автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Компьютерное моделирование синтеза термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе

Р Г 5 ОД 2 2 АПР 1996

На правах рукописи

Вахрамеев Евгений Иванович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИНТЕЗА ТЕРМОПЛАСТОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ФРОНТАЛЬНОМ РЕАКТОРЕ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в области технических наук)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 1996

Работа выполнена на кафедрах теплотехники и прикладной математики Пермского государственного технического университета

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор ПЕРВАДЧУК В.П.

кандидат технических наук, доцент ГАЛЯГИН К.С.

- Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор БЕГИШЕВ В.П.

доктор технических наук, профессор ЦАПЛИН А.И.

Ведущая организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН

Защита состоится "_21_" _мая_ 1996 г.

в_14_час_00_мин. на заседании диссертационного совета

К 063.66.07 в ауд. 423 главного корпуса ПермГТУ по адресу 614600, Пфмь, Комсомольский пр. 29-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан -/Л _апреля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^

кандидат технических наук С—..-/, Николаев С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для обеспечения все более растущих потребностей в производстве полимерных материалов и изделий из них, создания экологически чистых и высокопроизводительных замкнутых технологических линий, необходимы эффективные, надежные в управлении и обеспечивающие заданные параметры качества синтезируемого продукта реакторы. Используемые в настоящее время в промышленном производстве типы полимеризационных реакторов (в частности, широко распространенные трубчатые реакторы различных модификаций) не удовлетворяют в полном объёме всем перечисленным требованиям. Поэтому уделяется большое внимание разработке нового, более совершенного оборудования по производству полимеров. Именно к таким разработкам можно отнести фронтальные реакторы цилиндрической и сферической формы, впервые сконструированные и прошедшие апробацию в Институте химической физики АН СССР . Они удачно сочетают в себе достаточную производительность, компактность и высокую чистоту синтезируемого продукта. Последнее обстоятельство особенно ценно при производстве полимерных оптических волокон. Однако: опыт практического освоения (в частности, на установке непрерывного синтеза Инженерного центра полимерных оптических волокон -ИЦ ПОВ, г. Тверь) показывает, что эффективное использование фронтальных полимеризаторов, невозможно без глубокой проработки научных аспектов проблемы, создания достаточно полной математической модели такого реактора. Имеющиеся в настоящее время одномерные математические модели фронтальной полимеризации не учитывают целый ряд факторов, влияющих на закономерности протекания процесса. Так, при их использовании за рамками рассмотрения остаются вопросы влияния свободной конвекции на вынужденное течение экзотермически реагирующей массы и, как следствие этого, искажение формы и положения зоны реакции, значительная неоднородность условий пребывания полимеризующихся частиц в реакционном объёме, приводящая к нестабильности молехулярных характеристик продукта и некоторые другие, не менее важные проблемы. Поэтому проблема создания математической модели, которая бы не только достоверно описывала качественную картину фронтальной полимеризации, но и давала бы количественные оценки, необходимые для выбора рациональных и научно обоснованных параметров процесса, является достаточно актуальной.

Иеяь работы. Создание и апробация математической модели фронтальной полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе непрерывного вытеснения с учетом термогравитационных явлений и многокомпонентного инициирования реакции. Изучение посредством компьютерного моделирования основных закономерностей протекания процессов тепломассопереноса и связанных с ними химических превращений. Количественная оценка характеристик молекулярно-массового распределения {ММР), определяющих качество полимерного продукта. Поиск механизмов и способов, позволяющих реализовать эффективное управление полимеризатором. Определение рациональных конструктивных и технологических параметров процесса.

Научная новизна. Впервые поставлена и решена связанная краевая задача полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе непрерывного вытеснения. Разработанная математическая модель учитывает термогравитационные эффекты, многокомпонентное инициирование реакции, существенную нелинейность теплофизических и реокинетичесхих характеристик. На основе этой модели создан пакет прикладных программ (ППП) для расчёта параметров тепломассопереноса и молекулярных характеристик продукта.

Выявлены механизмы взаимодействия тепловых, гидродинамических и концентрационных процессов, протекающих в рабочем объёме реактора. Даны количественные оценки их влияния на свойства синтезируемого полимера.

Исследована динамика развития процесса и основные закономерности формирования стационарного состояния полимер из ующейся среды в условиях вынужденного и смешанного течения.

Изучено влияние основных технологических параметров на закономерности протекания процесса и выявлены способы воздействия на зону интенсивных превращений, которая определяет общую картину процесса. В качестве одного из наиболее эффективных механизмов управления исследована система двух инициаторов с различными кинетическими характеристиками; найдены рациональные диапазоны изменения их концентраций.

Создана оригинальная численная методика идентификации условий полимеризации макрочастиц движущейся среды для оценки неоднородность теплофизических и молекулярно-массовых характеристик продукта.

Предложен вариант конструктивной модификации цилиндрического полимеризатора, позволяющий в значительной мере повысить эффективность его работы .

Прахтнчсская ценность.

Разработаны двухпараметрические диаграммы количественных оценок основных интегральных характеристик процесса синтеза полиметилметакрилата (ПММА) при бикомпонентном инициировании реакции с использованием азо-бис-изобутилонитрила (АИБН) и ди-трет-бутилпероксида (ТБП).

Создан пакет программ, позволяющий не только реализовать различные поисковые задачи фронтальной полимеризации, но и достаточно быстро смоделировав конкретный технологический режим, и тем самым избежать проведения гораздо более длительного и дорогостоящего натурного эксперимента. Пользовательская версия ППП передана для применения в ИЦ ПОВ, г. Тверь.

Выработаны рекомендации по назначению рациональных и научно обоснованных параметров процесса.

¿таватщ рвбтт* н Результаты диссертационной работы до-

кладывались на III науч.-техн. конф. "Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов", Пермь, 1992; Международной науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, 1994; I Российской нац. конф. по теплообмену, Москва, 1994; VI Международной науч.-техн. конф. " Кристаллизация: компьютерные модели,эксперимент, технология", Ижевск, 1994; Международной конференции" Математическое моделирование процессов обработки материалов",Пермь, 1994; XXVIII научн.- техн. конф. Пермского го суд. техн. университета (ПГТУ) по результатам научно-исследовательских работ, Пермь, 199S; теоретических семинарах кафедры прикладной математики ПГТУ, 1992-1995 (науч. руководитель проф. Первадчук В.П.), кафедры технологии полимерных материалов ПГТУ, 1995 (науч. руководитель проф. Ермилов A.C.), гидродинамическом семинаре Пермского гос. университета , 1995 (науч. руководитель проф. Гершуни Г.З.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, список которых помещен в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, перечня цитируемой литературы и приложения. Общий объём диссертации 148 страниц, включая 99 страниц текста, 32 рисунка, 2 таблицы и 91 библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены направление и цель исследования и приводится краткая аннотация содержания диссертационной работы.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященной вопросам теоретического изучения процессов синтеза термопластов в проточных реакторах различного типа. Здесь же приводится описание цилиндрического фронтального полимеризатора, обоснование выбора расчётной схемы и формулируются задачи исследования.

Отмечается, что комплексный характер, внутренне присущий полимеризации, объективно обуславливает необходимость адекватного подхода к математическому описанию данного явления. В результате исследований с позиций теории горения и теплового взрыва были выявлены основные закономерности тепловой картины процесса, однако, как показывает практика, только более общий мак-рокинегический подход обеспечивает возможность выявления и анализа закономерностей сложного взаимовлияния химической кинетики, тепловых, гидродинамических и массообменных факторов, в условиях значительной неоднородности теплофизических и реологических характеристик среды.

Как свидетельствует анализ работ, экспериментальные и теоретические исследования трубчатых полимеризационных реакторов ( в частности, реакторов вытеснения), выявили ряд серьезных недостатков, характерных для этого типа полимеризаторов. Основными из них являются: потухание высокотемпературного режима, немонотонное перемещение фронта реакции в ходе процесса и наличие высоковязкого налипшего слоя продукта на стенках полимеризатора. В конечном итоге, воздействие этих факторов накладывает существенные ограничения как на производительность, так и на возможности управления молекулярными характеристиками полимера в проточном трубчатом реакторе.

Фронтальные реакторы непрерывного действия, которые потенциально обладают более высокими характеристиками и относятся к новому поколению полимеризационных реакторов, значительно менее изучены по сравнению с трубчатыми. В настоящее время в литературе отсутствуют работы, представляющие достаточно полную двумерную математическую модель такого реактора, построенную с макрокинетических позиций. В связи с этим, разработка подобной модели, учитывающей свободно-вынужденное движение реагентов, суще-

ственную неоднородность теплофизических и реокинетических характеристик полемеризующейся массы и некоторые другие факторы, является достаточно актуальной.

Для теоретического анализа закономерностей протекания процесса синтеза в рабочем объёме полимеризатора необходимо перейти от его реальной конструкции к расчётной схеме. В связи с этим принимаются следующие упрощающие предположения.

Реакционный объём представляется в виде кольцевой полости между двумя коаксиальными цилиндрами (рис.1), постулируется осевая симметрия задачи. Рассматривается нестационарный экзотермический процесс свободнорадикальной полимеризации термопласта с участием (в общем случае) нескольких инициатот ров, обеспечивающих рост макромолекул на различных стадиях синтеза. Традиционная для жидкофазной полимеризации в массе виниловых мономеров кинетическая схема включает реакции инициирования, роста и обрыва цепи (рекомбинацией, диспропорционированием, а также передачей цепи на мономер). Производительность реактора (массовый расход реагентов), температура ввода и начальные концентрации компонентов считаются заданными. Подача смеси осуществляется через проницаемый участок внутреннего цилиндра, отвод продуктов реакции осуществляется через кольцевой зазор в нижней части реактора. На наружной цилиндрической поверхности полимеризатора рассматриваются комбинированные тепловые условия, включающие нагревательное устройство заданной мощности и конвективный теплообмен с жидким теплоносителем , интенсивность которого определяется известным коэффициентом теплоотдачи. Все остальные непроницаемые поверхности аппарата считаются теплоизолированными. Тепло- и массоперенос в рассматриваемой системе осуществляется диффузионным и конвективным путем, связанным с течением химически реагирующей среды. Реакционная масса считается вязкой, несжимаемой и однородной жидкостью (расплав полимера в своем мономере), совершающая плоское ламинарное движение в прямоугольной области продольного сечения реактора. Течение по-лимеризующейся массы в рабочей зоне носит смешанный характер, обусловленный вынужденным течением под действием заданного массового расхода и термогравитационной циркуляцией среды. Теплофизические и реокинетические параметры материала считаются известными функциями температуры и конверсии мономера.

Таким образом, задача исследования заключается в разработке и практической реализации математической модели процесса, путем численного анализа закономерностей протекания синтеза термопласта и определения основных молекулярных характеристик синтезируемого продукта в зависимости от конструктивных и технологических параметров процесса.

Во второй главе изложены основные этапы разработки математической модели, описывающей процесс полимеризации термопласта в двумерной осесим-метричной постановке, начиная с формулировки задачи, описания метода решения и алгоритмов численной реализации, и кончая проверкой адекватности созданной математической модели.

Кинетическая схема процесса включает в себя реакции инициирования, роста и обрыва полимерной цепи путем рекомбинации, диспропорционирования и передачи цепи на мономер:

к, = А,ехр(-Е,/11ГТ)\

к

Я,+М—'-Ж,.,, кр-Ар- ехр(-Ер/Нг Т)\

Я, + RJ > к, = к„ + кы = А, ■ ехр (-Е,/ЯГТ)\

Л^-Ь^^Т», к„=А„- ехр(-Е„/Яг Т);

где кр, к0, кт - кинетические константы скоростей соответствующих реакций; Л - растущие макрорадикалы длиной / звеньев; Л - заполимеризо-вавшиеся полимерные цепочки; Яг - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Е, А - энергия активации и предэкспонента соответствующих реакций.

Математическая формулировка поставленной проблемы включает в себя связанную нестационарную дифференциальную краевую задачу тепломассопере-носа и дифференциальную задачу расчёта основных моментов ММР. В систему уравнений тепло- и массопереноса входят следующие уравнения.

Уравнение переноса тепловой энергии:

где I - температура; т - время; р,е,Х - соответственно плотность, теплоемкость и теплопроводность среды; и,г - соответственно радиальная и осевая компоненты вектора скорости; С - тепловой эффект экзотермической реакции.

В данной форме записи.уравнения энергии предполагается неоднородность теплофизических характеристик среды, обусловленная зависимостью их от температуры и степени химических превращений 7, например:

р(г.П)=Рш(')(1"П) +Р,(0'Ь где индексом т отмечены свойства мономера, а индексом р - соответствующие свойства полимера.

Уровень конверсии г\ определяется по концентрации мономера М относительно его начального значения Мо:

-1-—

Уравнение переноса растущих макрорадикалов

¿У? / д, д . I д . дК. д2 Л, , „ ?

(Я г дг дг г дг дг дг2

00

где Л = - суммарная концентрация макрорадикалов; О - эффективный коэффициент диффузии, К, = , /, - концентрация,/. -

я«/

эффективность инициирования, £« - константа скорости для каждого из /V, инициаторов, участвующих в реакции синтеза.

Уравнение переноса мономера

к=(кр+ик. (3)

дг г дг дг г дг дг + ^ е

Уравнения переноса инициаторов

= л= 1,2,..N1. (4)

(к г дг дг г дг дг ¿%2

Пренебрегая тепловым эффектом реакции расхода инициатора, ис-

точниковый член уравнения энергии (1) можно представить в виде

е= *ме»,

где Qo - удельная теплота реакции синтеза. Уравнение переноса завихренности

Я» 8, ч д, ч д Л д, 5 д2 . . „<?г —+—(1/®) +—(у®) = -_[-_:(г1)й,)]+—. (5)

дг дг дг дг г дг д22 ■■ дг

Последний член уравнения (5) описывает подъемную силу, вызывающую термогравитационную циркуляцию жидкости. Коэффициент кинематической вязкости 1) здесь предполагается неоднородным по объёму среды и зависящим от температуры и глубины химических превращений (конверсии).

Связь между завихренностью а и функцией тока у устанавливается уравнением Пуассона

= (6)

дг г дг г

Функция тока связана с компонентами вектора скорости и,х соотношения-

/ ду 1ду

и =---г-. Л V«—т-.

Г 02 т дг

Система уравнений (1)-(6) замыкается краевыми условиями, соответствующими конкретному технологическому процессу.

Задачу расчёта молекулярных характеристик возможно свести к последовательному решению обыкновенных дифференциальных уравнений относительно первого и второго моментов распределения по радикалам (Я«,Я») и трех первых моментов ММР по полимерным цепочкам (Р,Р„,Р»). с однородными начальными условиями:

Л

+крМ(2Я„ + К) + к„М(Я- Ди,)-к,ш„, /С = |у я, ;

I"1

^ = кятнк,<,+0.5кь.)112, . Р = (7)

^ = Н-*^, К =

Через отношение моментов распределения вычисляются итоговые молекулярные характеристики полимера - среднечисловая (Д/л), средневесовая (Л/») молекулярные массы и индекс полидисперсности у.

" ' /> Р„ м„

где тц - молекулярная масса мономера.

Следует отметить, что в уравнениях расчёта моментов ММР независимая переменная z* имеет несколько иной смысл, чем параметр т в уравнениях (1)-(5). т* характеризует собой "время пребывания" макрочастицы среды в реакционном объёме. Такая интерпретация временного параметра приводит к суще-

ственному отличию методик решения уравнений (7) и уравнений тепломассопе-реноса.

В данной постановке краевая задача фронтальной полимеризации решается впервые. Её особенностью является сопряжённость всех уравнений системы теп-ломассопереноса и значительная их нелинейность.

Разработанный алгоритм численной реализации краевой задачи основан на пошаговой процедуре интегрирования нестационарных уравнений переноса с использованием экономичных неявных схем расщепления до установления стационарного режима. Решение уравнений (1)-(5) проводится по схеме сквозного счёта, уравнение Пуассона для функции тока (6) решается итерационным методом релаксации. Граничные условия для завихренности определяются по двухконтурной методике Грязнова ВЛ. и Полежаева В.И.

На основе стационарного решения задачи тепломассопереноса реализуется переход от неподвижной системы координат к системе, связанной с движущейся макрочастицей среды. После линейной интерполяции найденных сеточных функций по траекториям течения осуществляется численное интегрирование по времени пребывания уравнений расчёта моментов ММР (7).

Адекватность разработанной математической модели и созданной на её базе компьютерной модели процесса оценивалась решением тестовых задач:

- задачи охлаждения конечного полого цилиндра в условиях конвективного теплообмена по закону Ньютона;

- задачи одномерной фронтальной полимеризации термопласта;

- сопоставлением результатов расчёта и натурного лабораторного эксперимента по термогравитационной конвекции модельной жидкости.

Погрешности решения во всех случаях не превышали 3..10 %.

В третьей главе описывается математическая и компьютерная модель радиального течения, с помощью которых исследовалась полимеризация ММА в условиях одно- (АИБН) и бикомпонентного (АИБН+ТБП) инициирования реакции.

Первым шагом к реализации полной математической и компьютерной модели фронтальной полимеризации явилось создание соответствующей модели для условий вынужденного одномерного движения реагентов.

На расчётной схеме радиального течения проведен численный анализ стационарного процесса синтеза ПММА с инициированием АИБН. Рассмотрены основные закономерности протекания тепловых и химических явлений в зоне ин-

тенсивных превращений. Отмечено, что размеры и положение этой области в значительной мере формируют общую картину процесса, однако определённая изолированность зоны реакции накладывает существенные ограничения на возможности управления протекающими здесь процессами.

Получены количественные оценки влияния некоторых технологических параметров (массового расхода, начальной концентрации и температуры ввода смеси) на основные характеристики процесса и полимерного продукта. Показано, что варьирование каким-либо одним параметром не приводит, как правило, к желаемым результатам. Например, увеличение начальной температуры реагентов на 50 "С приводит к росту температуры адиабатного разогрева среды от 150 до 170 °С, однако одновременно при этом снижается молекулярная масса продукта и уровень конверсии падает почти на 10%.

В качестве одного из перспективных механизмов управления исследована двухкомпонентная инициализация реакции с одновременным использованием "высоко-" и "низкотемпературного" инициаторов с различными кинетическим характеристиками и разными начальными концентрациями. На примере системы АИБН ("низкотемпературного") и ТБП ("высокотемпературного") инициаторов показано, что даже незначительная добавка ТБП (1/10 от концентрации АИБН) приводит к качественному изменению графиков радиального распределения параметров. При этом не только существенно увеличивается конверсия (и на 25..30)), но и происходит смещение зоны реакции в направлении входного сечения, что позволяет расширить допустимый диапазон варьирования расходом реактора, т.е. увеличить его производительность. Определен диапазон рациональных сочетаний концентраций инициаторов, позволяющий реализовать наиболее эффективные режимы функционирования полимеризатора. Результаты вычислительных экспериментов обработаны в виде графических диаграмм искомых параметров, построенных в заданном диапазоне концентраций (рис.2). Диаграммы позволяют достаточно быстро и с приемлимой точностью проводить многопараметрическую количественную оценку процесса.

Приведено краткое описание пользовательской версии программного комплекса "REACTOR". Обоснована возможность и границы применимости компьютерной модели радиального течения для экспресс-анализа фронтальной полимеризации термопластов.

В заключительной, четвертой главе проводится численный анализ полиме-ризационных процессов при наличии свободной конвекции среды. Применитель-

но к полимеризации ММА (инициатор АИБН) на базе двумерной компьютерной модели осуществляется расчёт тепломассопереноса и молекулярно-массовых характеристик полимерного продукта для реальной геометрии существующего полимеризатора, а также исследуются модифицированная конструктивная схема функционирования цилиндрического фронтального реактора. Здесь же приводится краткое описание исследовательской версии диалогового программного комплекса (ДПК) "REACTOR", предназначенной для компьютерного моделирования двумерных задач фронтальной полимеризации.

Рассмотрена осесимметричная задача вынужденного течения полимери-зующейся среды при различных уровнях массового расхода реагентов. Проанали-■ зированы причины возникновения эффекта "фокусировки" в нижней части струи течения. Для выбранных геометрических параметрах процесса проведена оценка диапазона изменения массового расхода, при котором возможна реализация ста- ■ ционарного режима работы реактора. Показано, что при значениях G, превышающих уровень 0.7..0.8 г/с происходит вынос зоны реакции и нарушении квазиадиабатического режима, что почти в два раза ниже соответствующих одномерных оценок.

Для условий смешанного течения исследована динамика развития процесса, начиная с момента стартового разогрева (запуска) реактора, и кончая выходом на стационарный режим. Вскрыты механизмы формирования итоговой картины течения, конфигурации и положения зоны интенсивной химической реакции. Показано, что воздействие свободно-конвективных явлений приводит к локализации течения вблизи питателя и в донной части аппарата, весь остальной объём которого непродуктивно заполнен вязким полимерным ядром (рис.3). При этом рабочий диапазон изменения расхода (производительности реактора) ещё более сужается (0.! ..0.15 < G < 0.5..0.6 г/с).

На примере выбранных проточных стационарных траекторий течения проведена идентификация и подробный анализ условий пребывания в реакторе конкретного локального объёма среды. Показано, как отличие "историй" нахождения различных макрочастиц в рабочей зоне приводит в итоге к значительной неоднородности теплофизических и молекулярных характеристик продукта, достигающей 40..60 % ; в-частности, минимальный и максимальный уровень по времени пребывания составляет соответственно 10 и 40 минут.

С учётом замечаний в адрес существующей конструкции предложен вариант модификации цилиндрического фронтального полимеризатора (рис.4). Как пока-

зали проведенные исследования, использование такой изменённой кинематики подвода/отвода позволяет значительно повысить эффективность реактора. Разброс параметров полимера на выходе из реактора не превышает для этой схемы 8.. 12 %, при этом, например, изменение температуры и конверсии по длине выходного сечения составляет соответственно всего лишь 1 °С и 5 % (рис.5). Кроме этого, существенно возрастает производительность аппарата , т.к. даже при значениях массового расхода порядка 0.9..1 г/с зона реакции остаётся достаточно удалённой от выходной границы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты исследований углубляют и расширяют представления о механизме взаимодействия тепловых, гидродинамических и массообменных явлений в процессе фронтальной полимеризации.

2. Создана математическая модель свободно-радикальной полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе непрерывного вытеснения. Математическая постановка включает формулировку связанной нестационарной краевой задачи тепломассопереноса и систему дифференциальных уравнений для расчёта моментов ММР.

3. Разработаны алгоритмы и методика численного решения поставленной задачи, для её реализации создан комплекс вычислительных программ с развитой структурой сервисного обеспечения. Проведена проверка адекватности компьютерной модели путём решения ряда тестовых задач и сравнением результатов счёта с имеющимися экспериментальными данными по термогравитационной циркуляции модельной жидкости.

4. С использованием разработанной методики численного анализа в одномерной постановке проведено исследование полимеризации ММА при одно- и бикомпонентном инициировании реакции. Получены оценки эффективности воздействия основных технологических параметров на характер протекания процесса и свойства синтезируемого продукта. Созданная компьютерная модель радиального течения позволяет осуществлять количественный экспресс-анализ процесса.

5. В двумерной постановке, применительно к полимеризации ММА (инициатор - АИБН), исследованы основные закономерности протекания тепломассопереноса для условий вынужденного и смешанного движения реагирующей среды. Дан анализ динамики развития и влияния свободно-конвективных явлений

на условия формирования стационарной картины процесса. Проведена идентификация условий полимеризации для различных макрочастиц среды и оценена неоднородность теплофизических и молекулярных характеристик синтезируемого продукта в выходном сечении реактора.

6. На основании проведенного в работе численного анализа предложен вариант конструктивной модификации аппарата, позволяющий повысить эффективность работы фронтального полимеризатора.

7. Результаты работы и ППП приняты к внедрению в ИЦ ПОВ (г. Тверь), а также используются в учебном процессе ПГТУ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Тепломассоперенос при неизотермической радикальной полимеризации.- В кн.: Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов: Тез. докл. 3 науч.- техн. конф.- Пермь.- 1992,- С. 12.

2. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Тепломассоперенос в химических реакторах фронтальной полимеризации. // Тепломассообмен-ММФ-92. Тепломассообмен в химически реагирующих системах. Т.З. -Минск: АНК "ИТМО им. A.B. Лыкова" АНБ.-1992. - С.72-74.

3. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Программный комплекс расчёта полиме-ризационных процессов в движущейся среде. - Информационный листок № 363-93. Пермь, ЦНТИ.-1993. - 4 с.

4. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Тепломассоперенос в цилиндрическом реакторе фронтальной полимеризации. //Тепломассообмен при химических превращениях: Тр.Первой Рос.нац.конф. по теплообмену,- М.: Изд-во МЭИ.- 1994.-Т.З. - С.70-75.

5. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Компьютерное моделирование свободно-конвективных явлений в среде с объёмным тепловыделением.- В кн.: Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технология: Тез. докл. VI Международной науч.- техн. конф. - Ижевск: Изд-во Удмуртского университета,- 1994.-С.71.

6. Галягин К.С., Вахрамеев Е.И. Компьютерная модель полимеризации термопластов в химическом реакторе непрерывного действия.-В кн.: Математическое моделирование процессов обработки материалов: Тез. докл. Международной науч.- техн. конф. - Пермь.- 1994.-С.15.

7. Вахрамеев Е.И., Галягин К.С., Первадчук В.П. Компьютерное моделирование полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе. // Вестник ПГТУ. Математика и прикладная математика. Пермь.-1996. - №1. -С .50-57.

Рис.1. Расчетная схема фронтальной полимеризации.

ТБП.колъ/ы*

ТБП.иош/м*

О 3 6 9 1г АИБН.»°">

О 3 в 9 12 АИБН.гги

Рис.2. Диаграммы параметров процесса:

а) температура разогрева, "С; б) конверсия,

в) молек.масса М„ хЮ"5, кг/кмоль; г) полидисперсность.

Рис.3. Траектории и зона реакции

в условиях вынужденного (а) и смешанного (б) течения (С=0.3 г/с).

Рнс.4. Траектории и зона реакции для

модифицированной конструкции реактора.

а) вынужденное течение (С=0.3 г/с);

б) смешанное течение (0=0.5 г/с).

Т, "с

155 130 105 80

•пр>

45 30 15 0

б

1

л.%

в

О 0.25 0.5 0.75

М, хюУкг/чмопь

24 16 8 о

0 0.25 0.5 0.75 г

Рис.5. Распределение параметров продукта

по длине выходного сечения реактора, а) температура; б) время пребывания; 4 в) конверсия; г) молек.масса;

—— - существующая кинематика; — — — - модифицированный вариант.

а