автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система управления синтезом термопластов с коррекцией и прогнозированием качества на основе математической модели

Воронежская государственная технологическая академия

ХАУСТОВ Игорь Анатольевич,

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИНТЕЗОМ ТЕРМОЭЛ АСТ011Л АСТОВ С КОРРЕКЦИЕЙ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ КАЧЕСТВА НА ОСНОВЕ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

На правах рукойиси

Специальность 05.13.01 Управление в технических системах

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Битюков Виталий Ксенофонтович

Научные консультанты: кандйдат технических наук, доцент Тихомиров Сергей Германович, доктор технических наук Битюков Владимир Ксенофонтович (МГТУ)

Воронеж 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................>....................................4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ О^ЗОР...............................................................10

1.1.Характеристика процессов анионной полимеризации и получаемых этим методом дивинйл-стирсшьных термоэлаетопластов........10

1.1.1 .Полимеризация по механизму живых цепей...........................10

1.1.2 .Способы получения термоэлаетопластов............................... 13

1.2. Описание периодического процесса синтеза дивинил-стирольного термоэластопласта с разветвленной молекулярной структурой......................................,..........................,..16

1.3. Сравнительная характеристика реакторов полимеризации.......19

1.4. Анализ современного состояния управления реактором периодического действия.........................................................23

1.5. Анализ существующих моделей синтеза термоэлаетопластов......31

1.6. Выводы, постановка задач диссертационной работы...........38

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИНТЕЗА ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТОВ.............41

2.1. Моделирование получения первого блока.............................42

2.2. Моделирование получения второго блока.............................47

2.3. Оценка коэффициента теплопередачи в реакторе периодического действия при получении ДСТ 30 Р.......,...........................50

2.4. Адаптация математической модели для промышленных условий..............................................................................60

2.5. Описание экспериментальной части исследования.............63

2.6. Параметрическая идентификация и анализ полученных результатов......,.....................................................................65

2.7. Установление адекватности математической модели.........77

2.8. Выводы.......................................................................80

3. СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА ПОЛИМЕРА....................................83

3.1. Прогнозирование и коррекция качества полимера...................84

3.2. Минимизация отклонения реального профиля конверсии

от эталонного........................................................................ 91

3.3. Выводы.......................................................................108

4. УПРАВЛЕНИЕ ТЕМЦЕРАТУРОЙ РЕАКЦИОННОЙ МАССЫ В РЕАКТОРЕ-ПОЛИМЕРИЗАТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ.....109

4.1. Постановка задачи управления температурой реакционной массы в процессах синтеза термоэластопластов........................109

4.2. Формулирование закона регулирования с обобщенной моделью, функционирующего э режиме слежения.....................................100

4.3. Сравнительный анализ системы управления........................115

4.4 Выроды.......................................................................122

5. МОДЕРНИЗАЦИЯ АСУТП СТАДИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И СШИВКИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ дет; ЗОР...........................................124

5.1. Структура управляющей подсистемы АСУТП стадии полимеризации.....................................................................124

5.2.Функционально-структурная схема автоматизированной системы управления технологический процессом синтеза ДСТ ЗОР......130

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ......,....................134

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................,...136

ПРИЛОЖЕНИЯ>............................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

В настоящее время в промышленности синтетического каучука большое внимание уделяется периодическим и полупериодическим процессам синтеза каучуков.

Основной показатель качества каучуков с высокой молекулярной массой - молекулярно-массовое распределение (ММР). В реакторах периодического действия ММР полимера уже, чем для аналогичного процесса в реакторах непрерывного действия, и, зачастую, не является объектом управления и моделирования, например, при синтезе полимеров но механизму "живой" полимеризации на литиевых катализаторах. Основным показателем качества в таких процессах является средняя молекулярная масса, которая определяется по характеристической вязкости полимера.

Растворные процессы анионной полимеризации на литиевых катализаторах обладают рядом технологических возможностей и преимуществ: высокая активность полимерных цепей, отсутствие обрыва и передали цепи, возможность получения полимера с любой заданной средней молекулярной массой с узким ММР, гомогенность катализатора, практически 100 %-ное исчерпывание мономера, высокая скорость полимеризации. Однако, процессы полимеризации на литиевых катализаторах обладают высокой чувствительностью к различным примесям, поэтому к технологическому процессу предъявляются особые требования: высокая степень чистоты мономеров и растворителя, поддержание температуры в узком диапазоне. В настоящее время нег возможен точный количественный учет влияния вредных микропримесей ввиду отсутствия достоверных сведений об индивидуальном влиянии веществ на анионную полимеризацию. Лабораторные методы определения концентраций микропримесей не позволяют оперативно получать информацию о степени загрязненности исходных компонентов. Непрерывный автоматиче-

ский контроль примесей отсутствует; и оценка их концентрации в настоящее время осуществляется по косвенным параметрам. В связи с этим, каждая новая партия полимера, получаемая периодическим способом, обладает разными показателями качества, и при усреднении получается полимер с широким ММР. Поэтому возникает актуальная задала технической кибернетики - совершенствование технологии обработки информации о процессе синтеза полимеров и их свойствах, установление внутренних взаимосвязей между нимй, разработка математических моделей, адекватно описывающих процесс, оптимизация динамических режимов процесса полимеризации, синтез автоматических систем оперативного прогнозирования и коррекции качества,

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАШОННОЙ РАБОТЫ. Разработка математического описания и алгоритмического обеспечения стабилизации показателей качества синтетического каучука применительно к процессам синтеза термоэласто-пластов периодическим способом.

В этой связи в работе поставлены и решены следующие задачи:

- исследование процесса анионной полимеризации стирола и бутадиена в присутствии литийорганических катализаторов в условиях реального производства;

-усовершенствование динамической модели технологического процесса полимеризации дивинил-стирольных тёрмоэластопластов с учетом зависимости констант скоростей роста макромолекул и коэффициента теплопередачи от содержания полимера в реакционной массе, ее параметрическая вдентификация, установление адекватности к промышленным процессам;

-разработкаматематического и алгоритмического обеспечения для автоматических систем прогнозирования и коррекции качества полимера;

- разработка математического и алгоритмического обеспечения оптимального управления динамическими режимами процесса получения ДСТ ЗОР и минимизация отклонения реального профиля конверсии мономеров от эталонного;

ЗОР и минимизация отклонения реального профиля конверсии мономеров от эталонного;

- управление термодинамикой периодического процесса;

- модернизация действующей АСУТП синтеза ДСТ ЗОР.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные результаты диссертационной работы основывались на использовании теорий математического моделирования, вероятности, математической статистики, автоматического управления, вычислительной математики, химической кинетики. При выполнении диссертационной работы использовались современные компьютерные технологии, а также вычислительные и пассивные эксперименты.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

^•Усовершенствована математическая модель процесса полимеризации дивинил-стирольных термоэластопластов, отличающаяся от ранее разработанных учетом влияния содержания полимера в реакционной массе на константы скоростей реакций полимеризации мономеров и коэффициент теплопередачи.

- Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для автоматических систем прогнозирования и коррекции качества полимера, обеспечивающее более высокую оперативность и точность по сравнению с существующими.

-Синтезирован алгоритм оптимального управления динамическими режимами процессов полимеризации, позволяющий производить полимеризацию мономеров по заданному профилю конверсии.

- Предложен алгоритм автоматического определения конверсии мономеров в периодическом процессе полимеризации в режиме реального времени.

- Формализован адаптивный подход к управлению температурой в реакторе периодического действия в процессах синтеза термоэластопластов, за-

ключающийся в применении регулятора, включающего в свою структуру модель процесса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Модернизирована АСУТИ синтеза термоэластопластов. Разработанные алгоритмические и программные модули системы управления оформлены в виде пакета прикладных программ (НИИ), переданы ГУЛ В. ф. НИИСК, прошли экспериментальные испытания на ОАО "Воронежсинтезкаучук" и позволяют использовать их в условиях действующего производства без изменения базового программного и технического обеспечения АСУТП. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанного математического, алгоритмического обеспечения и 111111 составляет 92.2 тыс. руб.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции "Современные методы теории функций и смежные проблемы" (г. Воронеж, 1997г.), на международной конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (г. Воронеж^ 1997г.), на П, HI, IV Международных электронных конференциях "Современные проблемы информатизации" (г. Воронеж, 1997-99гг.), на XXXV, XXXVI отчетных научных конферещщях ВГТАза 1997г., 1998 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей.

С ТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ . Диссертационная работа изложена на 135 страницах, включает 6 таблиц и 51 рисунков; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 145 наименований и приложений.

В первой главе дана характеристика анионной полимеризации, рассмотрены способы и методы получения термоэластопластов, представлено описание технологии получения дивинил-стирольных термоэластопластов с разветвленной молекулярной структурой, дана характеристика реакторов периодического действия как объекта управления* осуществлен анализ совре-

менного состояния управления такими реакторами и анализ Существующих моделей синтеза термоэластопластов, выявлены цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертации рассматривается процесс полимеризаций стирола и бутадиена в присутствии литий-органического катализатора 6 условиях действующего производства. Приведен анализ механизма химических превращений веществ, процессов теплопереноса, усовершенствована математическая модель динамики процесса полимеризации. Проведена идентификация параметров математической модели по температуре реакционной массы, установлена ее адекватность промыщленнЬму процессу. Получены зависимости констант скоростей роста полимерных цепей и скорости теплопередачи от содержания полимера в реакционной массе.

В третьей главе рассмотрены услрвия, обеспечивающие стабилизацию качества получаемого полимера, осуществлен синтез автоматических систем прогнозирования и коррекции качества полимера, основанных на использовании математической модели. Решена задача управления динамическими режимами процесса полимеризации с целью стабилизации профиля конверсии мономеров. Приведено алгоритмическое и математическое обеспечение систем прогнозирования и коррекции качества, а также системы стабилизации профиля конверсии мономеров.

В четвертой главе формализован адаптивный подход к управлению температурой реакционной массы в экзотермических реакторах периодического действия. Осуществлена настройка такой системы управления температурой применительно к процессам синтеза термоэластопластов. Приведен сравнительный анализ со стандартными системами регулирования.

В пятой главе разработаны вычислительные процедуры автоматического определения корверсии мономеров и скорости конверсии, представлены функциональные структуры подсистем автоматического управления дозировкой исходных компонентов и температурой реакционной массы реакто-

ра, определен комплекс задач, выполняемым ими. Представлена функциональная структура модернизированной АСУТП синтеза ДСТ 30 Р.

В закдючении формулируются основные научные и практические результаты диссертационного исследования.

В приложениях представлена экспериментальная часть исследования, а также документы, подтверждающие экспериментальное испытание результатов работы.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 .Характеристика процессов анионной полимеризации и получаемых этим методом дивинил-стиролъных термоэластопластов

1.1.1.Полимеризация по механизму живых цепей

Процессы синтеза полимеров весьма разнообразны [47]. Их можно разделить на два основных класса: получение полимеров поликонденсацией [55, 56] и полимеризацией мономера [43, 72]. По типу механизма инициирования различают процессы радикальной полимеризации [24, 35, 66] и ионной [40, 114, 143], которая в свою очередь делиться на катионную и анионную.

В настоящее время в промышленности синтетического каучука широкое распространение получило применение литийорганических соединений для инициации процессов полимеризации при получении полимеров различных типов и марок [115], обладающих высокой чистотой и ценными свойствами, при этом для таких процессов характерна высокая экономичность и простота технологического оформлении [51].

Полимеризации на литийорганических соединениях характеризуется рядом особенностей [52, 99, 137], которые обусловливают определенные преимущества таких катализаторов по сравнению с полимеризацией на катализаторах Циглера-Натга [83 ,84].

1. Растущие макромолекулы обладают стабильными реакционно-способными активными центрами, сохраняющими свою активность в течение длительного времени. Отсутствие обрыва и передачи цепи полимеризации диенов и винил-ароматических соединений, инициированной литиевыми катализаторами в углеводородной среде [60 - 62], позволяет говорить о "живущих" полимерах в подобных системах, т.е. о полимерах, способных расти до полного исчерпывания мономера.

2. Если скорость инициирования достаточно высока, отсутствует реакция обрыва и передачи цепи и каждая молекула катализатора дает начало новому активному центру, то средне-численная молекулярная масса (М) образующегося полимера, определяется количеством заполимеризованного мономера деленного на мольную концентрацию инициатора [82, 110].

м = (1.1)

где Мо, Мф - начальная и текущая концентрация мономера, моль/л; ММ -молекулярная масса мономера, кг/моль.

Следовательно, молекулярная масса полимера в ходе полимеризации увеличивается пропорционально конверсии мономера, поэтому возможно получение полимера практически с любой заданной средней молекулярной массой в зависимости от концентрации катализатора.

3. Добавки полярных веществ [112] позволяют изменять микроструктуру полимерных молекул.

Полимеризация на литийорганических катализаторах характеризуется рядом технологических преимуществ:

- гомогенность катализатора значительно упрощает технологию синтеза полимера и дозировки катализатора, обеспечивает высокую стабильность полимеризационного процесса;

- практически 100%-ное исчерпывание мономера позволяет минимизировать количество возвратного мономера;

- высокая скорость полимеризации позволяет значительно интенсифицировать работу технологического оборудования;

- отсутствие олигомеров, вредных для реакций, значительно упрощает технологию получения.

Перечисленные факторы позволяют полностью автоматизировать процессы анионной полимеризации и сделать их легко управляемыми.

Однако указанные возможности и преимущества полимеризации на ли-тийорганических катализаторах могут быть реализованы только с условием соблюдения высокой культуры производства. Низкие концентрации катализатора, а также высокая реакционная способность таких катализаторов предъявляют более жесткие требования к условиям проведения полимеризаций. Остро стоит вопрос о чистоте применяемых исходных компонентов. В настоящее время невозможен точный количественный учет влияния микропримесей ввиду отсутствия достоверных сведений об индивидуальном влиянии веществ на анионную полимеризацию. Име�