Способ измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК C08F2/06 G05D27/00 

Изобретение относится к способам автоматического измерения концентрации полимера и конверсии мономера в производстве каучуков и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для автоматического контроля процессов получения -каучуков.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации полимера и конверсии мономера.

На фиг.1 и 2 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Производство СКЛ ;каучука полимеризацией в растворе.

Схема устройства реализации предлагаемого способа (фиг. 1) включает в себя блок реакторов полимеризации, на вход первого реактора 1 подаются исходная среда и инициатор реакции, а с выхода последнего реактора 2 снимается готовый продукт. Объем заполнения последнего реактора равен 1. Эталонная жидкая среда, в качестве которой используется исходная жидкая среда до ввода инициатора с входа реактора 1, подается в секционную камеру 3 для

оо

О5

о

to

эталона, последняя секция которой i- представляет собой установленный вер тикально участок трубы, высота которого равна высоте камеры для исследуемой 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 эталонной жидкости, в качестве которой служит исходная жидкая среда, в камеру 3 для эталона измеряется датчиком 6 и регу- j лируется с помощью регулятора 7 и клапана 8. Перепад гидростатического давления между основаниями равновысот- ных столбов эталонной и иссл-едуемой сред измеряется датчиком 9. Гидроста- 2о тическое давление эталонной жидкости в вертикальной трубчатой секции измеряется датчиком 10. Температуру исследуемой жидкой среды в реакторе 2 измеряют датчиком 11 температуры, а 25 температуру эталонной жидкости в последней секции камеры для эталона - датчиком 12 температуры. Камеру для эталонной жидкости устанавливают так, чтобы верхняя ча сть ее объема из п (N-1), (где N - число реакторов, секции бьша на одном горизонтальном-уровне с днищем реактора. Информация от датчиков 4, 5, 9 - 12 поступает на входы блока 13 расчета концентрации полимера и конверсии мономеров, который рассчитывает задание регулятору расхода эталонной жидкости и определяет концентрацию полимера и конверсию мономеров в исследуемой среде. Информация и задания регулятору 7 расхода поступают с выхода блока 13 в камеру задания этого регз лятора.

В качестве мономера используется бутадиен, растворителем являются толуол, бензин или отдельные фракции бензина.

Исходная жидкая среда (шихта) приготовляется смешением в трубопроводе мономера и растворителя в задан- .ном соотношении, охлаждается и подается на полимериза11;ию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения.В линию исходной жидкой среды на ее входе в первый реактор каскада подается инициатор. В результате непрерывной подачи исходной жидкой среды и инициатора реакционная масса последовательно проходит все аппараты кас1597360Л

када, количество которых не превышает 4-6. Объем аппарата составляет Г6- 20 м в зависимости от конструкции, высота аппаратов 5,0 мм. Отвод теплоты полимеризации осуществляется в результате предварительного охлаждения исходной жидкой среды и охлаждения аппаратов каскада рассолом температурой 258 К, поступающим в рубашки аппаратов,

Основные параметры процесса полимеризации представлены в табл. 1.

35

40

45

50

55

Концентрация мономера CjJ, 0,1 и может изменяться до С 0,2.

Температура исходной среды Т, - 261 К, а температура исследуемой среды Т 306 К.

В эталоне соотйошение объемных концентраций мономера и растворителя изменяется в диапазоне (0,1-0,9) - (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 peaKtope состоит из двух секций. Последняя секция камеры имеет высоту, равную высоте реактора, т.е. 5 Мо Общий объем камеры эталона выбирается таким, чтобы расход эталона через его камеру обеспечивал равенство времени протекания химической реакции в исследуемой среде и времени пребьшания эталона в камере, а отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру устанавливалось не менее Ю. При общем объеме камеры эталона в 25 л, расходе исходной жидкой среды, равном 8-32 , и расходе эталона, устанавливаемом 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 реактив- ньй каскад. Таким образом, двухсекционная камера эталона и пропорциональное регулирование расхода эталона обеспечивают равенство протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребьшания этало-. на в его камере. Для обеспечения рао 5 п

5

0

5

0

5

Концентрация мономера CjJ, 0,1 и может изменяться до С 0,2.

Температура исходной среды Т, - 261 К, а температура исследуемой среды Т 306 К.

В эталоне соотйошение объемных концентраций мономера и растворителя изменяется в диапазоне (0,1-0,9) - (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 peaKtope состоит из двух секций. Последняя секция камеры имеет высоту, равную высоте реактора, т.е. 5 Мо Общий объем камеры эталона выбирается таким, чтобы расход эталона через его камеру обеспечивал равенство времени протекания химической реакции в исследуемой среде и времени пребьшания эталона в камере, а отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру устанавливалось не менее Ю. При общем объеме камеры эталона в 25 л, расходе исходной жидкой среды, равном 8-32 , и расходе эталона, устанавливаемом 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 реактив- ньй каскад. Таким образом, двухсекционная камера эталона и пропорциональное регулирование расхода эталона обеспечивают равенство протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребьшания этало-. на в его камере. Для обеспечения ра 1597360

венства избыточного давления в камере исследуемой жидкой среды и камере эталона последняя секция камеры эта- лона соединяется с камерой исследуемой среды на ее выходе, т.е. на уровне верхней кромки реактора. При объеме последней секции камеры эталона V 12,5 л, высоте сек ции равной 5,0 м, диаметр секции составляет 5,68 см, а скорость протока эталона изменяется в диапазоне 2,5-10 м/ч. Отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в его jr камеру составляет 10 что больше расчетной величины, равной 10 f.

Расчет конверсии мономера/Х и концентрации полимера С вьтолняется по ормулам20

10

Значения концентрации полимера к конверсии мономера по формулам (1) и (2) на основании результатов измерений (табл, 2): Х I 0,749997; С,,0,0546А7; Х 0,91999972; Cr,j 0,0673858,

Относительные погрешности измерения с помощью предлагаемого способа равны

jr

10

Изобретение относится к способам автоматического измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в производстве каучуков и может быть использовано для автоматического контроля процессов получения полимеров. Изобретение позволяет повысить точность измерения концентрации полимера и конверсии мономеров по величине гидростатического давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температурной компенсацией за счет дополнительного измерения объемной концентрации мономеров в исходной жидкой среде, регулирования расхода эталонной жидкости, в качестве которой используют исходную жидкую среду, отбираемую до ввода инициатора, таким образом, чтобы обеспечить отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру равным не менее 10⁴ и равное время протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребывания эталона в его камере. 1 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

X

С С(.-/Зп)(Т-тЛ

ТяПрСоТ (т-т,) c;()4.(i;

,, )г р

1 С(1-)+()(т-т„) (о)

ЙбГ СС(Л.)-ь/5р(Т-Т,

де ,

р ,о - плотности мономера и полимера, соответственно;

Рм;рп; р коэффициенты объемного теплового расширения мономера, полимера и растворителя соответственно;Р(0) - гидростатическое

давление эталона в последней секции камеры эталона; Р (0) - гидростатическое

давление исследуемой среды; Л Р - дифференциальное

давление между основаниями камер исследуемой среды и последней секции камеры эталона.

В процессе полимеризации каучука КД получены результаты, представленые в табЛо 2.

25

30

35

40

45

50

5

Пример 2. Производство каучука СКСЗОАРКМ15 поляризацией в эмульсии.

Схема устройства (фиг. 2) включает реактор 1 полимеризации, U-образную трубчатую камеру 14, для исследуемой среды, секционную камеру 3 для эталонной жидкости. На вход реактора 1 полимеризации подаются исходная жидкая среда и .нющатор реакции. Расход исходной среды в реактор измеряется датчиком 4 расхода, а объемная кон- центра1щя мономеров в исходной среде - датчиком 5. Эталонная жидкая среда, в 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 U-образной камеры и основанием последней трубчатой секции камеры 3 для эталона измеряется датчиком 9 о Перепад давления между концами последней вертикальной трубчатой секции камеры для эталона измеряют датчиком 10. Температуру исследуемой жидкой среды на горизонтальном участке U-образной камеры, расположенном на одинаковом горизонтальном уровне с верхней кромкой объема из (N-1) секций эталонной камеры, измеряют датчиком 11. Температуру эталонной жидкости измеряют с помощью датчика 12 в последней вертикальной трубчатой секции камеры для эталона, соединенной с U-образной камерой для исследуемой среды. Схема включает также вычислительный блок

14,перепад давления на ее концах измеряется датчиком 15., Информация от датчиков 4,5,9,10,11,12 и 15 поступажидкая среда. Объем камеры эталона в 70 л обеспечивает при скорости протока 8-12 л/ч равенство времени пребывания эталона и времени химической реакции, осуществляемой в семи первых реакторах каскада, в первьш из р;оторых подается исходная жидкая среда с расходом 9,6-15 . Для обеспечения рает на входы блока 13 расчета концент- ,о венства избыточного давления в камерах

... « .пьтлт-г чттгч -ГЛЛ -ЧГТ МТив С1f /Л О ГПТ tlO 1-1 ЯГ

рации полимера и конверсии мономеров, в котором осуществляется расчет задания регулятору расхода эталонной жидкости и определяется концентрация по- лимера и конверсия мономеров в иссле- J5 дуемой среде. Значение задания регулятору 7 расхода эталона в его камеру поступает с выхода блока 13 в камеру задания этого регулятора.

В качестве мономеров используют 20 бутадиен и стирол. В качестве водной фазы - вафатитовую воду, содержащую ряд солей, необходимых для реализации процесса полимеризации.

Исходную жидкую среду (эмульсия) 25 готовят смешением водной фазы и мономеров в заданном соотношении, охлаждают и подают на полимеризацию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения. В линию исходной жидкой среды 30 на ее входе в первый реактор каскада подают инициатор. В результате не- прерьшной подачи исходной жиДкой ере- ды и инициатора латекс (реакционная масса) послед.овательно проходит все аппараты каскада, количество которых составляет 10-12. Объем аппарата составляет 12 м. Отвод теплоты полимеризации осуществляют в результате ; предварительного охлаждения исход- 40 ной жидкой среды и охлаждения аппаратов каскада через встроенные в них змеевики и рубашки рассолом температурой 258 К.

Основные параметры процесса поли- 45 меризации представлены в табл. 3.

среды и эталона последняя соединена с камерой 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-конт- ролируемую область. Объем каждой секции камеры эталона, в том числе и последней, составляет 10 л. При высоте камеры среды и последней секции камеры эталона, равной 5 м, ее диаметр составляет 5 см. Отношение гидростатического давления эталона к величине , гидродинамического давления в точке ввода эталона в его камеру составляет 10, что больше расчетной вепичины, равной 10 о

Расчет конверсии и концентрации осуществляют по формулам (1) и (2) с учетом того, что в этом случае

(X,/ ) - I Р(Л),

где Р(Л) - потери давления в U-образ- ной камере, измеряемые датчиком 14, г/см ;

dP(X,A) - перепад давления, измеря- емьш датчиком 9, расположенным в точке симметрии и-образной камеры, г/см ;

- - коэффициент, определяемый тем, что датчик 9 расположен в точке симметрии U-об- разной камеры.

В эталоне соотношение мономеров и водной фазы может изменяться в диапазоне (6,33:0,67)-(0,37:0,63). 50

В качестве-камеры для пропускания исследуемой среды (латекса) используют и-образньш трубопровод 2. Камера 3 при изменении конверсии и концентрации после, например, седьмого peaKj 55 тора должна состоять из семи секций. | Последняя секция камеры эталона долж- на иметь высоту, равную высоте камеры, через которую протекает исследуемая

жидкая среда. Объем камеры эталона в 70 л обеспечивает при скорости протока 8-12 л/ч равенство времени пребывания эталона и времени химической реакции, осуществляемой в семи первых реакторах каскада, в первьш из р;оторых подается исходная жидкая среда с расходом 9,6-15 . Для обеспечения равенства избыточного давления в камерах

... « .пьтлт-г чттгч -ГЛЛ -ЧГТ МТив С1f /Л О ГПТ tlO 1-1 ЯГ

среды и эталона последняя соединена с камерой 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-конт- ролируемую область. Объем каждой секции камеры эталона, в том числе и последней, составляет 10 л. При высоте камеры среды и последней секции камеры эталона, равной 5 м, ее диаметр составляет 5 см. Отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в его камеру составляет 10, что больше расчетной вепичины, равной 10 о

Расчет конверсии и концентрации осуществляют по формулам (1) и (2) с учетом того, что в этом случае

(X,/ ) - I Р(Л),

где Р(Л) - потери давления в U-образ- ной камере, измеряемые датчиком 14, г/см ;

dP(X,A) - перепад давления, измеря- емьш датчиком 9, расположенным в точке симметрии и-образной камеры, г/см ;

- - коэффициент, определяемый тем, что датчик 9 расположен в точке симметрии U-об разной камеры.

В процессе полимеризации каучука СКСЗОАРКМ15 получены результаты, представленные в табЛо 4.

Расчетные значения конверсии мономера и концентрации мономера для эксперимента 1: X, 0,40831, С f, 0,13326088; для эксперимента 2: Х - 0,49187603, Спг 0,16173927.

Относительные погрешности измерений с помощью предлагаемого способа равны:

х,

.

100% 0,321%;

100% 0,2%;

100% 0,38%;

/1C

j

100% 0,46%.

ni мула

Формула изобретения

тавом, содержащее камеры для исследуемой и эталонной жидких сред, датчики расхода и датчики состава исследуемой жидкой среды, расположенные до ввода инициатора реакции, контур регулирова ния расхода эталонной жидкой среды в камеру для эталона, датчики температу ры исследуемой и эталонной сред в их камерах, датчик гидростатического

с давления эталонной ж кости, датчик перепада гидростатического давления между основаниями равновысотных столбов исследуемой и эталонной сред, блок расчета концентрации полимера и

10

полимера по величине гидростатическо- JQ конверсии мономеров, связанный своими го давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температур25

ной компенсацией с использованием ре- гулирования расхода эталонной жидкости в ее камеру, отличающий- с я тем, что, с целью повьпаения точности 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 иссле

дуемой жидкой среде и пребывания эталона в его камере и обеспечивает также отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке ввода эталона в его камеру равным не менее 10 , причем в качестве эталонной используют исходную жидкую среду, отбираемую до ввода инициатора, находящуюся под одинаковым давлением с исследуемой жидкой средой, в качестве исследуемой дозы для сред с вязкостью 200 сП и вьпие используют всю массу исследуемой жидкой среды, заключенную в объеме последнего реактора меризации 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.

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, отличающееся тем, что, с целью повьше- ния точности измерения, проточная камера для эталонной жидкости соеди30 нена с проточной камерой для исследуемой среды на ее выходе и установлена так, что верхняя кромка ее предпоследней секции расположена на одном горизонтальном уровне с днищем камеры для исследуемой среды, а высота последней вертикальной трубчатой сек1щи равна высоте камеры для исследуемой среды, причем датчики гидростатического давления эталонной

40 жидкости и ее температуры установлены на последней трубчатой сек1щи эталонной камеры.

-35

45

о т л и с целью

55

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 о

4 о Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью по- вьш1ения 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

7360

с давления эталонной ж кости, датчик перепада гидростатического давления между основаниями равновысотных столбов исследуемой и эталонной сред, блок расчета концентрации полимера и

10

JQ конверсии мономеров, связанный своими

25

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, отличающееся тем, что, с целью повьше- ния точности измерения, проточная камера для эталонной жидкости соеди30 нена с проточной камерой для исследуемой среды на ее выходе и установлена так, что верхняя кромка ее предпоследней секции расположена на одном горизонтальном уровне с днищем камеры для исследуемой среды, а высота последней вертикальной трубчатой сек1щи равна высоте камеры для исследуемой среды, причем датчики гидростатического давления эталонной

40 жидкости и ее температуры установлены на последней трубчатой сек1щи эталонной камеры.

35

5

о т л и с целью

5

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 о

4 о Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью по- вьш1ения точности измерения концентрации полимера и конверсии мономеров для сред с вязкостью до 200 сП, в качестве камеры для исследуемой среды | использована У-образная трубчатая ка11: 159736012

мера, между входом и выходом которойпада гидростатического давления между

установлен да1;чик перепада давления,основаниями равновысотных столбов этаа в точке ее симметрии - датчик пере- лонной и исследуемой сред.

0,65 5,11 .10- 0,68-0,72 2,038-10-

0,93 6,63-10

-4

X 0,755

&,, 0,055

Х 0,925

С О 06 7

Р,(0)338,5

P-i(0) 339,4

4Рт-(0)342,67718 4Р(0)345,39078

,17718

,99078 .

Таблица 1

261

8-32

Таблица 2

Х 0,925

С О 06 7

P-i(0) 339,4

,99078 .

13

Бутадиен - мономер

Стирол, - мономер

Углеводородная шихта

Бутадиен-стироль ный каучук Водная фаза - диперсионная среда

Исходная жидкая среда

Исследуемая зкид- кая среда

Примечание: С 0,4; / 0,78252; Т-Тв 15.

Таблица 4

Параметр

Конверсия мономеров 0,407

Концентрация полимера по данным лабораторного анализа

Гидростатическое давление в последней секций камеры эталона при Т.д по предлагаемому способу, г/см Перепад давления между выходом камеры и точкой симметрии в камере среды, г/см

Перепад давления между входом и выходом камеры среды, г/см Расчетное значение дифференциального давления,

1597360

14 Таблица 3

5,11 1,59 3,9613 7,0

2,07

25 25

263 278

1 20

Эксперимент

1

.2

i 0,407

С„, 0,13.3

Х 0,49 С„1 0,161

Р(0)445,36 Р(0)446,86

Р(0) + Р()-- 466,03507

Ра(/)2,95 ,70007

Исходная 11ницоотор жидкаяI

Исходная жидI Книциатор

гкхооноя жиа- тя среда

12