Влияние перемешивания на динамику реактора полимеризации стирола

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2012. Вып. 2. С. 212-218

Химия

УДК 66.095.26.001.53

Влияние перемешивания на динамику реактора полимеризации стирола

Д. П. Вент, В. П. Савельянов, А. Г. Лопатин, М. А. Сафин

Аннотация. На лабораторной установке в изотермических условиях изучено влияние числа оборотов мешалки на величины управляющих воздействий. Обнаружены закономерные связи их наблюдаемых экстремумов, обусловленных диссипативными процессами, характеризующими физическое состояние реакционной смеси. Полученные зависимости могут быть использованы при создании математической модели процесса.

Ключевые слова: стирол, полимеризация, динамика, суспензии, автоматизированная лабораторная установка.

Введение

Ранее сообщалось [1] о создании управляемой программируемым логическим контроллером (ПЛК) экспериментальной установки, позволяющей прослеживать в химических реакторах изменение во времени не только значений регулируемых параметров, но также и величин, с помощью которых они регулируются. Регулируемыми параметрами были: температура Т и числа оборотов мешалки п. На программно заданном уровне они поддерживались постоянными с помощью подачи напряжения и на спираль нагревателя и частоты /, подаваемой с частотно-регулируемого привода (ЧРП) на электропривод мешалки. Все эти величины регистрировались в память компьютера с заданной программой периодичностью. С помощью этой установки нами были получены качественно новые данные по макрокинетике процесса суспензионной полимеризации стирола [2]. Однако точность и надежность этих данных и возможности самой установки не оценивались. Такая оценка и представляет предмет настоящего сообщения.

Результаты

Идея заключается в следующем. Если наблюдаемые нами изменения динамических величин и и / действительно несут в себе содержательную информацию о характере протекающих в реакторе химических и физических

процессов, то должна существовать закономерная связь между ними и регулируемыми величинами, равно как и внутренняя их согласованность. Для проверки был выбран параметр, который, как было установлено ранее [3], оказывает существенное влияние на динамическую устойчивость дисперсии к сворачиванию в одну большую каплю, а именно: частота вращения мешалки п.

Методика проведения опытов была следующей. В 350 мл металлический реактор заливались рецептурные количества дистиллированной воды и 1% раствора стабилизатора - поливинилового спирта (ПВС). После этого включалась система автоматического регулирования и реактор выводился на стационарный режим, как по заданной температуре, так и числу оборотов мешалки, на что требовалось 20-40 мин. Началом процесса считался момент ввода инициатора в виде раствора в стироле, реактор продувался азотом и закрывался. Дальнейший ход процесса был полностью автоматизирован. Заданные условия (т.е. Т и п) поддерживались системой автоматического регулирования, а текущие их значения и значения управляющих переменных и и f регистрировались в память компьютера. Продолжительность одного опыта составляла 6-7 часов. Обработка получаемых кривых осуществлялась стандартными программами и заключалась в фильтрации от шума и в сглаживании.

Сглаженные кривые имели типичный вид, представленный на рис.1.

20

1Гц

15

14

<Г \

тг

[у. ы

' V у ^¡Г Т / <г 0

и, В

100

3000

11000

60

19000 г, С 27000

Рис. 1. Изменения динамических переменных в реакторе синтеза полистирола и их сглаживания

Из него хорошо видно, что эти кривые имеют характерные особенности. Кривая потребления энергии нагрева и обнаруживает в определенный период времени реакции минимум, а кривая потребления энергии f — максимум, т.е. они изменяются в противофазе. Ранее было показано [4], что это объясняется диссипацией энергии перемешивания в теплоту на каплях

полимерно-мономерных частиц (ПМЧ) в состоянии высокой эластичности. Отсюда следует увеличенное потребление энергии на перемешивание (положительный пик по частоте /) и уменьшенное — на нагрев реакционной смеси (отрицательный пик по напряжению и). Левые части пиков обусловлены процессами коалесценции капель в период «липкой» стадии процесса [5], правые же их части «отвердеванием» ПМЧ (их стеклованием).

Характеристическими значениями динамических переменных и и / являются их начальные равновесные значения до пиков, высота пиков и их положение во времени. При одинаковых начальных условиях (соотношении вода-мономер, концентрациях стабилизатора и инициатора) должны наблюдаться ряд корреляций. Особо важными среди них представляются корреляции между положениями пиков на шкале времени (из-за их различий), между абсолютными величинами их экстремумов и их высоте по отношению к предшествующим стационарным значениям и т.п. Все эти корреляции представлены на рис.2-4.

Рис.2 демонстрирует первую из них. Из него следует, что при изменении числа оборотов мешалки положение экстремумов динамических переменных на шкале времени изменяется согласовано, практически закономерно, коэффициент корреляции имеет значение г = 0, 977. Угловой коэффициент этой зависимости практически равен единице (1,015), что свидетельствует о некотором опережении роста частоты с увеличением числа оборотов мешалки.

1хЮ4 хтах1. с

9x103

8х103

7.5хЮ3 8.5х103 Г/77//7и, С 9.5х103

Рис. 2. Зависимость времени появления максимума частоты (tmaxf) от времени появления минимума напряжения ^тши) при различных числах

оборотов мешалки

Наблюдается и естественная корреляция между абсолютными величинами экстремумов этих величин (рис.3, г = 0,783). Этим самым подтверждается высказанное ранее [4] предположение о важной роли диссипации механической энергии перемешивания в «липкой» стадии

процесса, когда ПМЧ находятся в состоянии перехода из вязко текучего к высокой эластичности.

50

тах/. ГЦ

10

70 minU, В 80

Рис. 3. Связь между абсолютными величинами в точках экстремума: частоты

Близкой к закономерной оказывается также связь между абсолютными величинами динамических переменных в точках экстремумов и на предшествующих им стационарных участках. Особенно четко это проявляется на частоте: и коэффициент корреляции r = 0, 999, и угловой коэффициент 0,958 практически равны единице. Физически это означает, что прирост частоты в пике однозначно характеризует тот избыток механической энергии, который связан с ее диссипацией на ПМЧ.

Корреляции для напряжения также наблюдается, но она гораздо хуже. Соответствующие коэффициенты корреляции есть r = 0,900 и r = 0, 653. Такие существенные различия в поведении частоты и напряжения наблюдаются и в других корреляциях. Например, зависимость максимума частоты (и ее стационарного значения до пика) от числа оборотов мешалки, по-видимому, можно считать закономерными (рис.4).

Соответствующие коэффициенты корреляции равны r = 0, 999 и r = 0,998, соответственно. Однако те же зависимости для величин подаваемых на нагревательную спираль реактора напряжения дают значения для его минимума r = 0,793 и только r = 0,544 для предшествующего стационарного состояния. По-видимому, это обусловлено значительной тепловой инерцией нагрева реакционной смеси через стенку реактора. Из рис.1 видно, что наблюдается явное запаздывание реакции реактора на изменение напряжения на нагревателе по отношению к его реакции на изменение частоты, подаваемой на электропривод мешалки с ЧРП.

тах1 ¡п1 Гц

400 п, С'1 1.2х103

Рис. 4. Связь максимума частоты и ее значения на стационарном участке до пика и числа оборотов мешалки (кривая 1 смещена на 5 ед. вверх для

наглядности)

Переход к интересной теоретически разнице между начальным базовым и максимальным значением частоты существенно ухудшает корреляцию — коэффициент корреляции в этом случае составляет всего г = —0, 770. Существенным представляется его отрицательное значение — оно свидетельствует об уменьшении роли частоты при больших оборотах мешалки.

Таким образом, систематическое изучение влияния числа оборотов мешалки на значения динамических параметров показало, что они реально характеризуют состояние реакционной смеси. Наблюдаемые

экспериментально экстремумы управляющих частоты и напряжения закономерно связаны друг с другом как по времени их появления, так и по абсолютной величине. Эти связи можно уверенно использовать для создания математической модели процесса, учитывающей явления коалесценции

ПМЧ и диссипации энергии перемешивания на них. Одновременно обнаружено значительное влияние запаздывания реакции реактора на изменение напряжения его нагрева, обусловленное тепловой инерцией системы нагрева электрической спиралью через стенку. Это определяет пути совершенствования установки.

Список литературы

1. Пилотная установка для изучения сложных реакционных систем / Д. П. Вент [и

др.] // Вестник Международной Академии Системных Исследований (МАСИ). Информатика. Экология, Экономика. М.: МАСИ, 2011. Т.13. Ч. 1.С.114-115.

2. О роли физических состояний полимера в процессе суспензионной

полимеризации стирола / Д. П. Вент [и др.] // Математические методы в

технике и технологиях — ММТТ-24: сб. трудов XXIV междунар. науч. конф. В 10 т. Т.7. Секц. 11 / под общей ред. В. С. Балакирева. Пенза: Пенз. Гос. Технолог. Ак-мия, 2011. С.74-76.

3. Савельянов В.П., Неустроева Т.В. Порог коагуляции как динамическая характеристика суспензионной полимеризации // Пластические массы. 2008. №8. С.38-40.

4. Савельянов В.П. О роли диссипативных процессов в суспензионной полимеризации // XXVIII научная конференция ППС и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева: тез. докл. Ч. 2 / РХТУ им. Д. И. Менделеева. Новомосковский институт (филиал). Новомосковск, 2011. С.36.

5. Кафаров В.В., Дорохов Н.И., Дранишников Л.В. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы полимеризации. М.: Наука, 1991. 350 с.

Вент Дмитрий Павлович (director@dialog.nirhtu.ru), д.т.н., профессор, кафедра автоматизации производственных процессов, Новомосковский

институт (филиал) Российского химико-технологического университета

имени Д. И. Менделеева.

Савельянов Вильям Петрович (savelyanovvp@yandex.ru), д.х.н.,

профессор, кафедра производства и переработки полимерных материалов, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева.

Лопатин Александр Геннадиевич (a_lopatin@mail.ru), к.т.н, доцент, кафедра автоматизации производственных процессов, Новомосковский

институт (филиал) Российского химико-технологического университета

имени Д. И. Менделеева.

Сафин Марат Абдулбариевич (cmvorkut@mail.ru), вед. программист,

кафедра автоматизации производственных процессов, Новомосковский

институт (филиал) Российского химико-технологического университета

имени Д. И. Менделеева.

Mixing influence on the styrene polymerization reactor

dynamics

D. P. Vent, V. P. Savelyanov, A. G. Lopatin, M. A. Safin

Abstract. The special reactor unit used for investigation of mixer speed influence on the styrene suspension polymerization dynamics. The statistically correct correlations reviled between dynamic varieties, which may be used in the process mathematic model.

Keywords: styrene, suspension polymerization, dynamics of, pilot reactor unit, dissipative processes.

Vent Dmitry (director@dialog.nirhtu.ru), doctor of technical sciences, professor, department of automation of production processes, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk Institute (branch).

Savelyanov William (savelyanovvp@yandex.ru), doctor of chemical sciences, professor, department of polymeric materials production and processing, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk Institute (branch).

Lopatin Alexander (a_lopatin@mail.ru), candidate of technical sciences, assistant professor, department of automation of production processes, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk Institute (branch).

Safin Marat (cmvorkut@mail.ru), leading programmer, department of automation of production processes, Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk Institute (branch).

Поступила 01.02.2012