сотрудник
Ангарский государственный технический университет (Вычислительные машины и комплексы, Профессор)
сотрудник
Россия
Производится анализ установки по производству вспенивающего полистирола с точки зрения управления
вспенивающий полистирол, суспензионная полимеризация, математическая модель, оп-тимизациявспенивающий полистирол, суспензионная полимеризация, математическая модель, оптимизация
В современном мире полимерные материалы занимают одно из ключевых мест в промышленности, строительстве и других отраслях.
Вспенивающийся полистирол (ВПС) является одним из наиболее востребованных и перспективных полимерных материалов, который находит широкое применение в различных сферах деятельности. Например [2]:
- в производстве пенополистирольных блоков и плит различной конфигурации для теплозвукоизоляции зданий и помещений любого назначения;
- в изготовлении упаковки сложной формы для различных приборов, требующих защиты от удара при хранении и транспортировке;
- в изготовлении комплектующих деталей автомобилей, плавучих средств, декоративных изделий интерьера;
- в получении полистиролбетона легкого бетона на цементном вяжущем и вспененном полистирольном наполнителе, применяемого в изготовлении теплоизоляционных блоков и плит, монолитной теплоизоляции чердаков, кровель, наружных стен, полов и др.;
- для изготовления отделочных материалов для потолка – плиток, плинтусов, розеток.
Каждая гранула ВСП состоит из равномерно распределенных микроскопических плотных клеток, заполненных воздухом. В результате образуется равномерновспененная масса с очень тонкой замкнуто-ячеистой структурой. Благодаря внутренней структуре обладает очень низкой теплопроводностью, близкой к теплопроводности неподвижного воздуха. Таким образом, полистирол представляет собой застывшую при охлаждении жесткую вспененную полистирольную массу с замкнутыми ячейками, заполненными воздухом, и является экологически безопасным строительным материалом.
Производство данного материала требует строгого соблюдения технологических процессов и контроля над всеми параметрами производства.
В промышленном производстве применяется три способа получения ВПС: полимеризация в массе, суспензионная и эмульсионная полимеризация.
В данной статье будет проведен анализ установки по производству ВПС ОАО «Ангарский завод полимеров» с целью оптимизации процессов и повышения эффективности производства.
Установка по производству вспенивающегося полистирола «Ангарского завода полимеров» представляет собой комплекс оборудования, предназначенного для осуществления полного технологического цикла производства вспенивающегося полистирола по технологии суспензионной полимеризации.
Для оптимизации процессов производства и повышения его эффективности необходимо провести анализ установки и выявить возможные проблемы. Рассмотрим несколько основных аспектов.
Контроль над качеством сырья. Обеспечение стабильности качества сырья является ключевым фактором для получения продукции высокого качества. Необходимо проводить регулярный контроль над составом и свойствами сырья, а также обеспечивать его хранение в оптимальных условиях.
Контроль над технологическими параметрами. Обеспечение стабильных и контролируемых параметров производства является важным фактором для получения качественной продукции. Необходимо осуществлять контроль над температурой, временем выдержки, давлением и другими параметрами в каждой стадии производства. Схема стадий производства представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Стадии процесса получения полистирола суспензионным методом
Рассмотрим каждую стадию процесса производства более подробно с описанием оборудования и контролируемыми технологическими параметрами [1]:
Подготовка сырья (приготовление раствора поливинилового спирта ПВС). На данной стадии происходит дозирование и смешивание ПВС с фильтрованной водой в двух растворителях. Технологическим оборудованием, используемым на данной стадии, служат две ёмкости растворителя объёмом 20 м3 с мешалками, два фильтра грубой очистки и два насоса мощностью 17 кВт для перекачки раствора ПВС.
Необходимое количество подаваемой фильтрованной воды отмеряется расходомерами-счётчиками. В ёмкостях-растворителях производится контроль уровня. Температура раствора ПВС регулируется подачей пара 4 кгс/см2. Основным контролируемым показателем стадии подготовки является уровень рH раствора ПВС, который должен составлять 6.5 – 8 единиц рН.
Полимеризация является одним из основных методов синтеза полимеров. Это реакция соединения молекул мономера, не сопровождающаяся выделением побочных продуктов, поэтому, элементарный состав мономера и полимера одинаков.
Данный процесс основан на способности стирола при повышенных температурах и в присутствии инициаторов, вступать в реакцию полимеризации, которая протекает по радикальному механизму и состоит из трех стадий - образование свободных радикалов (активных центров, являющихся инициаторами цепного процесса), рост цепи, обрыв цепи полимера.
Вспенивающийся полистирол является продуктом полимеризации стирола, проводящийся суспензионным методом в присутствии инициаторов, регулятора роста цепи и порообразователя. Благодаря наличию водной дисперсной фазы облегчен отвод тепла экзотермической реакции, что упрощает управление процессом и регулирование режима работы реактора (аппарата).
В качестве инициаторов процесса применяются: перекись бензоила, третбутилпер-бензоат, для регулирования роста цепи димер альфа-метилстирол, в качестве порообразователя – изопентановая фракция (смесь ИПФ и фракции нормального пентана).
Процесс полимеризации от начала и до конца проводится в аппаратах-полимеризаторах. Полимеризаторы представляют собой стальные цилиндрические сосуды с эллиптическими приварными днищами и съёмной крышкой объёмом 10 м3, снабженные рубашкой для циркуляции пароводяной смеси и трехъярусной, двухлопастной мешалкой с возможностью плавного изменения числа оборотов от 0 до 60 об/мин. Рабочее давление в полимеризаторах 10 кгс/см2.
Контролируемые и регулируемые параметры данной стадии:
- необходимые количество, согласно рецепту, стирола, ПВС, фильтрованной воды, отмеряется насосамидозаторами по показаниям расходомеров-счётчиков;
- навеска инициаторов (перекись бензоила), усилителей (дикумил пероксид) и регуляторов полимеризации производится вручную;
- регулирование температуры в реакторах осуществляется по двухконтурной схеме: в контуре нагрева циркулирует пар 6 кгс/см2, а в контуре охлаждения промышленная вода;
- поддержание уровня в ёмкостях и реакторах осуществляется с помощью открытиязакрытия отсечных клапанов в зависимости от показателей датчиков уровня;
- контроль давления в аппаратах и на нагнетании насосов производится по датчикам давления;
- изменение скорости вращения мешалки на разных стадиях, так как неправильный выбор скорости может привести к повышению вязкости смеси, что негативно скажется на процессе полимеризации.
Полученная на стадии полимеризации суспензия полистирола поступает в отделение промывки, где в центрифугах под действием центробежной силы производится разделение суспензии полистирола на жидкую и газовые фазы. Газовая фаза отсасывается вентилятором и отправляется на свечу. Жидкая фаза насосами перекачивается в бункер отделения сушки.
На стадии промывки контролируются следующие параметры технологического процесса:
- соотношение жидкой и твёрдой фазы 1:21:3 в суспензии, при отклонении соотношения с помощью насосов дозаторов добавляется необходимое количество фильтрованной воды;
- уровни заполнения ёмкостей и бункеров с промытой суспензией;
- для обеспечения нормальной работы электродвигателей центрифуг у них контролируются температура подшипников; уровень смазки в бачках; давления на нагнетании в линии смазочных насосов; количество оборотов и уровень вибрации. При превышении нормативных показателей по одному из этих параметров электродвигатель останавливается.
Процесс сушки вспенивающегося полистирола осуществляется в сушильном агрегате, работающем по принципу «кипящего слоя». Промытая суспензия из бункера поступает в сушильный аппарат, где обдувается вентилятором, который нагнетает предварительно нагретый в калорифере воздух. Высушенный бисер вспенивающегося полистирола транспортируется азото-воздушной смесью на дальнейшую переработку. Отработанный воздух с помощью вентилятора проходит через циклоны и скруббер для очистки. Очищенный воздух сбрасывается в атмосферу.
В процессе сушки контролируются и регулируются следующие основные параметры:
- температура воздуха регулируется автоматически с коррекцией по температуре материала (бисера полистирола) в камере сушилки;
- расход и уровень воды в скруббере очистки.
Помимо четырёх основных стадий в процессе производства также есть стадии транспортировки, рассева и фасовки готовой продукции, подготовки воды, очистки сточных вод, сбора парового конденсата.
С целью оптимизации данного производственного процесса планируется создать математическую модель, которая позволит разработать усовершенствованные алгоритмы управления для снижения затрат на стадии производства ВПС. На данный момент часть операций выполняется вручную. Использование современных автоматизированных систем управления и контроля позволяет оптимизировать процессы, снизить влияние человеческого фактора и повысить эффективность производства в целом.
Помимо оптимизации планируется включить разработанную модель технологического процесса в состав компьютерного тренажёра для обучения технологического персонала данной установки.
Таким образом, анализ установки по производству вспенивающегося полистирола позволяет выявить возможные недостатки и проблемы в процессе производства, а также наметить планы по разработке мероприятий по их устранению и оптимизации.
В современном мире полимерные материалы занимают одно из ключевых мест в промышленности, строительстве и других отраслях.
Вспенивающийся полистирол (ВПС) является одним из наиболее востребованных и перспективных полимерных материалов, который находит широкое применение в различных сферах деятельности. Например [2]:
- в производстве пенополистирольных блоков и плит различной конфигурации для теплозвукоизоляции зданий и помещений любого назначения;
- в изготовлении упаковки сложной формы для различных приборов, требующих защиты от удара при хранении и транспортировке;
- в изготовлении комплектующих деталей автомобилей, плавучих средств, декоративных изделий интерьера;
- в получении полистиролбетона легкого бетона на цементном вяжущем и вспененном полистирольном наполнителе, применяемого в изготовлении теплоизоляционных блоков и плит, монолитной теплоизоляции чердаков, кровель, наружных стен, полов и др.;
- для изготовления отделочных материалов для потолка – плиток, плинтусов, розеток.
Каждая гранула ВСП состоит из равномерно распределенных микроскопических плотных клеток, заполненных воздухом. В результате образуется равномерновспененная масса с очень тонкой замкнуто-ячеистой структурой. Благодаря внутренней структуре обладает очень низкой теплопроводностью, близкой к теплопроводности неподвижного воздуха. Таким образом, полистирол представляет собой застывшую при охлаждении жесткую вспененную полистирольную массу с замкнутыми ячейками, заполненными воздухом, и является экологически безопасным строительным материалом.
Производство данного материала требует строгого соблюдения технологических процессов и контроля над всеми параметрами производства.
В промышленном производстве применяется три способа получения ВПС: полимеризация в массе, суспензионная и эмульсионная полимеризация.
В данной статье будет проведен анализ установки по производству ВПС ОАО «Ангарский завод полимеров» с целью оптимизации процессов и повышения эффективности производства.
Установка по производству вспенивающегося полистирола «Ангарского завода полимеров» представляет собой комплекс оборудования, предназначенного для осуществления полного технологического цикла производства вспенивающегося полистирола по технологии суспензионной полимеризации.
Для оптимизации процессов производства и повышения его эффективности необходимо провести анализ установки и выявить возможные проблемы. Рассмотрим несколько основных аспектов.
Контроль над качеством сырья. Обеспечение стабильности качества сырья является ключевым фактором для получения продукции высокого качества. Необходимо проводить регулярный контроль над составом и свойствами сырья, а также обеспечивать его хранение в оптимальных условиях.
Контроль над технологическими параметрами. Обеспечение стабильных и контролируемых параметров производства является важным фактором для получения качественной продукции. Необходимо осуществлять контроль над температурой, временем выдержки, давлением и другими параметрами в каждой стадии производства. Схема стадий производства представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Стадии процесса получения полистирола суспензионным методом
Рассмотрим каждую стадию процесса производства более подробно с описанием оборудования и контролируемыми технологическими параметрами [1]:
Подготовка сырья (приготовление раствора поливинилового спирта ПВС). На данной стадии происходит дозирование и смешивание ПВС с фильтрованной водой в двух растворителях. Технологическим оборудованием, используемым на данной стадии, служат две ёмкости растворителя объёмом 20 м3 с мешалками, два фильтра грубой очистки и два насоса мощностью 17 кВт для перекачки раствора ПВС.
Необходимое количество подаваемой фильтрованной воды отмеряется расходомерами-счётчиками. В ёмкостях-растворителях производится контроль уровня. Температура раствора ПВС регулируется подачей пара 4 кгс/см2. Основным контролируемым показателем стадии подготовки является уровень рH раствора ПВС, который должен составлять 6.5 – 8 единиц рН.
Полимеризация является одним из основных методов синтеза полимеров. Это реакция соединения молекул мономера, не сопровождающаяся выделением побочных продуктов, поэтому, элементарный состав мономера и полимера одинаков.
Данный процесс основан на способности стирола при повышенных температурах и в присутствии инициаторов, вступать в реакцию полимеризации, которая протекает по радикальному механизму и состоит из трех стадий - образование свободных радикалов (активных центров, являющихся инициаторами цепного процесса), рост цепи, обрыв цепи полимера.
Вспенивающийся полистирол является продуктом полимеризации стирола, проводящийся суспензионным методом в присутствии инициаторов, регулятора роста цепи и порообразователя. Благодаря наличию водной дисперсной фазы облегчен отвод тепла экзотермической реакции, что упрощает управление процессом и регулирование режима работы реактора (аппарата).
В качестве инициаторов процесса применяются: перекись бензоила, третбутилпер-бензоат, для регулирования роста цепи димер альфа-метилстирол, в качестве порообразователя – изопентановая фракция (смесь ИПФ и фракции нормального пентана).
Процесс полимеризации от начала и до конца проводится в аппаратах-полимеризаторах. Полимеризаторы представляют собой стальные цилиндрические сосуды с эллиптическими приварными днищами и съёмной крышкой объёмом 10 м3, снабженные рубашкой для циркуляции пароводяной смеси и трехъярусной, двухлопастной мешалкой с возможностью плавного изменения числа оборотов от 0 до 60 об/мин. Рабочее давление в полимеризаторах 10 кгс/см2.
Контролируемые и регулируемые параметры данной стадии:
- необходимые количество, согласно рецепту, стирола, ПВС, фильтрованной воды, отмеряется насосамидозаторами по показаниям расходомеров-счётчиков;
- навеска инициаторов (перекись бензоила), усилителей (дикумил пероксид) и регуляторов полимеризации производится вручную;
- регулирование температуры в реакторах осуществляется по двухконтурной схеме: в контуре нагрева циркулирует пар 6 кгс/см2, а в контуре охлаждения промышленная вода;
- поддержание уровня в ёмкостях и реакторах осуществляется с помощью открытиязакрытия отсечных клапанов в зависимости от показателей датчиков уровня;
- контроль давления в аппаратах и на нагнетании насосов производится по датчикам давления;
- изменение скорости вращения мешалки на разных стадиях, так как неправильный выбор скорости может привести к повышению вязкости смеси, что негативно скажется на процессе полимеризации.
Полученная на стадии полимеризации суспензия полистирола поступает в отделение промывки, где в центрифугах под действием центробежной силы производится разделение суспензии полистирола на жидкую и газовые фазы. Газовая фаза отсасывается вентилятором и отправляется на свечу. Жидкая фаза насосами перекачивается в бункер отделения сушки.
На стадии промывки контролируются следующие параметры технологического процесса:
- соотношение жидкой и твёрдой фазы 1:21:3 в суспензии, при отклонении соотношения с помощью насосов дозаторов добавляется необходимое количество фильтрованной воды;
- уровни заполнения ёмкостей и бункеров с промытой суспензией;
- для обеспечения нормальной работы электродвигателей центрифуг у них контролируются температура подшипников; уровень смазки в бачках; давления на нагнетании в линии смазочных насосов; количество оборотов и уровень вибрации. При превышении нормативных показателей по одному из этих параметров электродвигатель останавливается.
Процесс сушки вспенивающегося полистирола осуществляется в сушильном агрегате, работающем по принципу «кипящего слоя». Промытая суспензия из бункера поступает в сушильный аппарат, где обдувается вентилятором, который нагнетает предварительно нагретый в калорифере воздух. Высушенный бисер вспенивающегося полистирола транспортируется азото-воздушной смесью на дальнейшую переработку. Отработанный воздух с помощью вентилятора проходит через циклоны и скруббер для очистки. Очищенный воздух сбрасывается в атмосферу.
В процессе сушки контролируются и регулируются следующие основные параметры:
- температура воздуха регулируется автоматически с коррекцией по температуре материала (бисера полистирола) в камере сушилки;
- расход и уровень воды в скруббере очистки.
Помимо четырёх основных стадий в процессе производства также есть стадии транспортировки, рассева и фасовки готовой продукции, подготовки воды, очистки сточных вод, сбора парового конденсата.
С целью оптимизации данного производственного процесса планируется создать математическую модель, которая позволит разработать усовершенствованные алгоритмы управления для снижения затрат на стадии производства ВПС. На данный момент часть операций выполняется вручную. Использование современных автоматизированных систем управления и контроля позволяет оптимизировать процессы, снизить влияние человеческого фактора и повысить эффективность производства в целом.
Помимо оптимизации планируется включить разработанную модель технологического процесса в состав компьютерного тренажёра для обучения технологического персонала данной установки.
Таким образом, анализ установки по производству вспенивающегося полистирола позволяет выявить возможные недостатки и проблемы в процессе производства, а также наметить планы по разработке мероприятий по их устранению и оптимизации.
1. Технологический регламент производства вспенивающегося полистирола.
2. Вспенивающийся полистирол: сайт Neftegaz.ru. [Электронный ресурс]. 3 января 2009 г. URL: https://neftegaz.ru/science/petrochemistry/332446-vspenivayushchiysyapo/listirol/ (дата обращения 9 ноября 2023).
