СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ Советский патент 1967 года по МПК C08F2/00 

Пастоящее изобретение относится к способам автоматического управления процессом полимеризации, например в производстве каучуков.

Известны способы автоматического управления процессом полимеризации каучуков, например при помощи управляющей вычислительной машины, путем определения знака отклонения конверсии мономеров от заданного значения с последующим изменением нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, или температуры в зоне реакции.

Настоящее изобретение по сравнению с известным способом позволяет повысить производительность полимеризадионной 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 на батарею изменяют одновременно с температурой в зонах реакции или с подачей активирующего комплекса.

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 полимеризатора при помощи кожуха и змеевика определяется по формулам

Qr WjC,(Tj-T.}и(1)

Qr-W;a(r,,-rj,(2)

где Qr

-количество тенла, отводимое через кожух, ккал;

gr

-количество тепла, отводимое через змеевик, ккал;

W.

-расход рассола через кожух, кг/час;

Wg - расход рассола через змеевик,

кг/час; Сда -теплоемкость рассола, ккал/кг град; Tj -температура рассола на выходе

из кожуха, град; -температура рассола на выходе из Если определить максимальное количество тепла, которое можно отводить от каждого полимеризатора батареи при 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 теплосъема. Максимальное количество тепла, отводимое от полимеризатора, может быть определено по формулам (1 и 2) при максимальных расходах W с в кожухе и змеевике и максимально допустимой температуре реакции Т. При этом оказывается неудобным непосредственно измерять температуру рассола на выходе кожуха и змеевика-Тj и Г, так как для этого нужно подавать максимальное количество рассола в змеевик и кожух - Лмакс макс СаМЫМ ВНОСИТЬ ВОЗмущепия в процесс. Температуры рассола Tj и для этого случая могут быть определены из следующих уравнений тепловых балансов кожуха п змеевика в статике: а) для кожуха (r,,,e /) - ,, (Гу- TJ, -коэффициент, учитывающий увеличение скорости рассола, протекающего через кожух; -коэффициент теплопередачи кожуха, ккал/м-2 час град; -поверхность теплопередачи кожуха, -максимально допустимая температура реакции, град; Т - .... мaкc y-l UjC.yAj ( - ) (3) ..iC... -г 7.1 UjAj б) для змеевика „ , D а.2 Ucl га/елгр со - макс VI щС, макс -коэффициент, учитывающий увеличение скорости рассола, протекающего через змеевик; -внешний диаметр змеевика, м: -коэффициенттеплопередачи змеевика, ккал/м час град; -длина змеевика, лг; -плотность рассола, -внутренний радиус змеевика, м; -максимальная скорость прохождения рассола через змеевик, м/час. Далее по формуле (2) можно определить Q°™ дГ - We ( макс aJ X макс D ,li X ( 1 - ехр Исследуя формулы (3 и 4), можно видеть, что в координатах Q- они имеют экспонепциа льный характер и предел, к которому они стремятся, определяется коэффициентами теплопередачи и j и и f. . Следовательно, максимально возможный теплосъем при выбранном расходе рассола и максимально допустимой температуре реакции ограничен коэффициентамп теплопередачи. Коэффициенты теплопередачи могут быть определены из тепловых балансов кожуха и змеевика при помощи управляющей вычислительной машины (УВМ): а) для кожуха . C /llT-i,.) (7-;) где Т - темиература реакции, град. б) для змеевика Т.. Т,:-. Т,„ где Af. - поверхность теплопередачи змеевика, м. Коэффициент теплопередачи является функцией времени работы данного полимеризатора в батарее, так как изменение коэффициентов теплопередачи происходит в результате постоянного нароста коагулюма на стенках кожуха и змеевика. Поскольку вязкость эмульсии при эмульсионной полимеризации по длине батареи меняется незначительно, можно считать, что коэффициенты теплопередачи кожухов и змеевиков меняются с одинаковыми скоростями во всех полимеризаторах 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 скорости протекания рассола по змеевикам и кожухам отдельных полимеризаторов. Эта зависимое гь может быть учтена при помощи коэффициентов а и а, которые введены в формулы (3 и 4). Как известно, производительность батареи равна /7 f.9, где F - нагрузка эмульсии на батарею, м /час; Ф - конверсия мономеров, %. Для увеличения производительности нужно не просто увеличить подачу эмульсии на батарею (нагрузку .F), что приведет к соответтвующему уменьшению конверсии мономеров ф при сохранении прежней производительности, но необходимо новысить также активность процесса полимеризации, чтобы поддержать конверсию на заданном уровне для обеспечения определенного качества -конечного продукта и повышения производительности полимеризационной батареи. Увеличение активности процесса может быть достигнуто повышением температуры реакции в полимеризаторах, а также увеличением концентрации активирующего комплекса (или одного из его компонентов). Запас по тенлосъему может быть определен при ПОМОШ.И УВМ для каждого полимеризатора как разность между максимально возможным отводимым теплом и теплом, отводимым в данный момент времени, а именно: I ПП°™ri Q; Q-макс - Qf QpTB П i- Г)™ «макс /макс .-.ОТВ .0 VC - V/ Г V Количество тепла, которое выделяется в процессе реакции полимеризации, например при реакции нулевого порядка, определяется следующим, образом: Q у р ДЯ. /С,(6) -объем полимеризатора, -плотность эмульсии, кг/жз; -удельная теплота реакции, ккал/кг; -скорость реакции, . Из уравнения (6) можно определить увеличение скорости реакции А/С,- , т. е. увеличение активности нроцесса, которое можно нроизвести, исходя из имеющегося запаса теплосъема AQ; для каждого полимеризатора А/С,. К f, - Д Я Кроме того, необходимо также определить текущие значения скорости реакции /С,- каждом полимеризаторе из следующего уравнения:Ki - . V . Н Текущие значения скорости реакции KI могут быть уточнены нри помощи уравнений материальных балансов отдельных полимеризаторов в статике f(X,,,, где Xj - конверсия мономеров в г-м полимеризаторе, %. Однако для этого необходимо поставить датчики конверсии на входе и выходе для тех полимеризаторов, скорость реакции которых нужно проверить. Зная зависимости скорости реакции от температуры реакции К f (Т), можно определить при помощи УВМ насколько в каждом полимеризаторе нужно повысить темнературу реакции, чтобы нснользовать имеющийся запас теплосъема AQ,- . Здесь могут быть два случая: 1.Увеличивая температуру реакции, повышают скорость реакции до нового рассчитанного значения Kip. . При этом температура не выходит за верхний допустимый предел. В этом случае весь запас теплосъема будет реализован путем увеличения температуры реакции, т. е. при ;т - рас - -мако где К- -скорость реакции, достигнутая в г-ом полимеризаторе за счет увеличения в нем температуры реакции - Т /. 2.Температура реакции достигнет верхнего предела, а скорость реакции /С.-т не получит увеличения, определяемого по формуле (7) для данного нолимеризатора, т. е. i - -мaкc I рас В этом случае весь запас по теплосъему использовать за счет увеличения температуры реакции не удается. Это можно сделать увеличением концентрации активирующего комплекса. Таким образом, для некоторых полимеризаторов (первый случай) должна быть нринята скорость реакции, рассчитанная при помощи управляющей вычислительной мащины по формуле (7), для других (второй случай) должна быть принята скорость реакции, определяемая из зависимости K f (Т), исходя из недопустимости превыщения верхнего предела температуры реакции. Далее рассчитывают среднюю скорость реакции /Сер для всей батареи и из уравнения материального баланса полимеризационной батареи находят нагрузку F на батарею но формулам где jV - число полимеризаторов в батарее; H.;,v N.V.K,P , где X - концентрация полимера на выходе из последнего полимеризатора, кг/кг. Откуда F.ft) Таким образом, нагрузка F соответствует активности процесса усредненной по длине полимеризационной батареи, и следовательно, концентрация полимера на выходе промежуточных зон и отдельных полимеризаторов может не соответствовать заданному значению, однако на выходе из батареи концентрация полимера (конверсия) будет равна заданной, что и обеспечит заданное количество готового продукта. скоростей реакции К.-, всех полимеризаторов и соответственно корректировать подачу эмульсии на батарею по формулам (8 и 9), что обеспечит точное поддержание конверсии па выходе батареи. Как уже было сказано ранее, в некоторых полимеризаторах не весь запас тенлосъема может быть использован новышенпем температуры реакции. В таких случаях для более полного использования запаса теплосъема можно увеличить концентрацию активирующего комплекса и тем самым поднять активность процесса полимеризации. Однако увеличение концентрации активирующего комплекса через некоторое время, оиределяемое параметрами полимеризаторов, отразится на всех последующих полимеризаторах, поэтому оно возможно только при наличии неиспользованного запаса теплосъема в последнем полимеризаторе. Так как коэффициенты теилопередачи, определяющие запас теплосъема, имеют по длине батареи разные значения, зависящие от времени работы полимеризатора в батарее, то коэффициент теплопередачи хотя бы 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 N-п-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 формуле A/C;VC K /Vpac - K.NT , где - расчетная скорость реакции в последнем полимеризаторе; KNT - скорость полимеризации в последием полимеризаторе при температуре Т. Увеличение скорости реакции АЛ/vc 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 повыщается не только в последнем полимеризаторе, но и в нескольких предыдущих. Однако в этом случае иеобходимо дополнительно рассчитать при -помощи управляющей вычислительной мащины распределение повышения скоростей реакции по полимеризаторам, причем ограничением повыщения скорости реакции в каждом иолимеризаторе с.лужит в йен запас теплосъема. Кроме того, подача активирующего комилекса в полимеризаторы должна быть осуществлена так, чтобы скорость реакции в последнем полимеризаторе не превышала расчетного значения. Поскольку активирующий комплекс оказывает модифицирующее действие на процесс полимеризации, необходимо соответственно изменить подачу модификатора, чтобы обеспечить неизменным качество получаемого продукта. В частном случае, если позволяет запас теплосъема, увеличение скоростей реакции может быть произведено равномерно но полимеризаторам, расположенным за тем, запас теплосъема которого близок к нулю. В этом случае оиределяется увеличеиие скорости реакции для полимеризатора, следующего непосредствепно за п-ым, по формуле А/ я-i:Затем из зависимости скорости реакции от концентрации активирующего комплекса К f (Сак) определяется соответствующее увеличение концентрации для всех Л-«-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 Л-д-последних полимеризаторов, может быть рассчитано по следующей формуле (i - л) А /Слл -.(10) Для последнего полимеризатора Д/С/с Д/C/vc , т. е. увеличение активности будет соответствовать имеющемуся заиасу теплосъема. Нужно учитывать также повышение скорости реакции, определяемое по формуле (10) в N-п-последних полимеризаторах и одиовременно по формулам (8 и 9) рассчитывать новое значение нагрузки F 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 использования температуры реакции для повыщения активности процесса полимеризации. В этом случае повышение производительности полимеризационной батареи за счет использования запаса теплосъема может быть осуществлено только дополнительной иодачей активирующего комплекса в реакторы батасоответствии с расчетом, выполнеиным УВМ по способу, описанному ранее. Температуру реакции в каждом полимеризаторе поддерживают в узких пределах охлаждающим рассолом, подаваемым в кожухи и змеевики полимеризаторов. Поскольку для поддержания температуры в узких пределах с помощью рассола необходимо иметь определенный запас теплосъема, то фактически найденный запас теплосъема в каждом реакторе используют для повыщения 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 теплосъема может быть использована для повышенолимернзационной

ния производительности батареи.

Предмет изобретения

1. Способ автоматического управления процессом полимеризации, например с помощью управляющей вычислительной машины, путем изменения нагрузки на батарею или подачи активирующего комплекса, или температур в

зонах реакции, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности полимеризациониой батареи, изменение указанных параметров производят в зависимости от разности между максимально возможной теоретической и фактической величинами теплосъсмов с каждого из полимеризаторов.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку па батарею, подачу активирующего комплекса и температуру в зонах реакции

изменяют одновременно.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагрузку на батарею изменяют одновременно с температурой в зонах реакции или с подачей активирующего комплекса.