РАСЧЕТ В ТЕКУЩЕМ РЕЖИМЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ БУТИЛКАУЧУКА

РАСЧЕТ В ТЕКУЩЕМ РЕЖИМЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ БУТИЛКАУЧУКА

Научная статья

Лежнева Н.В.^1, *, Галеев Э.Р.²

¹ ORCID: 0000-0002-8018-7463,

^{1, 2} Нижнекамский химико-технологический институт ФГБОУ ВО «КНИТУ», Нижнекамск, Россия

* Корреспондирующий автор (nlegneva[at]list.ru)

Аннотация

Представлена математическая модель для расчета ключевых технологических параметров процесса полимеризации в производстве бутилкаучука ПАО «Нижнекамскнефтехим», теоретической основой которой являются уравнения материального баланса систем «полимеризатор– дегазатор первой ступени». На основе моделирования разработан алгоритм расчета параметров процесса синтеза бутилкаучука (масса полимера, конверсия процесса, проиндекс, концентрация стеарата кальция в полимере) в режиме реального времени в распределенной системе автоматизированного управления процессом полимеризации бутилкаучука.

Ключевые слова: бутилкаучук, моделирование, алгоритм, полимеризация, конверсия.

CALCULATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF BUTYL RUBBER POLYMERIZATION PROCESS IN CURRENT MODE

Research article

Lezhneva N.V.^1, *, Galeev E.R.²

¹ ORCID: 0000-0002-8018-7463,

^{1, 2} Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology, FSBEI of HE "KNITU", Nizhnekamsk, Russia

*Corresponding author (nlegneva[at]list.ru)

Abstract

This paper describes the mathematical model for calculating the key technological parameters of the polymerization process in the production of butyl rubber in PJSC «Nizhnekamskneftekhim» the theoretical basis of this process is the material balance equations of the “Polymerizer – the first stage degasifier” systems. Based on the simulation, we developed the algorithm for calculating the parameters of butyl rubber synthesis (polymer mass, process conversion, index, calcium stearate concentration in a polymer) in a real-time mode in a distributed system of butyl rubber polymerization process automated control.

Keywords: butyl rubber, modeling, algorithm, polymerization, conversion. 

Бутилкаучуки (БК) применяют в производстве автомобильных камер, теплостойких деталей вулканизационного оборудования (например, варочных камер и диафрагм форматоров-вулканизаторов), многих резинотехнических изделий (паропроводных рукавов, теплостойких конвейерных лент, прорезиненных тканей и др.). На основе БК изготавливают изоляцию кабелей высокого и низкого напряжения, гуммировочные покрытия химической аппаратуры, кровельные покрытия, детали доильных аппаратов, некоторые изделия медицинского назначения и др. [1].

Общее мировое потребление бутилкаучуков и их химической модификации–галобутилкаучуков ежегодно растет и уже превышает один миллион тонн в год [2]. На мировом рынке БК доминируют американская Exxon Mobil Chemical и германская Lanxess [3], [4], при этом доля Российской Федерации от мирового производства составляет около 23%. В условиях жесткой конкуренции со стороны зарубежных производителей проблема повышения качества отечественных бутилкаучуков и увеличение объемов их производства является актуальной задачей для развития отрасли.

Лидером производства бутилкаучуков в Российской Федерации является ПАО «Нижнекамскнефтехим». На заводе БК ПАО «Нижнекамскнефтехим» [5] процесс синтеза бутилкаучука осуществляется путем сополимеризации изобутилена с изопреном в реакторах с мешалками в присутствии катализатора – хлористого алюминия в среде инертного растворителя– хлористого метила. В производстве используются  восемь систем «полимеризатор (поз. 52) –дегазатор первой ступени (поз. 53)», из которых две находятся в резерве, а шесть - в работе, при этом длительность циклов пробегов полимеризаторов невелика [6], [7]. Существует производственная необходимость повышения эффективности процесса и увеличения длительности циклов пробегов реакторов полимеризации, а также стабилизации свойств бутилкаучука и базового полимера для галобутилкаучука.

Для управления процессом синтеза БК в соответствии с требованиями технологического регламента необходимо получение оперативных и достоверных данных о качестве продукции на стадии полимеризации.  С этой целью разработаны математическая модель процесса, теоретической основой которой являются уравнения материального баланса, а на ее основе  алгоритм определения в текущем режиме следующих ключевых параметров процесса полимеризации: масса полимера, конверсия процесса, проиндекс, концентрация стеарата кальция в полимере. Разработанный алгоритм (рис.1) реализуется в виде программного модуля в автоматизированной распределенной системе управления процессом [8], [9], [10] для расчета указанных параметров в режиме реального времени.

Исходными данными для построения математической модели являются значения параметров, полученных путем опроса датчиков систем «полимеризатор–дегазатор первой ступени». При построении математической модели используются следующие допущения:

1) конверсия изопрена составляет 50%;

2) 3% хлорметила уходит с крошкой каучука на вторую ступень дегазации и далее с пульпой.

Рис.1 – Алгоритм расчета в текущем режиме технологических параметров процесса полимеризации БК

 

Одним из ключевых параметров процесса синтеза БК является конверсия мономеров, о величине которой судят по следующим показателям:

- содержание изобутилена в шихте, подаваемой на полимеризацию;

- содержание изобутилена в газах отсоса дегазаторов первой ступени.

В процессе получения бутилкаучука конверсию обычно рассчитывают по изобутилену, поэтому текущее значение конверсии, полученное по результатом j-го опроса датчиков расхода и состава:

,

где  – расход шихты в полимеризатор (поз.FC8072_1…7, FIC8072_8), кг/час;  - концентрация изобутилена в шихте  (поз.QA0906_3_1), % мас.;   -  количество полимера, получаемого c одной системы полимеризации в единицу времени.

Из полимеризатора на первую ступень дегазации поступает хлористый метил в количестве:

где  - концентрация изопрена в шихте  (поз.QA0906_3_2), % мас.;  - суммарный расход катализаторного раствора (большой + малый контуры) (поз. FC8073B,M1…6, FC8073B,M_7, FIC8073B,M_8), кг/час.

С учетом допущения 2, из дегазатора первой ступени с хлорметилом в период крошкообразования уходит изобутилен в количестве:

где VISTA- концентрация изобутилена в газах отсоса дегазатора первой ступени  (поз.VISTA_1…6, QA0906_7,QIA0906_8), % мас.

При отсутствии допущения 2, т.е. без  учета 3% хлорметила, уходящего с крошкой каучука на вторую ступень дегазации, количество уходящего изобутилена (непрореагировавшего):

Следовательно, количество получаемого в единицу времени полимера c одной системы полимеризации по результатам j-го опроса датчиков:

Количество полимера, получаемого c одной (i-й) системы полимеризации за сутки цикла полимеризации:

где Δt – период опроса датчиков расхода и состава (на заводе БК ПАО «Нижнекамскнефтехим» 30 сек.), N- количество опросов датчиков за сутки цикла полимеризации.

Таким образом, количество полимера, получаемого cо всех систем полимеризации за сутки:

где i- номера реакторов полимеризации, находящихся в цикле пробега в расчетные сутки.

Эффективность катализатора характеризуется проиндексом:

где  - концентрация хлористого алюминия.

На первой ступени дегазации полимеризат подвергают обработке острым водяным паром  в присутствии антиагломератора на основе стеарата кальция. Количество стеарата кальция, подаваемого на первую ступень дегазации, составляет:

где  – расход суспензии в дегазатор первой ступени (поз.FC8127_1,…8),  - концентрация стеарата кальция в суспензии.

Следовательно, концентрация стеарата кальция в полимере составляет:

- при учете допущения 2

- без учета 3% хлорметила, уходящего с крошкой каучука на вторую ступень дегазации поз.55,

Заключение

Представлена математическая модель для расчета параметров в производстве бутилкаучука ПАО «Нижнекамскнефтехим», теоретической основой которой являются уравнения материального баланса.

На основе моделирования процесса полимеризации бутилкаучука разработан алгоритм расчета в режиме реального времени ключевых технологических параметров процесса по результатам опроса датчиков расхода и состава систем «полимеризатор дегазатор первой ступени» для реализации в распределенной системе управления.

Финансирование Работа выполнена в рамках договора № 4600026159 от 01.04.2015 г. на выполнение НИОКР «Разработка рекомендаций по оптимальным режимам I – VIII систем полимеризации» между НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ» и ПАО «Нижнекамскнефтехим».	Funding The work was carried out within the contract No. 4600026159 on April 1, 2015 for the implementation of R & D “Development of recommendations on optimal modes of I–VIII polymerization systems” between the National Institute of Chemical Technology FSUE “KNITU” and PJSC “Nizhnekamskneftekhim”.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бутилкаучук [Электронный ресурс]. – URL: http://www.xumuk.ru/encyclopedia/665.html (дата обращения: 5.09.2018).
2. Аксенов В.И. Производство синтетических каучуков в Российской Федерации и за последние десять лет. Краткие итоги / В.И.Аксенов, В.Л.Золотарев, А.В.Малыгин, А.И.Рахматуллин // Промышленное производство и использование эластомеров. – –№1. –С. 10– 17.
3. Российская промышленность синтетического каучука: логистика, экспорт и инвестиции [Электронный ресурс]. — URL: https:// plastinfo.ru/ information/ articles/147(дата обращения: 15.10.2018).
4. Международный деловой журнал «Евразийский химический рынок» [Электронный ресурс]. – URL: http://www.chemmarket.info (дата обращения: 25.11.2018).
5. Годовой отчет ПАО «Нижнекамскнефтехим» [Электронный ресурс]. – URL: http://www.nknh.ru/financial_information/yearly_report/ (дата обращения: 30.11.2018).
6. Лежнева Н.В. Математическое моделирование и оптимизация узла полимеризации бутилкаучука / Н.В.Лежнева, В.И.Елизаров, В.В.Елизаров, Э.Р.Галеев // Вестник Казанского технологического ун-та. –2017. –Т. 20. –Вып. 3. –С. 132–136.
7. Галеев Э.Р.Математическое моделирование процесса полимеризации бутилкаучука / Э.Р.Галеев, Н.В. Лежнева, В.В.Елизаров, В.И.Елизаров // Вестник Казанского технологического ун-та. –2016. –Т. 19. –Вып. 23. – С. 92–955.
8. Кабанов В.В. Математическое моделирование параметров пуска установки предварительной дебутанизации сырья/ В.В. Кабанов, А.В. Мущинин, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник Казанского технологического ун-та. –2014. –Т. 17. –Вып. 9. –С. 292–294.
9. Галеев Э.Р. Разработка системы управления процессом получения метил-трет-амилового эфира / Э.Р. Галеев, В.В.Елизаров, В.И.Елизаров // Вестник Казанского технологического ун-та. –2011. -Вып. 15. –С. 251–255.
10. Мущинин А.В. Программное управление расходом питания в колонну при пуске установки дебутанизации углеводородов / А.В. Мущинин, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник Казанского технологического ун-та. –2015. –Т. 18. –Вып. 21. –С. 131– 133.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Butilkauchuk [Butyl rubber] [Electronic resource]. – URL: http://www.xumuk.ru/ encyclopedia/665.html (accessed: 5.09.2018).[in Russian]
2. Aksenov V.I. Proizvodstvo sinteticheskih kauchukov v Rossijskoj Federacii i za poslednie desyat' let. Kratkie itogi [Production of synthetic rubbers in the Russian Federation and for the last ten years. Brief summary] / V.I. Aksenov, V.L. Zolotarev, A.V. Malygin, A.I. Rakhmatullin // Industrial production and use of elastomers. – –№1. – P. 10– 17.
3. Rossijskaya promyshlennost' sinteticheskogo kauchuka: logistika, ehksport i investicii [Russian industry of synthetic rubber: logistics, export and investments] [Electronic resource]. – URL:https://plastinfo.ru/information/articles/147(accessed: 15.10.2018).[in Russian]
4. Mezhdunarodnyj delovoj zhurnal «Evrazijskij himicheskij rynok» [International business magazine "Eurasian chemical market"] [Electronic resource].– URL: http://www.chemmarket.info (accessed: 25.11.2018).[in Russian]
5. Godovoj otchet PAO «Nizhnekamskneftekhim» [Annual report of PJSC «Nizhnekamskneftekhim»] [Electronic resource].– URL: http://www.nknh.ru/financial_information/yearly_report/(accessed: 30.11.2018).[in Russian]
6. Lezhneva N.V. Matematicheskoe modelirovanie i optimizaciya uzla polimerizacii butilkauchuka [Mathematical modeling and optimization of knot of polymerization of  butyl  rubber] / N.V. Lezhneva, V.I. Elizarov, V.V. Elizarov, E.R. Galeev // Bulletin of Kazan Technological University. –2017. – V. 20. –R. 3. – P. 132-136.
7. Galeev E.R. Matematicheskoe modelirovanie processa polimerizacii butilkauchuka [Mathematical modeling of the polymerization process of butyl rubber] / E.R. Galeev, N.V. Lezhneva, V.I. Elizarov, V.V. Elizarov // Bulletin of Kazan Technological University. –2016. – V. 19. – R. 23. – P. 92–95.
8. Kabanov V.V. Matematicheskoe modelirovanie parametrov puska ustanovki predvaritel'noj debutanizacii syr'ya [Mathematical modeling of parameters of start-up of installation of a preliminary debutanization of raw materials] /V.V. Kabanov, A.V. Mushchinin, V.V.Elizarov, V.I. Elizarov // Bulletin of Kazan Technological University. –2014. –V. 17. –R. – P. 292–294.
9. Galeev E.R. Razrabotka sistemy upravleniya processom  polucheniya metil-tret-amilovogo ehfira [Development  of a control system for the production of methyl tert-amyl ether] / E.R. Galeev, V.I. Elizarov, V.V. Elizarov  // Bulletin of Kazan Technological University. –2011. –R. 15. –P. 251– 255.
10. Mushchinin A.V. Programmnoe upravlenie raskhodom pitaniya v kolonnu pri puske ustanovki debutanizacii uglevodorodov [Software control of the power consumption in the column when starting the installation of the debutanization of hydrocarbons] / A.V. Mushchinin, V.V. Elizarov, V.I. Elizarov  // Bulletin of Kazan Technological University. –2015. –V. 18. –R. 21. – P. 131– 133.