автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование систем контроля и управления показателями качества в процессах растворного синтеза диенов

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

А. А. Хвостов

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА В ПРОЦЕССАХ РАСТВОРНОГО

СИНТЕЗА ДИЕНОВ

05.13.16 —зПрименение вычислительной техники, математического моделирования и I математических методов в научных

исследованиях (в отрасли технических наук)

Д И С С Е Р Т А И И Я

На соискание учёной степени кандидата технических наук

Научны и руководитель Заслуженный деятель науки РФ д. т. н., профессор Битюков В. К" Научные консультанты к.т.н., доцент Тихомиров С. Г., д.т.н Битюков В.К.

Воронеж 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................... 6

1. Литературный обзор............................................................ 9

1.1 Описание процесса полимеризации...................................... 9

1.2 Анализ математических моделей промышленных реакторов полимеризации........................................................................... 16

1.2.1 Постановка задачи моделирования.............................. 16

1.2.2 Структурная идентификация...................................... 17

1.2.3 Параметрическая идентификация............................... 21

1.3 Контроль качественных показателей синтетических каучуков .. 25

1.3.1 Анализ методов контроля качественных показателей полимеров ..........................................;............................... 25

1.3.2 Влияние молекулярных параметров на вязкостные свойства 32

1.3.3 Связь молекулярных характеристик с реологическими параметрами растворов..................................................... 33

1.3.4 Определение эффективной вязкости полимера по перепаду давлений .................................................................. 39

1.3.5 Взаимосвязь вязкостных характеристик растворов полимеров и мощности, затрачиваемой на перемешивание........... 40

1.3.6 Определение разветвлённое™ каучука СКД................. 45

1.3.7 Влияние молекулярных характеристик на физико-механические и технологические свойства полимеров........................... 46

1.4 Управление процессом полимеризации................................ 47

1.5 Выводы и постановка задач работы ..................................... 62

2. Моделирование процесса непрерывной полимеризации бутадиена на катализаторах Циглера-Натта.................................................. 64

2.1 Структурная идентификация математической модели процесса непрерывной полимеризации бутадиена...................................... 64

2.2 Экспериментальное исследование....................................... 72

2.3 Параметрическая идентификация математической модели процесса непрерывной полимеризации бутадиена.................................. 74

2.4 Выводы......................................................................... 87

3. Моделирование вязкостных свойств растворов полибутадиена ...... 89

3.1 Экспериментальное исследование....................................... 89

3.1.1 Подготовка образцов................................................ 89

3.1.2 Гель-хроматографический анализ............................... 90

3.1.3 Определение фактора разветвлённости......................... 91

3.2 Анализ адекватности моделей вязкостных свойств растворов полибутадиена....................................................................... 91

3.3 Синтез модели вязкостных свойств растворов полибутадиена .................................................................................. 98

3.3.1 Влияние концентрации полимера на величину максимальной ньютоновской вязкости.............................................. 99

3.3.2 Влияние температуры исследуемой среды на величину максимальной ньютоновской вязкости.................................. 99

3.3.3 Влияние концентрации полимера в растворе на величину индекса течения раствора полимера......................................... 103

3.3.4 Структурная и параметрическая идентификация математической модели максимальной ньютоновской вязкости.......104

3.3.5 Структурная и параметрическая идентификация математической модели эффективной вязкости раствора полибутадиена......107

3.3.6 Анализ полученных результатов.................................. 109

3.4 Зависимость пласто-эластических свойств от параметров молекулярно-массового распределения.................................................. 116

3.4.1 Исследование зависимости вязкости по Муни полибутадиена от

параметров ММР..................................................... 116

3.5 Выводы......................................................................... 121

4. Разработка системы контроля качественных показателей полимера и конверсии мономера...............................:................................ 123

4.1 Контроль конверсии мономера в реакторе полимеризации бутадиена по температуре реакционной смеси.......................................... 123

4.2 Разработка системы контроля качественных показателей полибутадиена без учёта фактора разветвлённое™....................................135

4.2.1 Теоретическое обоснование возможности контроля молекулярных параметров полимера по реологическим характеристикам раствора .............................................................................. 135

4.2.2 Разработка способов контроля качественных показателей полибутадиена без учёта фактора разветвлённости..................... 136

4.3 Разработка системы контроля качественных показателей полибутадиена с учётом фактора разветвлённости................................... 144

4.3.1 Теоретическое обоснование возможности контроля молекулярных параметров полимера по реологическим характеристикам с учётом фактора разветвлённости............................................. 144

4.3.2 Разработка способа контроля качественных показателей полибутадиена с учётом фактора разветвлённости ......................... 145

4.4 Выводы.......................................................................... 152

5. Разработка системы управления качественными показателями в процессе

растворной полимеризации бутадиена..................................... 153

5.1 Экспертный опрос.......................................................... 153

5.1.1 Область определения лингвистических переменных...................................................................... 156

5.1.2 Построение функций принадлежности но результатам экспертного опроса ........................................................... 159

5.1.3 Синтез таблицы лингвистических правил по управлению качест-

венными показателями полимера................................................................164

5.2 Разработка алгоритма управления..........................................................................166

5.2.1. Синтез базы знаний системы управления ..........................................166

5.2.2 Дополнение базы знаний ..................................................................................169

5.3 Разработка программного и алгоритмического обеспечения ... 174

5.4 Численный эксперимент................................................................................................179

5.5 Анализ результатов....................... ..................................................................186

5.4 Выводы..............................................................................................................................................187

6. Техническая реализация системы контроля и стабилизации качественных

показателей в процессах синтеза СКД....................................................................188

6.1 Функциональная структура............................................................................................188

6.2 Подбор технических средств................... ....................................................190

7. Основные результаты работы и выводы......................................................................196

Библиографический список..........................................................................................................198

Приложение 1 ............................................................................................................................................212

Приложение 2............................................................................................................................................213

Приложение 3 ............................................................................................................................................216

Приложение 4 ............................................................................................................................................218

Приложение 5 ............................................................................................................................................223

Приложение 6 ............................................................................................................................................232

Приложение 7 ............................................................................................................................................240

Приложение 8............................................................................................................................................243

Приложение 9............................................................................................................................................244

Приложение 10 Технические акты внедрения............ ....................251

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При решении задач управления процессами растворной полимеризации непрерывным способом каучуков общего назначения наиболее широкое применение имеет управление по показателям качества вязкости по Муни (МИ) и пластичности по Карреру (Р1), которые тесно связаны с молекулярными параметрами полимера. В настоящее время методы контроля качественных показателей развиваются в трёх направлениях: прогнозирование качественных параметров получаемого в ходе синтеза полимера по математической модели процесса и условиям синтеза полимера; непосредственное измерение молекулярно-массового распределения с помощью потоковой гель-проникающей хроматографии (ГПХ); использование косвенных параметров, базирующееся на эмпирически полученных зависимостях, связывающих, как правило, величину качественных показателей с величиной тока в цепях перемешивающего устройства, вязкостью полимера и температурой.

Однако использование вышеперечисленных подходов в задачах прогнозирования и управления качественными показателями связано с рядом трудностей. Использование подхода, основанного на построении математической модели процесса сопряжено с проблемой неадекватности получаемого математического описания и низкой точности оценки качественных показателей вследствие влияния неидентифицируемых возмущений в виде микропримесей в исходном сырье. Длительность цикла анализа метода ГПХ и времени подготовки пробы соизмерима со средним временем пребывания реакционной смеси в каскаде полимеризаторов, что не позволяет оперативно осуществлять управление качеством полимера. Использующиеся регрессионные зависимости являются, как правило, узкодиапазонными, не учитывают

неньютоновский характер течения раствора, изменяющиеся во времени полидисперсность и разветвлённость полимера.

Как объект управления: процесс, полимеризации представляет собой систему, характеризующуюся следующими особенностями.: высокая стоимость используемых продуктов; большое количество параметров, влияющих на процесс; повышенное требование к качеству каучука; нелинейность; изменение во времени статических и динамических характеристик; сложной структурой взаимных связей между входными, выходными. и возмущающими факторами; невозможностью автоматического контроля возмущений в виде микропримесей в исходном сырье; недостаточно изученный механизм влияния примесей на активность каталитического комплекса и качество получаемого полимера.

Указанные особенности затрудняют использование известных способов управления качественными показателями, и на практике используется ручное управление качеством полимера опытным оператором, позволяющее по ряду эмпирически установленных признаков учитывать наличие неконтролируемых примесей в исходном сырье.

Проблема повышения качества получаемого каучука требует дальнейшего развития работ по разработке систем контроля качественных показателей полимера, способных оперативно и с достаточной для целей управления точностью обеспечивать измерение качественных характеристик синтезируемого полимера, а так же разработки алгоритмов управления, учитывающих как объективные данные об объекте, формализующиеся с помощью методов моделирования кинетики, так и богатый опыт технологов-операторов, выражающийся субъективными оценками и формализующихся с помощью способов представления знаний.

Цеди и задачи исследования. В работе поставлены и решаются следующие задачи: исследование процесса непрерывной полимеризации

комплексном катализаторе Циглера-Натта в условиях действующего производства разработка способов контроля показателей качества; разработка алгоритмов контроля и управления качественными показателями на основе математической модели процесса полимеризации и экспертных оценок технологов-операторов.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались теория химической кинетики, математической статистики, автоматического управления, нечётких множеств, экспериментальные методы.

Научная новизна. Адаптирована к условиям действующего производства математическая модель процесса растворной полимеризации полибутадиена на комплексном катализаторе Циглера-Натта непрерывным способом; получены функциональные зависимости, связывающие пластоэластические характеристики полбутадиена с молекулярными параметрами; разработана математическая модель вязкостных свойств растворов полибутадиена; представлены способы контроля качественных показателей полибутадиена в процессе синтеза; осуществлён синтез базы знаний интеллектуальной системы управления качественными показателями на основе экспертных оценок и оценок, полученных из математической модели процесса; разработано программное и алгоритмическое обеспечение для интеллектуальной системы управления качеством полимера.

Практическая ценность. На основании результатов исследований разработаны алгоритмы контроля и стабилизации показателей качества в виде пакета прикладных программ (ППП), прошедшие экспериментальные испытания на АО "ЕЗСК" и переданы ГП В.ф. НИИСК. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения алгоритмов и ППП составляет 120,26 тыс. руб.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Описание процесса полимеризации

Производство синтетического каучука является сложной химико-технологической системой и включает ряд технологических процессов (рис. 1.1).

Важнейшими из них являются:

• приготовление катализатора и исходной шихты;

• полимеризация;

• дезактивация катализатора и отмывка раствора полимера от продуктов дезактивации катализатора;

• дегазация и выделение каучука;

• регенерация возвратных продуктов.

Приготовление шихты осуществляется смешением мономера с растворителем. Далее она подвергается дополнительной очистке посредством азеотропной осушки в специальных колоннах.

Процесс полимеризации производится в присутствии катализатора в среде растворителя в 2-х 6-ти последовательно соединенных аппаратах. Шихта, пройдя холодильники, подается в первый по ходу процесса полимеризатор. Туда же подается каталитический комплекс.

После стадии полимеризации реакционная смесь поступает на дегазацию, в процессе которой осуществляется образование крошки полимера и извлечение незаполимеризовавшегося мономера и растворителя. Крошка полимера поступает на отжимные машины, после чего сушится, брикетируется и упаковывается.

Незаполимеризовавшийся мономер и растворитель после отстоя поступают в отделение их регенерации, где ректифицируются и обрабатываются поглотителями примесей. Далее эти продукты повторно используются в производстве синтетического каучука.

Наиболее важной стадией производства является полимеризация, работа которой. в значительной степени определяет экономику производства в целом. Здесь сырье превращается, в полимер, формируются его качественные показатели, определяющие сортность и стоимость продукта. Технологический процесс полимеризации характеризуется следующими особенностями:

• высоким требованием к качеству каучука;

• высокой стоимостью используемых продуктов;

• значительным числом параметров, влияющих на процесс: расход, концентрация и температура поступающей шихты, расход и состав каталитического комплекса;

• наличием микропримесей, (до 34 наименований) приходящих е. исходными продуктами;

• изменением во времени динамических характеристик;

• адгезионными свойствами полимера^ затрудняющими контроль параметров;

Количество аппаратов, в полимеризацийьшой батарее, определяется, кинетикой, экономикой процесса и количеством тепла, которое можно снять через рубашки реакторов. Из. последнего аппарата полимеризат поступает в аппарат для разложения каталитического комплекса и заправки полимера антиоксидантом.

Реакция, полимеризации протекает с выделением большого, количества

тепла (Ор= 1,05 ) [44]; которое идет на разогрев захоложенгой ших-

к г

ты, н частично снимается рассодом (Т= 263 -г 288 К) через рубашки полимеризатора. (Рохл-=25 м2}. Реакторы- снабжены спиралевидными мешалками с лопастями и скребками, обеспечивающими , равномерное и интенсивное перемешивание (п.=22.-г40 об/мин), и непрерывную, очистку поверхности реак-

торов. Применение такого типа мешалок позволяет повысить коэффициент теплопередачи до-30-й00 ккал/ем2 град [28|, т. е. в 2^-8-раз по сравнению, с рамными и турбинными мешалками [69].

Температура в первом по ходу процесса полимеризации аппарате регулируется. подачей каталитического комплекса и температурой, шихты. Степень превращения мономера увеличивается от аппарата к аппарату и достигает в последнем из них величины 70ч-95% [45].

Эффективная продолжительность работы реакторов составляет 1 год [45]. Обвязка полимеризаторов позволяет исключить из схемы любой аппарат. Среднее время, пребывания. реакционной массы в. аппарате составляет 0.4н-0.8 чт гидродинамический режим близок к режиму идеального смешения с эффективным объемом.^34^^=704-90 % реакционного объема [64].

Показатели технологического процесса представлены в таблице 1,1.

Основными режимными, параметрами процесса полимер