Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

лена дозируется инициатор. В результате реакции часть этилена полимери-

зуется в полиэтилен. Степень полимеризации колеблется в пределах 10—-

12%. Смесь непрореагировавшего этилена и полиэтилена поступает в отдели-

тель 6. При дросселировании смеси давление пада^ет до 30 МПа. Полиэти-

лен скапливается в нижней части отделителя и периодически выгружается

в приемник 8, а этилен непрерывно направляется в циклон 7 для очистки.

Полиэтилен из приемника поступает на переработку, а этилен после очистки

вновь возвращается в процесс.

Автоматизация процесса полимеризации. Показателем эф-

фективности процесса полимеризации является степень полиме-

ризации; ее необходимо поддерживать максимально возмож-

ной. Степень полимеризации определяется чистотой этилена,

температурой и давлением полимеризации, соотношением рас-

ходов этилена и инициатора. К чистоте этилена предъявляются

очень высокие требования, так как появление примесей суще-

ственно изменяет ход процесса.

Процесс полимеризации протекает при больших скоростях,

температуре и давлении, что обусловливает жесткие требования

к поддержанию температуры и давления в устойчивой для про-

цесса области. При выходе этих параметров за допустимые пре-

делы начинается реакция разложения с последующим взрывом.

Температурный режим в реакторе стабилизируется двумя

двухконтурными системами. Основным регулятором одной явля-

ется регулятор температуры верхней зоны реактора, вспомога-

тельным — регулятор температуры потока этилена после тепло-

обменника 2. Основным регулятором другой системы является

регулятор температуры нижней зоны реактора, вспомогатель-

ным — регулятор температуры средней зоны. При регулирова-

нии температуры в нижней зоне происходит перераспределение

потоков этилена, что отражается на температуре в верхней зо-

не. Для устранения этого предусмотрена корректировка тем-

пературы средней зоны.

Давление в реакторе стабилизируется изменением расхода

смеси этилена и расплавленного полиэтилена, выводимой из

нижней зоны реактора. Улучшение качества регулирования дав-

ления в реакторе достигается стабилизацией давления в отде-

лителе.

Соотношение расходов этилена и инициатора поддержива-

ется оператором путем изменения расхода инициатора; при

этом стремятся получить наилучшую степень полимеризации.

Оператор, кроме того, вручную управляет выгрузкой полимера

из отделителя. Необходимость вмешательства человека при

управлении процессом полимеризации объясняется отсутстви-

ем надежных датчиков и возможностью разложения этилена и

полиэтилена.

Реакция разложения протекает с большой скоростью и со-

провождается резким повышением давления и температуры,

что может привести к взрыву. При разложении выделяется уг-

лерод, удаление которого из реактора требует больших затрат

труда и времени.

.240

Защиту реактора от резкого повышения давления и темпера-

туры во время пуска и эксплуатации осуществляют специаль-

ные устройства, воздействующие на клапаны 9 и 10.

В настоящее время для управления реакторами полимериза-

ции этилена используется специально разработанное управля-

ющее устройство «Автооператор». Оно выполняет все операции

по регулированию параметров процесса, пуску и остановке ре-

актора, защите реактора при разложении, контролю и сигна-

лизации параметров процесса.

Производство полипропилена

Технологическая схема производства. Пропилен поступает в нижнюю часть

реактора-полимеризатора 1 (рис. 5.10). Туда же подают инертный раствори-

тель (обычно бензин) и катализатор. Необходимая степень перемешивания

реакционной массы обеспечивается механической мешалкой и барботажем

мономера через жидкую фазу.

В результате реакции полимеризации получают полипропилен. Основ-

ным показателем качества продукта полипропилена является средняя моле-

кулярная масса, определяющая механические и физические свойства получае-

мого продукта. Молекулярная масса полимера определяется расходом спе-

циальной добавки — регулятора молекулярной массы, в качестве которого,,

как правило, используют водород.

Для отвода теплоты реакции в рубашку реактора подают хладоноси-

тель.

Полученная суспензия полимера вместе с непрореагировавшим мономе-

ром через подогреватель 2 поступает в испарительную камеру 3. В послед-

ней происходит выделение из жидкости растворенного мономера и испарение-

части растворителя. Суспензия полимера отводится из нижней части испари-

тельной камеры и подается на выделение растворителя, а парогазовая смесь.

Водород

Катализатор

] ^

Растворитель f f—^

Мономер

•

Мономер-

рецикл

-м-

Мономер

на

регенерацию-

и рецикл

4-Чж}—

Шдоноситепь

—Регулятор

Регулятор с коррекцией

—М-

Регулирующий орган с

исполнительным

механизмом

Рис. 5.10. Схема регулирования процесса полимеризации пропилена в произ-

водстве полипропилена:

реактор-полимеризатор; 2 — подогреватель; 3 — испарительная камера; 4 — холодиль-

ник; 5 — сепаратор.

16—581

241"

охлаждается в холодильнике 4 и поступает в сепаратор 5. Конденсат раство-

рителя из сепаратора возвращается в испарительную камеру 3, а газовая

фаза, состоящая в основном из мономера, направляется на очистку. В даль-

нейшем мономер вновь возвращается в реактор 1.

Автоматизация процесса полимеризации. Показателем эф-

фективности процесса является степень превращения мономера

в полимер. Ее следует поддерживать на постоянном — макси-

мально возможном для данного мономера и данных условий —

значении. Степень превращения зависит от характеристики ка-

тализатора, температуры и давления в реакторе, состава раство-

рителя и мономера, расхода растворителя, мономера и регуля-

тора молекулярной массы.

Определяющим фактором являются химический состав и со-

отношение компонентов катализатора, концентрация его в ре-

акторе, расход и способ приготовления. При управлении про-

цессом полимеризации целенаправленно изменяют или стабили-

зируют только расход катализатора. С изменением остальных

параметров в объект поступают возмущения.

Важным параметром является температура в зоне реакции.

При повышении температуры на

°С скорость полимеризации

пропилена возрастает на 6%. Верхний предел температуры

устанавливают, исходя из работоспособности катализатора.

При чрезмерном повышении температуры скорость процесса

полимеризации может возрасти до критического значения, и

произойдет авария. Поэтому температуру следует поддерживать

на строго определенном значении, близком к критическому; ре-

гулирующее воздействие достигается при этом изменением рас-

хода хладоносителя, подаваемого в рубашку реактора.

С изменением состава мономера, растворителя и регулято-

ра молекулярной массы в объекте будут возникать возмущения,

которые могут значительно изменить ход процесса. Например,

катализатор очень чувствителен к малейшим примесям серы и

пропадиена, а присутствие некоторых веществ вообще прекра-

щает реакцию.

Давление в реакторе влияет на растворимость мономера и

водорода в жидкой фазе, т. е. на их концентрацию в реакци-

онной массе. Кроме того, в реакторах с газовой фазой давление

определяет температуру кипения растворителя. Поэтому давле-

ние следует стабилизировать изменением расхода продукта ре-

акции — суспензии полимера.

Расход мономера, катализатора, растворителя и регулятора

молекулярной массы влияет на степень превращения мономера

в полимер не в меньшей степени, чем остальные параметры. Их

можно стабилизировать и тем самым устранить сильные возму-

щения по этим каналам, а можно изменять с целью внесения

регулирующих воздействий.

Обычно стабилизируют расход растворителя, регулятора

молекулярной массы и катализатора. Расход же мономера из-

меняют таким образом, чтобы поддерживать количество непро-

.242

реагировавшего мономера постоянным, минимально возможным

для данных условий. Для определения количества непрореаги-

ровавшего мономера после сепаратора устанавливают датчик

расхода. Данный узел регулирования реализуется с помощью-

двухконтурной системы, в которой основным регулятором явля-

ется регулятор расхода иепрореагировавшего мономера, а вспо-

могательным — регулятор расхода мономера, подаваемого в ре-

актор.

В схеме предусмотрено также регулирование температуры

суспензии после подогревателя 2 изменением расхода пара, по-

даваемого в подогреватель. Это необходимо для полного выде-

ления мономера из жидкой фазы. Для поддержания материаль-

ного баланса регулируют уровень суспензии и давление в ис-

парительной камере 3.

Производство бутадиен-стирольного латекса

Технологическая схема производства. Стирол-дистиллят, стирол-ректифи-

кат и бутадиен поступают в смеситель 4 из емкостей 1, 2 и 3 (рис. 5.11).

Полученная углеводородная фаза собирается в емкости 5. Углеводородная

и водная фазы, предварительно охлажденные в холодильниках 6 и 7, посту-

пают в смеситель 8. Образующаяся в смесителе эмульсия через холодиль-

ник 9 перекачивается в полимеризатор 10— первый аппарат полим:еризацион~

ной батареи, состоящей из двенадцати последовательно работающих полиме-

ризаторов 10—21.

Процесс полимеризации протекает в присутствии инициатора, регулятора

молекулярной массы и стабилизатора при интенсивном перемешивании и по-

ниженных температурах (4—8°С). Для прекращения процесса в латекс, по-

ступающий из полимеризатора 21, вводится прерыватель полимеризации.

Полученный в результате полимеризации латекс содержит незаполимери-

зовавшиеся мономеры (бутадиен, стирол), содержание которых дает пред-

ставление о глубине полимеризации. Для выделения мономеров проводят

дегазацию в колоннах 22 и 26. В колонне 22 происходит частичная дегаза-

ция латекса увлажненным водяным паром. Из колонны 22 пары поступают в-

отбойник 23, где очищаются от капель латекса (для предотвращения поли-

меризации в линию паров после отбойника подается ингибитор). В аппара-

те 24 пары стирола и воды конденсируются. Конденсат (стирольная вода)

отводится из нижней части аппарата 24 в сборник 25, а несконденсировав-

шиеся пары бутадиена смешиваются с потоком бутадиена, выходящего из

сборника 25, и используются для приготовления углеводородной фазы. Ча-

стично дегазированный латекс из куба колонны 22 подается в колонну 26

вакуумной дегазации. Отгонка мономеров из латекса в этой колонне про-

изводится также с помощью увлажненного водяного пара.

В латекс, освобожденный от мономеров, вводят стабилизатор и перека-

чивают его в цех выделения каучука, а пары воды и углеводородов из ко-

лонны 26 поступают на конденсацию. Конденсат подвергается переработке с

целью выделения стирола.

Автоматизация процесса полимеризации. Показателем эф-

фективности процесса полимеризации является глубина поли-

меризации. Одно из основных условий стабильности свойств

полученных полимеро>в — постоянство глубины полимеризации.

Выполнение этого условия является целью управления процес-

сом.

Глубина полимеризации определяется составом мономеров,

углеводородной и водной фазы, инициатора, регулятора моле-

13*

243

кулярной массы, стабилизатора, соотношением расходов угле-

водородной и водной фаз, соотношением расходов углеводород-

ной фазы и инициатора, регулятора и стабилизатора, продолжи-

тельностью полимеризации, температурой в полимеризаторах.

Мономеры, используемые для приготовления углеводородной

фазы, должны удовлетворять строгим требованиям ib отноше-

нии их чистоты, так как присутствие примесей существенно из-

меняет режим полимеризации. Устранить эти возмущения при

управлении процессом полимеризации невозможно.

Состав углеводородной фазы поддерживается постоянным с

помощью регулирования процесса перемешивания стирола и

бутадиена в смесителе 4. Для подачи водной фазы инициато-

ра, регулятора молекулярной массы и стабилизатора применя-

ют дозировочные насосы, обеспечивающие заданное соотноше-

ние компонентов этих веществ.

Соотношение расходов углеводородной и водной фаз под-

держивается постоянным с помощью регулятора соотношения

расходов при проведении процесса перемешивания в смесите-

ле 8. Заданное соотношение расходов углеводородной фазы и

инициатора, регулятора молекулярной массы и стабилизатора

обеспечивается регуляторами соотношения.

Продолжительность полимеризации определяется скоростью

прохождения эмульсии в полимеризаторах 10—21, которая за-

висит от разности давлений в аппаратах 8 и 22, а также от

вязкости эмульсии. При постоянных давлениях в смесителе 5

и конденсаторе 24 указанную разность давлений можно счи-

тать постоянной. Постоянство вязкости эмульсии обеспечивает-

ся регулятором соотношения расходов углеводородной и вод-

ной фаз.

Температура в полимеризаторах автоматически изменяется

таким образом, чтобы при наличии возмущающих воздействий

была достигнута цель управления. Для этого предусматрива-

ют две группы двухконтурных систем регулирования. Основ-

ным регулятором первой группы является регулятор глубины

полимеризации после аппарата 15, а вспомогательными регу-

ляторами служат регуляторы температуры полимеризаторов

Ю—15. Аналогично построены и двухконтурные системы регу-

лирования полимеризаторов 16—21. Чтобы исключить измене-

ния начальной температуры эмульсии, установлен регулятор

температуры с регулирующим органом на линии обратного

рассола, выходящего из холодильника 9.

Расход прерывателя определяется количеством незаполи-

меризовавшихся мономеров. Это обеспечивается двухконтур-

ной системой. Роль основного регулятора в ней вып®лняет ре-

гулятор глубины полимеризации после аппарата 21, а вспо-

могательного— регулятор расхода прерывателя.

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Производство вискозного волокна

Технологическая схема производства (рис. 5.12). Производство вискозного

волокна, как и большинство производств других химических волокон, состо-

ит из отделения, где получают прядильный раствор и подготавливают его

к формованию, и прядилыю-отделочного участка, в котором волокно форму-

ется и сушится.

Процесс приготовления прядильного раствора (вискозы) состоит из про-

цессов мерсеризации, предсозревания, ксантогенирования, растворения и под-

готовки вискозы к формованию.

Процесс мерсеризации целлюлозы представляет собой химическую реак-

цию получения щелочной целлюлозы путем обработки исходной целлюлозы

раствором едкого натра. Обработка проводится в баке-мерсеризаторе 3 (при

температуре 40—60 °С), куда транспортером 1 подают листы целлюлозы и

рабочую щелочь. Последняя поступает через бачок-дозатор 6 и нагреватель 7

из емкости 4. Готовится она в смесителе 5 путем смешения отработанной

(рециркулирующей) и укрепительной щелочи, а также умягченной воды.

В баке-мерсеризаторе 3 целлюлоза и щелочь перемешиваются, в резуль-

тате получается щелочная целлюлоза. Одновременно происходит набухание

целлюлозы, а это приводит к вымыванию гемицеллюлоз и равномерной диф-

фузии сероуглерода внутрь целлюлозной нити при образовании ксантогена-

та на следующей стадии производства.

Полученная щелочная целлюлоза подается в буферную емкость 9, где

происходит дополнительное взаимодействие целлюлозы и щелочи.

Процесс предсозревания. Щелочная целлюлоза содержит избыточное ко-

личество щелочи, которую удаляют в прессе 10. На поверхности отжимных

валов пресса образуется плотный слой щелочной целлюлозы, через который

под давлением 0,012—0,03 МПа фильтруется щелочь, поступающая затем на

регенерацию.

Образовавшаяся лента щелочной целлюлозы дробится в измельчителе 11

и подается в аппарат предсозревания 12. Процесс предсозревания проводит-

ся с целью снижения молекулярной массы щелочной целлюлозы путем изме-

нения степени ее полимеризации (в результате окислительной деструкции

макромолекул щелочи в щелочной среде под влиянием кислорода воздуха).

Деструкция щелочной целлюлозы проводится в двухтрубном аппарате 12,

13 при температуре 57—60 °С в течение примерно 1,5 ч. В верхней трубе 12

осуществляется нагревание целлюлозы до указанной температуры, а в нижней

трубе 13 — охлаждение ее. Для более равномерного нагрева и охлаждения

труба 12 разделена на две зоны, а труба 13 — на четыре.

Процесс ксантогенирования служит для перевода нерастворимой в воде

и щелочах щелочной целлюлозы в растворимый ксантогенат целлюлозы

(OCSSNa). Для этого щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом в

ксантогенаторе 18. Первоначально с помощью транспортных устройств че-

рез бункер-весы 16 в него подают в течение 13—15 мин щелочную целлю-

лозу; после перемешивания целлюлозы (температура ее при этом возраста-

ет) в ксантогенаторе создается вакуум (рис. 5.13, а), и только тогда подается

сероуглерод в количестве 40% от загрузки целлюлозы. Начинается процесс

ксантогенирования, который длится около одного часа. В результате реакции

температура возрастает до 29—32 °С, а вакуум уменьшается (вследствие

испарения сероуглерода). Когда большая часть сероуглерода вступит в реак-

цию со щелочной целлюлозой, избыточное давление начинает снижаться и

создается небольшой вакуум, что и является признаком окончания реакции.

Реакция образования ксантогената обратима; побочными продуктами ре-

акции являются серосодержащие соединения Na

S и Na

После окончания процесса в ксантогенатор (для предварительного рас-

творения полученного ксантогената) подают раствор щелочи, а затем умяг-

ченную воду. После выгрузки продуктов реакции ксантогенатор промывают

раствором щелочи.

.246

Процесс растворения. Для окончательного растворения ксантогената в

щелочи их интенсивно перемешивают в емкости 24 (см. рис. 5.12) с по-

мощью насоса 25, работающего в замкнутом цикле. Растворению препят-

ствует наличие комков, поэтому ксантогенат предварительно пропускают че-

рез растиратель 26. Качество растворения улучшается также при охлаждении

ксантогената до 5—10°С в емкости 24.

Процесс подготовки вискозы к формованию. Для получения при формо-

вании качественной нити растворенный ксантогенат целлюлозы должен

пройти подготовительные операции. Первоначально в аппаратах 28, 29, 31

смешивают партии ксантогената, полученные в различных ксантогенаторах

я различающиеся свойствами; тем самым производится усреднение показате-

лей вискозы.

Между смесителями 29 и 31 установлен фильтр-пр;есс 30 для отделения

от вискозы волокон целлюлозы, не полностью растворимых частиц ксанто-

гената, органических компонентов целлюлозы и продуктов их превращений,

минеральных примесей, поступающих с исходным сырьем, и т. п. Для луч-

шей фильтруемости вискозы ее нагревают в смесителях.

Вискоза содержит пузырьки воздуха, что приводит к обрыву волокон

формующейся нити. Воздух удаляют под вакуумом в воздухоотделителе 33.

Одновременно испаряется часть воды, и вискоза охлаждается. По количест-

ву испаренной воды можно судить об интенсивности процессов испарения и

обезвоздушивания.

Продолжительность процессов подготовки вискозы составляет несколько

часов. За это время изменяется химический состав вискозы, что приводит к

повышению степени этерификации, увеличению количества побочных серни-

стых соединений и т. д. Этот комплекс изменений вискозы в процессе под-

готовки носит название созревания.

Процессы формования и сушки волокна. Подготовленную вискозу пода-

ют на формование в формовочную машину 36. Формование происходит при

вытекании вискозы из фильеры в трехкомпонентную «осадительную ванну»

, ZnS0

, Na

). В процессе формования волокна «осадит;ельная

ванна» разбавляется водой, поступающей с вискозой. Для восстановления

концентрации «осадительной ванны» производят выпаривание избыточного

количества воды в аппарате 42, частичный слив ее в канализацию и добав-

ление свежих серной кислоты, воды и раствора ZnS0

Волокно, полученное в прядильной машине в виде «куличей», подверга-

ется сушке в сушильной камере 41 периодического действия.

Автоматизация процесса мерсеризации целлюлозы. Пока-

зателем эффективности процесса является количество связан-

ной щелочи в целлюлозе и равномерность замещения гидрок-

сильных групп целлюлозы едким натром. Необходимо полу-

чать щелочную целлюлозу стабильного качества; это и будет

целью управления. Для выполнения поставленной задачи сле-

дует стабилизировать тепловой режим в баке-мерсеризаторе,

отношение объема щелочи к массе исходной целлюлозы (мо-

дуль ванны), содержание в мерсеризационном растворе NaOH

и гемицеллюлоз и свойства исходной целлюлозы (содержание

в ней а-целлюлоз).

Тепловой режим в баке-мерсеризаторе 3 стабилизируют пу-

тем регулирования температуры реакционной массы; регулиру-

ющее воздействие осуществляется изменением количества теп-

ла, которое несет с собой мерсеризационный раствор в бак-

мерсеризатор.

Стабилизация концентраций едкого натра и гемицеллюлоз

в мерсеризационном растворе осуществляется изменением их

расхода с помощью регулирующих блоков соотношения с кор-

.247

Умягченная \

Сероуглерод

процесс мерсеризации

Процесс предсозревания

Процесс ксантогенирования

Процесс

растворения

•

Процесс подготовки вискозы к срормованию

Процесс формования и сушки волокон

Рис 5 12. Схема регулирования производства вискозного волокна

емкостн; 5

-смеситель;

- баяок-до.атор; J -на'ре-

/ 14 15 17-транспортеры; 2 - вариатор З-бакЭД £ '//-'трубы 'аппарата "Р^е^*^^^^^oe^^Sc.

ватель;

- массонасос; /0 - °™ишюй Анализаторы; 2?- вакуум-насос;

--за^оч*»

- пароэжекторн^й

« 42

—

калорифер.

насос; 36 - формовочная машина;

37 —

смеет ело,

Регулятор

Регулирующим

орган с испол

нительным

механизмом

Отработанный

воздук

Рис. 5.13. Зависимости между параметрами процесса ксантогенирования:

а — кривая изменения давления в ксантогенаторе в ходе процесса; б — зависимость меж-

ду плотностью пульпы и модулем ванны при различных температурах; в — оптимальный,

температурный режим процесса ксантогенирования.

реакцией по составу мерсеризационного раствора. Материаль-

ный баланс в емкости 4 поддерживается регулированием уров-

ня и изменением расхода укрепительной щелочи.

Отношение объема щелочи к массе исходной целлюлозы яв-

ляется одним из важнейших параметров процесса. О значении

этого параметра достаточно точно можно судить по плотности

пульпы, выходящей из бака-мерсеризатора (рис. 5.13,6).

Плотность пульпы берется обычно в качестве регулируемой

величины, а регулирующее воздействие осуществляется измене-

нием скорости перемещения ленты транспортера 1 (см.

рис. 5.12).

С изменением свойств исходной целлюлозы в объекте мо-

гут возникать сильные возмущения. Для того чтобы не допу-

стить этого, регулярно проводят лабораторный контроль и сор-

тировку исходной целлюлозы.

Автоматизация процесса предсозревания. Процесс предсо-

зревания следует вести таким образом, чтобы разброс степени

полимеризации не превышал определенного значения (80);

это обеспечивает микрооднородность целлюлозы, а в дальней-

шем и необходимые вязкость и концентрацию вискозы. Степень

полимеризации определяется в основном температурой процес-

са, степенью отжима и свойствами щелочной целлюлозы.

Свойства щелочной целлюлозы меняются во времени в

связи с изменением качества сырья.

Степень отжима зависит главным образом от избыточного

давления под отжимными валами. Когда оно превышает

0,035 МПа, резко увеличивается унос щелочной целлюлозы.

При малых давлениях произойдет недопустимое уменьшение

производительности установки. Для поддержания избыточного

давления на заданном значении изменяют режим работы мае-:

сонасоса 8.

Существенное влияние на степень отжима оказывает тем-:

пература в аппарате: при изменении температуры предсозре-

250-