Способ контроля и управления процессом сополимеризации акрилонитрила и метилакрилата

05 24/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКРИЛОНИТРИЛА И МЕТИЛАКРИЛАТА(71) Заявители Абаев Генрих Николаевич Ярмолик Олег Семенович Мачульский Игорь Анатольевич Каминский Константин Иванович(72) Авторы Абаев Генрих Николаевич Ярмолик Олег Семенович Мачульский Игорь Анатольевич Каминский Константин Иванович(73) Патентообладатели Абаев Генрих Николаевич Ярмолик Олег Семенович Мачульский Игорь Анатольевич Каминский Константин Иванович(57) 1. Способ контроля и управления процессом сополимеризации акрилонитрила и метилакрилата в растворе роданистого натрия с использованием изопропилового спирта в качестве стоппера, заключающийся в том, что измеряют температуру поступающей на сополимеризацию реакционной смеси, расход реагентов, температуру в реакторе и мощность,затрачиваемую на работу перемешивающего устройства на основе уравнений материального и теплового баланса рассчитывают концентрацию полимера, конверсию мономеров и содержание мономеров в поступающей на сополимеризацию реакционной смеси затем, используя параметры мощности, затрачиваемой на работу перемешивающего устройства, и температуры в реакторе, или по показаниям вискозиметра определяют вязкость прядильного раствора и, исходя из вязкости прядильного раствора и концентрации полимера, рассчитывают характеристическую вязкость, которую используют в качестве регулируемого технологического параметра. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристическую вязкость регулируют изменением расхода изопропилового спирта или температуры в реакторе. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что характеристическую вязкость поддерживают в пределах 1,47-1,48.(56)575357, 1977. Настоящее изобретение относится к компьютерному способу контроля и управления процессом полимеризации и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для контроля и управления процессами, в частности, в растворных процессах полимеризации. Известен контролируемый ЭВМ способ 1 проведения гомогенной радикальной полимеризации (метилакрилата в этилакрилате) с контролем конверсии, вязкости, молекулярно-массового распределения (ММР) с помощью гельпроникающей хроматографии с подпиткой системы инициатором, что обеспечивает постоянную скорость полимеризации. 5961 1 В другой работе 2 описан способ контроля показателей качества при получении эмульсионных каучуков методом эмульсионной полимеризации. В качестве косвенных параметров для организации автоматического контроля концентрации полимера предложено использовать активную мощность на валу двигателя и перемешивающего устройства полимеризатора, перепад давления и плотность реакционной смеси на линейном участке технологического трубопровода на выходе из реактора. Известна система контроля радикальной полимеризации 3 в непрерывном реакторе с мешалкой, в которой ведется компьютерная обработка информации от датчиков температуры,концентрации мономеров,концентрации инициатора и корректировка вышеуказанных параметров с целью получения полимера с заданной степенью полимеризации. Известные способы обладают следующими недостатками. Во всех перечисленных случаях основной акцент в определении показателей качества делается на использование различных анализаторов (вязкости, конверсии, плотности и др.),надежная и стабильная работа которых в условиях растворной полимеризации и медленного отложения наиболее высокомолекулярных частиц полимера на стенках датчика, обычно не гарантирована. В известных способах практически не используются наиболее надежные и бесспорные характеристики процесса - материальный и тепловой баланс узла полимеризации. Естественно, что количество получаемого полимера, при любом состоянии узла полимеризации, всегда может быть определено по тепловому балансу, а непрерывный анализ теплового и материального баланса процесса полимеризации позволяет непрерывно контролировать процесс по всем основным его характеристикам. Наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в 4. Процесс сополимеризации нитрила акриловой кислоты (НАК) и метилакрилата (МА) осуществляется в растворе роданистого натрия при температуре 802 С и времени пребывания 1-3 ч. В качестве катализатора (инициатора) и регулятора процесса сополимеризации применяются диизобутилонитрил и двуокись тиомочевины в виде порошков,которые подаются в реакционную смесь. В качестве стоппера (обрывателя) в процессе используется изопропиловый спирт (ИПС). Процесс сополимеризации осуществляется в реакторах объемом 8,9 м 3, оборудованных мешалкой. Гидродинамический режим работы реакторов в условиях полимеризации обеспечивает состояние близкое к идеальному перемешиванию. Перепад температур по высоте реактора обычно не превышает 1-2 С. Концентрация мономеров в реакционной смеси составляет 202 вес. Заданное количество сополимера обеспечивается при конверсии мономеров 53 вес. Непрореагированные мономеры после дегазации в демономеризаторах конденсируются в конденсаторе мономеров 13 и возвращаются на приготовление шихты 12. Несмотря на то, что реактор снабжен рубашкой, основной теплосъем осуществляется за счет адиабатического переохлаждения реакционной смеси (в теплообменнике 11), температура которой для обеспечения режимной температуры в реакторе, изменяется в пределах 15-25 С. Мешалка реактора через гидромуфту связана с электродвигателем. Ток в обмотке электродвигателя фиксируется прибором. На стадии полимеризации измеряются как расходы свежих акрилонитрила и метилакрилата раствора роданида (Р-1 - Р-4), так и их смесь с рециклом мономеров (Р-5). Для управления качеством на стадии полимеризации собираются соответствующие пробы и в лаборатории периодически контролируются 1) вязкость прядильного раствора, уходящего со стадии полимеризации (демономеризации) пол 2) концентрация полимера в прядильном растворе Спол 3) концентрация мономеров в шихте Смон, и по формулампол пл ,(1)монгр 2 5961 1 где Спл, Сгр - концентрация роданида в шихте и прядильном растворе,- конверсия 4) ХВ - характеристическая вязкость прядильного раствора. В лаборатории для определения ХВ используют графическую зависимость, которая может быть описана уравнением ХВСС 1 СполС 2,где 0, 1, 2 - коэффициенты. ХВ определяется на основании знания Спол и . Недостатком существующего на производстве способа является большое запаздывание в контроле качества, связанного с необходимостью периодического отбора проб и их анализом в лаборатории. Как правило, эта процедура занимает не менее 3-х часов, в силу чего основные показатели качества на стадии полимеризации могут существенно отличаться от номинальных. Задачей изобретения является снижение выхода низкосортного полимера за счет более оперативного управления процессом. Поставленная задача решается тем, что в способе контроля и управления качеством процесса сополимеризации акрилонитрила и метилакрилата в растворе роданистого натрия, включающем измерение температуры реакционной смеси, поступающей на полимеризацию, измерение расхода реагентов, измерение температуры в реакторе, а также регулирование технологического параметра изменением расхода ИПС, автоматически либо вручную. В отличие от прототипа, дополнительно измеряют мощность, затрачиваемую на работу перемешивающего устройства. По результатам измерений указанных параметров, на основе уравнений материального и теплового баланса,определяют текущую производительность по полимеру, конверсию мономеров, содержание мономеров в поступающей реакционной смеси. По мощности на перемешивание и по температуре в реакторе или по показаниям вискозиметра определяют вязкость прядильного раствора. По вязкости и концентрации полимера определяют характеристическую вязкость, которую используют в качестве регулируемого технологического параметра. Кроме того, в отличие от прототипа, характеристическую вязкость регулируют изменением расхода изопропилового спирта (автоматически или вручную) либо температуры в реакторе и поддерживают в пределах 1,47-1,48. На рисунке представлена схема реакционного узла процесса полимеризации в производстве Нитрон. Узел полимеризации включает полимеризатор 1, оборудованный перемешивающим устройством с приводом через гидромуфту 7, 8. Ток двигателя фиксируется амперметром 9 и регистрируется прибором 10. В состав реакционного узла входят 2-х ступенчатая демономеризация в аппаратах 2 и 3, конденсатор мономеров 13, холодильник 6,подогреватель 5, холодильник-подогреватель 11, узел смешения 12. Пример. Исходные мономеры (НАК, МА) и водный раствор роданида поступают на смешение с рецикломи каталитической системой в аппарат 12. Реакционная смесь проходит пластинчатый теплообменник 11, где поддерживается температура 17-25 С и поступает в полимеризатор 1. Температура процесса полимеризации (802 С) поддерживается воздействием на температуру реакционной смеси. Давление в реакторе поддерживается 3 атм. В реакторе осуществляется перемешивание лопастной мешалкой. Ток двигателя мешалки контролируется амперметром 9. Продукты реакции, представляющие собой смесь непрореагированных мономеров и полимера, растворенные в роданиде поступают в узел 2-х ступенчатой демономеризации 2 и 3, где происходит дегазация прядильного раствора. После дегазации (демономеризации) прядильный раствор поступает в прядильно-отделочный цех. Мономеры после дегазации из раствора проходят конденсатор 13 и возвращаются в виде рецикла в систему приготовления шихты. На основании материального и теплового баланса определяют концентрацию полимера на выходе из полимеризаторов 3 После преобразования для всех реакторов одного потока запишем где 1 СМ - доля реакционной смеси в -ом реактореСМ 1 - температура реакционной смеси в -ом реакторе- средняя температура в -ом реакторе Смон - концентрация мономеров в реакционной смеси пол - средняя концентрация полимера в реакторах, дол. Ед А - коэффициент для расчета потерь в окружающую среду-окр окр - температура окружающей среды- тепловой эффект реакции, Дж/кг С- конверсия в -ом реакторе 2 - коэффициент пропорциональности см - теплоемкость реакционной смеси Спр - теплоемкость прядильного раствора см - расход реакционной смеси- мощность, затрачиваемая на перемешивание. Концентрация полимера после демономеризации Сполпол, где 01 пол 3 см . Степень конверсии исходных мономеров пол, мон гдемон 0 /см( 0 1 пол 2 см ),0 - расход свежих мономеров. Вязкость прядильного раствора определяют по току мешалки или показаниям вискозиметра 01(/)3,где А 0, 1, А 3, ,- коэффициенты А - ток мешалки- напряжение в сети. Характеристическая вязкостьС 0 С 1 СполС 2. В табл. 1 и 2 представлены конкретные исходные данные и результаты определения характеристик полимеризации Спол, Смон, Х, , ХВ для 3-х конкретных случаев. 4 5961 1 Таблица 1 Исходные данные Плотн. Дата/ НАК МА ИПС реакц. Время л/ч л/ч л/ч смеси,г/см 3 18.01.98 1646 68.9 10 1.174 8.00 18.01.98 1646 68.9 14 1.174 9.00 4.02.98 1316 53 14 1.175 1.00 4.02.98 1316 53 10 1.175 2.00 6.12.97 1795 72.2 21 1.174 13.00 6.12.97 1795 72.2 30 1.174 14.00 Реакционная смесь Температура вер- Вар-5,расходтемпература ха/низа реактора, С Пас шкалы питания, С С 1-й 2-й 3-й 1-й 2-й 3-й 1-й 2-й 3-й 17.4 50 50 50 18 18 17 79/79 79/79 79/79 64.4 17.3 50 50 50 18 17 16 79/79 79/79 79/79 64.0 16.8 60 61 19 18 80/80 80/80 65.0 16.0 61 61 19 18 80/80 80/80 65.0 19.3 56 56 57 21 18 18 81/80 81/80 81/80 63.5 18.0 56 57 57 20 15 14 81/80.5 81/80.5 82/80.5 64.0 Таблица 2 Расчетные величины На основе анализа многочисленных экспериментальных данных оптимальными данными обладает прядильный раствор с характеристической вязкостью 1,47-1,48. Поэтому в каждом из конкретных случаев (1, 2, 3) требуется корректировка технологического режима. В случае 1 расход изопропилового спирта был увеличен. В результате был получен прядильный раствор с ХВ 1,484 (вместо 1,49 до увеличения расхода ИПС). В случае 2 расход изопропилового спирта был убавлен. В результате был получен прядильный раствор с ХВ 1,47 (вместо ХВ 1,49 до снижения расхода ИПС). В случае 3, из-за достаточно большого расхода ИПС, дополнительно увеличена температура низа реактора на 0,5 С. В результате был получен прядильный раствор с ХВ 1,48 (вместо ХВ 1,53 до увеличения температуры низа реактора). 5 5961 1 Как видно из таблиц 1 и 2 оперативное определение основных технологических характеристик (Спол, Смон, ,и ХВ) позволило оперативно оценить и поправить характеристики прядильного раствора. При этом достигнутый результат получен без использования дорогих и малонадежных анализаторов качества, исключительно на основе традиционных стандартов измерений. Оперативное определение и регулирование на оптимальном уровне характеристик позволило существенным образом снизить выработку волокна второго сорта и брака (с 1520 до 5-7 ), что было достигнуто за счет 1) оперативной оценки показателей качества прядильного раствора и со ответствующего оперативного реагирования 2) управления процессом полимеризации по оптимальному показателю качества прядильного раствора - характеристической вязкости ХВопт 1,475. Источники информации 1.,-..1988. - . 195-204. 2. Буханов Б.П., Тихомиров С.Г., Бондарев А.В. Автоматизированный контроль качественных показателей в процессах полимеризации каучуков общего назначения. Тез. доклад. Всесоюзн. научн. конференции Автоматизация и роботизация в химической промышленности. - Тамбов, 1988. - . 25-26. 3..,.,. 11.13199061991. - . 217-221. 4. Постоянный технологический регламент производства Нитрон на процессы получения прядильного раствора и регенерации растворителя 301-2-5-98 (копия прилагается) (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.