зависимости от расхода исходной жидкой среды на реактивный каскад, Таким образом, двухсекционная камера эталона и пропорциональное регулирование расхода эталона, обеспечивают равенство протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребывания эталона в его камере, Для обеспечения раЛС = ---- . 100 Е = 0,66 ;С,-С,Сп ВС = ---- -1 100% = 0 572 .Саа С-л 5 1597360 6 венства изЬыточного давления в каме- Значения концентрации полимера и ре исследуемой жидкой среды и камере конверсии мономера получены по форму- эталона последняя секция камеры эта-лам (1) и (2) на основании результа лона соединяется с камерой исследуе- тов измерений (таЬл., 2): Х =мой среды на ее выходе, т,е. на уров,749997; Г,=0,054647; Хг =0,91999972; не верхней кромки реактора. При объе- С = 0,0673858.п 1ме посл едн ей с екции камеры э тало на Относительные погрешности измерения Чз = 12,5 л, высоте секции равной с помощью предлагаемого способа равны 5,0 м, диаметр секции составляет1 О5,68 см, а скорость протока эталона лХ =- 100 . = 0 6%Х-Х 1хф изменяется в диапазоне 2,5-10 м/ч.Отношение гидростатического давленияэталона к величине гидрадинамическогодавления в точке ввода эталона в егокамеру составляет 10 о что больше рас Х-Х четной величины равной 10 ф, Лхгх 100 - О, 544 ;УРасчет конверсии мономера Х и концентрации полимера Ся выполняется поформулам(2)1 и Гпа о - плотности мономераи полимера, соответственно;м ) п р - коэффициенты объемного теплового расширения мономера,полимера и растворителя соответственно;Р(0) - гидростатическоедавление эталона впоследней секции камеры эталона;Р(0) - гидростатическоедавление исследуемой среды;50Д Р - дифференциальноедавление между основаниями камер исследуемой среды ипоследней секции ка 55меры эталона,В процессе полимеризации каучукаСКД получены результаты, представленные в табл. 2,П р и м е р 2. Производство каучука СКСЗОАРКМ 15 поляризацией в эмульсии.Схема устройства (фиг. 2) включает реактор 1 полимеризации, Б-образную трубчатую камеру 14, для исследуемой среды, секционную камеру 3 для эталонной жидкости. На вход реактора 1 полимеризации подаются исходная жидкая среда и инициатор реакции, Расход исходной среды в реактор измеряется датчиком 4 расхода, а объемная концентрация мономеров в исходной среде - датчиком 5. Эталонная жидкая среда, ц качестве которой используют исходную жидкую среду до ввода в нее инициатора реакции полимеризации, с входа реактора 1 подается в камеру 3. Ее расход измеряется датчиком 6 расхода и регулируется регулятором 7 и клапаном 8, Перепад гидростатического давления между точкой симметрии Б-образной камеры и основанием последней трубчатой секции камеры 3 для эталона измеряется датчиком 9. Перепад давления между концами последней вертикальной трубчатой секции камеры для эталона измеряют датчиком 10, Температуру исследуемой жидкой среды на горизонтальном участке Б-образной камеры, расположенном на одинаковом горизонтальном уровне с верхней кромкой объема из (М) секций эталонной камеры, измеряют датчиком 11, Температуру эталонной жидкости измеряют с помощью датчика 12 в последней вертикальной труЬчатой секции камеры для эталона, соединенной с У-образной ка1597360 мерой для исследуемой среды. Схемавключает также вычислительный блок13. В связи с тем, что в качествекамеры для исследуемой среды исполь 5зуется Б-образная трубчатая камера14, перепад давления на ее концахизмеряется датчиком 15., Информация отдатчиков 4,5,9,10,11,12 и 15 поступает на входы блока 13 расчета концентрации полимера и конверсии мономеров,в котором осуществляется расчет задания регулятору расхода эталонной жидкости и определяется концентрация по-лимера и конверсия мономеров в исследуемой среде, Значение задания регулятору 7 расхода эталона в его камерупоступает с выхода блока 13 в камерузадания этого регулятора.В качестве мономеров используютбутадиен и стирол, В качестве воднойфазы - вафатитовую воду, содержащуюряд солей, необходимых для реализации процесса полимеризации,Исходную жидкую среду (эмульсия) 25готовят смешением водной фазы и мономеров в заданном соотношении, охлаждают и подают на полимеризацию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения, В линию исходной жидкой среды 30на ее входе в первый реактор каскадаподают инициатор, В результате непрерывной подачи исходной жиДкой среды и инициатора латекс (реакционнаямасса последовательно проходит все 35аппараты каскада, количество которыхсоставляет 10-12. Объем аппарата составляет 12 мз, Отвод теплоты полимеризации осуществляют в результатепредварительного охлаждения исходной жидкой среды и охлаждения аппаратов каскада через встроенные в нихзмеевики и рубашки рассолом температурой 258 К,Основные параметры процесса полимеризации представлены в табл, 3,В эталоне соотношение мономеров и водной фазы может изменяться в диапазоне (0,33:0,67)-(0,37:0,63).В качестве камеры для пропускания исследуемой среды (латекса) используют П-образный трубопровод 2. Камера 3 при изменении конверсии и концентрации после например ф седьмого Реак 55 тора должна состоять из семи секций.Последняя секция камеры эталона должна иметь высоту, равную высоте камеры, через которую протекает исследуемая жидкая среда. Объем камеры эталонав 70 л обеспечивает при скорости протока 8 - 12 л/ч равенство времени пребывания эталона и времени химическойреакции, осуществляемой в семи первыхреакторах каскада, в первый из,Которыхподается исходная жидкая среда с расходом 9,6-15 м /ч. Для обеспечения равенства избыточного давления в камерахсреды и эталона последняя соединена скамерой среды на ее выходе, что позволяет исключить влияние исходной жидкой среды на скорость процесса в камере среды и дает возможность измерять точно параметры даже при переходе полимеризации в диффузионно-контролируемую область. Объем каждой секции камеры эталона, в том числе и последней, составляет 10 л. При высотекамеры среды и последней секции камеры эталона, равной 5 м, ее диаметрсоставляет 5 см. Отношение гидростатического давления эталона к величинегидродинамического давления в точкеввода эталона в его камеру составляет10, что больше расчетной величины,равной 101 Расчет конверсии и концентрацииосуществляют по формулам (1) и (2)с учетом того, что в этом случае ЛР - 1 Р(Х, Я ) - Р(Л),где Р(Л) - потери давления в Ц-образной камере, измеряемыедатчиком 14, г/см ВР(Х,) - перепад давления, измеряемый датчиком 9, расположенным в точке симметрии2Ц-образной камеры, г/см1-- коэффициент определяемый2Фтем, что датчик 9 расположен в точке симметрии У-образной камеры. В процессе полимеризации кау:ука СКСЗОАРКМ 15 получены результаты, представленные в табл. 4. Расчетные значения конверсии моно- мера и концентрации мдномера для эксперимента 1: Х 1 = 0,40831, С и= = О, 13326088; для эксперимента 2: Х = 0,49187603, Сп= 0,16173927Относительные погрешности измерений с помощью предлагаемого способа равны:,ДС = --- -( 100 Х = 0 46 ,п Формула изобретения1. Способ измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом путем контроля величины концентрации полимера по величине гидростатического давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температурной компенсацией с использованием ре . гулирования расхода эталонной жидкости в ее камеру, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью повышенияточности измерения концентрации полимера и конверсии мономеров, дополнительно измеряют объемную концентрацию мономеров в исходной жидкой среде, а расход эталонной жидкости через камеру для эталона устанавливают таким, который обеспечивает равенство времен протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и пребывания эталона в его камере и обеспечивает также отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке40 ввода эталона в его камеру равным не менее 10 , причем в качестве эталон 4ной используют исходную жидкую среду, отбираемую до ввода инициатора, находящуюся под одинаковым давлением с45 исследуемой жидкой средой, в качестве исследуемой дозы для сред с вязкостью 200 сП и выше используют всю массу исследуемой жидкой среды, заключен 50 ную в объеме последнего реактора полимеризации в блоке реакторов, с коэффициентом заполнения, равным 1, а для сред с вязкостью до 200 сП - всю массу исследуемой жидкости, заключенную в У-образной трубчатой камере, при этом дополнительно измеряют перепад давления между входом и выходом этой камеры. 2, Устройство для измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом, содержащее камеры для исследуемой и эталонной жидких сред,датчики расхода и датчики состава исследуемой жидкой среды, расположенные до ввода инициатора реакции, контур регулирования расхода эталонной жидкой среды в камеру для эталона, датчики температуры исследуемой и эталонной сред в их камерах, датчик гидростатического давления эталонной жицкости, датчик перепада гидростатического давления между основаниями равновысотных столбов исследуемой и эталонной сред, блок расчета концентрации полимера и конверсии мономеров, связанный своими входами с датчиками расхода, и состава исследуемой среды, с датчиками температуры, гидростатического давления и перепада давления, а выходом - с камерой задания регулятора расхода эталона в его камеру, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, проточная камера для эталонной вдщкости соединена с проточной камерой для исследуемой среды на ее выходе и установлена так, что верхняя кромка ее пред. последней секции расположена на одном горизонтальном уровне с днищем камеры для исследуемой среды, а высота последней вертикальной трубчатой секции равна высоте камеры для исследуемой среды, причем датчики гидростатического давления эталонной жидкости и ее температуры установлены на последней трубчатой секции этапонной камеры. 3. Устройство по п, 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности измерения концентрации и конверсии мономеров для сред с вязкостью 200 сП и выше, в качестве камеры для исследуемой среды использован последний реактор полимеризации в блоке реакторов. 4. Устройство по и. 2, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации полимера и конверсии мономеров для сред с вязкостью до 200 сП, в качестве камеры для исследуемой среды использована У-образная трубчатая ка(л/ч) 5,11 10-4 2,038 1 О " 6,63 10 0,65 Бутадиен - мономер Бензин - раствори- тельПолиб утади ен - полимерИсходная жидкая среда - шихта Исследуемая жидкая среда - реакционная массаИсходная жидкая среда - эталон 0,68-0,72 0,93 261 8-32 306 8-32 До 2500 261 6,25 (25) Таблица 2 Эксперимент Параметр Конверсия мономеров (лабораторные измерения)Концентрация полимера (лабораторныеизмер ения )Гидростатическоедавление эталонав объеме последнейсекции камерыэталона, г/смГидростатическоедавление исследуемой среды в объемекамеры среды,г/смДиффер енциальноедавление междуоснованиями камерисследуемой средыи последней секциикамеры эталона,г/см Х 2 =Ою 925 Х, = 0,755 Г,= 0,067 С и Оф 055 Р, (0) =338, 5 Р (0)= 339,4 ЛР (0)=342,67718 йР(0)=345,39078 Рф=5,99078 Р =4, 17718 11 1597360 12мера, между входом и выходом которой пада гидростатического давления между установлен датчик перепада давления, основаниями равновысотных столбов этаа в точке ее симметрии - датчик пере-лонной и исследуемой сред,З13 14 1597360 Т а блица 3 Параметр Плотность,г/см Коэффициентобъемноготеплового Расходпродукта,м э/ч Температура, К ВязкостсП расшир ения10 4 К -1 Бутадиен - мономерСтирол, - мономерУглеводороднаяшихтаБутадиен-стирольный каучукВодная фаза - дисперсионная среда 0,65 5,11 0,9060,72680,9288 3,9613 7,0 1, 0001,005 2,07 Исходная жидкаясредаИсследуемая жидкая среда 8-25 263 8-25 278 20 П р и м е ч а н и е: С= 0,4; о( = 0,78252; Т-Т = 15.оТаблица 4 Эксперимент Параметр 2 Конверсия мономеров Концентрация полимера по данным лабораторного анализаГидростатическое давление в последней секции камеры эталона при То по предлагаемому способу, г/смг Перепад давления между выходом камеры и точкой симметрии в камере среды, г/см Х = 0,49 Х = 0,407 С = 0,161 С д = 0,13.3 Р 1(0)=445,36 Рг(0)=446,86 Р (0)+ Р (Л) 1=461, 1894 = 466,03507 Перепад давления между входом и выходом камеры среды, г/смгРасчетное значение дифференциального давления, г/см Р 1(Л)=3 ф 25 Р (Л)=2 95 Рг=17, 70007 Р, =14, 20441597360 аы и Составитель А. ГолландТехред М,Дидык Корректор Н.Ревска едактор Н ич Ч.оизводственно-из льский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1 аказ 3031 Тираж 439 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5