автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.02, диссертация на тему:Математическое моделирование процессов газофазнойкаталитической полимеризации этилена в псевдосжиженном слое

И1ШСТЕРСТБ0 ССЫТИ УКРА1НИ ТЕРНОШЛЬСЬКИЙ ПРИЛАДОБУД1ВНИЙ 1НСТИТУТ 1мен1 1ВАНА ПУЛЮЯ

ОД

; -К^н На правах рукопису

КОЛЕСНИК Юр1й Васильевич

МАГЕМАТИЧНЕ МОДБЛЮВАННЯ ПР0ЦЕС1В . ГАЗОФАЗНО! КАТАЛ1ТИЧН01 ПОЛГМЕРИЗАЦП ЕТИЛЕНУ У ПСЕВД03Р1ДН(ЕН0МУ ШАР1

Спеи1апьн1сгь 05. \ - Матеилтичне мопслгэання

в иаукозих доел! лненнях

Автореферат

дисертацП на здсбуття вченого ступени кандидата техн!чних наук

Терноп1ль - 1396

Дисертац1ею-е рукопис

Роботу виконано в 1нститут1 газу НАН Укра1ни

Науковий кер1вник: - кандидат техшчних наук,

пров1дний науковий сп1вроб1тник Орлик Володимир Миколайович

0ф1ц1йН1 опоненти:

доктор техн!чних, наук Статюха Геннад1й 0лекс1йович

доктор тШчнад-наук Молчанов Аяатол1й Дмитрович

Прсв1дна оргак1зац!я: - 1нсгитут б!оорган1чно1 х1мп

1 нафтох!мП НАН Укра1ни

Захист дисертацП вхдбудеться ' в'0 годин

на зас!данн! спец1ал1эовано1 вчено! ради К. 12.02,02 при Терногпль-ському приладобуд1вному 1нститут1 1м,1в.Пулюя за адресою: 282000, м. Терноп1ль, вул. Руська, 56, ТП1 1ы.1в. Пулюя, корп. -/ , ауд. .

3 дисертац1ею можна познайомитися у б!бл1отец1 Терноп1льського приладобуд1вного 1нститута 1м.1вана Пулюя.

Автореферат розЮланий "

Бчений секретар спец1ал!зовано1 вчено1 ради,

кандидат техн.наук, доцент М.Р.Петрик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА- РОБОТИ

Актуалья1сть проблеми. Процес газофазно! катал!тичноХ пол!мэ-ризэцИ (ГКП) этилену у псовдоэр!дженому кар! (Ш) пол!мэр-ката-л!заторних частинок, що застосовуеться у виробництв! пол!8талэну та пол1проп!лэну в одним з перспективних й набуваючих швидкого розвитку метод!в у виробнщтв! пол!мерних матер!ал!в. В1н виг!д-но в1др1зняеться простотою технолог!! й аиаратурного оформления та задовольняе ус!м вимогам, що прэд'являэться до процес!в пол!-меризаци Кр!м того,процес ГКП яайб!лыз зэ все п!даодать для ви-р!шошя задач! розробки та впровадження безв!дходшвс виробництв, що працюють по ззмкяеному циклу. Але для УкраКни в!н е новою технолог1ею 1 його освоения тут почалося лише у тепер!тн!й час.

Незважайчи на ряд явних пэреЕаг методу ГКП,його промислова реал!зац1я, одяак, ускладшоеться рядом спэцяф!чних особливостей, що супроводаують переб!г процвсу у р!зномая!тних режимах функц!-снуваняя та потребузоть додержання певши умов, що забезпечують стаб!льну роботу обладнання й отримання як!сного продукту. У зв'язку з цим виникав необх!дн1сть в побудов! проблемно-орТенто-вано! системи моделей, що адекватно описують од осоояивост!. Ви-

р!ШИТИ ЦЮ Задачу МОЖЛИВО ШЛЯХОМ ВС9б1ЧН0Г0 Д0СЛ!ДЖ8ННЯ особли-

востей процесу у множил! цих режж£в роботи, на основ! оц!нки по якомога б!льш повн!й сум! критерНв 1з'застосуванням ЕОМ та ме-тод!в мэтематичного моделювгния. 1дентиф1кац1я параметр!в процесу ГКП етилена.який використовуеться для отримання широкого спектру марок пол!меру на одному й тому ж облэдаанн! при використан-н! р!зних кэтализатор!в I вар!юванн! робочих умов проведения процесу,зд!йснювться зараз емШричними методами, на основ! лабораториях досл!джень з яодалытш уточнениям режим!в на бзгатотон-яажгах промислових установках. Це призводить до великих втрат: часу,кошт!в !,наЙголовн1ше - продукту,внасл!док отримання некон-диц!Иного пол1меру. Ця ситуац!я ускладшоеться ще й в!дсутн!ста зараз в кра!н! доелIдно-промислових установок для анал!зу проце-с1в ГКП.

Таким чином,створення вшдезгаданно! системи моделей 1 розроб-ка,над!йноТ, оперативно* процедури 1дентиф1кзц!Г параметр!в процесу та здШснення на Щй основ! в1дпов1дних обчислювальних екс-перимент!в, результата яких дозволять прийняти р!шення,що сприя-ють Шдвищенню продуктивное^! обладнання ! пол1пшенню якост! продукту,е дужэ актуальним.

Мета роботи. Створення системи математичних моделей, що адекватно описують процэси ГКП етилену у р!зноман!тних режимах Ух

функц 1 онування, а також отриманая основяих параметр^ цих хтродэ-с1в,як! даоть тжлив1сть провести,в подальшому, оптш1зац1в вказанах процэс!в ГКП.

Наукова новизна. В умовах практично повно* в!дсутност!, як в Укра1н!,так í в СНД в ц!лому, праць по мате матичному моделивашш ироцес!в ГКП олеф!н!в у ГШ (особливо, нестац!онарних):

1.Створено систему математичних моделей,що за принципом iepa-pxíí ошсуить повед!нку продес!в ГКП етилеяу: пол!мерлззцП на зврн! катал1затора; форгол!меризацИ у пер1одачному режим! повно-го пер8м1шування та у безлврервному режим! повного вит!снення; г!дродщам1ки Щ у реактор! при зеповненн! останнього пол!дас-персним ПШ у режим! пуску п!сля його зушнок-, пол!меризац!Т ети-лецу у монодасперсдаму ГШ, а також - нестац!онарного процесу ГКП еталену у пол!дисперсному ГШ.

2.Розроблено процедуру !дентиф!к8ц!1 к!нетичних характеристик катал!затор!в,що використовувться у промислових процесах ГКП этилену, та створено лрогрзму пошуку констант швидаостей реахц!й для в!дпов!дних стад!й процесу,яка значно скорочуе загальний час об-робки отримашн данюс по досл!дженязз катал!затор!в.

3.Експериментально назначено аввдкост! початку псевдозр1джен~ ня v„( та виносу ut для ргзних фракцШ чаотинок у полiдлсперекоад ПШ. Проведено пор!внялъний анал!з результата натурного експери-менту та розрзхунку вказаних швидкостей по емп1ричним залежнос-тям,що рекомендован! у л!тератур! для «онодисперсного ПШ. Зазза-чено умови, за яких застосування них залежностей е можливим для пол 1 дисперсного ПШ.

Загальна методолог!я робота. При досл!дасенн! процесу ГКП ети-лэну у Ш1,реал1зованого у р!зяоман1тних режимах переб!гу,1 ство-ренн! системи моделей для нього враховано законом!рност! цього процесу стосовно конкретних умов переб!гу та застосован! трада-ц!йн! метода синтезу математичних моделей ф1зико-х!м!чних процв-с1в. При цьому використовувэлися узят! з розглянутих л!тератур-них джерел в!домост! щодо властивостей катал!затор!в, пол!меру, особтвоствя пересИгу проц8с!в тепло- та масообм!ну,руху газового потоку кр!зь ПШ р!эного фракц!йного складу та взаемодП ус!х цих чиншк!в. При розв'язаш! систем р!внянь отриманих моделей застосовано так! широков!дом! над!Йн! математичн! метода,як1 аа-довольняли ц!лям досл!даення. Проведен! досл!даення маяи на мэт! визначення характерних особливостей розглянутого процесу у р!з-них умовах його функц!онування та впливу режимних параметр !в на показники процесу у цих умовах. 0птим!зац!йн1 досл^дження у коло задач ц!еУ роботи не входили. Достатшо обгрунтован!сть та досто-

BlpnicTb наведених наукових висновк!в оабвзпечвно базуванням на рэтельно виконаних натурних екслериментах, проведэних на'лабораториях установках у замовника робота (А0"Сгавроп!льпол1мер",м.Бу-дьонн1вськ,Рос!я) та в 1нститут! газу HAH УкраУш.а також на результатах обробки даних обчислювэльних экспериментiв на ЕОМ.пере-BlpeiDix на аде.кватн!сть реалымм процесам ГКП у ПШ.

Практична ц!нн!сть та рэал!зац!я результат!в робота. Створена у ц1й робот! 1ерарх1я матемагичних моделей (що дактувалзся прак-тичними потребами досл1давння процесу) дозволяв оц1нити особлшзо-ст! переötry процес!в пол!меризэцП у ПШ i отриматл вйх!дн! дан! для провктування досл!дно-промислових реактор 1в та Тх подзльшого удосконалення. Рсзроблена у дисертадП процедура 1доктиф!кацП к!нетичнжс характеристик катал!затор!в дозволяв усунути невизнэ-чен1сть в оц!нц! цих характеристик при зам!н1 в промиолових умо-вах парт!й катал1затора,лов'язану з ризиком отрицания при д1й зам!н! вэлико! KfJibKOCTi нэкондиц!йного продукту, а також злачно змошуе загалышй час поауку к!нетичю1х констант.

Для практично! рвал1зацИ науково-твхя!чн1 результата дасер-тац!йно* робота передан! для використання замовнику досл!джэнь.

Алрсбац1я робота. Ос-новн! положенкя дисертацШюК роботи по-ДЗ ВС Л ТС Я ДО розгляду HS На i'KGBO - праКТЛЧКИХ CBMinapSX: "Модэляро-вэше, идентификация, синтез систем управления в химических и хими-ко-мэталлургических производствах" (м.4луита,1990 р.), "Динамика процессов и.аппаратов непрерывной технологии" (м.ЯремчаД991 р.) та "Автоматизация производственных проце с сов"(м.КиIв,1991 р.) та конференцН "Х!мреактор-12" (м.Ярославль,1993 р.).

Публ1кац1Y. За темов дасертацгг опубл1ковано 10 праць.

Структура i об'ем роботи. Дисертац1я складаеться з встулу,чо-тирьох розд!л!в, висновк!в, списка викорисгано! л!тератури 1 до-датк!в. Основний зм!ст викладений на 177 стор1нках машинописного тексту з 44 малинками та 8 таблвдями. Б1бл1ограф1я м!стить 155 нэйменувань. Додатки рози!щен! на 6 стор!нках.

ОСНОВНМ 3MIGT РОБОТИ

У вступ! обгрунтовано актузльШсть теми дасертац!I,сформульо-вано мету роботи, виклэдено основа! положения та результата, що виносяться на захист.

У першому роздШ розглянуто сучасний стан досл!даень особли-востей процес!в пол1меризацП олеф!н!в та математичного модели-вання пронес!в ГКП этилену в ПШ. Показано, ¡до Щ процеси являють собою зяачний 1нтэрес для промисловост! пол!мерних матер!ал1в, у зв'язку з чим виникяе необх!дн!сть ix докладного вивчення й пода-

льшого удосконалення. Проанал!зевано та досл1дж&но ^ганшкд,. в!д, яких заложить перэб!г х!м!чних процэс!в,продес!в тепло- та масо-обм!ну,поБвд1ака щ!льноГ та газово? фаз у статичних I динам!чних режимах. Розглянуто наявний досв!д,а також приклада застосування розроблеянх у св!тов!й практиц! моделей для створення систем ке-руваш!я пол 1 мерязац!йшши продесами.

На п!дстав! викладеного зазначено фрагмэнтарн1сть п1дходу до проблема при творетичн1й розробц! та практичну в1дсутн!сть розро-бок з моделззвання процес1в ГКП у в!тчизнян!й практиц!. Сформу-льовано основн! завдання.як! Сули поставлен! перед ц!ею роботоэ.

Другий розд!л присвячено питаниям моделювэння процвс!в ГКП етююна на'зеря! катал¡затора. Показано,що процеси, як! в!дбува-ються на зерн! катал!затора, зумовлвзтъ його питому продуктивн!сть та ях!сть продукту,¡цр отримуеться. Зазначено залеш!сть вказаиах процэс!в в!д к1нетичнюс характеристик кат8л1затора. Розкид цях характеристик робить необх!дним коригування режиму ш>л!меризацП при зам!н! одн1е* партП катал!заторз на 1ншу. Зап1знешш з ко-рекц!ею,яка проводиться за результатами анал1зу якост! отримува-ногс продукту, вельми тривалого у цромдслових умовах, призводнть до отримання зкачноГк}лькост! нековдщ!йного продукту.

Методику !дентиф!кэц!¥ цях характеристик, що являе собою процедуру оперативно! обробки результат!в лабораториях досл!дзшь катал!затора,з метою вшсористаяня Ух для од!нки активное?I ката-л!затора,а .також I для визначення.рэяшмних парамзтр1в процесу.що забезпзчують отримання кондвд1йного пол!мера, розроблено у п!д-роздШ 2.3.

Для пошуку к!н0тнчних характеристик та побудови математичного опису процасу ГКП вииористовувалася модель, що грунтуеться на трьохстад!йному механ!зм! продесу гошполШеризацп втпвнз (роз-глянутому у п!дрозд!л! 2.1),що вклшае в себе стад!! !н!ц!ювання этиленом сер неактивних центр!в шл!меризац!Г сАиз у св1жому катал! затор! в актива! (А&э; отруення щи активних центр!в отрутою сЯдр з переведениям Ух у нейтрал!зован! сАу - убит 13 1 нейтрал!-зац!ею отрута в !шртну рачовину с1э, а .також стад!» под!маряза-етилаку на активных центрах з утворэнням пол!меру его:

де к(,к,»к, - константи швидаостей. реакц!й елэментарних стад!й 1н1ц!ювашш,отруення та лолШеризацП, як! у сукупност! й визна-

Ац + Сг ---> Аа + С2 Аа + ЯД Ач, + I Аа + Сг ^ П + Аа

(1)

(2) (3)

чають активн!стъ катал1затора.

Досл1даення к!нетики процесу пол!иеризац11 проводилося у тер-мостатованому лабораторному реактор! пер1одакно! д! У, емн!стя> 1.5 л, з механ!чною м!шалкою, таек в якому п1дтримувався автоматично подачею св!жого этилену у м!ру його витрачання. Реактор заповтвався зг!дно схеми на мал.1, де умовно показан! 1з сво!ми характеристиками окрем! складов! (у дШсяост! Идеально перемШа-Н1 СОбОЮ):

катал!затором,з об'емом де ек - к!льк£сть катализа-

тора, а рк~ щ1льн1сть катал!затора;

пол!мером,з об'емом урп > да у% — к!льк!сть напрвцьованого на момент t пол1мару,а р„ - щ!льн!сть полМера (пол!втилена);

мономером (этиленом),с,,б!жуча к!льк!сть якого у реактор! (не рахуючи отруту):©сг = рс у0 -у* -V, > /кт-вк, ,э молекулярнз вага еткл9ну.Нонцентрац1к мономеру (не враховуючи отруту) знаходилгея 1з виразу.- сг= р/кт - еНг / (ч, -у*-у„ );

водаем, нг, з тиском р*г й к!льк!сты йога = рНгсу„ .

Тут-. у0-загальний об'ем реактора; р -загальний тис к у реактор!; т - температура реакц!йноТ зони; я = р/кт -загальна концентрац!я газ!в, що заповшшгь реактор; - початксьа концьытргц1Я нвак-тивних центр!в; а® - загальна кондентрад!я катал1тичних центр 1 в; у, , уг , у3 -концентрацП, в!дпов!дно, неактивных центр!в, вбитих отрутою центр! в та само? отрут л: в реактор!; да= д5 - у4 - уг - кон-центрац!я "актавних центр!в; - вктрата жйвильно'! сум!ш!; х -концентрац!я отрутл у жявшьнт сум!шЬ к - ун!версальна газова стала.

У в1дпов1дност! до прийнятого механ!зму,умов проведения пол!-меризацП в цьому реактор! а з урахуванням прийнятих нозначень.з балансовых сп!вв!даошонь,що ошеують зм!ш)В8ння величин, як! характеризуют пэреб!г цьош процесу,була отримана наступна система диференц!йнях р!внянь:

dy1 х, = с, у, (4)

= кг А» Уз (5)

^(Уо-Ч-У,,) у^/еК. = -кгАаудУк + (5)

¿^/аъ = кг са А4 (?)

®4,)~ -»чСаАаУц +■ д6С1-х5 (8)

Ъ=0: У, = Аэ ; уг = О; У3 = ^X; |-<1-хЭ ,

1з зм1ннах процесу вим!ру була доступна ( у певн! момента часу) т!льки к!льк1сть. напрацьованого шШмеру, у5со. при розроб-

ц! алгоритму 1денткф!нацН з системи р!внянь (4)-(8) для назначения розрахункових значень к!лькост! напрацьованого на момэнт

часу (1=1.2.....ы) пол!меру було отримано едине алгебраУчно-

1нтегральне р!вняння в!даосно т!льки ц!е! к1дькост! пол!меру та в1дшукуваних к1нетйчних коеф!ц1внт!в к, .кг ,к5 . Задачу пошуку цих коеф1д1внт1в було эвэдена до задач! знаходаення м1н!муму функцП;

1С к 4 ,кг ,к4 = 2 Су\ - у5Ьг .

де у!= , кI ,к! ,х,а0р:з -розрахункова к1дьк!сть напрацьованого пол!мору, або,1наки8, до виразу:

»п i = ийп с тп i ) (э)

Внутр1шня задача мШШ1зацП у (9) Шсля зам!ни у, вказашш би-рззом, отршатш з систэми р!вяяяь (4Ы8>,екв1велентна стаялар-та!й задач! методу найменших квадрат1в (МНК), що дозволяв однозначно визначитя к . х, а , за умови виконання очевидних обмэжень:

О £ х £ I ; ' Ой Ар*,;* 5 А" , дз а°„;„ - певнв задана м!н1мадьнэ значения а°, вибране аПдно з м1ркуваннями,цо випливають !з умов проведения эксперименту. Оск!льки внутр!шня задача м!н1м!зйцП мае явне анал1тичне вир!-шення, на долю чиеельюгх метод {в пошуку екстремума залжшаеться зовн1шяя задача м1н!м!зацП по к. та кг при обмеженн! у{ >'о,

(де 1=1.г.....ы), що легко врэховуеться застосуванням методу

штрвфннх функц!й, який з8Поб1гэб вихрду парамэтр!в у неф!зичну область. ,

Застосування вказаного п1дходу зменшило загальняй час вир!-аення задач! пошуку к1нетичяих констант на 2-3 порядки,пор!вняно 1з часом, що звкчайно витрачаеться для цього на практик!. Ця обставляй мае бнр!:лзльнэ значения для оперативного керуваняя реа-льпим процесом.

П1дрозд1л 2.2, в свою чергу, лрясвячено питаниям моделювання процеса ГКП на зерн! катал!затора (структура якого схематично представлена на мэл.2). На основ! вказаного вище механ!зму поре-б!гу процеса (Х)-(З) й в!дпов1дш1Х балансових сп1вв!дношень по речовин! та теплу по рад!усу та на поверхн! зерна, з урахуванням початкових та граничних умов,отримано систему р!внянь математич-но! модел!, що в формалышм математичним описом ( використаним у т!й чи 1ш!й форм!, як при розгляд! процесу у лабораторному реактор! для випробуваяня кагал!затор!в,так ! дал!,для опису проде-с!в форпол!меризац! ?) продес!в, що в1дбуваються на зерн!. Для 1т моделювання був розроблэний алгоритм чясвльного розв'язання вка-зано! система р!внянь методом прогонки 1з застосувэнням нер!вно-м!рно! с!тки ( з огляду на значн! град!енти концентрац!йних та

темиературних лол!в по рэд!усу зерна) га створено програму розра-хунку (блок-схема яко* представлена на мал.З). Отримано кбнцэнт-рац!йн! та.температуря! поля, рознод!л актавних ! неактивованих центр!в ншНмаризацП та частки заповнення пол!мером пор зерна катал{затора по рад!усу. Розглянуто данам!ку зм!шшання у час! кощэятрац1й мономера та отру та у газовому потоц!.температуря та усередненоУ частки заповнення пол!мером пор катал!затора 1 дос-л!даено вплив вар!юванкя основных режимних параметр!в на показ-шпсл процесу, що розглядаетъся. Ц1 основн! параметри процесу на зерн! катал!затора являють собою в!дправну точку у розробц! ТЗ на проектувашгя (модерн!зац!ю) установки ГКП з обумовлениш тех-н!ко-економ1чнимя поназнхкэш.

. У третьому роздал 1 розглянуто питания моделовання процес!в форпол!м8ризац!У (пол!меризац! У на катал!затор! з метою поперед-ньоУ актавзц!У центр!в св!жого катал 1затора перед подвльшим введениям його в основний реэкц1йний об* ем та запоб!гання виносу його .частинок у дачатковий момьнт подачЕ Ух у реактор). Тякий да-передн!й процес (що проводиться,як правило,до моменту напрацгозн-ня к!лькост! пол1мера,дор1внюшоТ,приблизно, об'ему пор вих!дноУ частники катал!заторэ) при актшзапП ттчтр!? кателГзэторз сгтрляг вб!льшенню ваги частшюк за рзхукок какотз-гченя польдера у Ух порах й протид!б Ух виносу. Це запоб1гяв забивания циркуляц1йного контуре ш>л1мэр-катал1эаторними частниками, внасл!док плавления пол!меру при локальному перегр!в! частинок у ход! екзотерм!чноГ реакцП полМеризгцП у заст!йних зонах, контура при вжгосонн? частинок з шару.

Форпол1моризэц!я здШсшзеться або у пер!одачному режим!, в реактор! з ПШ, або у безперервному режим! пневмотранспорту. Характер реакц!й,що мають переб!г в обох випэдках,однаковий, а зм1шсготься лише умови Ух пареб!гу. Тому,як ! ран!ше,при розгляд! цих процесс враховувався трьохстад!йний механ!зм лереб!гу процесу пол!ме-ризацП етилену (1)-(3) з прийнягтям в!даов!даих припущень у кожному з випадк!в, для яких, з урахуванням умов переб!гу процесу форпол!меризацП,були отриман! р!вняшя для визначення зм!ш®ан-ня (в час! у Ш ! по довжин! транспортноУ л!н!Г) температуря,кон-центрац!й компонента газов о У сум! а! ( у тому числ! ! в об* ем! зерна катализатора),активних та неактивованих центр!в катал1зато-ра.а також вирази дая визначэння маси напрацьованого иол!меру та розпод!лу частки заповнення пол!мером пор катэл1 затора по рад1у-су зерна. Проведений згодом анэл1з процесу форпол!мвризац!У показав,що при переб!гу цього процеса у к!нетичн!й облает! (при до-статньо др!бних частниках та пом!рнШ активност! катал1затора)

для обох режим!в вГдоадае необх!дн!сть знаходити концентраЩйя! розпод!ли мономеру та отрути по рад!усу зерна.

Таким чином,для обох вгшадк1в пэреб!гу вказаяого процзсу було розроблено надМЬшй обчислювальний апарат, що дае змогу.виходячи з конкретних техн!ко-економ1чних вимог та обмежеяь,вибрати опти-мальний вар!ант сгворення система форюл!меризац!1 дня установок ГКП,оск1льки форпол !меризац 1 я,зву жу щи фракц!йний склад ПШ за ра-хупок видалення ,др!бних франц!й, дае можлив!сть п!доищити наван-таження на реактор по газовому потоку й,тим самим,зб!льшити про-дуктивн!сть реактора.

У четвертому роздШ розглянуто штання.що виннкли при зд!йс-ненн! математячяого моделювання нестационарного процесу ГКП ота-лену у пол!дасперсяому ПШ й побудов! його модел!, що адекватно описуе рэальний процес.

• Окреслено ряд особливостей нереб!гу даного процесу у пол {дисперсному ПШ та назначено суттев! труднощ! опису цього процесу внасл!док р!зноман!тност1 фактор!в,що його визначаюгь: склздносг! г1дродинам!чно1 обстановки й процес!в тепло- та масопередач! у ПШ та 1ншях фактор!в, що призводягь до неоднор!дност! та ан!зо-трошюст! шару. Вказано, зокрема. на необх!дн!оть Еккскання дбок. суттевих вимог до ПдроданамГки кару: доброго шрем1вуваняя твердой фази.яке забезяечуе !зотерм!чн!сгь шару, та м!н!м!зацП ви-носу газом дрЮнлх полIмер-каталIзаторних частинок у циркуляцШ-пий контур,що, призводить до блокування останнього. Зазначено.що, оскIльки обидва фактори зростають при зростанн! швидкост! газу у реактор!.виникае оптим!зац!йна задача вибору величина ц1еУ швидкост!. Показано,що вир1шити ц! задач! в повному об*ем! дав важно. Як вих!д з такого становища залропоновзно створення сукугаю-ст! математичних моделей,при якому загальна проблема розладаеть-ся на ряд етап!в,дяя яких створшться частков! математичн! описи та пакет програм для 1х чисельного анал!зу. Вони, в подальшому, ■ служать складовими елеменгами створиваноУ загальноГ математично! модел!. За значано, ню цобудова вказано! 1ерарх!У моделей (частину в яких розглянуто у попереда!х розд!лах ц!е! робота ) дактуеться р!зними ц!лями при проведенн! обчисливальних експерймент!в з метою досл!дження процес!в ГКП етилвну, а використання менш складнях, з б!льшою к!льк1стю лрипущень, моделей готуе достатнэ базу для роботи з б!льи широкши математичнимн моделями, як! врахову-вть н90бх1дну та можливу к!льк!сть суттевих параметр!в процесу, що в!дображаготь реальн! удави його лгереб1гу.

Створено модель г!дродинам!ки ПШ у реактор! пол!м9ризац!I ети-лену, що дав зиогу провести анал!з процесу заповнэння реактора

пол1дисперсним ПШ в режим! пуску и!сля його зупинок (зокрема, на проф!лактику та ремонт). Розгляяуто законом1рност! цього продо су, розроблено процедуру розрахунку показникГв процесу ( зм1нювання р!вня або ваги шару, виносу та розяод!лу частинок по фракц1ях ) та визначеяо вшив на ц! показники режимних параметр!в. Як св!д~ четь деяк! результата чисельного анал1зу модел!, при' заговненн! реактора в1дносно дрШшш порошком при великих тисках (мал.4), витрата рециклового газу зумовлаеться величиной,що гарантув ста-лий режим робота компресора. Анал!з функцП розпод1лу частинок за розм!рами (мал.5) показав,що через безповоротний винос части-пи др!бно? фракц1К максимум ц1еХ фушшДГ розпод!лу зм!щено у б!к б!льших розм!р!в частинок. При наявност! значяоТ за розм!рами фракцП швидк!сть газу повинна в!дпов!дати швидкост! початку И псввдозр!дження. 1з умови piBHocTl швидкостей початку псевдозр!-даеш нзйсЯльзоТ фракцП та виносу найдр!бн!шоК з фрзкц!й виз-начено вимоги до початкового фракц!йного складу порошку,dio подаешься у реактор. Усе цэ дозволило вибрати оптимальний режим за-повнення реактора. .У зв'язку з, необх!да!стю контролювати к!нце-вий Фракц1йний склад пол!мер-катал1заторних частинок у реактор!, модель даз можлив!сть визначати фраки!йзий склад частинок в ре-. sKTopl, у потоц!, ¡до вгаоситься, а також кавантажвння на ф1льтри (циклони),при íx наявност! у циркулярному трэкт!.

Експериментально досл!джено мояглив1сть ,застосування для пол!- . дисперсних шар! в виразШ.запропоковашос О.М.Тодесом для монодисперсного шару. Бош,у пор!внянн! з 1шшми сн i вв! дноивянями з л!-тературних джерел, давть найб!льш достов!рн! значения криглчних швидкостей (u„f та ut) газового потоку у ПШ. За допомогою натурного експерименту на колонц! кигшчого тару (мал.6) досл1джено ц! швидкост! для ряду пол!фракц1йних сум1шей та зд!йснено пор!в-няння отримавдх данях з результатами розрахунк!в за цими вираза-ми. Показано, що засгосування цих хритерtэльних залежностей для шл!дисперсних ПШ, вреховуши значн! в1дхшшння результат^ роз-рахунк!в в!д еколэрдаенгэльних дашх,можливе лише при умов! введения у них необх!дних поправок й дано Ух оц!нку.

При розгляд! процесу 'ГКП этилену у Ш для анал!зу його стад!-онарних режим!в та вибору теплового режима,з урахуванням необх!-даих ирипущень, створено опрощений матеиатичний ошо процесу у монодисперсному ПШ (тому, що таке наближэння ц!лком задовольняло мет! досл!джвння й усувало значн! труднощ!,пов"язэн! з розглядом процесу у пол!дисперсному IH), якнй включав в себе наступи! р!в-няння: зм!ш>вання концэнграцШ мономеру у фаз1 бульбэюок 1 у щ!-льн!й фаз1,зм1нювання концентрации активних центр!в катал!затора

-12, у ц!йфаз1, зм!ш)вання температур у фаз! бульбашок I у ряьвШ фаз! (цриймаючи тут р!вн!сть температур газу та частинок у щ1ль-н!й фаз! через дуже мэлу тегшову !нерц!йн!сть частинок, що реально первм1шан1 з газом), а також вираз для визначення к!лькост! вивантажуваяого порошку пол1мэру. Параметра модэл 1 обтасяшались по емп!ричним залежностям.узятим з л!тератури. На'ц1й основ! роа-роблено алгоритм,створено програму розрахунку та здШяено чисе-лышй анзл!з процесу, за результатами якого побудоваш) д!аграму тешювяд!лення та тепловГдводу (о-т -д!аграму ) для раду режим!в робота реактора пол!меризац!¥ (иал.7),отримано статичн! та дина-м!чн! характеристики процесу у ПШ та зд! йене но досл!давшш характеру його пореб!гу у р!зноман1тшх режимах функц!онувааня. Ш до-сл!дження показали, ¡до процес мае пэреб!г в облает! з дуда мзлда запасом устэл&н0ст!,або,нэв!'гь, в нвусталеному режим!, Проведено оц!ш;у й пор!вняння канал!в керування лроцесом. Найб!лг.и пряйня-тшш серед них виявився канал: "температура газево? сум!ш! пз вход! - температура ШП у реактор!".

На основ! створено! ран!ше модел! г!дроданам!ки ¿йП, з ураху-ванням !ерарх!Г моделей процес!в ГКП, розглянуто матештичн! мо-дел! стационарного 1 ксст8ц!оагрнсго режимов лол!меразац!1' ¿з • слропй'ючим призутцвнням !деельного зм!шування по температур! та концентрац!ям компонент!» у пол 1даепереному ПШ. При побудов! мо-дол! нестационарного режиму отршаяо р2вняння матер!арного балансу но тверд!й фаз!, що внзначнч характер нанопичезня иару у реактор! пол!шризац}1 ( вирэженого, як зм!нювання фуззкцИ вага для фракц!У частинок з рад!усом г- ) ! представлена як сумарний ефокт в!д цодач! катал!затора у шар.вивантаження продукту,виносу частинок.потоком газу,переходу частинок,внасл!док.!х росту,у на-ступну фракц!а та утворения иол!меру у розглянутШ фракцП частинок. Для створення система р!внянь, що дае достатньо ловну !н-формац!ю про процес ГКП у пол!дисперсному ПШ, це р!вшшня було доповнено матер!альннми та тепловими балансами по газовШ ! щ!ль-н!й фазам, иод!Сними до розглянутих у модел! для монодасперсного ПШ. Прийнят! при П побудов! основн! припущення було доповнено положениями, конкрэтизуючши рвальний переб!г процесу. Було вра-ховано залежн!сть в!д тиску I температура у ревкцШнаму об'ем! ряду параметр!в,що характеризуясь газовий гхот!к,який сетадаеться з об'еднаних у певному сп!вв!дношенн! чистих газ!в. Дет дього (у Додатку 3) використано в!дпов!дн! емп!ричн! залежностЕ, узят! з дов!дково* л!тэратури.

3 метою б!льш повного опису переб!гу реального процзеу ПОТ у ' ПШ створено п!дсумкову матеиатичну модель нестац!онарн<зго процэ-

су ГКП етилену у пол}дисперсному ГШ. Бона включае у себ§'р!внян-ня,як! характеризують зм!нювання: кондентрац1й мономеру та отрути у фаз! бульбашок;температуря у фаз! бульбашок-, накопичення шару у, решстор1 (матер!альний баланс по тверд1й фаз!); концентрац!й мономеру та отрути у щ!льн!й фаз!; концентрацШ активних 1 неакти-вованях центр!в катал!затора у щ!лънШ фаз!,а також (для ¡ЩльноГ фязи): р!вкяшм теплового балансу для частники 1-оТ фракцИ, що визначае для кожноУ' з фрэкц!й характер зм!нювання температура П частинок, та теплового балансу по газу, що демонструв чашшли, вшглвзюч! на температуру газу ц1еГ фази.

3 огляду на труднощ! обчислювэльного характеру при розрахунку покозпж!в процесу,на основ! отршано! системя р!внянь,показано, що у повн!й математичн!й модел! моша видШети групу "ггов!льпо" переб1га?1Чйх процес!в, як! опнсуэться звичяйнимл дифарепцШши р!внянялми,1 групу ггроцес1в,як! у рамках поставленоТ задач! молено рсогдядати як "миттзвГ' (тут - не процеси установления температур др!бяих фракцШ ччетинок та газу у ц!льн!й фяз!),1";о о;гасу-аться алгебра1чними р!вняшями. Таким чином,повна модель процесу постас у вигляд! змГшано! сиотеми дт1©ренц1йних та алгебраГчпих р1внтп>. Застосування до роав'язняня «гако! система ¿Лвниугь шд-ходу*',що грунтуеться на переход! вгд не Г до екв!валентно* систе-ми диферэнц!йних р!внянь, дозволило знятл проблему "жорсткост!" вих1дноГ зм'!шано? системи р!внянь й далегшити вякорлстання мате-матячно! модел! розглянутого процесу пол!меризац1У.

На основ! результат!в обчислювального експерименту зг!дно ц!-& модэл!.побудови та анал!зу ряду граф!чних зялежнеотей виявлс -до вшив основных режимиих параметр1в на перегЯг цього процесу,а тзкож показано обгрунтован!сть застосування розглянутих у робот! б!.чьш отрощеж« моделей.

0СН0БН1 РЕЗУЛЬТАТ!'! ТА ВЖЗКОВХК

1. Побудовано математнчну модель процесу газофазной пол!мери~ зац!У ешйену на зерн! катал!затора ! досл!даено основн! характеристики цього процесу.

2. Запролоновано методику !дентиф!кац!1 к!нетичшк характеристик катал!затор1в, що застосовугаться у промислових нроцесах ГКП етилену у Ш,яка дозволяв усунути ризик отримання некондиц!йного

Колесник В.В. Дуринный А.И. Один подход к решению смегаэшшх систем уравнений .(на примере холодильника-конденсатора ) // Хим. технология.- IS87.- №6.- С.51-55.

продукту й значно змоншуе эагальний час визначання к!нетичних констант.

3. Розроблено математичш модел! процес!в форпол1меризад!У та досл1джено Тх особливост! з урахуванням в1дч!яност! умов пэреб!-гу ц!х ироде с 1в у лэртдичному та безперервному режимах.

4. Побудовано математичну модель ИдродинаШки Ш'у реактор! та проведено чисельшй анал!з отримано! модел!.

5. Експериментально визначено шввдкост! початку нсевдозр!даан-ня та випосу частинок для ряду пол{фракц!йних сум!шей. Вказано на зяачну похибку визначення дих швидкостей для аолГдасперсних ПШ за емп1ричжши залвжностямя для монодасперсних Ш,що рекомендуются у л!тератур!,та вказано умови можливого застосувяшя дих зялсжтюстей для пол!дисперсного ГШ!.

С. Побудовано математичну модель отац!онарного продесу пол!ме-ризацГТ етилелу у монодасперсному 1311. Проведено чиселъШ' досл!д-яяктня усталеност! тя теплових режим1в його пе»реб1гу у рзактор! 1 виброно канал керуваиня дим лроцесом.

7. Побудовано математичну модель нестационарного лроцзсу. ПОТ етилэну у пол!дяоаерсному Ш!. Визначено показании пр&цвсу, дана-м1хсу 1х ом1шшаная, а також вллив режимних параметр 1в процвсу па його покэзнаки, При организяцЕТ обчислекь ззстосовзно спвц!адь-штй п!дх!д,що дозволив подолати значку "жорстк!с-ть" система р!в-пяпь модол! по температурам складових, иЦльноТ фази ПШ.

8. Результати.отримаа! у иЕй робот I.передано в АО "Ставроп!ль-пол!мер" (м.Будьоня1вськ,Рос1я> з метою:

-табору оптимальних технолог!чних парам9тр!в продесу ПШ в умо-вах см!ни парт!й та тип!в катал!затор!в;

-1донтиф1кац1У к!нэтичних характеристик катад!затор!з.,до сас-то-совуються у виробництвI полГетилену-,

-проектування досл1дао-иромислового реактора ГКП етилену у ГИГ;

-переведения виробнидтва пол1ети.нену на о'езвдтове керувашм за допомогою ЕОМ.

Основний зд!ст дассертац!Г онубл1ковано у роботах:

I.Колесник В.В.,Орлик В.К..Колесник Ю.В..Колибабчук В.А. Математическое описание процесса роста полимер-катализаторной частицы //Хим.технология.- 1991.- ы"5.- С.90-93.

2.Орлик В.Н.,Колесник Ю.В..Гоглюватый Ю.И. Математическое моделирование процесса каталитической газофазной полимеризации этилена в нсевдоожиженном слое // Хим.технология. - 1392. - №2. -0.71-78.

3.Орлик В.Н.,Зеленцов В.В.»Колесник Ю.В..Олейников А.Х. Ма <-

-iS-

матическое моделирование процесса газофазной каталитической полимеризации в трубчатом реакторе //Хим.промышленность.- 1993.-м®6. -С.226-228.

4.Орлик В.Н.«Зеленцов.В.В..Колесник Ю.В. Математическая модель процесса газофазной полимеризации этилена в полидиспврсном псевдоо:шженном слое // зкотехнологии и ресурсосберв;гонио.-1993. -М°5.- С.72-79.

5.Колесник Ю.В. Определенна температур составляющих плотной Фазы полидисперсного гЬэвдоожшенного слоя при высокой "жесткос-та" система уравнений математической модели процесса газофазной полимеризации этилена //Зкотехнологии и ресурсосбережение.-1Э93.

С.54-60.

ß. Ко лесник В.З. ,Орлик В.К. .Кол&ояик Ю.В. Кинетические характеристики каталитического процесса полимеризации этилена // Теоретическая и гкспериментальная химия.-1933.-Г.29.-№3.-С.239-243.

7.Орлик D.H. .Колесник Ю.В. Закономерности газофазной полимеризации этилена на единичном зерне катализатора // Теоретическая и Экспериментальная химия,- 1993.- Т.29.- №з.- С.280-285.

8. Тема I70-- "Разработать научные основы создания технологии ' термохимической обработки материалов в псевдоожскенном слоо". Отчет по НИР (заключительный) / Институт газа АН Украины; рук. Ю.И.Хвастухин.н ГР 0I89.D0II26Ö - Киев.- Т99Т,- 222 с.(-С.6-61).

9. Коле сник В. В., Орлик В.К., Колкбабчук В.А., Коле сник Ю.В. Использование интегральной формы записи уравнений при идентификации параметров математической модели //Научн.-прэкт.семинар "Автоматизация производственных процессов"; Тез. докл.- Киев,- IS9I.

- Р <

10.Орлик В.Н. .Гоглзоватый К).й. .Колесник Ю.В. Математическое моделирование процесса газофазной полимеризации этилена в'полидас-порспом псевдоозиженном слое. // Там же: Тез. докл. -Киев. -1991.

С.4-5 •

хххх*х*хх*кк _ »нЛхкххкхххх*-..,_____

а55«3§г ™ 5 »' п

Н

Мая. 1. Схема заповнення лабораторного реактора по.шмеризаци етилеку

Ш

¡Цмтм1эа»ор г*'

пол1хер

Мал. 2. Структура зерна катализатора

( Венд в»х!днми «шйх ^

Мал. 3. Блок-схема программ для розв'язання системи диференцд.йних р^внянь, що описують процес штмеризагй* етилену на зерн1 катал1затора

;г к 19 21 г« ft. и-/«1

Мал. к, Заленоисть витрати рециклового газу в1д щхльност!

газовой сум!ш1 для р1зних д!аметр1в частинок Сй) при м1н1маль(ий продуктивное^ компресора 10000 м /год.: 1 - с1 = 2, 2 ММ; 2 - <3 = 4, 2 ММ; 3 -Л - 8, 0 мм .

А"

;л

У 7

2 » 6 10*)

Мал. 5. Залежн^сть функц1* розподхлу чаетинок по розм^рам: для вих1дно! сум1Ш1 С1) та сумхш! у момент часу t (25.

Мал. 6. Схема експеркментально* установки лля визначення и^. и :

1 - ротаметр РС-ЗА ; 2 - газовий л1чильник ГСБ-400 ; 3 - реактор ; i - пилоуловлюва^.

Kolesnik Yu.V. The mathematical modelling of processes of the ethylene gas-phase catalytic polymerization In fluidized bed. Thesis for M.Sc.Degree in technical sciences on speciality 05.13.02 - Mathematical simulation in scientific investigations. The Ivan Pulyui Instrument-Making Institute, Ternopil, 1996.

There are 10 defended scientific works on the subject of dissertation, which contain an elaborated problem-oriented complex of mathematical models. They discribe various aspects of the ethylene gas-phase polymerization process in FB of polymer-catalytic particles, which are important for a practice. And also they contain the results of experimental investigations,based on these models. This work is showing the importance these investigations for the organisation of such process.

Колесник Ю. В. Математическое моделирование процессоз газофазной каталитической полимеризации этилена в псевдоожиженном слое. Диссертация на соискание ученой степе.чм кандидата технических наук по специальности 05.13.02 - Математическое моделирование в научных исследованиях. Тернопольский приборостроительный ин-т им. Ив. Пулюя, Тернополь, 1996.

Защищается 10 научных работ по теме диссертации, содержащих разработанный проблемно-ориентированный комплекс математических моделей, описывающих различные, важные для практики,стороны процесса газофазной полимеризации этилена в псевдоожиженном слое лолимер-катапизаторных частиц, а также результаты проведенных на основе этих моделей экспериментальных исследований. Показано практическое значение проведенных исследований для организации указанного" процесса.

Ключов! слова:

газофазна пол!меризац1я, псеедозр!джений шар,катал1тичний процсс, пол1мер-катагпзаторна частинка, пол!етилен, математична модель, обчислювальний експеримент.