автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Тепло- и массообмен в процессах дополиамидирования и сушки полиамида-6

005047347

На правах рукописи

ЛИПИН Андрей Александрович

ТЕПЛО- И МАССООБМЕН В ПРОЦЕССАХ ДОПОЛИАМИДИРОВАНИЯ И СУШКИ ПОЛИАМИДА-6

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2012

27 СЕН Ш

005047347

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет" на кафедре "Процессы и аппараты химической технологии".

Научный руководитель:

- кандидат технических наук, доцент Кириллов Денис Владимирович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- Натареев Сергей Валентинович

доктор технических наук, профессор, Ивановский государственный химико-технологический университет, профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств»

- Леонтьев Валерий Константинович кандидат технических наук, доцент, Ярославский государственный технический университет, заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»

- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова», г. Москва

^— j j

Защита состоится «22» О/С/пЗорЬ 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212,063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «/т2» СттлУо^ 2012 г.

Ученый секретарь совета Д 212.063.05

¿і-

Зуева Г. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полиамид-6 (ПА-6), благодаря ценному комплексу потребительских свойств - прочности, эластичности, устойчивости к истиранию - широко применяется в промышленности. Большая часть полиамида-6, получаемого промышленным способом, используется при производстве полиамидных волокон, находящих широкое применение в технике и быту.

Основным промышленным способом получения полиамида-6 является гидролитическая полимеризация капролактама в расплаве при температуре 250270 °С с последующим гранулированием, экстрагированием остаточного мономера водой и сушкой гранулята.

Существенными технико-экономическими недостатками применяемых в настоящее время технологий являются: большой расход умягченной и деминерализованной воды на стадии удаления остаточного мономера (демономериза-ции) методом экстракции и воды для охлаждения, потребляемой при регенерации лактамных вод методом упаривания, а так же повышенный расход капролактама, связанный с уносом его при дегидратации расплава ПА-6.

На кафедре ТХВ и КМ ИГХТУ разработана перспективная технология получения ПА-6, предусматривающая стадию дополиамидирования в твердой фазе. Экстракция и энергетически невыгодная стадия регенерации лактамных вод (экстракта) заменяется совмещенным процессом сушки и удаления остаточного мономера в токе инертного газа.

Технико-экономические преимущества такого способа синтеза ПА-6 очевидны, но технологическое и аппаратурное оформление требуют доработки. Применение методов математического и физического моделирования сокращает сроки и снижает затраты на стадиях разработки, отладки технологического процесса и эксплуатации оборудования, поэтому надежное моделирование процессов, протекающих в аппаратах твердофазного дополиамидирования и сушки, весьма актуально.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры ПАХТ «Разработка новых высокоинтенсивных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление» в рамках тематического плана НИР ИГХТУ на 2011-2015 гг.

Цель работы. Разработка методики расчета процессов твердофазной стадии синтеза полиамида-6 на базе моделирования явлений тепло- и массооб-мена в процессах дополиамидирования и сушки.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- экспериментальное исследование процесса твердофазного дополиамидирования;

- разработка математического описания и расчет режимно-технологических параметров аппарата твердофазного дополиамидирования;

- разработка математической модели совмещенных процессов сушки и удаления остаточного мономера;

з

- определение параметров математических моделей;

- выполнение вычислительного эксперимента, с целью установления характера влияния конструкционных параметров и технологических режимов оборудования на конечные параметры гранулята полиамида;

- создание методики расчета процессов твердофазной стадии синтеза по-лиамида-6.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности отражающие химические процессы твердофазного дополиамидирования и взаимодействия гранул полимера с окружающей средой. Разработана математическая модель процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6, описывающая эти закономерности и позволяющая прогнозировать степень полимеризации, содержание капролактама и воды в полимере.

2. Установлен характер влияния интенсивности тепломассообменных процессов на конечные параметры гранулята путем проведения вычислительного эксперимента.

3. Разработана математическая модель совмещенных процессов сушки и удаления остаточного мономера из гранулята ПА-6 в аппарате непрерывного действия, позволяющая исследовать влияние технологических параметров на содержание остаточного мономера и влаги в полимере.

4. На основе экспериментальных данных выполнена идентификация коэффициентов теплоотдачи и активности компонентов, коэффициентов уравнений химической кинетики и проверка адекватности разработанных моделей.

Практическая ценность:

1. Разработана методика расчета твердофазной стадии синтеза полиамида-6, с помощью которой определяются рациональные режимно-технологические параметры, а также конструкционные параметры оборудования.

2. Разработаны программные средства компьютерной поддержки моделирования и расчета основных аппаратов твердофазной стадии синтеза полиамида-6.

3. С использованием разработанной методики выявлены рациональные режимно-технологические параметры процессов твердофазной стадии синтеза полиамида-6 и даны рекомендации по ее аппаратурно-технологическому оформлению.

Разработанные методика расчета и программное обеспечение приняты к использованию в ОАО «КуйбышевАзот», г. Тольятти.

Автор защищает:

1. Математическую модель процессов, протекающих в реакторе твердофазного дополиамидирования, учитывающую закономерности химической кинетики, переноса теплоты и массы, материального и энергетического балансов.

2. Математическую модель совмещенных процессов сушки и демономе-ризации гранулята ПА-6 в аппарате непрерывного действия, позволяющую прогнозировать рациональные технологические параметры.

3. Результаты численного эксперимента, позволившего установить характер влияния конструкционных параметров и технологических режимов оборудования на конечные параметры полимера.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XIII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2010» (Иваново-Суздаль, 2010); IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго- ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010); 6-ая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2010); XXIII, XXIV и XXV Международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-23, 24, 25 (Саратов, 2010, Киев, 2011, Волгоград, 2012); IV Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011); 7 Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2011» (Москва, 2011); 65 региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2012).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 15 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научно-технических журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

Благодарности. На всех этапах работы в качестве консультанта активное участие принимал д.т.н., доц. Базаров Ю.М.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены различные способы получения полиамида-6. Основным промышленным способом производства полимера, предназначенного для переработки в волокна и нити, является гидролитическая полимеризация капролактама. Сделан обзор традиционных и современных, модернизированных технологических схем получения волокнообразующего полиамида-6. Приведены известные недостатки существующего оборудования предприятий химических волокон и эффективные направления его реконструкции. Проанализированы основные подходы к математическому моделированию процессов полимеризации и сушки дисперсных материалов.

В выводах по первой главе сформулированы основные задачи исследования диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей процесса твердофазного дополиамидирования и совмещенных процессов сушки-демономеризации гранулированного полиамида-6.

После синтеза в расплаве полиамид-6 содержит 6 н- 6,5% остаточного мономера - капролактама. При нагревании гранулята с последующей выдержкой при температурах 160-200 °С (ниже температуры плавления) протекает процесс дополиамидирования, приводящий к увеличению степени полимеризации и снижению концентрации остаточного мономера. При построении математической модели этого процесса учитывались только две основные реакции:

— взаимодействие контактных пар, образованных концевыми амино- и карбоксильными группами (дополиконденсация):

к1

-ЫН2 + Н00С-->-МНС0-+Н20; (1)

- присоединение капролактама к концевым группам (дополимеризация):

к2

Ш(СН2)5СО + Н[ЫН(СН2)5СО]пОН->Н[ЫН(СН2)5СО]п+1ОН. (2)

Изменение концентрации активных концевых групп, капролактама и воды описывается уравнениями (3)-(5). Обобщение и обработка имеющихся данных о кинетике процесса позволили получить зависимости констант скоростей реакций и равновесных концентраций от температуры.

При нагревании гранул происходит частичное испарение воды и капролактама. Поэтому в правые части уравнений (4), (5) включены члены, учитывающие изменение концентрации компонента в грануле за счет массообмена с окружающей парогазовой средой.

«1С/с1т = -к,(0 - (С - Ср), (3)

аСКЛ/с1т = -к2(1)-С(СКЛ -Скл1р)-6000рр1кл(рпкл-рскл)/(мкл.ёф-р), (4) (1Св/ёх = к, О) ■ (с - Ср)- бОООРр в (рпв - Рсв)/(мв • с1гр • р). (5)

Начальные условия для (3)-(5): С(0) = С0, Скл(0) = С0 кл, Св(0) = С0 в. При построении математической модели процесса твердофазного дополиамидирования в аппарате периодического действия принимались следующие допущения. Каждая гранула рассматривается как микрореактор с сосредоточенными параметрами. Вследствие работы перемешивающего устройства температура и концентрации компонентов для всех гранул одинаковы. Слой гранул ПА-6 равномерно распределен по длине реактора с коэффициентом заполнения объема ф. Реактор представляет собой аппарат цилиндрической формы.

Движущая сила массоотдачи выражена как разность парциальных давлений паров капролактама и воды над поверхностью гранул и в окружающей их парогазовой среде. Эти параметры рассчитываются по формулам (6)-(9):

. Р^=О,113-укл-Скл.1О,0'23-2958-22/('+273), (6)

б

Рв =11,106-ув.Св-е17'251/(1+238>. (7)

Р™ = т™ ■ 22,4 ■ Р0 • Т/(Т0 ■Ми.ус), (8)

Рсв = шсв • 22,4 • Р0 • Т/(Т0 • Мв • Ус), (9) где Ус = [1 - ф ■ (1 - б)] • Б • Ь - объём парогазовой фазы.

Масса капролактама и воды, перешедших в паровую фазу определяется из уравнений:

<1т^/<1т = 6 • Р ■ ф ■ (1 - е) • Б - Ь • (Р^ - Р,!01 )/с1гр, шскл(0) = 0, (10)

ётсв/с!т = 6.р.ф.(1-е).8Ь.(РпВ-Рсв)/агр, шв(0) = 0. (11)

Температура гранул в аппарате находится из уравнения теплового баланса в дифференциальной форме, учитывающего приход теплоты от стенок аппарата и затраты теплоты на испарение летучих компонентов:

Ств ' штв ■ А/с1т = а • Рст ■ (1СТ - 0 - г™ • с!т™/<к - гпв • дтас/с!т, 1(0) = 10. (12) Средняя степень полимеризации Рп вычисляется по формуле:

РП=(1000-18.СВ-113-СКЛ)/(113.С). (13)

При синтезе математического описания процесса твердофазного допо-лиамидирования в аппарате непрерывного действия рассматривался стационарный режим работы аппарата. Принималась следующая физическая картина процесса. Слой гранул внутри аппарата перемещается вдоль горизонтальной оси практически без эффекта продольного перемешивания. Гранулы в рабочем режиме окружает парогазовая среда, содержащая азот, пары воды и капролактама. Принимались допущения, что в радиальном направлении отсутствуют поля температуры и концентрации; парциальное давление паров компонентов в парогазовой фазе и ее температура постоянны по всей длине аппарата; движение парогазовой фазы отсутствует. Реально небольшое перемещение газовой фазы есть, так как при зафузке с новой порцией гранул поступает азот, а при выгрузке уходит порция парогазовой смеси. Каждая гранула рассматривается как микрореактор с сосредоточенными параметрами. Основные уравнения выводятся путем составления материального баланса для выделенного контрольного объёма <1У = 8-с1г (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема реактора! <; ; * дополимеризатора непрерывного действия

Переход от временной координаты к пространственной осуществляется по формуле: 2 = (14)

Скорость движения материала вдоль продольной оси:

=0/[8-Ф-(1-е)-р]. (15)

Система уравнений, описывающая изменение концентраций активных групп С, капролактама Скл и воды С„, а так же температуры гранул I, имеет вид:

7

dC/ dz = (l/wz) • (- к] (t) ■ (С - Cp j), (16)

"P)

dC„

-'кл

dz wz Мкл G-dfp

dz w2 1W V p/ MB G• dpp Vn c/ '

2

cTB • G ■ dt/dz = а • л • Da • (tCT -1) - ][>n ; • J;(z) -wz, (19)

i=l '

с начальными условиями: С(0) = С0, Скл(О) = С0 кл, Св(0) = С0в, t(0) = t0,

где i - номер компонента: 1 - вода, 2 - капролактам; J,(z) - поток паров компонента i из объема dV = S • dz, находящегося на расстоянии z от входа гранул в аппарат

Ji(z) = 6.ß-«|)-(l-e)-S-(PII)i -Pc,i)/(W2 -drp). (20)

Парциальные давления паров компонентов над поверхностью гранул рассчитываются по соотношениям (6), (7), средняя степень полимеризации - по формуле (13).

Парциальные давления паров компонентов в парогазовой среде находятся из интегральных уравнений:

—— = Jj;(z)dz, i=i>2. (21)

¿¿,4 • Го • 1 о

Физический смысл этих уравнений следующий. В левой части записано выражение массы паров капролактама или воды через их парциальные давления в газовой фазе. В правой части эта величина находится путем интегрирования ''потока паров компонента с поверхности гранул. Решение этих интегральных уравнений сведено к задаче минимизации функционалов вида:

22 4-Pn -Т L

fi(p,-;) = p,;--!--- fJ;(z) dz, (22)

1 с>' с'' Т0 -Mj -Vc о

fi(Pc,i)-r—>min, (23)

C.i

После стадии твердофазного дополиамидирования параметры гранулята ПА-6 не удовлетворяют тем жестким технологическим требованиям, которые предъявляются к полимеру, предназначенному для переработки в нити: остаточное содержание мономера - не более 0,5+1 %, воды - не более 0,05+0,1 %. Снижение содержания остаточного капролактама и воды в грануляте ПА-6 осуществляется в аппарате совмещенной сушки-демономеризации. Сушилка-демономеризатор представляет собой вертикально расположенный цилиндрический аппарат, снабженный рубашкой обогрева. Слой гранул внутри аппарата перемещается вдоль вертикальной оси сверху вниз практически в режиме идеального вытеснения (рис. 2). Азот движется противотоком и выполняет две функции: 1) служит для создания в аппарате инертной среды; 2) уносит из ап-

s

парата пары воды и капролактама.

ПА-6: О, !0, Со... Со

Азот: Од, 1,л хь1, хх

dz

Принимались допущения о режиме идеального вытеснения для твердой и газовой фаз, равномерном распределении температуры по объему гранулы. Гранулы ПА-6 имеют форму коротких цилиндров со скругленными краями, поэтому в качестве их геометрической модели принята сфера с эквивалентным диаметром, вычисляемым из условия равенства отношений поверхности к объёму у модели и реальной гранулы. Математическое описание строилось по блочному принципу и включает два уровня иерархии: одиночная частица и аппарат в целом. На первом уровне иерархии рассматривается массоперенос внутри гранулы полиамида-6. Он описывается дифференциальными уравнениями массопро-водности:

о, и, с„, с,л

Од іо.а, х0„

Рис. 2. Расчетная схема сушилки непрерывного действия

XV.

ас і _

дъ

= V:

д2С | дт2

2 ЭС; +---

г Эг

і=1, 2, 0<г<Я, 0<г<Ь.

ІІ -р-

(24)

Сі(г,0) = СОІ, (25)

"^-^•к,-'*)- от

Условия однозначности:

дт дт

Парциальные давления паров воды и капролактама над поверхностью гранул находятся по формулам (6), (7). Среднеинтегральные значения концентраций воды и капролактама в грануле полимера находятся по формуле:

1 к

Сср,;= — /С;(г,т)г2с1г. к о

(28)

Вид математического описания на втором уровне иерархии определяется типом аппарата и используемыми модельными представлениями о структуре потоков. В данном случае оно представлено следующими уравнениями. Уравнение для расчета парциальных давлений паров воды и капролактама в газовой фазе:

Рс>! =(28х| • Р/М;)/(1 + 28х( /М,). (29)

Концентрации воды и капролактама в газовой фазе в рассматриваемом сечении аппарата находятся из уравнения материального баланса:

Х1=хК;,-С-(С0>|-СсрЛ)/СА. (30)

Температура гранул определяется из уравнения теплового баланса в дифференциальной форме:

c„Gdt/dz = anDa(tCT -t)-zis*jiFyÄS + aAFyflS(tA -t). (31)

Первое слагаемое в правой части уравнения (31) характеризует подвод теплоты к гранулам, полимера от стенок аппарата; второе слагаемое — расход тепла на испарение летучих компонентов; третье слагаемое - приход тепла от азота. Температура азота находится из уравнения теплового баланса для потока газа: cAGAdtA/dz = aA7tDa(tCT-tA) + aAFyÄS(tA-t). (32)

Первое слагаемое в правой части уравнения (32) отражает теплообмен азота со стенками аппарата; второе слагаемое - теплообмен с гранулами.

В случае противоточного движения фаз начальные условия для уравнений (24), (30)-(32) заданы на разных концах аппарата. При z=0 заданы условия: Св(г,0) = С0в; Скл(г,0) = С0 кл; t = to; при z=L: хв= х0>8, хк„=х0,кл, tA= tn.A. Имеет место краевая задача, которая решалась путем минимизации невязки уравнения материального баланса по испаренному капролактаму:

f(xKiKJ1) = G(CoiKJ1 -CcP)lcn)-GA(xK - Xq>kj1 ), (33)

Г(хк,кл)-Т-»min- (34)

К.к:]

Разработанные математические модели были использованы для создания инженерной методики расчета аппаратов твердофазной стадии синтеза. Программная реализация решения уравнений математических моделей выполнена в пакете MathCAD.

В третьей главе проведена параметрическая идентификация математических моделей, определены коэффициенты активности в уравнениях для расчета парциального давления паров летучих компонентов, коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к гранулам. Представлена схема лабораторной установки твердофазного дополиамидирования гранулята ПА-б периодического действия. Описана методика проведения эксперимента. На рис. 3, 4 приведено сопоставление результатов математического моделирования (линии) и экспериментальных данных (точки) для процесса твердофазного дополиамидирования в лабораторном аппарате. Средняя относительная погрешность по концентрации KJT составила 0,9 %, по степени полимеризации - 1,5 %.

Проверка математической модели процесса демономеризации и сушки гранулированного ПА-6 осуществлялась с привлечением экспериментальных данных ряда исследователей. Сопоставление модельных прогнозов с опытными данными для различных типов сушилок показало их хорошее соответствие, что позволяет рекомендовать предложенную математическую модель процесса сушки гранулированного полиамида-6 для расчета промышленных сушилок.

ю

Рис. 3. Изменение параметров гра-нулята ПА-6 во времени процесса: 1 - концентрация капролактама С0, 2 - концентрация воды Св, 3 -средняя степень полимеризации Р„ Скл,о=6,22 мас.%, Св,о=2,75 мас.%, Р„, о=130,1=180°С

Далее был проведен вычислительный эксперимент, целью которого являлось изучение влияния различных технологических параметров на ход процессов твердофазного дополиамидирования и сушки-демономеризации. Зависимость концентраций капролактама и воды, а так же средней степени полимеризации в грануляте на выходе из аппарата от температуры процесса тведофазного дополиамидирования показана на рис. 5. Рассматривался непрерывный процесс в аппарате лабораторного масштаба диаметром 0,1 м. Начальная температура гранул ПА-6 to=20 °С, время пребывания 24 ч. С повышением температуры в диапазоне 160-н200 °С уменьшается остаточное содержание капролактама и воды в гранулах и увеличивается средняя степень полимеризации Рп. Быстрый рост Рп наблюдается при повышении температуры от 160 до 180 °С, свыше 180 °С рост степени полимеризации существенно замедляется. При непрерывном процессе прогнозируется некоторое увеличение остаточного содержания капролактама в гранулах (на 0,4 мас.%) по сравнению с периодическим процессом при таких же условиях. Остаточное влагосодержание и средняя степень полимеризации при этом одинаковы.

Вычислительный эксперимент для совмещенных процессов сушки и де-мономеризации был выполнен для аппарата лабораторного масштаба длиной 1 м и диаметром 0,1 м. Влияние диаметра гранул на конечные значения концентрации капролактама в гранулах, газовой фазе и на конечное влагосодержание газовой фазы показано на рис.6. Диаметр гранул варьировался от 1,5 до 3,5 мм. Увеличение размера гранул ведет к увеличению остаточного содержания KJI в гранулах (линия 1) и, следовательно, к уменьшению количества КЛ, уносимого газом (кривая 3).

6,5 3 ___' г 190

6 ■ \ 1 ^ А

SS и 5,5 ■ 5 ■ /і с Q.

S о 4,5 • 4 - • 160

5 о 3,5 ■ 3- 2 /

2,5 ■ —«

2 , —і- ■ 130

о 5 ю 15 20 25 т, ч

Рис. 4. Изменение температуры I и избыточного давления в аппарате Ризб во времени процесса

о

ее

г

з

а?

и

3 и

3.6 1 3 . Г 188 1.4 -і

34 - ' 2 .

32- ■ 184 О (9 1.2 ■

2

3 • ■ 180 а 1 ;

2.8- X

2.6- /» ♦ * І - 176 5 я и 0,8 -

2.4 - - 172 5 0.6 -

2 2 - а и

2 ■ -і-і— - 168 0,4 -

155 165

175 185

195 205

Рис. 5. Влияние температуры на ко- Рис.6. Влияние диаметра гранул на конечные значения параметров поли- нечные значения параметров: 1 - Скк

амида: 1 - Ск,в, Со,в=3 %, Со,

2-С 3 -Р 6 %, с1ф=2,5 мм, Р„о=

2 — хкв, 3 - хккл, Со,в-2,87 %, Со,кл~3 %, 130 х0,в =0, 0А=30, гст=180 °С

При диаметре гранул свыше 2,5 мм не достигается рекомендованное значение остаточного содержания капролактама. На концентрацию воды в гранулах и газовой фазе при расходе азота Зв диаметр гранул влияния не оказывает, о чем свидетельствует линия 2. Влияние расхода азота на конечные значения концентрации капролактама в гранулах, газовой фазе и на конечное влагосо-

держание газовой фазы показано на рис. 7. 1.8-

з

СА/С

Рис.7. Влияние расхода азота на конечные значения параметров: 1 — С^м, 2 — хк,в, 3 хккл, С0,в=2,87%, С0,кл=3%, х0,„=0, с1гр=2,5 мм, 1=180 °С

160

170

180

190

(, °С

Рис.8. Зависимость доли удаленного капролактама у от температуры в аппарате при различных расходах азота: 1 - Оа/С=2,5; 2 - ОаЛЗ=3; 3 - Оа/С=4. Со,„=2,87%, С0.кл=3%, х0,в=0, <1^=2,5 мм

Значение расхода азота Оа варьировалось в диапазоне от 20 до 4С. Представленные параметры уменьшаются с увеличением расхода азота. Для снижения остаточного содержания капролактама в гранулах азот необходимо подавать с расходом Сл/0 > 3. Совместное влияние расхода азота и температуры в аппарате на долю удаленного капролактама из гранулята ПА-6

У = (С0 )/С

о,кл показано на рис.8. Из графика видно, что доля удаленного капролактама тем выше, чем больше температура в аппарате и расход азота. Это хорошо согласуется с физическими представлениями о сущности процесса: повышение температуры увеличивает скорость диффузии капролактама к поверхности гранулы, а увеличение скорости инертного газа интенсифицирует массоотдачу с поверхности. Одновременное повышение значений этих параметров позволяет удалить до 78 % остаточного мономера на стадии сушки. Это соответствует остаточному содержанию капролактама С0,Кл = 0,65 мас.%, что входит в рекомендованный диапазон 0,5+1,5 мас.%.

В четвертой главе представлено описание предлагаемого аппаратурно-технологического решения твердофазной стадии синтеза полиамида-6, предложена методика расчета процессов твердофазного дополиамидирования и суш-ки-демономеризации, с помощью которой определяются рациональные режим-но-технологические параметры, а также конструкционные параметры основного оборудования. Приведены блок-схемы разработанных алгоритмов расчета аппаратов. Выполнен расчет аппарата твердофазного дополиамидирования и сушилки-демономеризатора полупромышленного масштаба. Результаты расчета процесса твердофазного дополиамидирования, представленные на рис. 9, 10, показывают, что концентрация КЛ в гранулах на выходе из аппарата составляет 2,78 мас.%, концентрация воды - 2,86 мас.%, средняя степень полимеризации -183,4.

12

у 200

■• 150

-- 100 О о

.. 50

■■ 0

0 0,5 1

1.5 2 Ь, м

2,5

Рис.9. Изменение по длине аппарата: Рис.Ю. Изменение по длине аппарата:

1 - концентрации КЛ в гранулах, 1 - концентрации воды в гранулах,

2 - средней степени полимеризации 2 - температуры гранул

Таким образом, при проведении процесса в аппарате непрерывного действия твердофазное дополиамидирование позволяет снизить влагосодержание полимера на 10 %, содержание мономера на 58 %, и увеличить среднюю степень полимеризации на 30 %.

На рис. 11,12 представлены результаты расчета совмещенных процессов сушки и демономеризации. Остаточное влагосодержание гранул составляет 0,01 мас.%, остаточное содержание КЛ в гранулах - 0,74 мас.%. Регенерированный азот входит в аппарат с начальным влагосодержанием 0,80 мас.%. В процессе сушки его влагосодержание увеличивается и составляет на выходе

1,61 мас.%.

л г- 4 О

О 0,5 1 1.5 2 0 0,5 1 1,5

1

2

Ь, м

Ь, м

Рис.11. Изменение по длине аппарата: Рис.12. Изменение по длине аппарата: 1 - концентрации КЛ в гранулах, 2 — 1 — концентрации КЛ в газе, 2 — влаго-

Характерные пики на графиках рис.9, 11 изменения концентрации ка-пролактама в полимере связаны с конденсацией паров капролактама на гранулах, поступающих с температурой ниже температуры парогазовой фазы в аппарате. Результаты вычислительного эксперимента показали целесообразность совмещения в одном аппарате процессов сушки и удаления остаточного мономера. Поддержание рациональных параметров позволяет снизить влагосодер-жание полимера на 99,5 %, содержание мономера в полимере на 84 % по сравнению с их значениями после процесса твердофазного дополиамидирования.

1. Разработана математическая модель процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6, позволяющая прогнозировать изменение концентрации воды, капролактама и концевых групп в гранулах полимера, среднюю степень полимеризации и температурный режим.

2. Показано, что режим проведения процесса (периодический или непрерывный) не оказывает влияния на конечные значения концентрации воды в гранулах и средней степени полимеризации. В то же время при непрерывном осуществлении процесса прогнозируется некоторое увеличение остаточного содержания капролактама в гранулах (на 0,4 мас.%) по сравнению с периодическим процессом при таких же условиях. Это связано с конденсацией капролактама из паров на холодных гранулах, поступающих в аппарат с новой загрузкой.

3. Разработана математическая модель совмещенных процессов сушки и демо-номеризации полиамида-6, позволяющая прогнозировать изменение содержания воды и капролактама в гранулах и газовой фазе, температурный режим и требуемое время пребывания в аппарате.

4. Показана целесообразность совмещения в одном аппарате процессов сушки и удаления остаточного мономера из гранулята полиамида-6.

5. Разработаны методики расчета процессов твердофазного дополиамидирования и сушки-демономеризации, а также их программно-алгоритмическое обес-

концентраґции воды в гранулах

содержания азота

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

печение. Проведен расчет опытно-промышленной установки твердофазной стадии синтеза полиамида-6.

Основные обозначения, принятые в работе: С - концентрация контактных пар - NH2 и НООС -; Скл - концентрация капролактама; Св - концентрация воды; схв, сА - удельные теплоемкости ПА-6 и азота; D - эффективный коэффициент массопроводности; Da - диаметр аппарата; [\.я - удельная поверхность слоя гранул; G - расход гранулята ПА-6; GA - расход азота; Н - высота слоя; j -удельный поток компонента с поверхности гранул; k(t) - константа скорости реакции; L — длина; М - молярная масса компонента; m - масса; Р - давление; Рп - степень полимеризации; R - радиус гранулы; г - текущий радиус гранулы; гп - удельная теплота парообразования; S - площадь сечения; t - температура гранул ПА-6; Ц - температура азота; tcr - температура стенки аппарата; wz -скорость движения материала; х - содержание компонента в газе; z - продольная координата; а - коэффициент теплоотдачи от стенок к грануляту; ß - коэффициент массоогдачи; ß р - коэффициент массоотдачи при выражннии движущей силы как разности давлений; с — порозность слоя; <р - степень заполнения аппарата; у — коэффициент активности компонента; т|0ТН - относительная вязкость; р — плотность гранул; т - время.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Статьи в ведущих рецензируемых научно-технических журналах:

1. Липин, A.A. Моделирование процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6 в аппарате периодического действия / A.A. Липин, Ю.М. Базаров, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов, Л.Н. Мизеровский // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2011. - Т. 54. - Вып. 3. - С. 86-88.

2. Липин, A.A. Моделирование совмещенных процессов сушки и демономери-зации гранулированного поликапроамида // Вестник ТГТУ. - 2011. - Т. 17. -№2.-С. 397-402.

3. Липин, A.A. Моделирование процесса сушки и демономеризации полиамида в аппарате с кипящим слоем / A.A. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2012. - Т. 55. - Вып. 2. - С. 85-88.

4. Липин, A.A. Прогнозирование рациональных режимно-технологических параметров процесса сушки гранулированного поликапроамида/А.А. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов / Вестник СГТУ. - 2011. - №4 (62).- Вып. 4,- С. 106-109. Другие публикации:

5. Липин, A.A. Моделирование процесса получения поликапроамида в трубчатом реакторе // Сб. науч. трудов «Успехи в химии и химической технологии». -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. - Т. XXIII. - №1. - С. 93-97.

6. Липин, A.A. Моделирование процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6 в аппарате непрерывного действия / A.A. Липин, Ю.М. Базаров, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Сборник трудов IX Междунар. науч. конф. «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». - Иваново: ГОУВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2010. - С. 138-141.

7. Липин, A.A. Математическое моделирование совмещенных процессов сушки и демономеризации полиамида-6 в противоточном аппарате / A.A. Липин, А.Г. Липин // Сб. науч. трудов «Успехи в химии и химической технологии». - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. - Т. XXV. - №10.-С. 99-103.

8. Липин, A.A. Макрокинетика твердофазного дополиамидирования полиамида-6 И Материалы Между нар. молодежного науч. форума «ЛОМОНОСОВ-2010» - М.: МАКС Пресс, 2010. - 1 электрон, опт. диск. Секция № 28 «Химия».

9. Липин, A.A. Моделирование процесса сушки и демономеризации поликапроамида / A.A. Липин, Д.В. Кириллов, А.Г. Липин // Материалы междунар. научно-технич. семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», ГОУ ВПО «ВЛГТА». - Воронеж, 2010.-С. 150- 152.

10. Липин, A.A. Моделирование твердофазной стадии синтеза полиамида-6 в аппарате периодического действия / A.A. Липин, Ю.М. Базаров, А.Г. Липин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т.8. Секция 9 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010.-С. 48-50.

11. Липин, A.A. Моделирование дополимеризации и дополиконденсации полиамида-6 в твердой фазе / A.A. Липин, Ю.М. Базаров, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Материалы XIII Междунар. научно-технич. конф. «Наукоемкие химические технологии-2010». -Иваново: ГОУВПО ИГХТУ, 2010. - С. 355.

12. Липин, A.A. Моделирование процесса сушки полиамида-6 в вакуумных и конвективных сушилках / A.A. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Сборник трудов IV Междунар. научно-практической конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011». - Москва: ФГОУ ВПО «МГАУ им. Горячкина», 2011. - Том 1. - С. 205-210.

13. Липин, A.A. Моделирование процесса сушки гранулированного поликапроамида в противоточном аппарате / A.A. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т.З. Секция 3 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Киев: Национ. техн. унт Украины «КПИ», 2011. - С. 40-42.

14. Липин, A.A. Прогнозирование параметров процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6 // Тезисы докладов 6-ой Санкт-Петербургской конф. молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах». - Санкт-Петербург: ИВС РАН, 2010.-С. 99.

15. Липин, A.A. Математическая модель процессов, протекающих при твердофазном дополиамидировании гранулята ПА-о / A.A. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. трудов XXV Междун. науч.конф. : в 10 т. Т.7. Секция 11 / под общ. ред. A.A. Большакова. - Волгоград: Вол-гогр. гос. техн. ун-т, 2012. — С. 114-116.

Подписано в печать 03.09.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 100 экз. Заказ 2948

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

Ключевые слова: дополиконденсация, дополимеризация, демономериза-ция, математическое моделирование, полиамид-6, сушка.

Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных условных обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Способы синтеза полиамида-6.

1.2. Аппаратурно-технологическое оформление существующих производств полиамида- 6.

1.3. Математическое моделирование процессов получения полиамида

1.3.1. Принципы математического моделирования процесса полимеризации.

1.3.2. Математическое моделирование процесса сушки дисперсных материалов.

Выводы.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТВЕРДОФАЗНОЙ СТАДИИ СИНТЕЗА ПОЛИАМИДА-6.

2.1. Математическое моделирование твердофазного дополиамидирова-ния полиамида-6.

2.1.1. Современные представления о кинетике твердофазного допо-лиамидирования полиамида-6.

2.1.2. Математическая модель кинетики твердофазного дополиамиди-рования полиамида-6.

2.1.3. Математическая модель процесса твердофазного дополиамиди-рования в аппарате периодического действия.

2.1.4. Математическая модель процесса твердофазного дополиамиди-рования в аппарате непрерывного действия.

2.1.5. Обоснование допущения об отсутствии профилей концентраций внутри гранулы.

2.2. Математическое моделирование процесса сушки полиамида-6.

2.2.1. Математическое описание процесса сушки полиамида-6.

2.2.2. Решение системы уравнений математического описания процесса сушки полиамида-6.

Выводы.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДОПОЛИАМИДИРОВАНИЯ И СУШКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.1. Методики определения параметров математических моделей и сравнение расчетных и экспериментальных данных.

3.1.1 .Описание лабораторной установки твердофазного дополиамидирования периодического действия.

3.1.2.Методика проведения эксперимента.

3.1.3. Методика определения содержания капролактама в ПА-6.

3.1.4. Методика определения степени полимеризации ПА-6.

3.1.5. Определение коэффициента активности капролактама.

3.1.6. Определение коэффициента активности воды.

3.1.7. Определение коэффициента теплоотдачи от греющей стенки к слою гранул.

3.1.8. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

3.2. Результаты вычислительного эксперимента.

3.2.1. Математический эксперимент для процесса совмещенной суш-ки-демономеризации в аппарате шахтного типа.

3.2.2. Математический эксперимент для непрерывного процесса твердофазного дополиамидирования.

Выводы.

Глава 4. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТВЕРДОФАЗНОЙ СТАДИИ СИНТЕЗА ПОЛИАМИДА-6 И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЕЕ РАСЧЕТА.

4.1. Аппаратурно-технологическое оформление.

4.2. Методика расчета процессов твердофазной стадии синтеза ПА-6.

4.2.1. Методика расчета процесса твердофазного дополиамидирования

4.2.2. Методика расчета процесса сушки.

4.2.3. Результаты расчета процесса твердофазного дополиамидирования.

4.2.4. Результаты расчета процесса сушки.

Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Полиамид-6 (поликапроамид) благодаря ценному комплексу потребительских свойств - прочности, эластичности, устойчивости к истиранию - широко применяется в промышленности. Основная часть поликапроамида, получаемого промышленным способом, используется при производстве полиамидных волокон, находящих широкое применение в технике и быту.

Полиамидные волокна используют для производства товаров народного потребления, в основном чулочно-носочных изделий, тканей для верхней одежды. В технике полиамидные волокна используют для изготовления шинного корда, рыболовных сетей, тралов, канатов, веревок, фильтровальных материалов для пищевой промышленности, щетины (например, для моечных и хлопкоуборочных машин) и др.

Полиамид-6 (ПА-6) легко перерабатывается в пластические массы различными методами: литьем, прессованием, вальцеванием, экструзией.

В последнее время значительно расширилось применение ПА-6 для изготовления деталей машин: подшипников, шестерен, втулок и т. д. Детали из ПА-6 отлично поглощают ударные нагрузки, долговечны, имеют низкий коэффициент трения и могут работать без смазки в узлах трения. Кроме того, ПА-6 является отличным диэлектриком, который не уступает, а по механической и тепловой стойкости превосходит такие изоляторы, как полистирол, поливинил-хлорид и др.

Все это обусловливает необходимость увеличения объема выпуска ПА-6 и улучшения его качества [1-2].

Основным промышленным способом получения полиамида-6 является гидролитическая полимеризация капролактама в расплаве при температуре 250270 °С с последующим гранулированием, экстрагированием остаточного мономера водой и сушкой гранулята. Синтез ПА-6 по существующим в настоящее время технологиям позволяет получить полимер после стадии полимеризации с содержанием низкомолекулярных соединений (НМС) порядка 10-12 % и степе9 нью полимеризации 120-160 для текстильного ассортимента и 180-240 для технических и кордных нитей. Параметры синтеза ПА-6 не позволяют получить строго линейный полимер, что отрицательно сказывается на физико-механических показателях готовых нитей.

С другой стороны, существенными технико-экономическими недостатками применяемых в настоящее время технологий являются: большой расход умягченной и деминерализованной воды на стадии демономеризации методом экстракции и воды для охлаждения, потребляемой при регенерации лактамных вод методом упаривания, а так же повышенный расход исходного сырья (ка-пролактама), связанного с уносом его при ступенчатой дегидратации расплава ПА-6.

Устранение недостатков существующих технологий можно осуществить при совершенствовании технологии получения ПА-6 на основе снижения темо пературы синтеза в расплаве на 40-50 С и введения стадии дополиамидирова-ния в твердой фазе [3-8]. Такой способ синтеза позволяет достичь содержания низкомолекулярных соединений (НМС) на уровне их содержания в готовом полимере, полученном по полунепрерывной и каскадной технологиям, и даёт возможность ликвидировать стадию экстракции и энергетически невыгодную стадию регенерации лактамных вод методом упаривания и заменить их на де-мономеризацию методом сублимации капролактама в вакууме или токе инертного газа. Кроме того низкотемпературный синтез ПА-6 позволяет получить высокомолекулярный полимер с минимумом разветвленных макромолекул, мешающих получению нитей высокой прочности.

Технико-экономические преимущества твердофазного дополиамидирова-ния (ТФД) ПА-6 очевидны, но технологическое и аппаратурное оформление требуют доработки.

Сложность протекающих процессов и явлений обуславливает применение при разработке аппаратурно-технологического оформления методов математического моделирования. Вместе с тем, в научно-технической литературе слабо отражены вопросы построения расчетно-теоретических моделей производст

10 венных аппаратов твердофазной стадии синтеза полиамида-6, правильно учитывающих основные экспериментальные факты и достаточно простых с инженерной точки зрения.

Применение методов математического и физического моделирования сокращает сроки и снижает затраты на стадиях разработки, отладки технологического процесса и эксплуатации оборудования, поэтому надежное моделирование процессов протекающих в аппаратах твердофазного дополиамидирования и сушки-демономеризации весьма актуально.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры ПАХТ «Разработка новых высокоинтенсивных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление» в рамках тематического плана НИР ИГХТУ на 2011-2015 гг.

Целью данной работы является разработка методики расчета процессов твердофазной стадии синтеза полиамида-6 на базе моделирования явлений тепло- и массообмена в процессах дополиамидирования и сушки.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- экспериментальное исследование процесса твердофазного дополиамидирования;

- разработка математического описания и расчет режимно-технологических параметров аппарата твердофазного дополиамидирования;

- разработка математической модели совмещенных процессов сушки и удаления остаточного мономера;

- определение параметров математических моделей;

- выполнение вычислительного эксперимента, с целью установления характера влияния конструкционных параметров и технологических режимов оборудования на конечные параметры гранулята полиамида;

- создание методики расчета процессов твердофазной стадии синтеза полиамида-6.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности, отражающие химические процессы твердофазного дополиамидирования и взаимодействия гранул полимера с окружающей средой. Разработана математическая модель процесса твердофазного дополиамидирования полиамида-6, описывающая эти закономерности и позволяющая прогнозировать степень полимеризации, содержание капролактама и воды в полимере.

2. Установлен характер влияния интенсивности тепломассообменных процессов на конечные параметры гранулята путем проведения вычислительного эксперимента.

3. Разработана математическая модель совмещенных процессов сушки и удаления остаточного мономера из гранулята ПА-6 в аппарате непрерывного действия, позволяющая исследовать влияние технологических параметров на содержание остаточного мономера и влаги в полимере.

4. На основе экспериментальных данных выполнена идентификация коэффициентов теплоотдачи и активности компонентов, коэффициентов уравнений химической кинетики и проверка адекватности разработанных моделей.

Практическая ценность:

1. Разработана методика расчета твердофазной стадии синтеза полиамида-6, с помощью которой определяются рациональные режимно-технологические параметры, а также конструкционные параметры оборудования.

2. Разработаны программные средства компьютерной поддержки моделирования и расчета основных аппаратов твердофазной стадии синтеза полиамида-6.

3. С использованием разработанной методики выявлены рациональные режимно-технологические параметры процессов твердофазной стадии синтеза полиамида-6 и даны рекомендации по её аппаратурно-технологическому оформлению.

Разработанные методика расчета и программное обеспечение приняты к использованию в ОАО «КуйбышевАзот», г. Тольятти.

12

Автор защищает:

1. Математическую модель процессов, протекающих в реакторе твердофазного дополиамидирования, учитывающую закономерности химической кинетики, переноса теплоты и массы, материального и энергетического балансов.

2. Математическую модель совмещенных процессов сушки и демономе-ризации гранулята ПА-6 в аппарате непрерывного действия, позволяющую прогнозировать рациональные технологические параметры.

3. Результаты численного эксперимента, позволившего установить характер влияния конструкционных параметров и технологических режимов оборудования на конечные параметры полимера.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XXIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-23 (Саратов, 2010); XIII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические техно логии-2010» (Иваново-Суздаль, 2010); IX Международная научная конференция «Теоретические основы энерго- ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010); 6-ая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2010); XXIV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 (Киев, 2011); IV Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011); 7 Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2011» (Москва, 2011); 65 региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2012); XXV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-25 (Волгоград, 2012).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 15 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научно-технических журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель процесса твердофазного дополиами-дирования полиамида-6, позволяющая прогнозировать изменение концентрации воды, капролактама и концевых групп в гранулах полимера, среднюю степень полимеризации и температурный режим.

2. Показано, что режим проведения процесса (периодический или непрерывный) не оказывает влияния на конечные значения концентрации воды в гранулах и средней степени полимеризации. В то же время при непрерывном осуществлении процесса прогнозируется некоторое увеличение остаточного содержания капролактама в гранулах (на 0,4 мас.%) по сравнению с периодическим процессом при таких же условиях. Это связано с конденсацией капролактама из паров на холодных гранулах, поступающих в аппарат с новой загрузкой.

3. Разработана математическая модель совмещенных процессов сушки и де-мономеризации полиамида-6, позволяющая прогнозировать изменение содержания воды и капролактама в гранулах и газовой фазе, температурный режим и требуемое время пребывания в аппарате.

4. Показана целесообразность совмещения в одном аппарате процессов сушки и удаления остаточного мономера из гранулята полиамида-6.

5. Разработаны методики расчета процессов твердофазного дополиамидиро-вания и сушки-демономеризации, а также их программно-алгоритмическое обеспечение. Проведен расчет опытно-промышленной установки твердофазной стадии синтеза полиамида-6.

1. Вольф, J1.A. Производство поликапроамида / JT.A. Вольф, Б.Ш. Хайтин. -М.: Химия, 1977.-201 с.

2. Кларе, Г. Синтетические полиамидные волокна / Г. Кларе, Э. Фрицше, Ф. Грёбе; под ред. З.А. Роговина. М.: Мир, 1966. - 683 с.

3. Мизеровский, JT.H. Перспективы совершенствования технологии получения поликапроамида, используемого в производстве текстильных и технических нитей. Часть 1 / JI. Н. Мизеровский, Ю.М. Базаров, М.Г. Павлов // Хим. волокна. 2003. - № 5. - С. 15-19.

4. Мизеровский, JI.H. Перспективы совершенствования технологии получения поликапроамида, используемого в производстве текстильных и технических нитей. Часть 2 / Л. Н. Мизеровский, Ю.М. Базаров, М.Г. Павлов // Хим. волокна. 2003. - № 6. - С. 9-14.

5. Базаров, Ю.М. О возможности совершенствования технологии синтеза ПА-6/ Базаров Ю.М.// Техника и технология химволокон: Сборник докладов 6-й международной научно-практической конференции. Чернигов: ОАО «Химтекстильмаш», 2007. С. 93-97.

6. Базаров, Ю.М. Некоторые особенности низкотемпературной гидролитической полимеризации капролактама / Ю.М. Базаров, А.Ю. Ценин,

7. Л.Н. Мизеровский // Хим. волокна. 1998. - №2. - С. 15 - 18.

8. Hermans, Р.Н. е.а., J. Polymer. Sei. 1958. - V. 30. - P. 81 - 90.

9. Кузина, Е.Ф. К вопросу удаления низкомолекулярных соединений из расплава поликапроамида / Е.Ф. Кузина, Т.П. Лазуткина, Ю.В. Просяник, Н.Д. Каторжное // Химические волокна. 1966. - №3. - С. 30-32.

10. Образцова, Т.Н. Исследование кинетики демономеризации расплава поли-е-капроамида / Т.Н. Образцова, Б.А. Богатов, Б.А. Харьков, В.М. Харитонов // Химические волокна. 1970. - №4. - С.8-10.

11. Колчинская, Л.М. Паро-газовая обработка расплава поликапроамида для удаления НМС / Л.М. Колчинская, К.Е. Фишман // Химические волокна. -1970. №2. - С.69-71.

12. Штомпель, В.А. Исследование кинетики процесса экстракции НМС из крошки поликапроамида / В.А. Штомпель, Ю.М. Тихомиров, М.П. Носов // Химические волокна. 1973. -№5. - С.3-4.

13. Родионов, В.А. Изучение процесса экстрагирования капроновой крошки / В.А. Родионов, Л.Т. Гайда // Химические волокна. 1963. -№6. - С.13-15.

14. Платонов, Е. К. Оборудование для подготовки поликапроамида повышенной вязкости к переработке в композиционные материалы / Е.К. Платонов, М.В. Ступа, В.И. Ступа // Хим. волокна. 2004. - № 3. - С. 38-42.

15. Платонов, Е.К. Эффективные направления реконструкции полимеризационного, экстракционного оборудования предприятий химических волокон / Е.К. Платонов, В.И. Ступа, A.A. Богословский, Р. Н. Гора, М. В. Ступа // Хим. волокна. 2006. - № 5. - С. 57 - 61.

16. Раймер Д. Последние достижения в производстве высококачественных нитей из полиамида-6 // Химические волокна. 2005. - №4. - С. 34-38.

17. Платонов, Е.К., Ступа, В.И. и др. 8-я Междунар. науч.-техн. конф. СИЭТ8-00, Чернигов. // Сб. науч. тр. №8. Киев: ФАДА, 2000. - С. 99 - 102.

18. Платонов, Е.К. Аспекты технологии и оборудования для полимеризации, экстракции и сушки поликапроамида / Е.К. Платонов, М.В. Ступа, В.И. Ступа // Хим. волокна. 2002. - № 3. - С. 57-64.

19. A.c. 209406 SU, МКП BOld BOlj. Родионов H.A, Бартош Ю.П. и др. -Опубл. 26.01.68, Бюл. № 5.

20. A.c. 520990 SU, МКИ BOld 11/02. Родионов В.А., Платонов Е.К., Бартош Ю.П. Опубл. 15.07.76. Бюл. № 26.

21. Родионов В.А., Платонов Е.К., Силкин А.И. A.c. 409729 SU, МКИ BOlj 4/02 BOlj 3/02. Опубл. 5.01.74. Бюл. № 1.

22. Кудрявцев, Г.И. Полиамидные волокна / Г.И. Кудрявцев, М.П. Носов, A.B. Волохина. М.: Химия, 1976. - 260 с.

23. Платонов, Е.К., Ступа, В.И., Ступа М.В. 7-я Междунар. науч.-техн. конф. СИЭТ7-00, Винница. // Сб. науч. тр. №7. Киев: ФАДА, 2000. С. 95 - 98.

24. A.c. 468638 SU, МКИ BOld 33/02. Родионов Н А., Платонов Е.К. Опубл. 30.04.75. Бюл. № 16.

25. A.c. 242290 SU, МПК F26b. Родионов Н А., Платонов Е.К. Опубл. 18.07.69. Бюл. №24.

26. A.c. 401679 SU, МКИ С 08 f 1/98, F 28 f9/22. Полимеризационный аппарат непрерывного действия с теплообменником / Родионов В.А., Платонов Е.К. -Опубл. 12.10.73. Бюл. № 41, 1974.

27. A.c. 15813335 SU, МКИ В Ol D 11/02. Испаритель-смеситель / Родионов В.А., Платонов E.K. Опубл. 30.07.90. Бюл. № 28, 1990.

28. Зубков, И. В. Вибрационные конвективные сушилки // Химическая промышленность сегодня. 2005. - № 6. - С. 11-15.

29. Кац, В.Я. Сушка гранул в вибрирующем, взвешенном слое процедура инженерных расчетов / В.Я. Кац, Г. Мазор // Химическая промышленность. -2010. -Т.87. - №5. - С. 235-244.

30. Лапшенкова, B.C. Двухсекционный аппарат для сушки поликапроамидной крошки в виброкипящем слое / B.C. Лапшенкова, Г.Д. Кавецкий, Н.Г. Крохин, Л.Ф. Шибаева // В сб. «Химическая технология волокнистых материалов».-Вып. 1.-М.: 1973.-С. 146-148.

31. Бродский, Ю.А. Электрические вибрационные сушилки для сыпучих материалов / Ю.А Бродский, В. Д. Степаненко // Химическая промышленность сегодня. 2005. - № 6. - С. 16-19.

32. Пат. на винахщ UA 47079А, МКИ В 01 D 11/02. Екстрактор / Платонов Е.К., Звонарев М.С., Ступа М.В. Опубл. 17.06.2002. Бюл №28, 1990.

33. A.c. 1567479 SU, МКИ AI В65 G 65/48. Шлюзовый питатель / Игнатенков А.Л., Платонов Е.К. и др. Опубл. 30.05.90. Бюл. №20, 1990.

34. Пат. на винахщ UA 49376А, МКИ F26 В 17/14. Cnoci6 суппння гранул полшапроамщу / Платонов Е.К., Ступа М.В. Опубл. 16.09.2002. Бюл №9, 2002.

35. Пат. на винахщ UA 14558, МКИ A G 01F 11/00. Вивантажуючий пристрш до аппарату шахтного типу / Родионов В.А, Платонов Е.К., Степанець В.П. -Опубл. 25.04.1997. Бюл №2, 1997.

36. Кафаров, B.B. Системный анализ процессов химической технологии: Процессы полимеризации / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов, JI.B. Дранишников. -М.: Наука, 1991.-350 с.

37. Гладышев, Г.П. Радикальная полимеризация при глубоких степенях превращения / Г.П. Гладышев, В.А. Попов. М.: Наука, 1974. - 243 с.

38. Кафаров, В.В. Моделирование процессов полимеризации /В.В. Кафаров, A.A. Дудоров // В сб.: Итоги науки и техники. Процессы и аппараты химической технологии. М.: ВИНИТИ, 1981. - Т. 9. - С. 87 - 174.

39. Кучанов, С.И. Методы кинетических расчетов в химии полимеров / С.И. Кучанов. М.: Химия, 1978. - 368 с.

40. Вольфсон, С. А. Расчеты высокоэффективных полимеризационных процессов / С.А. Вольфсон, Н.С. Ениколопян. М.: Химия, 1980. - 312 с.

41. Подвальный, СЛ. Моделирование промышленных процессов полимеризации / СЛ. Подвальный. М.: Химия, 1979. - 255 с.

42. Полимеризация виниловых соединений / Под ред. Д. Хэма. М.: Наука, 1975.-310 с.

43. Френкель, С.Я. Введение в статистическую теорию полимеризации / С.Я. Френкель. М.; Л.: Наука, 1965. - 270 с.

44. Берлин, A.A. Кинетические расчеты реакторов полимеризации: Обзор / A.A. Берлин, С.А. Вольфсон // Высокомолекул. соед. 1994. - Т. 36, № 4. -С. 616-628.

45. Берлин, A.A. Кинетический метод в синтезе полимеров / A.A. Берлин, С.А. Вольфсон. М.: Химия. - 1973. - 341 с.

46. Иванчев, С.С. Радикальная полимеризация / С.С. Иванчев. Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1985. - 280 с.

47. Оудиан, Дж. Основы химии полимеров / Под ред. В.В. Коршака. М.: Мир, 1974.-614 с.

48. Савельянов, В.П. Общая химическая технология полимеров: учеб. пособие для вузов / В.П. Савельянов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 336 с.

49. Берлин, A.A. Кинетика полимеризационных процессов / A.A. Берлин, С.А. Вольфсон, Н.С. Ениколопян. -М.: Химия, 1978. 320 с.

50. Багдасарьян, Х.С. Теория радикальной полимеризации / Х.С. Багдасарьян. -М.: Наука, 1966.-300 с.

51. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств : учеб. пособие для вузов / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. М.: Высш. шк., 1991. - 400 с.

52. Лыков, A.B. Теория сушки / A.B. Лыков. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

53. Муштаев, В.И. Сушка в условиях пневмотранспорта / В.И. Муштаев, В.М. Ульянов, A.C. Тимонин. М.: Химия, 1984. - 232 с.

54. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки / Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. -М.: Наука, 1997.-448 с.

55. Рудобашта, С.П. Диффузия в химико-технологических процессах / С.П. Рудобашта. М.: Колосс, 2010. - 478 с.

56. Сажин, Б.С. Основы техники сушки / Б.С. Сажин. М.: Химия, 1984. -320 с.

57. Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Кормильцин Г.С. В кн.: Тепло- и массоперенос. - Минск, ИТМО АН БССР, 1972. - Т. 9, С. 102 - 105.

58. Лыков, A.B. Теория тепло- и массопереноса / A.B. Лыков, Ю.А. Михайлов. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 536 с.

59. Фролов, В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов / В.Ф . Фролов. Л.: Химия, 1987. - 208 с.

60. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1978.-736 с.

61. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Н.И. Гельперин. М.: Химия, 1981. В двух книгах. - 812 с.

62. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов / А.Г. Касаткин. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 753 с.

63. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Уч. для ВУЗов / Отв. ред. В.Г. Айнштейн. М.: Химия, 1999.

64. Ивашкин, Н. И. Моделирование сушки полиамида в потоке инертного газа / Н.И. Ивашкин, А.Б. Голованчиков, М.К. Татарников // Химическая промышленность. 2004. - Т.81. - №9. - С. 445-450.

65. Ивашкин, Н. И. Моделирование гидродинамических явлений при сушке полиамида в потоке инертного газа / Н.И. Ивашкин, А.Б. Голованчиков, М.К.

66. Татарников, З.П. Проникова // Химическая промышленность. 2004. - Т.81. -№10.-С. 522-528.

67. Ступа, М.В. Сравнительный анализ кинетики сушки дисперсных полимеров с использованием математических моделей / М.В. Ступа, В.И. Ступа, Е.К. Платонов, В.Т. Михайлов // Хим. волокна. 2004. - № 1. - С. 6870.

68. Мизеровский, JI. Н. Твердофазный синтез полиамида-6 / JL Н. Мизеровский, Ю.М. Базаров // Хим. волокна. 2006. - № 4. - С. 40-48.

69. Кудрявцев, Г.И. Полиамидные волокна / Г.И. Кудрявцев, М.П. Носов, A.B. Волохина. М.: Химия, 1976. - 264 с.

70. Мизеровский, JI. Н. Кинетика твердофазной дополиконденсации демономеризованного поликапроамида / JI. Н. Мизеровский, И. Н. Смирнов // Хим. волокна. 2004. - № 6. - С. 11 - 15.

71. Мизеровский Л.Н., Сиганов Д.Л. и др. Высокомолекулярные соединения. 1991.-Т. 32Б. -№11.- С. 845-849.

72. Гриски, Р. Термическая твердофазная полимеризация найлона-66 / Р. Гриски, Б. Ли. // Химия и технология полимеров. 1966. - №11. - С.111-117.

73. Нурмухомедов, С.Н. Твердофазная поликонденсация полиамида-66 / С.Н. Нурмухомедов, В.В.Кузнецов, Г.И.Файдель // Пласт, массы. 1987. - № 7. -С. 27-29.

74. Нурмухомедов, С.Н. Твердофазная поликонденсация полиамида-6 / С.Н. Нурмухомедов, В.В. Кузнецов, Г.И. Файдель // Пласт.массы. 1989. - № 2. -С. 6-7.

75. Сиганов, Д.Л. Термодинамика и кинетика химических реакций и массообменных процессов при твердофазном дополиамидированииполикапроамида: автореф. дис. канд. хим. наук / Сиганов Д.Л. Иваново, 1990.

76. Кузнецов, А.К. Равновесие в системе поликапроамид-капролактам-вода и кинетика твердофазного дополиамидирования поликапроамида: автореф. дис. канд. хим. наук / Кузнецов A.K. М., 1984.

77. Карпухин, О.Н. Влияние подвижности среды на формально-кинетические закономерности протекания химических реакций в конденсированной фазе / О.Н. Карпухин // Успехи химии. 1978. - Т.47. - Вып.6. - С. 11191143.

78. Франк-Каменецкий, Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике: Учебник-монография / Д.А. Франк-Каменецкий. 4-е изд. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008.-408 с.

79. Гартман, Т.Н. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: Учеб. пособие для вузов / Т.Н. Гартман, Д.В. Клушин. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 416 с.

80. Романков, П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. Пособие для вузов / П.Г. Романков,

81. B.Ф. Фролов, О.М. Флисюк. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009.

82. Аналитический контроль производства синтетических волокон: Справочное пособие. Под ред. A.C. Чполи и Н.М. Кваша. - М.: Химия, 1982.-С. 73.

83. Липин, A.A. Моделирование процесса сушки и демономеризации полиамида в аппарате с кипящим слоем / A.A. Липин, А.Г. Липин, Д.В. Кириллов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. - Т. 55. - Вып. 2.1. C. 85-88.

84. Кремнев, O.A. Интенсификация экстракции и сушки капроновой крошки / O.A. Кремнев, В.Р. Боровский, Л.М. Мишнаевский, H.A. Шаркова // Хим. волокна. 1968. - №2. - С. 68-70.

85. Романков, П.Г. Сушка во взвешенном состоянии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская. 3-е изд., перераб. и доп. -Д.: Химия, 1979. - 272 с.

86. Лапшенкова B.C., Крохин Н.Г., Кавецкий Г.Д., Шибаева Л.Ф. Сушка поликапроамидной крошки в виброкипящем слое // В сб. «Химическая технология волокнистых материалов». Вып.1. М.: 1973. - С. 139-145.

87. Шибаева Л.Ф., Крохин Н.Г., Кавецкий Г.Д. Сушка поликапроамидной крошки в псевдоожиженном слое // Хим. волокна. 1969. - №5. - С.8-10.

88. Штомпель В.А., Тихомирова Ю.М., Носов М.П. Исследование кинетики процесса сушки крошки поликапроамида // Хим. волокна. 1974. - №3. -С.15-17.

89. Липин, A.A. Моделирование совмещенных процессов сушки и демономеризации гранулированного поликапроамида // Вестник ТГТУ. -2011.-Т. 17.-№2.-С. 397-402.