СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРОМ СУСПЕНЗИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G05D27/00 G05D23/30 G05D24/02 G05B15/00 C08F2/18 

Изобретение относится к области систем автоматического управления. Оно может быть использовано при автоматизации работы реакторов - полимеризаторов, имеющих один или несколько контуров управления, подключаемых в зависимости от динамических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия.

Процессы суспензионной полимеризации являются одной из типовых технологий получения полимеров различного назначения. Данные процессы являются экзотермическими реакциями с явно выраженными нелинейными зависимостями, что приводит к возникновению различных проблем при управлении данными процессами.

Процессы полимеризации, протекающие по радикальному механизму инициирования, обладают характерной нелинейностью протекания процесса, а именно гель - эффектом, который, например, проявляется при степени конверсии 30% в случае суспензионной полимеризации метилметакрилата, 60% для стирола и 80% для винилацетата.

В момент возникновения гель - эффекта происходит резкое выделение тепла, которое может вывести реактор – полимеризатор из устойчивого состояния, а также приводит к изменению параметров объекта управления (реактор - полимеризатор), которые меняются при возникновении гель – эффекта.

Известны способы автоматического управления процессом суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции в зависимости от величины отклонения значения измеренной температуры от заданного значения подачей теплоносителя и хладагента в рубашку реактора – полимеризатора (RU № 93012620 A от 20.09.96 г.). При данном способе управления процессом отсутствует возможность воздействия на температуру с помощью изменения гидродинамического режима внутри реактора - полимеризатора. Учитывать это воздействие необходимо, так как при применении аппаратов с мешалками увеличение их оборотов при значительной вязкости реакционных сред приводит как к значительному росту мощности, потребляемой мешалкой, так и к опасности локального перегрева самой реакционной массы за счет трения слоев вязкой среды, что снижает качество получаемого продукта.

Способ управления процессом суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции, с помощью изменения подачи теплоносителя и/или хладагента в рубашку реактора - полимеризатора, отличающийся тем что, используется дополнительное воздействие на температуру реакционной массы путем изменения гидродинамического режима внутри реактора - полимеризатора за счет изменения заданной скорости вращения мешалки реактора – полимеризатора в дополнительном канале управления, которая корректируется в зависимости от рассчитанных по модели свойств реакционной массы (RU №2 534 365 C2 от 24.04.2012). При данном способе необходимо построить адекватную математическую модель процесса с учетом изменения вязкости реакционной массы, что не всегда возможно.

Способ управления процессом суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции, с помощью изменения подачи хладагента в рубашку реактора - полимеризатора, отличающийся тем что, используется информация об изменении токовой нагрузки на асинхронный электродвигатель привода мешалки реактора - полимеризатора для организации сигнала упреждения на регулятор основного канала управления, который рассчитывается с помощью математической модели динамики реактора - полимеризатора (RU № 2 649 039 C1 от 30.01.2017). При данном способе необходимо построить адекватную математическую модель изменения вязкости реакционной массы, что не всегда возможно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества управления температурой процесса суспензионной полимеризации.

Поставленная задача решается путем введения двух каналов упреждения – первый канал вырабатывает сигнал упреждения в зависимости от изменения выходного сигнала регулятора, обеспечивающего стабилизацию скорости вращения мешалки реактора – полимеризатора, а второй − в зависимости от изменения температуры реакционной массы.

Система управления процессом суспензионной полимеризации с использованием каналов упреждения изображена в виде блоксхемы на фигуре 1.

Система состоит из двух контуров управления. Первый контур обеспечивает заданную скорость вращения мешалки N_ЗД с помощью регулятора 3 (R_N). Второй контур обеспечивает стабилизацию температуры реакционной массы Т внутри реактора - полимеризатора с помощью регулятора 8 (R_T).

В первом контуре управления, заданная скорость вращения мешалки N_ЗД реактора – полимеризатора сравнивается с текущим значением N в элементе сравнения 2. Ошибка рассогласования ε_N=(N_ЗД-N) поступает на вход регулятора 3 (R_N), стабилизирующего скорость вращения мешалки N реактора - полимеризатора. Регулятор 3 (R_N) вырабатывает управляющее воздействие U_N, которое подается на технологический объект управления (ТОУ) 4 в виде мощности, необходимой для вращения мешалки реактора - полимеризатора. Текущее значение скорости вращения N мешалки реактора – полимеризатора в виде обратной связи поступает в элемент сравнения 2, тем самым замыкая первый контур управления.

Во втором контуре управления, заданная температура реакционной массы T_ЗД сравнивается с текущим значением температуры T реакционной массы в элементе сравнения 7. Ошибка рассогласования ε_T=(T_ЗД-T) поступает на вход регулятора 8 (R_T), стабилизирующего температуру реакционной массы T внутри реактора - полимеризатора. Регулятор 8 (R_T) вырабатывает управляющее воздействие U_T, которое подается на ТОУ 4 в виде расхода хладагента, необходимого для поддержания заданной температуры реакционной массы T внутри реактора - полимеризатора. Текущее значение температуры реакционной массы T внутри реактора - полимеризатора в виде обратной связи поступает в элемент сравнения 7, тем самым замыкая второй контур управления.

На фигуре 1 показано также, что в контур управления температурой реакционной массы Т введен канал упреждения, который включает блок корректирующего устройства (КУ1) 5, а в контур управления скоростью вращения мешалки введен канал упреждения, который включает блок корректирующего устройства (КУ2) 6.

Блок 5 (КУ1) работает следующим образом, в момент, когда вязкость реакционной массы начинает значительно возрастать выходной сигнал U_N регулятора 3 (R_N) начинает значительно увеличиваться и в этот момент включается в работу блок 5 (КУ1), который рассчитывает скорость изменения сигнала U_N и, если она превышает заданное значение, то вырабатывается сигнала S_K1, который подается на элемент сравнения 7 контура стабилизации температуры реакционной массы Т с целью обеспечения увеличения подачи хладагента в рубашку реактора – полимеризатора, избежав тем самым резкого возрастания температуры реакционной массы Т, которая начинает увеличиваться за счет увеличения диссипации механической энергии на перемешивание.

Блок 6 (КУ2) работает следующим образом: в момент, когда температура реакционной массы Т начинает значительно увеличиваться, в этот момент времени включается в работу блок 6 (КУ2), который рассчитывает скорость роста температуры реакционной массы Т и, если она превышает заданное значение, то вырабатывается сигнал коррекции S_K2, который подается на элемент сравнения 1 контура стабилизации скорости вращения мешалки с целью уменьшения заданного значения N_ЗД скорости вращения мешалки до величины N^K_ЗД, что приводит к уменьшению влияния диссипации механической энергии на перемешивание на температуру реакционной массы.

Отличительной особенностью данного способа управления является отслеживание изменения выходного сигнала U_N с регулятора 3 (R_N) и, на его основании, выработка упреждающего воздействия S_K1 в контур стабилизации температуры реакционной массы Т в реакторе – полимеризаторе, а также отслеживание температуры реакционной массы и, на основании ее изменения, выработки упреждающего воздействии S_K2 в контур управления скоростью вращения мешалки реактора – полимеризатора, что позволяет улучшить качество управления технологическим объектом и, как следствие, качество получаемого продукта.

Настоящее изобретение относится к области автоматизации работы реакторов-полимеризаторов, в частности к способу управления реактором суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции с помощью изменения подачи хладагента в рубашку реактора-полимеризатора и изменения скорости вращения мешалки. Система управления процессом суспензионной полимеризации состоит из двух контуров управления. Первый контур обеспечивает заданную скорость вращения мешалки N_ЗД реактора-полимеризатора с помощью регулятора 3 (R_N). Второй контур обеспечивает стабилизацию температуры реакционной массы T внутри реактора-полимеризатора с помощью регулятора 8 (R_T). Способ заключается в том, что при изменении выходного сигнала U_N с регулятора 3 (R_N) вырабатывается упреждающее воздействие S_K1 в контур стабилизации температуры реакционной массы Т в реакторе-полимеризаторе, а при изменении температуры реакционной массы вырабатывается упреждающее воздействие S_K2 в контур управления скоростью вращения мешалки реактора-полимеризатора. Технический результат - улучшение качества управления технологическим объектом за счет изменения динамических свойств каналов управления температурой реакционной массы и стабилизации скорости вращения мешалки реактора-полимеризатора в зависимости от состояния объекта управления и, как следствие, улучшение качества получаемого продукта. 1 ил.

Способ управления реактором суспензионной полимеризации путем регулирования температурного режима в зоне реакции с помощью изменения подачи хладагента в рубашку реактора-полимеризатора и изменения скорости вращения мешалки, заключающийся в том, что при изменении выходного сигнала U_N с регулятора 3 (R_N) вырабатывается упреждающее воздействие S_K1 в контур стабилизации температуры реакционной массы Т в реакторе–полимеризаторе, а при изменении температуры реакционной массы вырабатывается упреждающее воздействие S_K2 в контур управления скоростью вращения мешалки реактора–полимеризатора.