Введение к работе
Актуальность. Термоэластопласты (ТЭГТ), как особый класс полимеров имеют высокую востребованность в связи с широкими возможностями их применения в различных областях промышленности. Снижение себестоимости и повышение их качества являются важнейшими задачами в современных условиях рынка. Решение этих задач в основном зависит от особенностей развития технологии синтеза полимеров и методов управления процессом синтеза. Развитие методов управления тесно связано с математическим моделированием процесса. Существующие математические модели позволяют определять: 1) кинетику процесса полимеризации стирола и бутадиена, 2) термодинамику процесса и 3) фракционный состав синтезируемого полимера. Указанные функции в разной степени реализованы в различных производствах, отличающихся технологией получения (периодическая или непрерывная), способом получения (радикальная, ионная и т.п.) и др. Применительно к растворной полимеризации термоэластопластов по периодической технологии реализация этих функций в рамках одной модели отсутствует.
Приоритетной с точки зрения управления процессом является функция определения фракционного состава, поскольку анализ фракционного состава полимера позволяет получить молекулярно-массовое распределение (ММР) и рассчитать молекулярно-массовые характеристики, определяющие основные показатели качества полимера. Точный и оперативный контроль фракционного состава совместно с ключевыми технологическими параметрами процесса - конверсией мономера и температурой реакции, предоставляет широкие возможности для построения эффективной системы управления процессом полимеризации.
В этой связи актуальной является задача разработки математической модели процесса синтеза ТЭЦ предоставляющей информацию о фракционном составе полимера и кинетике процесса, а также построения на её основе системы управления процессом.
Работа базируется на исследованиях авторов, внесших значительных вклад в рассматриваемую область исследования: Кафарова В.В., Подвального С.Л., Перлина А.А., Ариса Р. и др.
Диссертация выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ВГУИТ и соответствует направлению кафедральной гос-
бюджетной НИР № 01.9.60 007315 по теме: «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, федств и систем автоматического управления технологическими процессами».
Цель работы: разработка модифицированной математической модели пфиодического процесса синтеза ТЭЦ позволяющая определять изменение фракционного состава полимера, а также синтез эффективной системы контроля и управления технологическим процессом на её основе.
Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих задач исследования:
Разработка математической модели синтеза ТЭП с целью получения характеристик протекания процесса и конечного продукта.
Синтез метода расчёта технологической стадии «сшивки» на основе математического аппарата стохастических процессов.
Разработка метода опфативного контроля концентрации активных центров как одного из ключевых параметров процесса.
Разработка методики расчёта и обоснование управляющих воздействий с целью коррекции качества для системы управления процессом полимеризации с дробной подачей катализатора и шихты в зону реакции.
Разработка алгоритма выбора начальной температуры полимеризации на второй стадии синтеза для восстановления регламентного режима проведения процесса при изменении загрузок компонентов реакции.
Для решения поставленных задач использованы методы: математического моделирования, идентификации систем, вычислительной математики, математической статистики, теории случайных процессов, химической кинетики.
Научная новизна:
по специальности 05.13.18:
Метод математического моделирования периодических процессов анионной полимеризации в растворе на примере синтеза термоэластопластов, отличающийся в использовании процесса расчёта фракционного состава на основе данных о кинетики процессов инициирования и полимеризации и влияния вязкости реакционной смеси.
Численный метод расчёта технологической стадии «сшивки» макромолекул, отличающийся учётом стохастичности образования сшитых молекул.
3. Проблемно-ориентированный программный комплекс, отличающийся
возможностью решения задач моделирования фракционного состава и
кинетики процесса, исследования системы управления технологическим
процессом синтеза термоэластопластов.
по специальности 05.13.06:
Методика автоматизированного оперативного контроля концентрации активных центров, отличающаяся возможностью её оценки в начале процесса полимеризации, по завершении стадии инициирования.
Автоматизированная система управления технологическим процессом синтеза ТЭЦ отличающаяся дробной подачей катализатора или шихты в зону реакции в зависимости от условий синтеза. Предложена методика расчёта управляющих воздействий.
Теоретическая значимость. Разработанные математические модели и численный метод расчёта ММР технологической стадии «сшивки» могут быть полезны при разработке математического описания процессов синтеза полимеров, получаемых методом растворной полимеризации как по периодической, так и по непрерывной технологии.
Практическая значимость. Синтезированные на основе математического моделирования алгоритмы и программы, осуществляющие отображение связи фракционного состава полимера с режимными параметрами процесса, а также методики оценки концентрации активных центров полимеризации и расчёта управляющих воздействий могут быть рекомендованы для использования в системах управления процессами синтеза полимеров, получаемых по технологии растворной полимеризации.
Алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее разработанные модели и методики пфеданы для использования в ВФ ФГУП «НИИСК» на стадии исследования процессов синтеза ТЭП
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конффенциях: ММТТ-22 (Иваново, 2009 г.), ММТТ-23 (Саратов, 2010 г.), ММТТ-24 (Пенза, 2011 г.); международных научно-практических конференциях: «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009 г.), «Проблемы и инновационные решения в химической технологии» (Воронеж, 2010 г.), П-ой международной Казахстанско-Российской конференции по химии и химической технологии (Караганда, 2012г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 работах, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрировано программное средство в Государственном фонде алгоритмов и программ.
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке математической модели процесса синтеза ТЭП, описывающей кинетику фракционного состава и мономера, получении методики расчёта дозировок шихты и катализатора при реализации управления с дробной подачей, разработке метода численного расчёта ММР стадии «сшивки» молекул полимера, создании программного обеспечения, реализующего решение указанных задач исследования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах, включает 6 таблиц и 36 рисунков; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и приложений.
