Автоматизация контроля и управления процессом синтеза алкидных смол в производстве лакокрасочных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Михайлов, Дмитрий Петрович

• Михайлов, Дмитрий Петрович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайлов, Дмитрий Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СИНТЕЗА АЛКИДНЫХ СМОЛ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Описание технологической схемы производства лаков на конденсаци онных смолах

1.2 Основные факторы, определяющие ход процесса синтеза алкидов и каналы управления им

1.3 Типовые методы и схемы контроля и регулирования технологических процессов получения лаковых смол

1.4 Автоматизация контроля качества реакционной среды в процессах синтеза лаковых смол

1.5 Выводы по главе

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЗКОСТИ ПРОДУКТОВ СИНТЕЗА АЛКИДНЫХ СМОЛ

2.1 Описание эксперимента

2.2 Температурные зависимости вязкости и исследование влияния моле-кулярно массового распределения на энергию активации вязкого течения и температуру стеклования

2.3 Зависимость вязкости растворов алкидных олигомеров от концентрации ксилола и исследование влияния концентрации ксилола на энергию активации вязкого течения

2.4 Зависимость вязкости от молекулярной массы и методика прогнозирования хода процесса синтеза алкидных олигомеров

2.5 Выводы по главе

3 МЕТОД И АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКО-

ГО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА АЛКИДНЫХ СМОЛ

3.1 Метод вискозиметрического контроля процессов синтеза алкидных смол

3.1.1 Вискозиметрический контроль процессов синтеза алкидных смол

3.1.2 Прогнозирование нарастания вязкости смолы в ходе технологического процесса

3.2 Принципы построения, структура и состав системы контроля

3.3 Разработка автоматических пробоотборных устройств

3.4 Разработка автоматической вискозиметрической ячейки

3.5 Автоматизированная система многопараметрического контроля качества лаковых смол "Алкид-39"

3.6 Выводы по главе

4 ГИБКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ АЛКИДНЫХ ЛАКОВ И СМОЛ

4.1 Гибкая автоматизированная система многопараметрического контроля и управления процессами производства лаков и смол

4.2 Управление процессом высокотемпературного синтеза полиэфирных смол в присутствии легколетучего растворителя (азеотропный метод)

4.3 Выбор критерия автоматического управления степенью завершенности высокотемпературного синтеза алкидных смол

4.4 Выводы по главе

5 ИНФОРМАЦИОННО - УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА АЛКИДНЫХ ЛАКОВ И ЕЕ ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

5.1 Состав и задачи информационно-управляющей системы

5.2 Комплекс технических средств (KTC) информационно - управляющей системы производства лака

5.2.1 Общие принципы построения и выбора KTC

5.2.2 Структура KTC системы управления центральной части производственного модуля

5.2.3 Структура KTC системы управления модуля подготовки сырья

5.2.4 Структура КТС системы управления модуля фильтрации

5.3 Рекомендации по технической реализации гибкой автоматизированной системы аналитического контроля синтеза лаковых смол (ГАЛС)

5.3.1 Общие положения

5.3.2 Техническая реализация системы ГАЛС

5.4 Рекомендации по технической реализации автоматизированной системы многопараметрического контроля качества лаковых смол "Ал-кид39"

5.5 Рекомендации по выбору датчиков и запорно-регулирующей арматуры

5.5.1 Рекомендации по выбору датчиков

5.5.2 Рекомендации по выбору запорно-регулирующей арматуры

5.6 Вопросы экономической эффективности автоматизации производства алкидных смол в лакокрасочной промышленности

5.7 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация контроля и управления процессом синтеза алкидных смол в производстве лакокрасочных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных путей повышения производительности труда и улучшения качества выпускаемой продукции в производстве лакокрасочных материалов, в частности, алкидных смол (как основы пленкообразующих веществ) является переход к автоматизированному контролю, а затем и управлению качеством продуктов и реакционных сред в рассматриваемых технологических процессах. К сожалению, приходится признать, что уровень автоматизации контроля и автоматизированного управления на производствах лакокрасочной промышленности (ЛКП) пока еще остается низким. Современные средства автоматизации и управления внедрены только на единичных заводах, где, однако достигнутый уровень автоматизации позволяет централизовать управление только общими технологическими параметрами без управления качеством получаемой продукции.

Многолетнее отсутствие автоматизированного аналитического контроля параметров синтезируемых смол привело к тому, что в соответствии с нормативной технической документацией допускается широкий интервал значений основных параметров для готовой смолы. Так, кислотность синтезированных смол может различаться вдвое (10 < КЧ < 20), а вязкость вчетверо (0,3 < г|12о°с < 1,3 Па-с).

Распространенные до настоящего времени процедуры лабораторного аналитического контроля технологических сред в производствах лакокрасочных материалов (ЛКМ), как правило, длительны во времени, сложны и многостадийны, что препятствует их использованию для целей автоматизации.

Предпринимавшиеся ранее многочисленные попытки локальной автоматизации контроля технологических сред путем погружения датчиков непосредственно в технологические среды реакционных пространств, успеха не имели из-за практического отсутствия в них изотермических и изоконцентрационных зон, что было обусловлено сложностью и неоднородностью этих сред.

Итак, среди причин, затрудняющих переход к автоматизированным производственным процессам, одной из главных является отсутствие методов и средств получения оперативной информации о концентрационных изменениях, происходящих в реакционных средах при синтезе ЛКМ.

Нельзя считать достаточно приемлемым, хотя и являлось вынужденным решение проблемы контроля и управления технологическим процессом с помощью временных циклограмм с корректировкой их по данным периодического лабораторного анализа. Такая организация контроля и управления часто приводила к нестабильности качества ЛКМ, а именно: к неудовлетворительной совместимости с растворителями, плохому отверждению ЛКМ на окрашиваемой поверхности и др. Управление технологическими процессами синтеза ЛКМ на базе результатов периодических лабораторных анализов целесообразно только при стабильном составе сырья и строгом соблюдении технологической дисциплины. В реальных условиях отечественной сырьевой базы требуются иные методы и приемы управления качеством продукции при синтезе ЛКМ, что и является темой настоящей работы. Автоматизация контроля и управления качеством технологических жидких сред, вязких растворов и расплавов, суспензий и эмульсий — сложная проблема, включающая решение многих вопросов, начиная от выбора точки отбора пробы

контролируемой среды, способа доставки ее чувствительному элементу анализатора, обеспечение необходимых условий измерений и т.д., кончая разработкой способов управления качеством получаемой продукции. При этом следует иметь ввиду, что до настоящего времени сравнительно мало изучены способы автоматического управления качеством получаемых продуктов с молекулярной массой выше 1000, т.е. олигомеров и полимеров, а также недостаточная определенность требований к их составу на стадии синтеза, что особенно относится к синтетическим смолам.

Вышесказанное определяет перечень актуальных задач, решению которых посвящено настоящее исследование, а именно:

1. Определить основные, наиболее информативные методы контроля и управления процессами синтеза алкидных лаковых смол и способы их реализации, приняв за основу результаты исследований физико-химической сущности и закономерностей протекания этих процессов.

2. Разработать методическое и программно-алгоритмическое и техническое обеспечение систем автоматизированного контроля и автоматизированного управления процессами синтеза алкидных смол.

3. Реализовать конкретные системы автоматизированного управления для повышения эффективности производств лаковых смол.

4. Сформулировать принципы построения информационно-управляющей системы лакового производства в целом.

5. Разработать, апробировать в промышленных условиях и выдать рекомендации по выбору комплекса технических средств для реализации функционирования информационно-управляющей системы производства алкидных смол на всех уровнях ее иерархии.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СИНТЕЗА АЛКИДНЫХ СМОЛ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Описание технологической схемы производства лаков на конденсационных смолах.

Рассмотрим основные особенности существующих подходов к организации производства алкидного лака ПФ-060 и других лаков, в частности, ГФ-046 и ГФ-090. Получение последних отличается от производства лака ПФ-060 исходным сырьем и дополнительной стадией подготовки сырья. Общепринятые основные рецептуры для пентафталевых и глифталевых лаков приведены в таблицах 1.1-1.4.

Таблица 1.1 Рецептура лака ПФ-060

Наименование компонентов Массовая доля %

ПФ-060Н ПФ-060 в

на основу на лак на основу на лак

Масло полувысыхающее 60.00! 33.001 60.00 37.20

Пентаэритрит 14.60! 8.00! 14.60 9.10

Фталевый ангидрид 25.40! 14.00 25.40 15.70

Уайт-спирит -! 27.00 - 22.80

Ксилол -I 18.00 _ 15.20

Катализатор 0.06; - -

Итого 100.00! 100.00 100.00 100.00

Таблица 1.2 Рецептура лака ГФ-046

Наименование компонентов Массовая доля %

на смолу ГФ-046 на раствор смолы

Масло высыхающее и полувысыхающее 46.20 26.30

Канифоль 10.60 6.10

Глицерин (100%) 15.10 8.60

Фталевый ангидрид - 16.00

Уайт-спирит - 21.50

Сольвент - 21.50

Итого 100.00! 100.00

Таблица 1.3 Рецептура лака ГФ-090

Наименование компонентов Массовая доля %

на основу на лак

Масло подсолнечное 37.00 22.70

Масло касторовое 16.00 9.80

Глицерин (100%) 15.00 9.20

Фталевый ангидрид 32.00 19.60

Ксилол - 38.70

Итого 100.00 100.00

В качестве катализатора используемого на стадии переэтерификации применяется кальцинированная сода в количестве (0.061+0.01) масс, от массы масла. В процессе синтеза смол обычно используется ксилол в количестве (2±1)%

от массы загрузки. Ксилол (растворитель обеспечивает непрерывное выведение из зоны реакции реакционной воды, образующейся в результате реакций поликонденсации.

Технологические схемы производств указанного ассортимента лаковых смол представляют собой (по своей сущности) гибкие производственные линии низким уровнем автоматизации по причинам, которые будут рассмотрены ниже. В многочисленной литературе (например, [1-4]) по лакокрасочным материалам (ЛКМ) достаточно подробно рассмотрены технологические схемы получения тех или иных продуктов как непрерывным, так и периодическим способом.

Аппаратурно-технологическую схему производства лаковых смол можно разбить на 5 стадий, определяющих характер производимых операций: 1) подготовка сырья; 2) переэтерификация; 3) поликонденсация; 4) растворение основы лака (смолы); 5) фильтрация лака. Рассмотрим кратко особенности стадий 1-4; стадия 5 представляет собой типовую стадию, рассмотрение которой выходит за рамки настоящей работы.

Стадия подготовки сырья.

На этой стадии производится приготовление растворов катализатора, раствора канифоли в масле, расплавление фталевого ангидрида в обогреваемой емкости установленной на весах и снабженной погруженным насосом, разогрев масла, подача пентаэритрита в весовой бункер и другие аналогичные операции. Затем эти сырьевые компоненты дозируют в наперед заданных количествах (в соответствии с рецептурой для получения того или иного продукта) в реактор синтеза, где температура доводится до значений 220-260°С, при которой проводят синтез. Длительность синтеза лаковых смол обычно составляет от 10 до 40 часов.

В зависимости от того, проводят ли первую стадию синтеза лаковых смол (процесс переэтерификации) периодическим или непрерывным способом, стадию подготовки сырья оснащают той или иной аппаратурой (шнековыми или весовыми дозаторами, и др.).

Стадия переэтерификации

Процесс переэтерификации осуществляют при температуре 240-260°С периодическим или непрерывным способом в емкостном обогреваемом реакторе с якорной мешалкой или каскаде из 3 таких реакторов. В реактор либо загружают реагенты, разогревают их до требуемой температуры и выдерживают заданное время; либо подают реагенты непрерывно. Реагентами служат масло и многоатомный спирт (глицерин, пентаэретрит и др.). На этой стадии технологического процесса происходит взаимное перераспределение функциональных групп между молекулами масла и спирта, что способствует снижению расходования масла на получение ЛКМ за счет частичной компенсации недостающего количества масла многоатомным спиртом (как более дешевого сырьевого компонента, содержащего гидроксильные группы Я(ОН)п).

Контроль за протеканием этого процесса крайне затруднен по причине отсутствия внешних физико-химических признаков протекания реакции переэтерификации. Многочисленные попытки контролировать этот процесс по "иногда" наблюдаемому изменению электропроводности реакционной массы [7, 8, 40] успеха не имели и фактически позволяли контролировать не протекание технологического процесса, а скорость дозирования многоатомного спирта обладающего повышенной гигроскопичностью, т.е. — условно количество воды, вносимое в реакци-

онную среду со спиртом и выносимое из нее за счет испарения при высокой температуре. Так как первоначальное (или вносимое со спиртом количество воды было невелико, а ее испарение протекало медленно, создавалось "ложное" представление о том, что постепенно снижается электропроводность реакционной среды, которая иногда даже удовлетворительно коррелировалась с протекающим в реакторе процессом переэтерификации. Однако, как и следовало ожидать, кондуктомет-рический анализатор не стал анализатором процесса переэтерификации, а его контроль выполнялся лабораторными методами [5].

Стадия поликонденсации

Синтез смолы (процесс этерификации) протекает при температуре 220-260°С в полупериодическом реакторе (обычно большой единичной мощности — объемом от 5 до 80 м3) при взаимодействии продукта I стадии (переэтерификата 11(ОН)п) с фталевым ангидридом (кислым компонентом в молекулах которого содержится не менее двух карбоксильных групп). Здесь протекают обратимые реакции типа:

О

^Ло-^он^

т Р1(ОН)п + п К2(СООН)т у—— + Н20

^П-о-^он)^

о

с получением олигомеров с разветвленной структурой (основной продукт) и воды, которая непрерывно удаляется из зоны реакции в виде азеотропной смеси с растворителем (ксилолом). Азеотропная смесь конденсируется вне реактора, разделяется пофазно и затем растворитель возвращается обратно в реактор, а вода нейтрализуется и утилизируется.

Не трудно видеть, что скорость подачи фталевого ангидрида в реактор обусловлена скоростью выделения воды, которая не должна вызывать активное вскипание реакционной среды в реакторе, и в то же время является надежным параметром контроля скорости технологического процесса поликонденсации.

Сама реакционная среда в процессе синтеза претерпевает изменение ее вязкости за счет образования пространственных олигомеров. Совокупность этих двух параметров (скорость выделения воды и изменение вязкости) может позволить достаточно оперативно контролировать процесса поликонденсации.

Однако, как и в случае контроля I стадии, процесс этерификации (поликонденсации) не был автоматизирован. Одной из причин этого являлось "желание" разработчиков и производственников контролировать вязкость непосредственно в реакторе [8], где, к сожалению, нельзя осуществить изотермические условия одновременно по всему объему и, кроме того, после проведения 2-3 синтезов, датчик вискозиметра "обрастал" высокомолекулярными продуктами и фактически становился непригодным для целей контроля. Что же касается контроля выделяемой воды, то на завершающей стадии процесса (наиболее важной для получения продукта заданного качества), количество выделяемой воды резко сокращалось и становилось в сотни раз меньше первоначального. Этот параметр позволял косвенно следить за приближением момента окончания синтеза, но не находить его. Последнее требовало находить еще один параметр — остаточную кислотность продуктов реакционной среды. Автоматически контролировать этот параметр не представляло возможности из-за отсутствия необходимой техники и контроль осуществляли с помощью лабораторного титриметрического анализа.

Перечисленные выше трудности часто приводили к получению продуктов не одинакового качества и неодинаковой пригодности для целей последующего применения. Они обладали различной способностью к пленкообразованию (высыханию), различной растворимостью, прозрачностью, цветом и др., что обуславливало значительное колебание продажных цен при одинаковой себестоимости продукции.

i

Спола

Рис. 1.1 Принципиальная технологическая схема реакторного узла процесса получения алкидных смол блочным (а) и азеотропным (б) методами.

1 — реактор; 2 — накопительная емкость; 3 — распылительный абсорбер; 4 — шлемовая труба; 5 — парциальный конденсатор с насадочной абсорбционной колонной; 6 — разделительный сосуд; 7 — конденсатор; 8 — смотровой фонарь; ВОТ — высокотемпературный органический теплоноситель; Т Б рН — автоматические устройства измерения температуры, объемного расхода, рН воды.

На рис. 1.1 показаны принципиальные технологические схемы процессов получения алкидных смол (глифталевых и пентафталевых) блочным и азеотропным методами в реакторах периодического действия. Каждый из этих реакторов можно рассматривать как 1 — реактор каскада из п последовательно соединенных реакторов непрерывного действия.

Синтез сопровождается удалением из зоны реакции воды, за счет испарения, что сдвигает равновесие вправо, а также частичным уносом из зоны реакции паров фталевого ангидрида, способного возгоняться при рабочей температуре процесса. Процессы производства смолы, выполняемые блочным и азеотропным методом, различаются тем, что в первом процессе образующаяся вода отводится из зоны реакции током азота в виде парогазовой смеси, а во втором в виде паро-ксилольной смеси. При этом фталевый ангидрид может захватываться парогазовым (или паровым) потоком и уноситься из зоны реакции. В первом процессе парогазовый поток орошается водой и фталевый ангидрид безвозвратно уносится из

реактора. Во втором процессе парогазовый поток проходит обратный парциальный конденсатор 5 (см. рис. 1.1), на выходе из которого в верхней его части поддерживается температура 105±5°С. Пары азеотропной смеси ксилол — вода (температура конденсации 92°С) проходят через конденсатор 5 беспрепятственно, а пары фталевого ангидрида с избыточным количеством паров ксилола конденсируются с образованием раствора фталевого ангидрида в ксилоле, который самотеком возвращается в реактор. Азеотропная паровая смесь ксилол — вода конденсируется в конденсаторе 7 и затем непрерывно разделяется на два слоя в сосуде 6. Ксилол, составляющий верхний слой, возвращается в реактор 1 через конденсатор 5, а вода (нижний слой), содержащая менее 0.1% фталевого ангидрида, направляется на утилизацию.

Контролируемым и управляемым процессом в обоих процессах является температура в реакторе 1 и на выходе парогазовых потоков из аппаратов 5 и 7. Кроме того, поддерживается стабильным разрежение в абсорбере 3 и конденсаторе 7. Контролируется (но без регулирования) расход ксилола и воды в аппараты 3 и 5 и ксилола и водной фазы на выходе из разделительного сосуда 6, а также реактор рН водного потока на выходе из сосудов 2 и 6. Проводится лабораторный аналитический контроль вязкости (т]) и кислотного числа (КЧ) технологической среды в пробах продукта отбираемого периодически из реактора.

Непрерывный автоматический контроль за скорость протекания процесса (см. рис. 1.1а) осуществить нельзя, так как образующаяся вода уносится с парогазовым потоком и затем поглощается в абсорбере 3 и невозможно проконтролировать ни скорость образования воды, ни количество фталевого ангидрида, уносимого с парогазовым потоком (из-за плохой растворимости в воде), ни брызгоунос из реактора. Такая технология не обеспечивает получение продукта заданного качества, несмотря на то, что лабораторией контролируемая его вязкость и кислотность на соответствие технологическому регламенту. Производственный процесс, протекающий по рассматриваемой схеме, следует отнести к разряду трудноуправляемых, так как качество получаемого продукта в значительной степени зависит от протекания побочных реакций, а периодически замеряемые параметры (вязкость и кислотность) оказываются недостаточными для оценки его качества.

Контроль за скоростью протекания второго процесса (см. рис. 1.16), а также за сохранением количественного соотношения реагентов в зоне реакции может проводиться путем измерения расхода воды (Р) и ее рН на выходе измерительного сосуда 6.

Ниже приведена экспериментально полученная нами зависимость рН водных растворов от концентрации фталевого ангидрида (Сфа) (без учета его гидролиза), полученных разбавлением водой насыщенного раствора [9]; а также выполнением многочисленных титриметрических анализов отходящих вод производства алкидных смол.

Сфа масс % 0.4 0.3 0.2 0.1 0.065 0.050 0.012 0.035 0.028 0.02

рН 3.3 3.4 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.4 6.7

Таким образом, автоматическое регулирование рН отводимой воды воздействием на расход возвратного ксилола может позволить свести к минимуму потери фталевого ангидрида.

На рисунках 1.2а и 1.26 показаны усовершенствованные технологические схемы реакторного узла процесса синтеза алкидной смолы [9]. Принципиальным отличием этих схем от показанной на рис. 1.16 является наличие двух циркуляци-

онных контуров, позволяющих значительно интенсифицировать процесс синтеза и выбирать места установки датчиков автоматических анализаторов вне технологического реактора. Последнее значительно увеличивает возможности по применению автоматических анализаторов для целей контроля за развитием технологического процесса.

Рисунок 1.2а Принципиальная технологическая схема усовершенствованного процесса высокотемпературного синтеза смолы (вариант а)1

1,2 — насосы; 3 — технологический реактор; 4 — кожухотрубный теплообменник; 5 — шлемовая труба циркуляционного контура; 6 — каплеотбойник; 7 — параллельный конденсатор; 8 — насадочный абсорбер; 9, 10 — конденсаторы; 11 — разделительный сосуд; 12 — накопительная емкость

1 Технологические схемы синтеза алкидных смол, показанные на рис. 1.2а, 1.26, а также системы управления ими (см. ниже — гл. 3,4,5) были разработаны при непосредственном участии автора.

цесса высокотемпературного синтеза смолы (вариант б).

1 — реактор; 2, 5 — насосы; 3 — теплообменник; 4 — циклонный смеситель; 6 — парциальный конденсатор-абсорбер; 7 — низкотемпературный конденсатор; 8 — разделительный сосуд; ВОТ — высокотемпературный органический теплоноситель; Т, L, F, рН, — автоматические устройства для измерения соответственно температуры, уровня, расхода, рН технологических сред; ФА — фталевый ангидрид.

Технологические схемы показанные на рис. 1.2а и 1.26 принципиально различаются между собой способами подачи расплава фталевого ангидрида в реактор, а также способами возврата в реактор реакционной среды. На рис. 1.2а показан способ разбрызгивания в верхней части реактора с целью развития поверхности испарения реакционной воды (азеотропной смеси). На рис. 1.26 показан способ интенсивного смешивания смолы, растворителя и фталевого ангидрида под слоем смолы с целью интенсификации реакции поликонденсации во всем объеме реактора. Первый способ (рис. 1.2а) менее подвержен "вскипанию" реакционной среды, второй (рис. 1.26) — более. Однако по второму способу технологический процесс является лучше управляемым и должен способствовать получению более однородной по составу продукции, чем по первому способу. Поэтому, обе технологические схемы имеют равные права на промышленное применение.

Технологический процесс проводится полупериодической схеме (см. рис. 1.2а). В реактор 3 загружают продукты переэтерификации (или переэтерификацию проводят здесь же), а затем вводят непрерывно, растянуто по времени, расплав (или раствор в ксилоле) фталевого ангидрида.

Температура в таком реакторе поддерживается постоянной за счет непрерывного циркулирования части реакционной смеси через теплообменник 4, обогреваемым высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ).

Скорость синтеза смолы зависит от температуры в реакторе, а также от скорости уноса паров воды из зоны реакции. Для ускорения процесса испарения воды в реактор обычно вводят различные устройства. Например, разбрызгиватели различных конструкций, монтируемые в конце трубы 5 и др. Парогазовая смесь содержащая пары воды, ксилола и фталевого ангидрида и выходящая из реактора 3, проходит через каплеотбойник 6, и поступает в парциальный конденсатор 7. Конденсатор представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник в верхней части межтрубного пространства которого должна устанавливаться постоянная температура, равная 100°С, за счет непрерывной подачи горячего водного конденсата при атмосферном давлении. В трубках конденсатора 7 должны конденсироваться компоненты с температурой конденсации выше 100°С, т.е. только пары ксилола и фталевый ангидрид. Пары, близкие по составу к азеотропной смеси (1ч. воды, Зч. ксилола) должны улавливаться в конденсаторе 9.

Конденсат из парциального конденсатора 7, содержащий ксилол и фталевый ангидрид, стекает в обогреваемую накопительную емкость 12, откуда с помощью насоса 1 поступает в циркуляционный контур технологического реактора. Азеотропная смесь, сконденсированная в теплообменнике-конденсаторе 9, стекает в разделительный сосуд 11, где происходит непрерывное гравитационное разделение конденсата на две фазы: нижний слой — водный раствор и верхний слой — ксилол. Растворитель непрерывно возвращается в циркуляционный контур через абсорбер 8, парциальный конденсатор 7 и емкость 12. Нижний водный слой непрерывно отводится из разделительного сосуда 11 через гидрозатвор на обезвреживание и сброс.

Максимальная скорость непрерывного дозирования фталевого ангидрида, в реактор ограничена условиями технологической безопасности протекания процесса (превышение расхода фталевого ангидрида может приводить к вспениванию горячей реакционной среды и выбросу продукта из реактора). Объемная скорость парообразования в реакторе контролируется по перепаду давления на каплеотбой-нике 6 или одновременно на трех последовательно расположенных элементах 6, 7, 8 технологической системы, а также с некоторым запаздыванием по скорости отвода воды из разделительного сосуда 11.

Рис. 1.2в Вариант технологической схемы синтеза алкидных смол без циркуляционного контура реакционной среды.

<3 — тепловой поток от индукционного, электрического или жидкого теплоносителя.

Технологической схемой показанной на рис. 1.26 предусмотрено непрерывное смешивание расплав (раствора) фталевого ангидрида с возвратным растворителем (ксилолом). Такой способ смешения позволяет, во-первых, снизить температуру фталевого ангидрида (ФА) с 135-140°С до 120-125°С (Тпл. фа=130.5°С, Тпл.9о%р-р фа в ксилоле = 120°С), и, во-вторых, обеспечить более быстрое и равномерное смешение ФА с реакционной средой и водоотбирающим компонентом ксилолом (образующим азеотропную смесь).

Реализация технологических схем, показанных на рисунках 1.2а и 1.26 помогает снизить необходимую температуру синтеза с 260°С до 220-230°С не снижая при этом необходимое время синтеза. Поэтому реализация в промышленном масштабе технологических процессов с интенсифицированной технологией, ставит еще более актуально задачу необходимости управления технологическими процессами и особенно — управление качеством получаемой продукции.

Следует заметить, что технологические схемы показанные на рис. 1.2а и 1.26 не охватывают всего многообразия возможностей и условий их реализации в промышленных производствах. Так, например, если в технологических производствах отсутствует возможность иметь обогрев реакционной среды с помощью ВОТ, а только с помощью электроиндукционного обогрева, технологические схемы могут существовать как одноконтурные (без контура циркуляции реакционной среды, а только при циркуляции растворителя, как это было показано на рис. 1.16 или на рис. 1.1в). Но в этом случае автоматизация контроля параметров технологической среды должна сопровождаться автоматизацией пробоотбора непосредственно технологического реактора.

Стадия растворения.

Стадию растворения проводят в горизонтальном емкостном смесителе, снабженным двумя якорными мешалками, расположенными под углом друг к другу [4], и выносным вертикальным кожухотрубным обратным конденсатором, предназначенным для конденсации паров растворителя и возврата их обратно в смеситель. Мы не приводим схему этого аппарата в силу ее тривиальности и уже многолетнего применения не заводах ЛКП.

Перед сливом смолы из реактора в смеситель загружают рецептурное количество растворителей (ксилол, уайт-спирит, сольвент) через жидкостные счетчики. При сливе горячей смолы из реактора, последняя в смесителе смешивается с растворителем и охлаждается. При растворении горячей смолы, растворитель частично испаряется и после конденсации в конденсаторе возвращается обратно в смеситель. Наличие мешалок в смесителе обеспечивает получение равномерной концентрации раствора смолы по всему объему смесителя. Такой способ растворения увеличивает производительность труда (отсутствует стадия охлаждения смолы в реакторе) и обеспечивает более равномерную концентрацию раствора. После окончания слива смолы раствор охлаждают до регламентной температуры и лак "ставят на тип" т.е. доводят концентрацию до заданного значения. Полученный раствор затем перекачивают в отделение фильтрации (стадия 5).

В заключение данного рассмотрения отметим, что анализ этой, в общем, весьма сложной технологической схемы, с целью создания эффективного управления ею значительно облегчается, если ее разбить на ряд типовых модулей и блоков и применить метод гибких производственных систем, что будет показано ниже в главе 5.

1.2 Основные факторы, определяющие ход процесса синтеза алкидов каналы управления им.

Постановка задачи управления процессом.

Процессы производства поликонденсационных синтетических смол являются сложными физико-химическими процессами и с точки зрения автоматического управления представляют собой многомерные и многоемкостные объекты управления, т.е. объекты с большим числом входных и выходных параметров и связей между ними [6].

Входные параметры (ХО характеризуют качество, количество и соотношение исходных компонентов, их температуру, давление и т.п. Все входные параметры должны непрерывно пли периодически контролироваться. Часть параметров может быть использована в качестве управляющих воздействий. Выходные параметры (У*) характеризуют, в основном, качество образующегося продукта, его фи-

зическое и химическое состояние и являются, в большинстве, управляемыми параметрами. Следует отметить, что в силу специфики процессов производства поликонденсационных смол (инерционность, многостадийность и т.п.) выходные параметры одной стадии чисто являются входными для другой. Кроме того, довольно часто как среди входных, так и среди выходных параметров встречаются так называемые комплексные параметры, характеризующие сразу группу каких-либо показателей.

Одним из наиболее сложных вопросов при изучении процессов как объектов управления является выявление определяющих факторов или параметров (как входных, так и выходных). Выбор их обычно производится путем детального изучения механизма процесса, составления его математической модели, применения экспериментальных методов исследования. Математическая модель процесса позволяет выявить важнейшие взаимосвязи его параметров; прогнозировать ход процесса и выдавать рекомендации для оптимальных воздействий на его ход; строить оптимальные системы управления как отдельными стадиями, так и всем процессом; создавать автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) [7-10].

Из 5 стадий технологической схемы производства алкидных лаков на конденсационных смолах центральной и наиболее важной является 3 стадия — поликонденсация. Для создания оптимальной системы управления этой стадией необходимо решить комплекс вопросов, среди которых важнейшими являются: 1) определить главную цель управления на основе анализа закономерностей реакции поликонденсации; 2) выявить основные факторы, влияющие на ход процесса синтеза алкидных олигомеров; 3) оценить возможность их оперативного контроля в ходе процесса; 4) сформулировать способы контроля и управления процессом.

Решение перечисленных задач следует начать с рассмотрения общих закономерностей реакций поликонденсации.

Общие закономерности реакций поликонденсации.

Алкидные и многие другие лаковые смолы получают в результате реакции поликонденсации. В настоящее время реакцию поликонденсации определяют как процесс синтеза олигомеров из двух- или многофункциональных соединений, при котором рост макромолекул происходит путем химического взаимодействия мономеров друг с другом и с п-мерами, накапливающимися в ходе реакции, а также молекул п-меров между собой, причем на любой стадии реакция может быть прервана с получением продуктов заданной степени поликонденсации, т.е. реакция сопровождается гибелью реакционных центров после каждого акта роста полимерной цепи [11-26].

Различают два основных типа реакции поликонденсации: обратимая (равновесная) и необратимая (неравновесная). Большинство поликонденсационных полимеров получают по первому (равновесному) варианту реакции. В связи с этим важной характеристикой реакции синтеза алкидных олигомеров является константа равновесия Кр [14-17].

Основной характеристикой олигомеров с точки зрения их молекулярной структуры является молекулярная масса олигомера М и молекулярно-массовое распределение (ММР). В зависимости от способа усреднения различают среднечи-словую, среднемассовую, г-среднюю и среднегидродинамическую молекулярную массу [11-26]. Среднечисловая молекулярная масса Мп выражается формулой:

N т

Мп = У]тМ1; т =----(1.1)

т\ + т2+...+ты

где ги — числовая доля фракции макромолекул 1-го вида с молекулярной массой Мь N — число фракций; ггц - число молекул в соответствующей фракции.

Среднемассовая молекулярная масса Мш выражается формулой:

N

ЛЛ = 2>М- (1.2)

;=1

где — массовая доля фракции макромолекул 1-ого вида с молекулярной массой Мь

Среднегидродинамические молекулярные массы определяют по данным измерения вязкости (Мг[ — средневязкостная), константы седиментации или коэффициента диффузии, используя эмпирические соотношения [11]:

ы=кцма (1.3)

Б^М1-'5 (1.4)

(1.5)

где [л] — характеристическая вязкость, м3/кг или дл/г, определяемая в капиллярном вискозиметре Освальда-Фенске или Убеллоде [23]; Б — константа седиментации, ед. Сведберга или с/кг; О коэффициент диффузии, м2/с; Кп, Ю, Ка, а и Р — эмпирические константы.

Одним из основных показателей, характеризующих протекание реакции поликонденсации, является степень поликонденсации. Средняя степень поликонденсации Р при проведении реакций определяется следующим соотношением:

N2

где N1 — общее число прореагировавших молекул мономера; N2 — общее число образовавшихся молекул олигомера.

Если при поликонденсации мономеров А и Б число их молей в реакции соответственно равно Ыа и N6, а их соотношение д=№/Мб; то можно получить следующую зависимость для степени поликонденсации [24]:

Р^ (1.7)

1-Я

Характер зависимости Р от я показан на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 Характер зависимости степени поликонденсации от соотношения мономеров

Зависимость степени поликонденсации от соотношения мономеров может быть использована для нахождения приближенного уравнения, связывающего вязкость олигомера с его молекулярной массой М:

где т — молекулярная масса звена; Кп и а — постоянные.

Алкидные смолы получают в результате реакции поликонденсации (поли-этерификации) — для этого необходимо, чтобы исходные спирт и кислота были, по меньшей мере, бифункциональны [24]. Как выше указывалось, особенностью реакции полиэтерификации является то, что она протекает ступенчато: на каждой последующей ступени образуется продукт с молекулярной массой большей, чем на предыдущей.

Скорость реакции поликонденсации наиболее удобно выражать через концентрации реагирующих функциональных, т.е. реакционноспособных, групп и определять, например, по скорости исчезновения карбоксильных групп — -

Из вышесказанного следует два практически важных вывода:

• регулирование важнейшей характеристики смолы — средней молекулярной массы можно осуществлять изменением соотношения исходных компонентов; при этом реакция протекает до полного исчезновения компонента, взятого в меньшем количестве, а на концах образовавшихся макромолекул будут находиться только функциональные группы компонента, взятого в избытке (многоатомный спирт — для лаковых конденсационных смол), в результате прекращается дальнейшая поликонденсация;

• из ступенчатого характера реакции поликонденсации следует, что завершение процесса поликонденсации в тот или иной момент в наибольшей степени определяет свойства синтезируемого олигомера (молекулярную массу, молекулярно-массовое распределение, содержание остаточных функциональных групп и т.п.) и, таким образом, обусловливает важнейшую задачу управления промышленным процессом синтеза поликонденсационных смол.

И=КлМа=Кч(тР)'

,а

(1.8)

ё[СООН]/<к [24,25]. -д[СООН]/с1т = к[СООН]2[ОН]

Фактор вязкости.

Вязкость является важнейшим технологическим параметром качества в производстве олигомеров, полимеров и различных продуктов на их основе. Это обусловлено тем, что вязкость зависит от молекулярной массы и концентрации вещества, а также от структуры его в растворе и расплаве [25,26]. Поэтому в промышленности широко принято по результатам измерений вязкости контролировать ход отдельных стадий процессов получения и переработки полимеров [27-33].

Различают понятия "вязкости растворения", когда речь идет о вязкости раствора, и "вязкости плавления", когда речь идет о вязкости расплава (жидких) смол при высоких температурах. При этом очень важно найти метод, позволяющий высчитать по найденным показателям вязкости плавления, значения вязкости растворения и наоборот [30,31].

В расплавах и концентрированных растворах образуются сложные структуры [25-31], вследствие чего отдельные макромолекулы не могут перемещаться независимо друг от друга. Течение макромолекулы происходит путем перемещения сегментов, размер которых определяется лишь строением (гибкостью) полимера и термодинамическими условиями течения и не зависит от длины цепи [25-27]. Для определения течения необходимо последовательное перемещение сегментов цени, которое все более затрудняется по мере увеличения ее длины, особенно при наличии перепутанных цепей. Экспериментально установлено [27], что для всех полимеров со среднемассовой длиной цепи N, превышающей некоторую критическую длину №<р имеет место соотношение:

трФ(Т)№-4 (1.9)

где Ф(Т) - некоторая функция температуры.

Для олигомеров с N < NKp наблюдается приближенная пропорциональность г| величине N в более низкой степени. Столь сильную зависимость вязкости от среднемассовой молекулярной массы М при М > Мкр связывают с так называемыми "зацеплениями" макромолекул и их ассоциатов и образованием лабильной пространственной сетки.

Зависимость вязкости концентрированных растворов полимеров от их молекулярной массы выражается, как и для самих полимеров, формулой (1.9), в которой Ф зависит еще и от концентрации. Значение NKp для данного полимергомоло-гического ряда изменяется обратно пропорционально концентрации, т.е. произведение vNkp (где v - объемная доля полимера в растворе) постоянно.

Экспериментально установлена высокая корреляция между концентрацией полимера в растворе и ею вязкостью [29-31]. Одна из таких корреляций имеет вид [31]:

Lg т] =КСа (1.10)

где С — концентрация; К и а — постоянные для данной пары "полимер-растворитель".

Тот факт, что выражение (1.9) является произведением двух функций, одна из которых зависит от температуры, а другая — от длины цепи, свидетельствует о том, что течение макромолекул совершается путем активационного диффузионного перескока полимерных сегментов, являющимся общим для всех членов поли-мергомологического ряда. Этим объясняется наличие общего температурного фактора для цепей различной длины [27].

При температурах, существенно превышающих температуру стеклования, когда свободный объем становится достаточно большим, определяющее влияние

на зависимость вязкости жидкости (в том числе и полимерной) от температуры оказывает переход молекул из одного равновесного состояния в другое, связанный с преодолением потенциального барьера.

Активационная теория Френкеля-Эйринга [26] приводит к следующему выражению для температурной зависимости вязкости, справедливому для не слишком низких интервалов температур:

Л = А exp (E/RT) (1.11)

где А — константа, зависящая от молекулярной массы; Е — энергия активации вязкого течения; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Температурная зависимость вязкости растворов полимеров также описывается формулой (1.11), в которой Е определяется не только температурой, но и концентрацией, а предэкспоненциальная константа становится функцией М и С [32].

Таким образом, следующими ключевыми факторами, определяющими ход процесса синтеза поликонденсационных смол, являются факторы температуры, энергии активации вязкого течения и концентрации растворов.

Фактор температуры

Интегрирование классического уравнения Аррениуса для константы скорости реакции в температурном интервале от Ti до Тг приводит к формуле:

где ki, кг — константы скорости реакции при этих температурах; Н — тепловой эффект реакции; R — газовая постоянная.

Обычно процесс поликонденсации проводят при повышенной температуре, причем верхний предел температуры реакции ограничивается возможностью протекания нежелательных побочных реакций (деструкции, декарбоксилирования и

ДР-)-

Температурные зависимости вязкости растворов и расплавов алкидных оли-гомеров подчиняются экспоненциальному уравнению Френкеля-Эйринга (1.11).

Из (1.11) и (1.12) следует важное для управления процессом синтеза соотношение между температурой и вязкостью смеси [33].

Л(Т) = г|(То) ехр [В(1/Т-1/То)] (1.13)

где т](Т), т)(То) — вязкость соответственно при температуре Т и То ; В — температурный коэффициент вязкости.

Для многокомпонентных систем зависимость (1.13) может быть применена условно, но только для узкого интервала температур, определяемого экспериментально. Температурную зависимость вязкости для более широкого интервала температур получить можно только для смесей, подчиняющихся закону Ньютона [34,35].

Важность температурного фактора для управления процессом синтеза лаковых, смол иллюстрируется рис 1.4 на котором показана типичная температурно-временная программа хода процесса синтеза алкидных смол [8].

Фактор энергии активации вязкого течения.

Влияние температуры Т и среднечисловой длины цепи N на энергию активации Е вязкого течения в зависимости Френкеля-Эйринга (1.11) приближенно описывается эмпирическим уравнением [29]

е*р( %) (1.14)

Та

где а, Р и В — постоянные для данного типа полимера.

Исследования показали, что для полимеров с длинными цепями, у которых N > Мкр, а N11 такого, что энергия активации течения практически мало зависит от молекулярной массы и молекулярно-массового распределения, стремясь к асимптотическому пределу, который в данном случае достигается при М« 14000 [29]. Энергия активации Е, зависящая от природы макромолекул, составляет величину от 25 до 250 кДж/моль (6-60 ккал/моль). Однако этот вывод может оказаться недостаточно обоснованным в случае олигомеров, к которым относятся лаковые смолы.

ехр|

Рис. 1.4 Температурно-временная программа синтеза лаковых алкидных смол

АБ — загрузка исходных компонентов; БВ — нагрев реакционной смеси; ВГ — стадия переэтерификации; ГД — охлаждение реакционной смеси; ДЕ — загрузка фталевого ангидрида; ЕЖ — нагрев реакционной смеси; ЖЗ — стадия поликонденсации; ЗИ — охлаждение смолы.

Кислотное число процесса синтеза.

В процессе синтеза алкидов обычно периодически проверяют кислотное число (КЧ) и вязкость. Кислотное число характеризует полноту реакции полиэте-рификации, т.е. степень израсходования фталевого ангидрида и определяется числом мг КОН, необходимого для нейтрализации 1г нелетучей части алкида:

КЧ = 56*100 екЛ^со (1.16)

где ек — число оставшихся в сухом остатке смолы кислотных эквивалентов; \Усо — масса сухого остатка, г.

Вязкость раствора алкида дает условное представление о среднем молекулярном весе и строении олигомера. Алкид с оптимальными свойствами должен иметь заданную вязкость [36]. Для удобства контроля за процессом рекомендуется строить графические зависимости логарифма вязкости от КЧ смолы в процессе синтеза. По полученным кривым можно наглядно представить процесс синтеза алкида и периодически его контролировать. Чрезмерное или резкое повышение вязкости указывает на нарушение заданного режима синтеза.

Другой способ контроля синтеза алкидов состоит в построении зависимости КЧ от величины обратной вязкости. Такой эмпирически построенный график представляет собой прямую линию и дает возможность рассчитать методом экстраполяции КЧ алкида в момент желатинизации (гелеобразования) по величинам КЧ и вязкости на более ранних стадиях процесса [37].

Опыт показывает, что если закончить синтез алкида при достижении КЧ на 5 единиц больше, чем в момент желатинизации, и если точно выдержана рецептура и процесс синтеза проведен правильно, то такой алкид будет обладать достаточно высокой вязкостью и хорошими пленкообразующими свойствами. Отсюда следует, что для достижения оптимальной величины КЧ, достаточно не допускать доведения синтеза до момента желатинизации КЧ на 5 единиц.

Если рассчитанное для момента желатинизации КЧ окажется слишком высоким (что указывает на незаконченность реакции), необходимо произвести своевременную (а не в конце процесса) корректировку рецептуры алкида. Изменение рецептуры необходимо произвести и в том случае, если рассчитанное для момента желатинизации КЧ будет иметь отрицательное значение, что указывает на невозможность практического достижения желатинизации независимо от продолжительности синтеза. Таким образом, КЧ является существенным фактором, определяющим ход процесса синтеза алкидов.

Способы контроля и управления.

Из анализа рассмотренных выше основных факторов, определяющих ход процесса синтеза алкидов, можно наметить основные способы контроля и управления процессом, исходя из его физико-химической сущности. Итак, активно воздействовать на ход процесса синтеза алкидов можно следующими путями [4,11]:

• изменением соотношения исходных компонентов (т.е. своевременной корректировкой рецептуры лаковых смол) можно заранее спрогнозировать и регулировать молекулярную массу получаемого продукта (однако этого не следует делать на завершающей стадии синтеза).

• управлять свойствами получаемого продукта можно прерыванием реакции поликонденсации в тот или иной момент времени; при этом можно использовать следующие приемы: а) введение в реакцию в нужный момент однофункциональ-

ного компонента; б) снижение функциональности одного из компонентов в процессе реакции; в) охлаждение реакционной смеси до температуры, при которой функциональные группы компонентов теряют способность взаимодействовать между собой.

• процессы этерификации и полиэтерификации контролируются по изменению концентрации свободных карбоксильных групп в реакционной массе, которая оценивается кислотным числом КЧ.

• при получении алкидов, содержащих непредельные жирные кислоты, процесс может осложниться полимеризацией по двойным связям жирнокислотных остатков, приводящей к дополнительному увеличению молекулярной массы и вязкости продукта за счет конкурирующих реакций. Поэтому процесс контролируют по вязкости реакционной массы.

1.3 Типовые методы и схемы контроля и регулирования технологических процессов получения лаковых смол.

В настоящее время накоплен определенный опыт в создании методов и схем контроля и регулирования технологических процессов в производстве поликонденсационных смол [38-46].

Регулирование процесса загрузки исходных компонентов.

В соответствии с последовательностью стадий технологического процесса получения лаковых смол первой проблемой с точки зрения построения АСУТП является автоматизация и регулирование загрузки исходных компонентов для синтеза этих смол. Различают два способа загрузки сырья в процессах синтеза лаковых смол: одноразовая загрузка и постепенная загрузка по ходу процесса синтеза. Для процессов синтеза алкидных смол характерна одноразовая загрузка масла и многоатомного спирта и непрерывное дозирование фталевого ангидрида.

Кроме периодичности для производства лаковых смол характерна многоас-сортиментность, причем из ограниченного числа исходных реагентов можно получить различные марки смол одного типа, например, алкидных. следует также отметить, что характеристики исходных компонентов, такие, как влажность, а для некоторых даже функциональность, изменяются для различных марок и партий сырья. На производстве может также возникнуть необходимость в синтезе смолы по резервной рецептуре с заменой отдельных компонентов, используемых в основной рецептуре.

Вследствие этого возникает необходимость создания такой автоматизированной системы загрузки исходных компонентов, которая могла бы оперативно рассчитывать загрузочную рецептуру по текущим характеристикам исходного сырья и осуществлять подачу этого сырья в реактор в рассчитанных количествах и заданной последовательности. Это означает, что автоматизированная система управления загрузкой (АСУЗ) должна включать узел автоматизированного (или автоматического) расчета рецептур (УАРР) и блок автоматического управления загрузкой (БАУЗ), последний необходим в том случае, когда устройство автоматического расчета рецептур представляет собой обычную вычислительную машину (ЭВМ). При этом параметры рассчитанной рецептуры вводятся с помощью перфоленты в БАУЗ, который, в свою очередь, выдает управляющие сигналы на задат-чики дозаторов; система автоматической загрузки может также быть реализована с использованием управляющих вычислительных машин (УВМ) [23,24].

Регулирование температурного режима синтеза лаковых смол.

Автоматизированная система загрузки как при одноразовой загрузке, так и при постепенной обеспечивает требуемый состав реакционной смеси, которая затем превращается в готовый продукт — лаковую смолу — при создании в реакторе соответствующих гидродинамического и теплового режимов.

Гидродинамический режим обусловливается выбранной конструкцией аппарата и обычно не регулируется в процессе синтеза из-за отсутствия возможности менять скорость вращения мешалки на действующих аппаратах. Поэтому регламентными данными при периодическом режиме синтеза задается только темпера-турно-временная программа (ТВП) синтеза (см. рис. 1.4), а при полупериодическом процессе максимально допустимая или в некотором смысле оптимальная температура в реакторе. Как при периодическом, так и при и полупериодическом процессе получения лаковых смол регулирование температуры реакционной мае-

сы следует вести с учетом изменения физико-химических и теплофизических свойств реакционной смеси в процессе синтеза.

Типовые схемы автоматического регулирования температуры в различных реакторах синтеза лаковых смол подробно рассмотрены в литературе по автоматизации производств ЛКМ и, в частности в монографии [8]. В качестве примера на рисунке 1.5 приведена одна из характерных схем автоматического регулирования температуры реакционной смеси в реакторе синтеза основы лака ПФ-060.

Следует заметить, что в реакторе синтеза желательно поддерживать одинаковую температуру по всему объему реакционной среды с целью минимизации возможности протекания побочных или обратных реакций. Это обычно достигается интенсивным перемешиванием и подачей возвращаемого растворителя (ксилола) под слой реакционной среды на различные ее глубины; или иными методами, например, путем интенсивного распыления возвратного растворителя с помощью гидроциклона.

Регулирование показателей качества в процессе синтеза лаковых смол.

Системы регулирования температурного режима хотя и являются доминирующими при регулировании технологических режимов синтеза лаковых смол, но при наличии соответствующих приборов-анализаторов качества дополняются блоками регулирования качественных показателей.

Рис. 1.5 Схема автоматического регулирования температуры реакционной смеси в

реакторе синтеза основы лака ПФ-060

где ПЗ — программный задатчик; САН — система автоматического изменения параметров настройки регулятора; РУ — регулирующее устройство; БС — блок сравнения; ИМ — исполнительный механизм; РО — регулирующий орган; БО, Б1 — параметры настройки регулятора; 0 — температурное воздействие; Т — прибор контроля реакционной массы.

Процесс поликонденсации при синтезе алкидных смол (см. участок ЖЗ на рис. 1.4) можно контролировать по изменению вязкости реакционной массы [36, 37], так как на стадии поликонденсации происходит доведение смолы до заданной молекулярной массы, которая, как известно, при строгом соблюдении условий процесса коррелируется с вязкостью смолы на рассматриваемой стадии [23].

Другой показатель, характеризующий реакцию поликонденсации, — это так называемое кислотное число (КЧ), т.е. число кислотных эквивалентов в сухом остатке смолы. Известно [36], что кислотное число условно взаимосвязанно с вязкостью смолы, поэтому, контролирую вязкость, мы тем самым косвенно контролируем и кислотное число, хотя последний параметр должен обязательно периодически контролироваться.

Лабораторный анализ вязкости и КЧ продуктов синтеза лаковых смол заключается в следующем [5]:

Анализ вязкости:

Синтез смолы протекает при температуре 240-260°С, лабораторный анализ выполняется при температуре 20°С. Для этого отбирается проба продукта (содержащая 2-3% растворителя); открыто на воздухе транспортируется в лабораторию; отвешивается на весах (или отмеряется по объему) заданное количество пробы, разбавляется (как и при последующей "постановке на тип") растворителем в соотношении 6:4; охлаждается до 20 ±0.5°С; и затем определяется по секундомеру время истечения полученного раствора из вискозиметра ВЗ-4 с отверстие истечения 4 мм.

Не трудно заметить на какой из стадий такого анализа могут возникать как субъективные, так и объективные и при этом значительные ошибки, — это выдерживание соотношения смола-растворитель (при изменении концентрации растворителя на «5% вязкость раствора изменяется - 2 раза); точное соблюдение температуры (вязкость связана с температурой логарифмической зависимостью); и др. По этим причинам на результаты лабораторного вискозиметрического анализа могут оказывать существенное влияние субъективные факторы (что часто и наблюдается на практике).

Лабораторный титриметрический анализ (определение КЧ) проводят следующим образом.

Отбирают пробу продукта из аппарата синтеза при температуре 240-260°С; отмеряют (обычно по весу или по объему) заданное количество горячей смолы, растворяют в холодном гидрофильном растворителе с индикатором и титрируют водным раствором до слабощелочной или нейтральной среды.

Этот анализ выполняется значительно точнее вискозиметрического и при этом ошибки могут появиться только при дозировании пробы.

Следовательно, выполнение лабораторных анализов (особенно вискозиметрического) является сдерживающим фактором в потоке информации о развитии технологического процесса. Именно запаздывание достоверной информации является одной из основных причин нарушений технологических режимов и вызывает тем самым необходимость корректировки рецептур или "исправление" полученного продукта (см. ниже).

Таким образом, возникает проблема эффективного контроля вязкости в реальном масштабе времени, решение которой позволит выходной сигнал вискозиметра подавать также в систему регулирования тепловым режимом для перехода к режиму охлаждения (см. участок ЗИ на рис. 1.4).

Следует отметить, что качество конечного ЛКМ зависит не только от того, какими параметрами (вязкость, КЧ) обладает полученная при синтезе основа ЛКМ. Очень важным показателем является не только вязкость, но и характер ее изменения в процессе синтеза ЛКМ. Так в ЛКП достаточно известны приемы, например, "разваривание" или "доваривание" смолы при некачественно проведенном синтезе. "Разваривание" или "доваривание" — это недоброкачественный метод исправления рецептуры при тех или иных ошибках загрузки сырья или проведения синтеза, заключающийся в подмешивании в синтезированную смолу с пониженной или повышенной вязкостью и нормальным КЧ еще некоторого количества исходных реагентов способствующих ускорению образования пространственных структур или простому разбавлению смолы. Бесконтрольное проведение таких корректировок рецептуры низкоквалифицированными специалистами-рецептурщиками (например, аппаратчиками синтеза, часто даже не обладающими высокой квалификацией) и при практическом отсутствии надлежащего контроля качества (ре-

цептуры), приводит, как правило, к значительным убыткам за счет рекламаций на качество проданной продукции. Ведь полученная основа ЛКМ, подвергвшаяся "развариванию" или "довариванию" при заданных значениях вязкости и КЧ, содержит, как правило, в своем составе как низкомолекулярные фракции, так и фракции с повышенной молекулярной массой. Т.е. такой продукт часто и плохо высыхает на окрашиваемой поверхности, и плохо растворяется в разбавителях, образуя гелеобразные частицы, снижающие декоративные свойства окрашенных поверхностей, и др.

По этой причине контроль вязкости и КЧ синтезируемых ЛКМ должен осуществляться либо непрерывно, либо достаточно часто, но с обязательной графической интерпретацией получаемых результатов в координатах: вязкость-время; КЧ-время. В этих условиях лабораторный контроль, даже самый объективный, но выполняемый 1 раз в час или 0.5 часа, не гарантирует получение руководителем производства достоверной информации о произведенной продукции, если такая отягощена субъективными факторами. Время выполнения единичного лабораторного анализа вязкости, с учетом времени на отбор и подготовку пробы, составляет 25 минут, КЧ — 15 минут. Любые попытки сократить такие затраты времени на лабораторный анализ приводили, как правило, к негативным последствиям.

1.4 Автоматизация контроля качества реакционной среды в процессах синтеза лаковых смол.

Одной из основных причин, затрудняющих реализацию эффективного управления процессами производства поликонденсационных синтетических смол, является отсутствие непрерывной (в реальном масштабе времени) информации об основных параметрах, характеризующих качество и состав продуктов, и в связи с этим — недостаточная изученность свойств этих процессов как объектов управления. Поэтому важнейшей задачей в области создания высокоэффективных систем управления процессами, является определение возможности получения непрерывной информации о различных параметрах технологических процессов и качестве получаемого продукта [6]. Многочисленные попытки автоматизации контроля вязкости лаковых смол в процессе их синтеза оканчивались неудачей [7,8], полуавтоматические приборные измерения вязкости оказывались, как правило, нестабильными, что затрудняло поиски возможных путей автоматизации.

Следует отметить, что при температуре синтеза (240-260°С) вязкость реакционной среды является малоинформативным параметром, так как ее значения колеблются от нескольких долей до единиц Па скг/м3. И только на самом "хвосте" синтеза этот параметр начинает резко возрастать даже при таких высоких температурах. Это также явилось одной из причин неудачных попыток автоматизации контроля этого параметра традиционными методами.

Решение этой задачи для производства синтетических поликонденсационных смол также осложняется специфическими свойствами реагентов и получаемых продуктов. В производстве алкидных смол таким осложняющими факторами являются: сложный механизм химических превращений, многокомпонентность сред, непрерывное изменение во времени всех физико-химических характеристик (плотности, вязкости, температуры, молекулярно-массового распределения и т.п.), причем ситуация осложняется еще тем, что получаемые продукты, как правило, обладают способностью к налипанию на стенках технологического оборудования и особенно — на поверхность чувствительных элементов приборов.

В связи с этим при разработке систем автоматизированного управления процессами первостепенную роль играют вопросы сохранения информативности датчиков приборов [47-56].

Как будет показано ниже, нами была сделана попытка выполнить три основных требования при решении задачи автоматизации вязкости:

• проводить измерения вязкости реакционной среды без введения в нее раствори-

• проводить измерения вязкости при заранее выбранной температуре, но ниже температуры в реакторе с целью обеспечения высокой информативности каждого результата измерений;

• сохранять идеальную чистоту чувствительного элемента прибора на протяжении всего периода проведения измерений (межпроверочный период составляет 1 год) независимо от количества проведенных синтеза и ассортимента произведенной продукции.

Существует много экспериментальных методов измерения вязкости жидкостей [33, 47-54]. Среди них можно выделить следующие методы [49]: истечения (капиллярные); падающего тела; ротационные; вибрационные; гидродинамические релаксационные [48]. Наибольшее распространение в практике автоматического технологического контроля получили два метода: ротационный и вибрационный. Ротационные вискозиметры применяют для измерения вязкости в интервале от 103 до 102 па-с [33, 53, 54].

Принцип действия ротационных вискозиметров основан на измерении какого-либо параметра вращения в контролируемой жидкой среде подвижного тела относительно неподвижного под действием постоянного вращающего момента силы. Измеряемым параметром вращения может быть число оборотов вращающегося тела в единицу времени, время поворота тела на определенный угол; электрическая мощность, затрачиваемая на вращение тела. На поверхности подвижного (вращающегося) тела, погруженного в жидкость, возникают вязкие силы сцепления между жидкостью и материалом этой поверхности, которые препятствуют перемещению поверхности тела в жидкости.

Этот метод измерения вязкости для решения поставленной нами задачи был отвергнут по причине того, при снижении температуры контролируемой среды (до температуры измерения), крайне трудно обеспечить изотермические условия среды находящейся в зоне действия чувствительного элемента, и сохранить при этом "идеальную чистоту" последнего (отсутствие продуктов налипания на поверхности).

Вибрационный низкочастотный вискозиметрический метод анализа.

Данный метод анализа технологических сред получил широкое применение, несмотря на то, что в отличие от ротационной вискозиметрии позволяет измерять не саму вязкость, а некоторую величину Ф, пропорциональную произведению вязкости на плотность [28, 48]:

Из вибрационных вискозиметров наибольшее распространение в химической промышленности имеют вискозиметры тина ВВН, разработанные в Воронежском НПО "Химавтоматика".

телеи

(1.17)

На рис. 1.6 показана принципиальная схема датчика вибрационного вискозиметра типа ВВН. Чувствительный элемент датчика вибрационного вискозиметра представляет собой стержень-зонд 1, разделенный мембраной 2 на две части. Нижняя часть стержня-зонда (под мембраной) имеет эллиптическое сечение 4x5 мм; длина нижней части стержня-зонда в различных модификациях датчика изменяется от 70 до 120 мм. Эта часть чувствительного элемента выполнена в виде полированного стержня из стали Х18Н10Т. Верхняя (надмембранная) часть стержня-зонда изготовлена из магнитострикционного материала.

В датчик вибрационного вискозиметра (в катушку 3 электромагнитного возбуждения) непрерывно поступает ток частотой 380 Гц, который возбуждает продольные колебания стержня-зонда. Амплитуда колебаний зависит от сопротивления, которое испытывает нижняя часть стержня-зонда, погружаемая в контролируемую среду, т.е. от вязкости этой среды. В катушке 4 взаимной индукции возбуждается индукционный ток, величина которого пропорциональна амплитуде колебаний стержня-зонда, т.е. обратно пропорциональна вязкости контролируемой среды. В основу действия вискозиметров типа ВВН (ВВН-3; -ЗМ; -4; -5; -5М; -6) положена схема возбуждения колебания стержня-зонда с постоянной амплитудой, т.е. они построены по схеме, обеспечивающей наведение постоянной ЭДС в катушке 4 путем регулирования силы тока, проходящего через катушку возбуждения 3 [28]. В этом случае сила тока, проходящего через катушку 3, оказывается пропорциональной вязкости контролируемой среды. Электрическая схема, примененная в вискозиметрах типа ВВН, имеет то достоинство, что при изменении температуры амплитуда силы тока, возбуждающей колебания зонда, остается пропорциональной силе тока в катушке 3, что исключает необходимость введения в электроизмерительную схему дополнительного термокомпенсационного узла. Однако это не означает, что колебания температуры контролируемой среды не будут отражаться в результатах измерений вязкости (см. уравнение (1.13)).

При наличии наростов на поверхности стержня-зонда, совершающего высокочастотные колебания, образующиеся волны практически гасятся в этой пленке-наросте, и прибор становится нечувствительным к изменению вязкости контролируемой жидкости. Низкочастотный зонд колеблется вместе с пленкой-наростом, что создает значительно меньшую дополнительную погрешность анализа, обусловленную изменением размера зонда за счет нароста. По этой причине наибольшее применение находят низкочастотные вибрационные вискозиметры, работающие на частотах ниже 103 Гц. Такие вискозиметры, как ВВН-ЗМ; 5; 5М; 6 работают на частоте 380 Гц.

Наличие в вибрационных вискозиметрах чувствительного элемента имеющего форму полированного тонкого стержня-зонда, открывает широкие возможности для обеспечения изотермических условий в контролируемой среде в любой момент времени и при этом позволяет постоянно поддерживать идеально чистой его поверхность. Такой чувствительный элемент практически не обладает тепловой массой и будучи погруженным в контролируемую и хорошо перемешиваемую жидкость, практически не имеет температурного градиента по длине.

Рис. 1.6 Принципиальна схема датчика вибрационного вискозиметра типа ВВН.

где 1 — стержень-зонд, погружаемый в контролируемую среду; 2 -разделительная мембрана; 3 — катушка электромагнитного возбуждения; 4 -катушка взаимной индукции; 5 — корпус.

Рис. 1.6 Принципиальна схема датчика вибрационного вискозиметра типа ВВН.

где 1 — стержень-зонд, погружаемый в контролируемую среду; 2 -разделительная мембрана; 3 — катушка электромагнитного возбуждения; 4 -катушка взаимной индукции; 5 — корпус.

Указанное выше явилось причиной выбора нами вискозиметра типа ВВН-6 в качестве основного измерительного устройства для автоматизированной системы вискозиметрического контроля лаковых смол. Вискозиметр ВВН-6 был специально разработан для решения рассматриваемой задачи. Его применение было апробировано в ряде производств алкидных лаковых смол ЛКП в составе комплекса технических средств "Алкид-39" и "ГАЛС", о которых речь пойдет ниже.

Использование микропроцессоров в аналитической системе вискозиметрического контроля.

Наиболее надежным способом устранения любых гидродинамических и температурных флуктуаций жидкости, мешающих вискозиметрическому анализу, является ее идеальное перемешивание и затем остановка потока на время измерений. Хотя измерению такой способ преобразования пробы контролируемой среды и усложняет контроль и требует введения в аналитическую систему дополнительных элементов управления, однако является надежным и окупает затраты на его реализацию.

Во всех случаях измерений датчик вискозиметра должен быть совмещен с охлаждаемой ячейкой в которой жидкость подвергается интенсивному и идеальному перемешиванию с целью гарантированного обеспечения ее изотермичности в любой момент времени. В этой ячейке должно быть обеспечено обтекание чувствительного элемента (ЧЭ) вискозиметра потоком контролируемой среды со скоростью не менее 0.3 м/с и под углом к его оси 30-45°, с целью динамической очистки его поверхности контролируемой средой от возможных отложений. Измерения должны проводиться при наперед заданной температуре или при ряде значений температуры в условиях остановленного потока, в течение 10-15 е., при которых в измерительной ячейке в зоне чувствительного элемента должны быть сохранены изотермические условия, а ряд последовательных воспроизводимых измерений дополнительно обеспечит (или подтвердит) их надежность. Можно выбрать любой интервал снижаемых температур, при которых будут производиться измерения, в зависимости от цели использования получаемой информации.

Функции командного прибора при проведении таких измерений способен выполнять микропроцессор, в котором совмещены функции логического микроконтроллера и микроЭВМ, а также другие устройства, с помощью которых можно проводить выборку информации из массива результатов измерений синхронно с подачей управляющих команд на элементы системы контроля и управления.

Использование микропроцессора в составе автоматических систем вискозиметрического анализа позволяет исключить влияние внешних факторов на результаты измерений, которые проявляются в основном при анализе жидкостей средней или повышенной вязкости.

Микропроцессор в аналитической системе вискозиметрического контроля обеспечивает отбор, запоминание и выдачу в систему управления только той информации, которая отвечает заданной температуре, т.е. выдаваемая информация соответствует результатам анализа, проведенного в изотермических условиях.

Наличие микропроцессора в аналитической системе позволяет также получать информацию о вязкости контролируемой среды при различных температурах и соответственно находить температурный коэффициент вязкости В (см. уравнение 1.13)), сравнивать эту информацию с аналогичной, полученной с использованием эталонных образцов, и затем с помощью ЭВМ или иным оперативным путем разрабатывать программы для системы управления технологическим процессом.

Вискозиметрический метод контроля процессов растворения смол при получении лаков.

Как было отмечено выше, вибрационные вискозиметры типа ВВН обладают уникальной (для данного класса приборов) способностью реагировать на неоднородность среды, находящейся в непосредственной близости от чувствительного элемента вискозиметра. Это, казалось бы, отрицательное явление, препятствующее проведению измерений, выявило новые области применения вибрационной вискозиметрии, а именно, позволяет проводить оперативный контроль за скоростью перехода вязких эмульсий в растворенное состояние.

Синтезируемые олигомеры и полимеры представляют собой смесь продуктов, которые могут значительно различаться по физическим и химическим свойствам. Например, алкидная смола это смесь компонентов с относительными молекулярными массами от 650 до 40000 и более, средняя молекулярная масса смолы не превышает 10000. В ходе синтеза смолы по мере увеличения содержания высокомолекулярных компонентов формируются конгломераты, ассоциаты и другие надмолекулярные структуры, которые становятся основой для образования сгустков каучукоподобного вещества. Смола, содержащая такие компоненты, имеет низкое качество.

Если в синтезируемом продукте начнется гелеобразование, его качество можно восстановить только путем выделения гелеобразных компонентов из массы смолы методом суперцентрифугирования. Этот процесс значительно повышает себестоимость продукта, резко увеличивает непроизводительные потери и создает дополнительные технологические и экономические затраты, а также создает дополнительны сложности по утилизации отходов производства. Смола такого качества имеет низкий потребительский спрос. Поэтому очень важно проводить синтез смол таким образом, чтобы их средняя молекулярная масса достигала заданного значения и при этом не образовывалось бы никаких надмолекулярных структур.

Время начала образования сгустков реакционной смеси зависит от многих факторов и, в частности, от характера введения в реактор фталевого ангидрида и вывода из реактора паров растворителя в зону реакции (на поверхность смолы, под слой смолы путем распыления в жидкую фазу с помощью гидроциклона под давлением или самотеком, и т.д.). Наибольшая вероятность образования надмолекулярных структур проявляется на "хвосте" процесса синтеза при резком нарастании вязкости синтезируемого продукта или при исправлении ошибок синтеза (при "разваривании"). Поэтому правильно организованный вискозиметрический контроль и управление технологическим процессом на основе такого контроля позволит резко изменить "технологическую культуру" производств ЛКМ, значительно сократить потери и обеспечить получение продукции высокого качества при понижении ее себестоимости.

На стадии "Постановка смолы на тип", т.е. на стадии растворения смолы, важнейшим является контроль за протеканием этого процесса, который может быть осуществлен с помощью вибрационного вискозиметра, как и на стадии синтеза. Следует отметить, что на этой стадии технологического процесса получаемые результаты измерений вязкости последовательно отбираемых порций контролируемой среды вначале значительно различаются между собой, как в ту, так и в другую сторону, за счет того, что раствор в смесителе остается некоторое время неоднородным и в вискозиметрическую ячейку попадают порции эмульсии или растворов различной концентрации. Однако по мере завершения процесса растворения, результаты измерения все более выравниваются, характеризуя тем самым степень завершенности процесса.

Стабилизация результатов указывает на качественно проведенный синтез, остаточные же колебания результатов измерений указывают на наличие гелей в составе раствора (лака).

Аналогично, минимальные затраты времени на растворение смолы до момента стабилизации результатов измерений вязкости указывают на качественно проведенный синтез, "затягивание" процесса растворения указывает на повышенное значение средней молекулярной массы продуктов синтеза.

Нетрудно заметить, что использование в программе управляющей ЭВМ логической подпрограммы, позволяет косвенно характеризовать качество проведения отдельны стадий технологического процесса и выдавать рекомендации по условия проведения дальнейших его стадий (фильтрация, центрифугирование), а также — оценивать качество работы операторов технологического процесса и выдавать рекомендации по дальнейшему использованию полученного продукта (в виде лака; для получения эмалей светлых или темных тонов; и др.)

Связь вискозиметрического контроля технологического процесса синтеза смолы с ЭВМ позволит не только пополнять оперативную память последней, но и прогнозировать развитие технологического процесса на 0.5-1 час вперед и, следовательно, своевременно закончить процесс, не допуская появления и развития отрицательных показателей качества получаемой продукции.

Для полного решения проблемы автоматизации производства алкидных ЛКМ, конечно, не достаточно решения вопросов контроля вязкости и создания системы управления производством на базе ЭВМ. Также должны быть решены проблемы автоматизации контроля переэтерификации, титриметрического контроля КЧ с автоматическим отбором проб смолы при температуре выше 200°С, вопросы автоматического контроля и управления скоростью процесса синтеза при оптимальных затратах времени на это и ряд других задач.

Возможность, реальность и пути решения этих и других задач нашли свое отражение в монографии [9], однако выходят за рамки настоящей диссертации и поэтому ниже будет только кратко дано освещение некоторых из этих проблем. Представляемая на защиту диссертация, также как и монография [9] являются первыми попытками решить проблему автоматизации контроля и управления качеством продукции ЛКП при ее получении независимо от качества используемого сырья. В этом мы видим актуальность проблемы.

1.5 Выводы по главе.

1. Рассмотрены особенности производства алкидных лаков с точки зрения управления ими. Дано краткое описание типовой технологической схемы лакового производства полунепрерывным методом, включающей пять характерных ста-

дий: подготовки сырья; процессов переэтерификации и поликонденсации; растворения смол с получением лаков, фильтрации лака; показаны некоторые характерные рецептуры для производства пентафталевых и глифталевых лаков. Из 5 рассмотренных стадий наиболее важной является 3 стадия — реакция поликонденсации, осуществляемая в реакторе синтеза смолы периодическим способом, которой будет уделено основное внимание в работе.

2. Установлено, что основными факторами, определяющими ход процесса синтеза алкидных смол, являются характер нарастания вязкости среды, температура, характер изменения энергии активации вязкого течения, кислотность получаемого продукта синтеза, а также способность смолы к растворению в наперед заданном растворителе.

3. Из анализа установленных факторов, определяющих ход процесса синтеза алкидных смол, определены основные, наиболее эффективные и информативные способы контроля и каналы управления процессом; в частности, активно воздействовать на ход процесса можно своевременным изменением соотношения исходных компонентов, прерыванием реакции поликонденсации в определенный момент времени (используя различные приемы); изменением температуры реакционной среды др.

4. Дан сравнительный анализ существующих методов показаны возможности управления технологическими* процессами получения лаковых смол. Установлено, что одной из главных причин, затрудняющих автоматизацию процессов производства лаковых смол, является практическое отсутствие оперативной информации об изменении параметров характеризующих качество и состав синтезируемых продуктов.

5. При разработке высокоэффективных систем автоматизированного управления процессами синтеза лаковых смол первостепенную роль играют вопросы автоматизации контроля протекания процесса с помощью специальных средств (датчиков, измерительных систем и т.п.) с повышенной информационной достоверностью и надежностью. Поэтому разработка автоматизированных систем контроля качества реакционных сред и создания на этой основе высокоэффективных систем управления технологическим процессом синтеза алкидных смол представляют собой актуальную проблему научно-технического прогресса в промышленности ЛКМ, требующую своего решения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Михайлов, Дмитрий Петрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные особенности существующих подходов к организации производства алкидных лаков. Дано описание типовой технологической схемы лакового производства полупериодическим методом, включающей пять характерных стадий: 1) подготовки сырья; 2) непрерывной и периодической переэте-рификации; 3) поликонденсации; 4) растворения основы лака; 5) фильтрации лака; дана характеристика общепринятой рецептуры для производства пентафта-левых и глифталевых лаков. Из 5-ти рассмотренных стадий наиболее важной является 3-я стадия — реакция поликонденсации, осуществляемая в реакторе синтеза смолы периодическим способом, которой уделено основное внимание в работе.

Установлено, что основными факторами, определяющими ход процесса синтеза алкидных смол, являются молекулярная масса полимера, вязкость среды, температура, энергия активации вязкого течения, кислотное число процесса синтеза, концентрация растворителя.

Из анализа установленных факторов, определяющих ход процесса синтеза алки-дов, определены основные, наиболее эффективные и информативные способы контроля и каналы управления процессом; в частности, активно воздействовать на ход процесса можно изменением соотношения исходных компонентов, прерыванием реакции поликонденсации в определенный момент времени (используя различные приемы); изменением температуры реакционной смеси и др.

2. Для целей контроля процессов синтеза алкидных смол наиболее информативными параметрами являются вязкость олигомера при заданной в интервале 120-180°С температуре приведения и энергия активации вязкого течения. Получение оперативной информации о вязкости олигомера позволяет надежно контролировать протекание технологического процесса и прогнозировать его развитие, а контроль энергии активации вязкого течения дает возможность своевременно определить момент увеличения скорости нарастания молекулярной массы олигомера за счет побочных реакций и предотвратить образование в синтезируемом продукте нежелательных пространственных молекулярных и надмолекулярных структур.

Вискозиметрические измерения следует проводить вне технологического аппарата при снижении температуры пробы до 120-180°С. На основании измерений вязкости при нескольких различных температурах необходимо оперативно рассчитывать для каждой пробы вязкость олигомера при заданной температуре приведения и энергию активации вязкого течения.

На основании результатов вискозиметрического анализа можно с достаточной точностью прогнозировать рост вязкости в ходе технологического процесса и предсказывать время окончания стадии синтеза. Для этого необходимо накапливать информацию об изменении вязкости олигомера в ходе технологического процесса и после измерения каждой очередной пробы синтезируемого продукта оперативно рассчитывать параметры функциональной зависимости вязкости от времени синтеза, а затем путем экстраполяции прогнозировать ожидаемую вязкость олигомера через заданный интервал времени.

3. Разработаны метод и автоматизированная система вискозиметрического контроля процессов синтеза алкидных смол, основанные на периодическом отборе проб реакционной среды из реактора синтеза при рабочей температуре 220-260°С, измерении вязкости каждой пробы при нескольких различных температурах приведения в интервале 120-180°С и последующем оперативном расчете на микроЭВМ текущих значений информативных вискозиметрических параметров олигомера для их использования в автоматизированной системе управления технологическим процессом.

4. Разработаны метод и автоматизированная система контроля процессов синтеза алкидных смол совместимая с системой вискозиметрического контроля, основанные на периодическом отборе проб реакционной среды из реактора синтеза при рабочей температуре 220-260°С изменении кислотности (кислотного числа) пробы с последующим титриметрическим анализом и расчетами на микроЭВМ для использования в автоматизированной системе управления технологическим процессом.

5. Создано алгоритмическое, программное и техническое обеспечение 2-х уровне-вой системы автоматизированного вискозиметрического и титриметрического контроля синтеза алкидных смол, включающей: 1) на нижнем уровне устройство отбора проб реакционной среды из аппарата; автоматическую вискозимет-рическую и титриметрическую ячейку обеспечивающие снижение температуры анализируемой пробы, ее перемешивание и измерение вязкости и температуры в безградиентны изотермических условиях, кислотности, а также подсистему контроля и управления концентрацией ксилола в реакционной среде; 2) на верхнем уровне — управляющий контроллер и микроЭВМ, реализующие алгоритмы работы узлов и подсистем нижнего уровня, обрабатывающее поступающую информацию с нижнего уровня и выдающее на дисплей и алфавитно-цифровое печатающее устройство результаты вискозиметрического и титриметрического анализа (в виде графиков и таблиц).

6. На базе вибрационного вискозиметра ВВН-6 создана оригинальная конструкция вискозиметрической измерительной ячейки обеспечивающая высокую точность и надежность автоматического измерения вязкости проб технологических продуктов в ходе синтеза алкидных смол и позволяющая на этой основе строить высокоэффективные автоматизированные системы оперативного управления технологическими процессами синтеза алкидных смол.

7. На основе выполненных методических разработок, созданного автоматического обеспечения и технических средств построена унифицированная система многопараметрического контроля качества синтетических лаковых смол "Ал-кид-39", представляющая собой гибкую автоматизированную систему, пригодную для автоматического контроля качества реакционной смеси и получаемых пролетов в процессах производства многих синтетических смол и других высокомолекулярных соединений.

8. Разработана структура, программно-алгоритмическое и техническое обеспечение гибкой автоматизированной системы многопараметрического контроля и управления процессами производства лаков и смол (ГАЛС), пригодная для эксплуатации на любых производствах олигомеров и полимеров и, в частности, на многотоннажных производствах алкидных и полиэфирных лаков и смол, получаемых периодическим и непрерывным методами.

9. На базе системы ГАЛС разработана автоматизированная система управления процессом высокотемпературного синтеза полиэфирных смол в присутствии легколетучего растворителя (азеотропный метод); предложенная система отличается тем, что в накопительной емкости парциального конденсатора-абсорбера установлен уровнемер, с помощью которого можно регулировать объем продуктов конденсации, возвращаемых в зону реакции, что позволяет осуществлять автоматизацию вискозиметрического и контроля продуктов синтеза с применением метода отрицательных добавок, используя для этого возможности технологической аппаратуры, а не специальные узлы подготовки пробы.

Ю.Разработаны критерии автоматического определения и управления степенью завершенности технологического процесса синтеза алкидных смол с наперед заданными параметрическими характеристиками и стабилизацией качества получаемой продукции независимо от качества используемого сырья. В качестве таких критериев приняты: энергия активации вязкого течения (Е) как функция остаточной кислотности (КЧ) получаемой смолы [Е=Г(КЧ)], а также ее производная [АЕ/АКЧ=Г(КЧ>].

11 .Разработана система управления полупериодическим производством алкидных смол по интенсивной и высокоавтоматизированной технологии, позволяющая осуществить оперативную оптимизацию процесса по его скорости протекания и энергозатратам путем максимально возможного ускорения выделения воды из реакционной массы и уноса ее из реакционной зоны.

12.Сформулированы принципы построения информационно-управляющей системы (ИУС) производства алкидных лаков, включающей три уровня иерархии: 1) на первом (нижнем) уровне она представлена локальными системами автоматического контроля и регулирования (САР); 2) На втором уровне иерархии в составе ИУС предусмотрена АСУ ТП, в задачу которой входит активное вмешательство в ход всего технологического процесса, выработка заданий для локальных САР, обеспечение оптимальных режимов функционирования технологической схемы; 3) на третьем уровне ИУС рассматривается автоматизированная система управления предприятием (АСУП), в задачи которой входят: а) централизованный сбор информации; б) переработка информации с целью определения технико-экономических показателей и их анализа для своевременного принятия решений и реализации производственных планов; в) сбор и обработка информации по материально-бухгалтерскому учету; г) передача необходимой информации в систему управления предприятием.

Исходя из общей концепции создания производства как объединения высокоавтоматизированных цехов, отделений и участков единого технологического комплекса, выполнен анализ и предварительный выбор технических средств систем управления, определены принципы и подходы к построению высокоавтоматизированных производственных модулей; комплекс технических средств (КТС) информационно-управляющей системы производства лака ориентирован на обеспечение 3-х основных режимов работы: а) автоматический режим; б) режим дистанционного управления; в) режим ручного (местного) управления.

13.Выданы рекомендации по технической реализации гибкой автоматизированной системы аналитического контроля синтеза лаковых смол (ГАЛС) в виде 2-х уровневой высокоавтоматизированной модульной системы.

14.Выданы рекомендации по технической реализации автоматизированной системы контроля жидких сред "Алкид-39"; показано, что структура технологической части системы, алгоритм ее работы и программное обеспечение представляют эту систему в полной мере как типовую и как гибкую, позволяющую наращивать свои функциональные возможности путем увеличения количества приборов, участвующих в контроле технологической среды, и их номенклатуры.

15.Разработанные и внедренные системы аналитического контроля и автоматизированного управления качеством продукции в производстве лакокрасочных материалов позволили повысить на 20-30% производительность технологического оборудования при минимальных капитальных вложениях; в 1.5-2 раза умень

1Л л

Э.5 шить необходимое количество обслуживающего персонала; значительно повысить и стабилизировать качество получаемой продукции; значительно повысить удовлетворение спроса на товары ЛКП народного потребления.

16.Проведенные в настоящей работе исследования, созданные системы автоматизированного аналитического контроля и результаты их апробирования на предприятиях лакокрасочной промышленности вошли составной частью в "Исходные данные для проектирования завода-автомата в ЛКП".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайлов, Дмитрий Петрович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Сорокин В.Е., Пеклер А.Н., Кашников A.M. Современные аппаратурно-технологические решения в производстве лакокрасочных материалов/Журнал ВХО им. Д.И.Менделеева, 1988 - т.ЗЗ -NI - С.80-88.

2. Козулин H.A., Горловский И .А. Оборудование заводов лакокрасочной промышленности. Изд. 2-е, доп. и перераб, - Л.: Химия, 1968 - 588 с.

3. Reitter С. Универсальный лакокрасочный завод // Am. Paint a. Coat J., 1985 -V.69-N1 -р.40-50.

4. Сорокин М.Ф., Шодэ Л.Г., Кочнова З.А. Химия и технология пленкообразующих веществ - М.: Химия, 1981 - 448 с.

5. Лившиц М.Л Технический анализ и контроль производства лаков и красок. - М. Высшая школа, 1987, 204с.

6. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Дранишников Л.В. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы полимеризации. - М.: Наука, 1991 - 350 с.

7. Волчек И.С., Лужков Ю.М. Автоматизация производств поликонденсационных смол. - М.: Химия, 1976 - 232 с.

8. Манусов Е.Б, Контроль и регулирование технологических процессов лакокрасочных производств - М.: Химия, 1977 - 1 16 с.

9. Прохоров В.А. Основы автоматизации контроля и управления качеством продукции химических производств.- М.: Химия, 1990 - 367 с.

Ю.Прохоров В.А. Основы автоматизации аналитического контроля химических производств.- М.: Химия, 1984 - 320 с.

11.0хрименко И.С., Верхоланцев В.В. Химия и технология пленкообразующих веществ.- Л.: Химия, 1978 - 392 с.

12.Дринберг А.Я. Технология пленкообразующих веществ. Изд. 2-е, перераб. и доп.- Л.: Госхимиздат, 1955 - 651 с.

13.Силинг М.И. - В кн.: Итоги науки и техники. Химия и технология высокомолекулярных соединений. - М.: ВИНИТИ, 1977- т.11 С.1 19 - 162.

14.Коршак В.В., Виноградов C.B. Равновесная поликонденсация. М.: Наука, 1968 -444 с.

15.Коршак В.В., Виноградов C.B. Неравновесная ноликонденсация.- М.: Наука, 1972-696 с.

16.Морган П. Поликонденсационные процессы синтеза полимеров.- М.: Химия, 1970-448 с.

П.Полимеризационные пленкообразователи /Под ред. В.И.Елисеевой - М.: Химия, 1971 -241 с.

18.Лосев И.А., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров. - М.: Наука, 1964-640 с.

19.Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе.-Л.: Химия, 1964-784 с.

20.Николаев А.Ф. технология пластических масс.-Л.: Химия, 1977 - 368 с.

21.Цветков В.Н., Эскин В.Е., Френкель С.Я. Структура макромолекул в растворах.- М.: Наука, 1964 - 720 с.

22.Гольдберг М.М. Материалы для лакокрасочных покрытий.- М.: Химия, 1972 -344 с.

23.Соломон Д.Г. Химия органических пленкообразователей. Пер, с англ. Э.П.Донцовой и А.А.Донцова - М.: Химия, 1971 - 320 с.

24.Соколов Л.Б. Поликонденсационный метод синтеза полимеров.- М.: Химия, 1966-332 с.

25.Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. Изд. 2-е - М.: Химия, 1967 - 231 с.

26.Тагер A.A. Физико-химия полимеров. Изд. 2-е. - М.: Химия, 1968 - 536 с.

27.Тобольский А. Свойства и структура полимеров.- М.: Химия, 1964 - 322 с.

28.Северс Э.Т. Реология полимеров.- М.: Химия, 1966 - 198 с.

29.Реология. Теория и приложения./Под.ред.Ф Эйриха.- М.: ИЛ, 1962 - 824 с.

30.Kleinchmidt Dr. Е. Beshreibeeng eines Verfahrens zur Rontinuirlichen Messung der Yiskeisitat in Ruhrwerkskesseln7/Farbe und Lack, 1968 - Bd.74 - N10 - S.976 - 984.

31.Папков С.П. Физико-химические основы переработки растворов полимеров.-М.: Химия, 1971 -363 с.

32.Тагер A.A., Древаль В.Е.//Успехи химии, 1967 - т.39 -1*5 - С.55- 64.

33.Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров, методы измерения.-М.: Химия, 1979-304 с.

34.Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ: Справочник / Зайцев И.Д., Асеев Г.Г.- М.: Химия, 1988 -416 с.

35.Малкин А.Я., Куличихин С.Г. Реология в процессах образования и получения полимеров. М.: Химия, 1985 - 240 с.

36.Паттон Т.К. Технология алкидных смол.- М.: Химия, 1970 - 127 с.

37.Weiderhorn N. Acid Value, Viscosity and Gelation of Alkyd Resins// Am. Chem. Soc. Meeting, September 1947.

38.Манусов Е.Б., Мартемьянов Ю.Ф.//ЛКМ и их применение, 1972 - N3 - С.65-67.

39.Гусев В.А., Манусов Е.Б., Свидлер Ю.Р./Механизация и автоматизация производства, 1975 - N4 - С.17-19.

40.Гольдберг K.M., Фалькевич М.М.//ЛКМ и их применение, 1960 N1 - С.42-46.

41.Мухарамов Ф.С., Эйдельзон И.Х., Долматов С.М., Барыкин Н.В., Устименко В.П. Разработка АСУ ТП производств алкидных лаков//ЛКМ и их применение, 1981 -N4-C.66-69.

42.Ахвледиани Т.В., Вартанов А.Л. В сб. "Автоматизация производственных процессов в промышленности" .//Тр. ПКИ "Автоматпром", Рустави, 1970 -вь1п.7.8-0.71-83.

43.Эрриот Л. Регулирование производственных процессов. М.: Энергия, 1967 - 180 с

44.Волчек И.С. и др.//Механизация и автоматизация и*извод**в, 1970 - N2 - С.37-38.

45.Волчек И.С. и др.- В сб.: Производство и переработка пластмасс, синтетических смол и стеклянных волокон.- М.: Химия, 1967 вып.9 - С.43-50.

46.Донде Г.Д., Кулаков M.B.//JIKM и их применение, 1970 - N2 - С.67-70.

47.Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий; Справочник/Под, ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение, 1976 - 391 с.

48.Крутин В.Н. Колебательные реометры.- М.: Машиностроение, 1985 - 160 с.

49.Кулаков М.В., Казаков А.В..Шелястин М.В. Технологические измерения и аналитические приборы в химической промышленности.- М.: Машиностроение, 1964 - 449 с.

50.Приборы для автоматического анализа состава и свойств веществ. Справочник. кн.4/Анисимов А.Ф. и др.- М.: Недра, 1977 - 624 с.

51.Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств - М.: Машиностроение, 1983 - 424 с.

52.Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы.- М.: Машиностроение, 1968 - 272 с.

53.Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения жидкостей.-Новосибирск,: Наука, 1970 - 140 с.

54.Проспект на вискозиметр автоматический вибрационный типа ВАЗ-3//Изд. СКБ "Промприбор", 1967.

55.Антипин Л.М. Применение метода гель-проникающей хроматографии для оперативного контроля качества элементоорганических соединений/Юбзорная информация. Сер. "Общеотраслевые вопросы развития химической промышленности"- М.: НИИТЭХИМ, 1979 - вып.1 К161).

56.Михайлов Д.П., Прохоров В.А., Кабанов H.H., Кораблев И.В. и др. Вискозиметрический контроль процессов синтеза алкидных смол//ЛКМ и их применение, 1989 - N5 - С.76-78.

57.Михайлов Д.П., Прохоров В.А. и др. Вискозиметрический контроль концентрированных растворов пентафталевых алкидных олигомеров//ЛКМ и их применение, 1990 - N1 - С.51-

58.Фракционирование полимеров. Под, ред. М.Кантова. Пер, с англ. под, ред. Н.С.Наметкина и А.Д. Литмантовича.- М.: Мир, 1971 - 444 с.

59.Полякова М.Н., Семина P.A., Лившиц Р.М.//ЛКМ и их применение, 1988 - N1 -С.1 1-12.

60.Аскадский A.A., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров.- М.: Химия, 1983 - 248 с.

61.Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров.- М.: Высшая школа, 1988 -312 с.

62.Апоп. Jnd. Finich. 1988., v.60 - N10 -р.76-77

бЗ.Олифсон М.С., Михайлов Д.П., и др. Автоматический контроль вязкости при синтезе лаковых смол//ЛКМ и их применение, 1987 - N6 - С.37-39.

64.Михайлов Д.П., Олифсон М.С., Прохоров В.А. Прогнозирование протекания процесса синтеза лаковых смол//ЛКМ и их применение, 1987 - N6 - С.50-52.

65.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химии и химической технологии М.: Высшая школа, 1985 - 326 с.

бб.Чарыков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа.-Л.: Изд. ЛГУ, 1977- 120 с.

67.Федоров В.М., Факторович В.И., Сафонов А.Ф//В кн.: Автоматизация химических производств М.: НИИТЭХИМ, 1988 - N6 - С.22.

68.Smit P. //Paint and Resin, 1986 - V.56.- N2 - Р.38-39.

69.Кудрявцев Б.Б., Манусов Е.Б., Федотов В.В. Управление цветом пигментированных материалов.- М.: Химия, 1987 - 160 с.

70.Прохоров В.А., Васильев В.А., Михайлов Д.11. и др. Сифонный расходомер// ACN155032(СССР), 1989 - Заявка N4318896, 1987.

71 .Михайлов Д.П. и др. Установка для получения синтетических смол/ZACN 1706098(СССР), 1991 - Заявка N4796067, 1990.

72.Прохоров В.А., Михайлов Д.П. и др. Устройство для измерения вязкости//ACN 1508741 (СССР), 1989.-Заявка N4257535, 1987.

73.Михайлов Д.П. и др. Устройство для автоматического анализа жидких сред/ZACN 1711021 (СССР), 1991 - Заявка N4479002, 1988.

74.Приборы, разработанные предприятиями НПО "Химавтоматики". Каталог ЭФГП - Черкассы.: НИИТЭХИМ, 1988 - 133 с.

75.Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Элементы пневмоавтоматики,- М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1985 - Вып. 15 - 54с.

76.Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического обеспечения.- Л.: Энергоатомиздат, 1984 224 с.

77.Ганди К.С., Уильяме М.К.//В кн.: Вязкоупругая релаксация: Пер. с англ./Под ред. А.Я. Малкина - М.: Мир, 1974 - 270 с.

78.Кашников A.M., Прохоров В.А., Селезнев В.П., Меньшиков В.В. Создание гибких автоматизированных производств в лакокрасочной промышленности// Тезисы доклада Всесоюзной конф. ПТС-ХП-88 - Ленинград, 1988.

79.Браверман Э.И.//Автоматика и телемеханика, 1970 - N1 - 0.123- 132.

80.Kendall M.G. Rank correlation methods . - H.Y.Hanfer Publ. Co., 1955.

81.Круг Г.К., Дьяконова H.C. Ранговая корреляция. РТМ М.: ОКБА, 1966 - Вып. 3. - 25 с.

82.Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее приложение к анализу производства. Изд. 2-е - М.: Госиздат, 1961 - 375 с.

83.Эйдельзон И.Х./В сб.: Чезисы докладов конференции "О задачах по развитию работ в области автоматизации технологических процессов в химической промышленности*' - М.: НННТЭХНМ, 1978-С. 163-167.

84.Попов Е.Т. Системы управления в робототехнике//Измерения, контроль, автоматизация, 1978 -N1 - С.64-68.

85.Эйдельзон И.Х., Устимснко В.П., Булыгин В.М. Способ управления процессом получения алкидных и полиэфирных смол//АСК601291 (СССР). Опубл. в Б.И., 1978 - N3 - С.80-81.

86.Долматов С.М. Построение универсальной статистической модели расчета поликонденсационных систем, инвариантной но химическим константам к отклонениям параметров сырьевых компонентов, в практике промышленного синтеза алкидов//ЛКМ и их применение, 1979 - N1 - С.21 .

87.Беличкина С.А. Экономико-математическая модель (ЭММ) оптимального планирования производства лакокрасочных материалов при ограниченных ресурсах дефицитного сырья//ЛКМ и их применение, 1979 - N1 - С.21.

88.Андреев В.В., Хмелевский П.Н. Автоматизация и экономическая эффективность.- М.: Экономика, 1971 - 111 с.

89.Мовсесян Ю.Т. Экономическая эффективность авюматизации химических производств.- Ереван,: Изд-во АН Арм. ССР, 1965 - 171с.

90.Методика определения экономической эффективности внедрения новой техники, механизации и автоматизации производственных процессов в прромышленности.- М.: Изд-во АНСССР.1967.

91.Прохоров В.А., Кисляков В.Е., Михайлов Д.П., и др. Автоматическая система титриметрического и вискозиметрического контроля жидких сред., МосгорЦНТИ, Инф. листок N90 - М., 1990, 4с.