Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МОТОРИН Максим Леонидович
МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ АНИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ С УЧЁТОМ МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Воронеж 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ).
Научный консультант: Битюков Виталий Ксенофонтович, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, президент ВГУИТ Научный консультант: Хаустов Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО ВГУИТ)
Официальные оппоненты: Матвейкин Валерий Григорьевич, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет), Курицын Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, технический директор по АСУ ЗАО НПП Центравтоматика г. Воронеж
Ведущая организация: ВФ ФГУП Научно-исследовательский институт синтетического каучука
Защита диссертации состоится л25 мая 2012 г. в 1330 час. на заседании диссертационного совета Д 212.035.02 в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет инженерных технологий по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью просим направлять по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, ФГБОУ ВПО ВГУИТ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.035.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУИТ.
Автореферат размещён на сайте и официальном сайте ВГУИТ л24 апреля 2012 г.
Автореферат разослан л25 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета И.А. Хаустов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Термоэластопласты (ТЭП), как особый класс полимеров имеют высокую востребованность в связи с широкими возможностями их применения в различных областях промышленности. Снижение себестоимости и повышение их качества являются важнейшими задачами в современных условиях рынка. Решение этих задач в основном зависит от особенностей развития технологии синтеза полимеров и методов управления процессом синтеза. Развитие методов управления тесно связано с математическим моделированием процесса. Существующие математические модели позволяют определять: 1) кинетику процесса полимеризации стирола и бутадиена, 2) термодинамику процесса и 3) фракционный состав синтезируемого полимера. Указанные функции в разной степени реализованы в различных производствах, отличающихся технологией получения (периодическая или непрерывная), способом получения (радикальная, ионная и т.п.) и др. Применительно к растворной полимеризации термоэластопластов по периодической технологии реализация этих функций в рамках одной модели отсутствует.
Приоритетной с точки зрения управления процессом является функция определения фракционного состава, поскольку анализ фракционного состава полимера позволяет получить молекулярно-массовое распределение (ММР) и рассчитать молекулярно-массовые характеристики, определяющие основные показатели качества полимера. Точный и оперативный контроль фракционного состава совместно с ключевыми технологическими параметрами процесса - конверсией мономера и температурой реакции, предоставляет широкие возможности для построения эффективной системы управления процессом полимеризации.
В этой связи актуальной является задача разработки математической модели процесса синтеза ТЭП, предоставляющей информацию о фракционном составе полимера и кинетике процесса, а также построения на её основе системы управления процессом.
Работа базируется на исследованиях авторов, внесших значительных вклад в рассматриваемую область исследования: Кафарова В.В., Подвального С.Л., Перлина А.А., Ариса Р. и др.
Диссертация выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ВГУИТ и соответствует направлению кафедральной госбюджетной НИР № 01.9.60 007315 по теме: Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами.
Цель работы: разработка модифицированной математической модели периодического процесса синтеза ТЭП, позволяющая определять изменение фракционного состава полимера, а также синтез эффективной системы контроля и управления технологическим процессом на её основе.
Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих задач исследования:
1. Разработка математической модели синтеза ТЭП с целью получения характеристик протекания процесса и конечного продукта.
2. Синтез метода расчёта технологической стадии сшивки на основе математического аппарата стохастических процессов.
3. Разработка метода оперативного контроля концентрации активных центров как одного из ключевых параметров процесса.
4. Разработка методики расчёта и обоснование управляющих воздействий с целью коррекции качества для системы управления процессом полимеризации с дробной подачей катализатора и шихты в зону реакции.
5. Разработка алгоритма выбора начальной температуры полимеризации на второй стадии синтеза для восстановления регламентного режима проведения процесса при изменении загрузок компонентов реакции.
Для решения поставленных задач использованы методы: математического моделирования, идентификации систем, вычислительной математики, математической статистики, теории случайных процессов, химической кинетики.
Научная новизна:
по специальности 05.13.18:
1. Метод математического моделирования периодических процессов анионной полимеризации в растворе на примере синтеза термоэластопластов, отличающийся в использовании процесса расчёта фракционного состава на основе данных о кинетики процессов инициирования и полимеризации и влияния вязкости реакционной смеси.
2. Численный метод расчёта технологической стадии сшивки макромолекул, отличающийся учётом стохастичности образования сшитых молекул.
3. Проблемно-ориентированный программный комплекс, отличающийся возможностью решения задач моделирования фракционного состава и кинетики процесса, исследования системы управления технологическим процессом синтеза термоэластопластов.
по специальности 05.13.06:
4. Методика автоматизированного оперативного контроля концентрации активных центров, отличающаяся возможностью её оценки в начале процесса полимеризации, по завершении стадии инициирования.
5. Автоматизированная система управления технологическим процессом синтеза ТЭП, отличающаяся дробной подачей катализатора или шихты в зону реакции в зависимости от условий синтеза. Предложена методика расчёта управляющих воздействий.
Теоретическая значимость. Разработанные математические модели и численный метод расчёта ММР технологической стадии сшивки могут быть полезны при разработке математического описания процессов синтеза полимеров, получаемых методом растворной полимеризации как по периодической, так и по непрерывной технологии.
Практическая значимость. Синтезированные на основе математического моделирования алгоритмы и программы, осуществляющие отображение связи фракционного состава полимера с режимными параметрами процесса, а также методики оценки концентрации активных центров полимеризации и расчёта управляющих воздействий могут быть рекомендованы для использования в системах управления процессами синтеза полимеров, получаемых по технологии растворной полимеризации.
Алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее разработанные модели и методики переданы для использования в ВФ ФГУП НИИСК на стадии исследования процессов синтеза ТЭП.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях:
ММТТ-22 (Иваново, 2009 г.), ММТТ-23 (Саратов, 2010 г.), ММТТ-(Пенза, 2011 г.); международных научно-практических конференциях:
Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности (Воронеж, 2009 г.), Проблемы и инновационные решения в химической технологии (Воронеж, 2010 г.), II-ой международной Казахстанско-Российской конференции по химии и химической технологии (Караганда, 2012г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрировано программное средство в Государственном фонде алгоритмов и программ.
ичный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке математической модели процесса синтеза ТЭП, описывающей кинетику фракционного состава и мономера, получении методики расчёта дозировок шихты и катализатора при реализации управления с дробной подачей, разработке метода численного расчёта ММР стадии сшивки молекул полимера, создании программного обеспечения, реализующего решение указанных задач исследования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах, включает 6 таблиц и 36 рисунков; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна работы и практическая значимость.
В первой главе проведен анализ моделей процесса анионной полимеризации стирола и бутадиена, методов расчёта молекулярномассового распределения, а также существующих систем управления процессом синтеза термоэластопластов.
Во второй главе выполнено математическое моделирование кинетики фракционного состава (КФС) полимера, обосновано использование полученной модели совместно с моделью кинетики исчерпывания мономера и термодинамики процесса (КИМТП) для построения математической модели процесса с целью получения качественных и количественных характеристик полимера, проведена структурная и параметрическая идентификация модели кинетики, показана её адекватность и оценена точность.
При математическом моделировании процесса получения термоэластопластов принят блочный подход, соответствующий технологической схеме процесса, т.е. моделируются процессы получения каждого блока: 1-ый блок - инициирование активных центров и полимеризация стирола - получение полистироллития; 2-ой - получение двухблочника - сополимеризация бутадиена; 3-ий - сшивка двухблочника.
При моделировании фракционного состава полистирола и полибутадиена учитывались следующие допущения:
1. Реакция инициируется активными центрами катализатора, количество которых определяется дозировкой катализатора в заданном мольном соотношении к реагирующему компоненту.
2. Частичная дезактивация катализатора происходит до начала процесса полимеризации за счёт быстродействующих вредных микропримесей.
Влияние медленно действующих примесей пренебрежимо мало. Отсутствует обрыв и передача цепи на мономер.
3. Скорость реакции не зависит от длины цепи.
4. Не учитывается процесс присоединения первой молекулы бутадиена к полистирольной цепи.
5. Реактор описывается моделью с идеальным перемешиванием.
Необходимость получения информации о качественных и количественных характеристиках процесса в совокупности обусловила применение математической модели процесса, включающей два блока. Первый блок модели описывает стадию полимеризации стирола (1). Второй блок - стадию полимеризации бутадиена (2).
1-ый блок:
модель КИМТП :
dXi (t) Ki ms0 1X (t) 1X (t);
i s dt dX (t) s Ki Jk 1X (t) Ks Jk X (t)1/ 2wsсp 1X (t);
i i s dt dX (t) Kf Fst L T (t)Th Gh Ch ph s dT(t) Ktes ms0 Vt (1) dt Kf L FstGh Ch ph ;
dt M Cap Vt d Cpm ap pm c M X (t) M ; Kf A B eC c p ;
p s s r K Ks0 eEs (RT (t)) ; Ki Ki 0 eEi (RT (t));
s X (0) X (0) 0; T (0) T ;
i s параметры модели КФС :
s s k i m (t) ms0 (1 X (t)); J (t) J (1 X (t));
1 / 2ws cp s /( RT (t)) i eE ; ki Ki Ki 0 eE /( RT (t)) ;
s s0 k k K J модель КФС :
d dt P0 (t) ks ms (t) P0 (t) ki J (t) ms (t);
d dt Pn (t) ks ms (t) Pn (t) ks ms (t) Pn1(t), n[1, N ];
Pn (0) 0, n [0, N ];
MM n MM, n [1, N ];
n s 2-ой блок:
модель КИМТП :
dX (t) d 1 4wd cp.
Kd J 1X (t);
ac d dt dX (t) Kf Fst L T (t)Th Gh Ch ph d dT(t) Kted md 0 Vt dt Kf L FstGh Ch ph dt M Cap Vt d C ap pm pm C c p c c* M X (t) M ; Kf A B e ;
p p d d r Kd k (1 b c ) eEd (RT (t)) ; X (0) 0; T (0) T ;
p d (2) параметры модели КФС :
3 / 4wd cp /(RT (t)) md (t) md 0 (1 X (t)); kd K J eEd ;
d d 0 ac модель КФС :
d dt P0 (t) kd md (t) P0 (t);
d dt Pn (t) kd md (t) Pn (t) kd md (t) Pn1(t), n [1, N];
Pn (0) Pn (tk ), n [0, N];
MMn n* MM (n n*) MM, n [1, N].
s d В модели использованы обозначения: индексы s и d соответствют мономерам: стиролу (первая стадия полимеризации) и дивинилу (бутадиену) (вторая стадия полимеризации); A,B,C - константы; Сap, h - теплоёмкость аппарата и хладагента, Дж/(кгК); Cрм - теплопроводность полимеризата, Дж/(кгК); сp, сp* - концентрация полимера в реакционной массе текущая и по завершении первой стадии, доли ед.; dрм - плотность полимеризата, кг/л; Ei,s,d - энергия активации инициирования активных центров и роста цепей, кДж/моль; Fst - поверхность теплообмена, м2; Gh - объемная скорость подачи хладагента, л/мин; J(t), Jac - концентрация активных центров полимеризации на первой и второй стадии синтеза, моль/л; Jk - концентрация катализатора, моль/л; ks,d - константа скорости роста (модель КФС), (л/моль)/мин; Ki, ki - константа скорости инициирования (модель КИМТП и КФС), (л/моль)/мин; Kf - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2Кмин.); Ks,d - константа скорости роста (модель КИМТП), (л/моль) 1/2/мин; Кtеs,d - коэффициент тепловыделения, Дж/моль; L - степень заполнения реактора, доли; Map - масса аппарата, кг; ms,d(t) - концентрация мономеров, моль/л; MMn - молекулярная масса n-ой фракции, кг/моль; MMs,d - молекулярная масса мономера, кг/моль; Mr,s,d - масса растворителя, мономеров кг; ms0,d0 - начальная концентрация мономера, моль/л; N - количество фракций; n - номер фракции; n* - количество молекул стирола в молекуле сополимера; ph - плотность хладагента, кг/л;
Pn(t) - концентрация молекул полимера n-ой фракции, каждая из молекул которой содержит n молей молекул мономера, моль/л; R=8,32 - универсальная газовая постоянная, кДж/(Кмоль); T, Th - температура реакционной массы, хладагента К; t - текущее время, мин; tk - время окончания первой стадии процесса, мин; Vt - объём реакционной смеси, л; ws,d - коэффициенты, учитывающие влияние вязкости реакционной смеси на порядок реакции по катализатору, ед; Xi, s, d - конверсия катализатора, мономеров, доли ед.
Молекулярно-массовые характеристики полимера определяются из выражений:
- среднечисленная молекулярная масса:
N N Mn (MM Pn ) (Pn ) ; (3) n n1 n - средневзвешенная молекулярная масса:
N N Mw (MM Pn ) (MM Pn ) ; (4) n n n1 n - среднеквадратическое отклонение ММР:
N ~ (MM Pn Mn Pn )2, (5) ММР n N n~ где Pn - концентрация полимерных молекул, масса которых соответст~ вует среднечисленной молекулярной массе, моль/л; n - номер фракции, который равен количеству молей стирола и бутадиена в полимерной цепи со среднечисленной молекулярной массой Mn.
Решение систем дифференциальных уравнений математической модели осуществляется численно методом Рунге-Кутта 4-го порядка.
Произведена процедура выбора шага дискретизации dt численного метода исходя из условия соответствия численного и аналитического решений, полученных для моделей фракционного состава без учёта стадии инициирования. Процедура поиска осуществлена на интервале [0,001;1] мин. изменения шага. Аналитическое решение модели фракционного состава (без учёта стадии инициирования) имеет вид:
n ms0 X ms s X J k Jk s Pn (X ) J e, n[1, N].
(6) s k n! В результате расчётов определенно, что при шаге дискретизации dt=0,01 мин. достигается высокая степень точности при относительно небольшом времени расчёта tras=531 мс, т.е. при приемлемых затратах ресурсов вычислительной системы. На рис. 1 представлены результаты численного расчёта ММР по математической модели для трёх различных интервалов дискретизации, также аналитического расчёта по формуле (6). Произведена параметрическая идентификация модели КИМТП. Получены следующие Рис. 1. Зависимость характера ММР от шага дискретизации результаты:
первая стадия - ws = -0,4142; Ki0 = 0,8351010 (л/моль)1/2 / мин; Ei = 59962 Дж/моль; вторая стадия - wd = -0,184. Структурная и параметрическая идентификация позволила получить более точное соответствие (рис. 2 и 3) экспериРис. 2. Динамика температуры полимеризации ментальных и расчётных данных на первой стадии синтеза модели КИМТП. Среднее относительное отклонение экспериментальных и рассчитанных по модели значений температуры полимеризации составляет: 0,98% (первая стадия) и 4,85% (вторая стадия) по сравнению с 1,71% и 6,78% исходной модели1. На рис.
Рис. 3. Динамика температуры полимеризации на второй стадии синтеза 2 и 3 кривая 1 соответствует экспериментальным данным2; 2 - результатам расчёта по исходной модели;
3 - результатам расчёта по модифицированной модели.
В третьей главе разработан численный метод расчёта фракционного состава конечного продукта синтеза, произведена оценка воспроизводимости результатов расчёта.
Предлагаемый метод расчёта основан на имитационном моделировании. В соответствие с технологией, ТЭП с разветвленной молекулярной структурой получается методом сшивки двухблочных сополимеров на третьей стадии синтеза:
(7), где P - молекула двухблочного полимера; SiCl4 - кремния тетрахлорид, полифункциональный сшивающий агент.
Управление качеством в процессах растворной полимеризации: монография / В.К. Битюков, В.Ф.
ебедев, С.Г. Тихомиров [и др.]. - Воронеж: Воронеж. Гос. технол. Акад, 2008. Ц156 с.
Хаустов И.А. Система управления синтезом термоэластопластов с коррекцией и прогнозированием качества на основе математической модели: дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук.
ВГТА. - Воронеж, 1999. Ц182 с.
При имитационном моделировании приняты следующие допущения:
1. Динамика процесса сшивки не учитывается.
2. В основе расчёта заложена равновероятность процесса сшивки молекул двухблочника с различной молекулярной массой.
3. Дозировка сшивающего агента M определяется по формуле:
SiClN M Pn Vt MM, (8) SiCl4 SiCl4 n1 где MM - молекулярная масса сшивающего агента, кг/моль.
SiClИмитационная модель реализована программным алгоритмом:
1. Величина концентрации каждой фракции Pn разбивается на mn равных частей величиной dP: mn Pn dP.
N 2. Формируется вектор a размерностью A , имеющий вид:
mn nT (9) a MM1i, i 1,m1,...,MM, i 1,mn,...,MM, i 1,mN ni N i 3. Организовывается итерационный процесс расчёта, в котором:
3а) Из вектора a случайным образом исключается один элемент ai, где * i* - индекс вектора a, выбранный случайным образом.
3б) Переопределяется вектор a после каждой итерации исключения элемента (уменьшается размерность):
a ai1, i i*,(A 1);
i (10) A A 1.
3в) Для каждых четырёх элементов вектора a, выбранных случайным образом, вычисляется их сумма. Из полученных сумм формируется вектор b, содержащий молекулярные массы сшитых молекул MMci:
T b MMc , j 1, A / 4; MMcj ai , (11) * j k j kгде (ai* ) - один из 4-х элементов вектора a.
j k 4. Из полученных значений вектора b формируются фракции ММР сшитого полимера, исходя из условия попадания элемента вектора в диапазон молекулярных масс [MMi, MMi + dMM), где dMM - интервал разбиения фракций сшитого полимера. Для каждой фракции рассчитывается средняя молекулярная масса Mсрi и концентрация фракции Pсi в общем объеме:
i N Мсрi bi ; Pci Ni dP, (12) j i N jгде Ni - количество элементов, попавших в i-ый диапазон.
5. Формируется матрица С из полученных отсортированных значений средних молекулярных масс фракций Mcpi и соответствующих концентраций фракций Pci:
С Сi, j ; Ci,1 Mcpi ; Ci,2 Pci ; i 1,с.
(13) c,6. Выполняется фильтрация полученной функции ММР путём усреднения каждой пары точек:
Сik Сk 2;
Сik ,1, i1, (14) Сik Сk 2; i 1,(с 1); k 1, K, Сik,2,i1, где с - количество строк матрицы С; K - общее количество повторений процедуры усреднения.
7. Осуществляется построение ММР и расчёт молекулярно-массовых характеристик, используя отфильтрованные значения матрицы С.
Наличие случайного процесса выборки элементов вектора a при расчете фракционного состава сшитого полимера и построении ММР делает необходимым оценку воспроизводимости результатов расчёта. В этой связи осуществлен расчёт средней дисперсии воспроизводимости средневзвешенной молекулярной массы полимера. Определённое значение составляет 3,22 при средней величине Mw 162000, что даёт основание применения рассматриваемого для расчёта ММР в рассматриваемой области исследования.
В четвёртой главе предложен подход к управлению процессом синтеза полистирола дробной подачей шихты и катализатора в зону реакции с целью коррекции качества по ММР. В рамках этой задачи разработаны методики оперативной оценки концентрации активных центров, определения корректирующего воздействия системы управления при отклонении концентрации активных центров от регламентного значения, восстановления регламентного режима протекания процесса на второй стадии в случае изменения загрузки компонентов реакции.
Концентрация активных центров (КАЦ) является одним из основных факторов, определяющих динамику протекания процесса и качество t полимера. Оценка КА - J0 осуществляется с использованием математической модели кинетики минимизацией следующего критерия:
tr расч эксп S T (t) T (t) dt min, (15) t Jгде Tрасч(t), Tэксп(t) - рассчитанные по модели и экспериментально определённые значения температуры полимеризации, K; tr - интервал времени от начала процесса, по истечении которого производится оценка КАЦ, мин.
Минимизация критерия осуществлена методом покоординатного спуска. Исследование показало (рис. 4), что для определения КА - с 5%-ой точностью необходимо осуществлять оценку Рис. 4. Зависимость относительного отклонения на интервале 6-8 минут от начала КА - от параметра tr процесса.
Методика оценки концентрации активных центров полимеризации t позволяет определить её действительное значение J0 в начале процесса reg полимеризации. В случае отклонения от регламентного значения Jиспользуются два варианта управления процессом.
1. Дробная подача катализатора. Осуществляется в том случае, если t reg оцененное значение КА - меньше регламентного ( J0 J0 ). Первая порция катализатора рассчитывается в соответствии с регламентом. Вторая порция Vk2 (л) определяется по формуле:
(16) Vk2 dJ0 Vt /(Jrk dJ0), reg t где dJ0 (J J0 ) - изменение КА - за счёт дозировки второй порции катализатора, моль/л; Jrk - концентрация катализатора в каталитическом растворе, моль/л.
2. Дробная подача шихты на этапе получения полистирольного блока. Осуществляется в том случае, если оцененное значение КА - t reg больше регламентного ( J0 J0 ). Массовая подача шихты первой порции определяется в соответствии с регламентом процесса. Загрузки мономера (стирола) Ms<2> и растворителя Mr<2> для второй порции определяется из условия достижения регламентного значения КАЦ:
t reg J0 J0 Vt Ms2 , (17) 1 Mr1 reg doz t J0 J0 J0Vt ps pr Ms1 doz где J0 Jk Vk 1 /Vt - концентрация активных центров, определённая по данным дозировки, моль/л; Ms<1> - дозировка стирола первой порции, кг; Mr<1> - дозировка растворителя первой порции, кг; ps,r - плотность стирола и растворителя, кг/л; Vk<1> - дозировка раствора катализатора по регламенту, л. Загрузка растворителя второй порции Mr<2> определяется из уравнения:
(18) Mr2 Mr1 Ms1 Ms2.
Пересчёт дозировки бутадиена Md на второй стадии осуществляется на основании уравнения пропорции:
reg reg (19) Md Md Md Ms2 Ms1, reg где Md - дозировка бутадиена для регламентных условий, кг.
Изменение загрузок компонентов реакции приводит к нарушению температурного режима, заданного по регламенту на второй стадии синтеза. Восстановление регламентных условий проведения процесса возможно за счёт подбора начальной температуры полимеризации на второй стадии. Способ подбора заключается в решении обратной задачи:
dT (t) z 2 z f 1(X (t),t) f 2(t); T (tk ) T ;
dt z Kted Kd Jac1/ 4wd cp 1 X (t) md 0 Vt z f 1(X (t),t) ;
(20) M Cap Vt d C ap pm pm Kf Fst L T (t) Th Gh Ch ph f 2(t) , (M Cap Vt d C )(Kf L Fst Gh Ch ph ) ap pm pm где f1(xz(t),t) - компонент, учитывающий тепловыделение за счёт реакции; f2(t) - компонент, учитывающий съём тепла через рубашку охлаждения; tk<2> - время завершения второй стадии процесса полимеризации, мин; Tz - регламентное значение максимальной температуры полимеризации, К; Xz(t) - регламентная конверсия мономера, доли ед.
На основе численного эксперимента произведено исследование полученной системы управления с целью обоснования возможности применения способа управления, основанного на дробной подаче компонентов реакции. В рамках исследования осуществлён расчёт моделей (1) и (2), а затем фракционного состава полимера на технологической стадии сшивки по полученному методу для определения ММР и молекулярномассовых характеристик с моделированием отклонения КА - в диапазоне [-25%, 25%] относительно регламентных значений. Оценка результатов расчёта производилась сравнением среднего относительного отклонения молекулярно-массовых характеристик, полученных для регламентного режима, от аналогичных характеристик, полученных при условиях расчёта без управления и с управлением. На рис. 5 отражены результаты расчёта ММР для ситуаций без отклонения КА - (кривая 1 - регламентное ММР), с отклонением КА - без коррекции качества (кривая 2) и с коррекцией (кривая 3). В качестве примера рассмотрены случаи относительного отклонения КА - -10% (рис. 5а) и +10% (рис. 5б).
Дробная подача катализатора приводит к появлению бимодальности функции ММР на первой стадии синтеза ТЭП. Однако как показали результаты расчёта (рис. 5) бимодальность постепенно нивелируется от стадии к стадии, приводя в конечном итоге к одномодальной форме с приемлемым увеличением ширины ММР. При этом в обоих случаях дробной подачи наблюдается установление регламентных значений средних молекулярных масс, что свидетельствует об эффективности примеа) б) Рис. 5. Результаты расчёта ММР сшитого полимера нения корректирующих воздействий.
На основе разработанных методик предложена схема интеграции разработанного способа управления в АСУТП синтеза полистирольного блока, а также структура автоматизированной системы управления трёхстадийным процессом синтеза ДСТ-30Р.
Рис. 6. Автоматизированная система управления технологическим процессом синтеза полистирольного блока ДСТ: М1, М2, М3 - мерники; Т1, Т2 - теплообменники; Н1, Н2, Н3 - насосы; П - полимеризатор; ПМ - привод мешалки полимеризатора В пятой главе выполнено описание информационного и программного обеспечения, реализующего разработанные модели и методики расчёта.
В приложениях к диссертационной работе приведены табличные и графические данные, листинги прикладных программ, а также акт апробации результатов исследования.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана математическая модель кинетики исчерпывания мономера и термодинамики процесса для процессов периодической анионной растворной полимеризации, учитывающая стадию инициирования активных центров полимеризации и влияние концентрации полимера на порядок реакции по катализатору. Это позволило снизить погрешность расчёта по математической модели на примере ТЭП до 0,98% для I-ой стадии полимеризации стирола и 4,85% для II-ой стадии полимеризации бутадиена.
2. На основе модели кинетики исчерпывания мономера и термодинамики процесса получена математическая модель кинетики фракционного состава полимера, отличающаяся учётом стадии инициирования, позволяющая рассчитывать ММР, Mn, Mw, коэффициент полидисперсности.
3. Разработан численный метод расчёта фракционного состава сшитого полимера, учитывающий стохастическую природу процесса сшивки полимерных молекул. Результаты оценки метода позволили сделать вывод, что случайный характер комбинаций сшивки молекул полимера даёт качественно верные результаты.
4. На основе математической модели кинетики исчерпывания мономера и термодинамики процесса разработана методика оценки концентрации активных центров полимеризации, позволяющая рассчитывать значение концентрации по истечении 6-8 мин. после начала процесса с погрешностью не более 5% относительного отклонения от действительного значения концентрации активных центов полимеризации.
5. Разработана методика расчёта дробной подачи шихты и катализатора при управлении процессом в случае отклонения параметров процесса (за счёт дезактивации активных центров полимеризации) от регламентных значений. Сравнение режимов расчёта с управлением и без него показало эффективность разработанного способа управления, при этом в случае относительного отклонения концентрации активных центров в диапазоне [-15,15]% коррекция качества осуществляется при допустимом расширении ММР и в пределах технологических возможностей реактора полимеризации.
6. Предложен алгоритм выбора начальной температуры полимеризации на второй стадии, позволяющий скорректировать температурный режим процесса при изменении загрузок компонентов реакции.
7. На основе синтезированных методик и алгоритмов предложена схема интеграции разработанного способа управления в АСУТП синтеза полистирольного блока, а также структура автоматизированной системы управления трёхстадийным процессом синтеза ДСТ-30Р.
8. Создан программный комплекс, состоящий из модулей для решения задач моделирования фракционного состава и кинетики процесса, идентификации параметров модели, оценки концентрации активных центров, расчёта и исследования системы управления процессом.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
Публикации в журналах, рекомендованных ВАК 1. Битюков В.К. Оптимизация процесса синтеза термоэластопластов с использованием методик определения начальной температуры полимеризации / В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Вестник ВГТА. Серия: информационные технологии, моделирование и управление, №2(44), 2010. - С. 64-68.
2. Тихомиров С.Г. Использование математической модели для оценки концентрации активных центров полимеризации в начале процесса синтеза термоэластопластов / С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Вестник ВГТА. Серия: информационные технологии, моделирование и управление, №2(48), 2011. - С. 38-41.
3. Битюков В.К. Математическое моделирование синтеза термоэластопластов с учетом реакции инициирования и влияния вязкости среды на порядок реакции / В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Системы управления и информационные технологии, №3.2(45), 2011. - С. 216-220.
4. Битюков В.К. Система управления анионной полимеризацией с контролем качества по ММР / В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Системы управления и информационные технологии, №4(46), 2011. - С. 73-78.
Статьи и материалы конференций 5. Битюков В.К. Определение начальной температуры полимеризата для оптимизации процесса синтеза термоэластопластов /В.К. Битюков, И.А.
Хаустов, М.Л. Моторин//Математические методы в технике и технологиях ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф. в 11 т. - Иваново: Ивановский гос. хим.-технол. ун-т, 2009. - Т. 11. - С. 64-66.
6. Битюков, В.К. Определение зависимости начальной температуры полимеризата от концентрации активных центров /В.К. Битюков, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин//Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности: матер. Междунар. науч.-практ.
конф.: Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2009. - С. 31-33.
7. Битюков, В.К. Восстановление начального условия путем решения обратной задачи на примере процесса синтеза ТЭП / В.К. Битюков, И.А.
Хаустов, М.Л. Моторин // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф. в 11 т: - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. - Т. 8. - С. 196-197.
8. Битюков, В.К. О методиках определения начальной температуры на второй стадии синтеза ТЭП / В.К. Битюков, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Проблемы и инновационные решения в химической технологии: матер.
Междунар. науч.-практ. конф.: Воронеж. гос. технол. акад. - Воронеж, 2010. - С. 168-170.
9. Моторин, М.Л. Идентификация математической модели полимеризации стирола в процессе синтеза термоэластопластов // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар.
науч. конф. в 10 т. - Пенза: Пенз. гос. технол. акад., 2011. - Т. 7. - С.80-82.
10. Битюков, В.К. Выбор оптимального временного интервала для оценки концентрации активных центров полимеризации / В.К. Битюков, И.А.
Хаустов, М.Л. Моторин // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф. в 10 т: - Пенза:
Пенз. гос. технол. акад, 2011. - Т. 8. - С. 72-74.
11. Битюков, В.К. Программа моделирования системы управления периодическим процессом анионной полимеризации с коррекцией качества по молекулярно-массовому распределению [Электронный ресурс] / В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, М.Л. Моторин // Государственный фонд алгоритмов и программ. - № 50201151558; 13.12.2011.
12. Битюков, В.К. Математическая модель кинетики фракционного состава при получении термоэластопластов / В.К. Битюков, С.Г. Тихомиров, И.А. Хаустов, А.А. Хвостов, М.Л. Моторин // материалы II-ой Межд. Казахстанско-Российской. конф. по химии и хим. технол.: - Караганда: КарГУ, 2012. - Т. 1. С. 314-318.
Подписано в печать 23.04.2012. Формат 60х90 1/20.
Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Ризография.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.
Воронежский государственный университет инженерных технологий (ВГУИТ) Участок оперативной полиграфии ВГУИТ Адрес университета и участка оперативной полиграфии:
394036, г. Воронеж, пр. Революции,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям