МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЭМУЛЬСИИ ЭП-8

​MODELING AND INVESTIGATION OF THE EP-8 EMULSION PRODUCTION PROCESS

Oleg Rubinov

Master's Student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Igor Dyakov

Scientific Supervisor, Candidate of Technical Sciences, Assoc., Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается математическое моделирование процесса производства эмульсии ЭП-8. Проводится имитационное исследование данного технологического процесса.

ABSTRACT

The article discusses the mathematical modeling of the process of production of the EP-8 emulsion. A simulation study of this technological process is carried out.

Ключевые слова: эмульсия ЭП-8, математическая модель, имитационные исследования.

Keywords: EP-8 emulsion, mathematical model, simulation studies.

На сегодняшний день эмульсия ЭП-8 используется для нанесения водоупорного слоя на синтетические и смесевые ткани и для мягкой отделки натуральных смесевых и синтетических тканей [1].

Задачу исследования технологического процесса производства водоотталкивающих эмульсий невозможно решить без использования методов математического моделирования.

При составлении математической модели процесса принимаются следующие допущения [2]:

1. Реактор и рубашка с теплоносителем
2. Теплофизические параметры веществ постоянны;
3. Тепловой емкостью рубашки пренебрегаем.

Общий материальный баланс объекта по реакционной смеси в динамическом режиме отражается уравнением:

,                                                                                                    (1)

где М - масса смеси, м3;  - расход акриловой кислоты в реактор, кг/c.

Для переменной М, стоящей в (1) под знаком производной, требуется задать начальное условие:

,   ,                                                                                  (2)

где  - значение массы реакционной смеси в реакторе в момент времени τ = 0, кг;  - масса загруженного персульфат аммония, кг.

Скорость химической реакции определяется по формуле:

.                                                                      (3)

где К – константа реакции, кг/(моль·с); Е – энергия активации, Дж/моль; R – универсальная постоянная, Дж⁄(моль∙К); Т –температ. реакционной смеси, °С.

Уравнение теплового баланса для реакционной массы имеет вид:

,                                         (4)

,                                                                              (5)

где  - удельная теплоемкость реакционной смеси, Дж/(кг °С);  - температура теплоносителя, °С;  - удельная теплоемкость акриловой кислоты, Дж/(кг °С);  - температура акриловой кислоты на входе в реактор, °С; К₁ - коэффициент теплопередачи между теплоносителем и реакционной смесью, Дж/(м² с °С); F₁ – площадь поверхности теплообмена между теплоносителем и реакционной смесью, м²;  - тепловой эффект, Дж/моль.

Уравнение материального баланса для теплоносителя имеет вид:

      .                                                                                           (6).

где ,  - расходы греющего пара и конденсата на выходе из рубашки, кг/с.

Уравнение теплового баланса для теплоносителя имеет вид:

,                                                (7)

.                                                                                              (8)

где:  – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг °С); K₂ – коэффициент теплопередачи между теплоносителем и окружающей средой, Дж/(м² с °С); F₂ – площадь поверхности теплоносителя, м²;  – температура окружающей среды, °С;  - энтальпия пара на входе в рубашку реактора, Дж/кг.

Зависимость энтальпии теплоносителя) (греющего пара) от давления представим в виде функции [2]:

,                                                                                            (9)

где  - давление греющего пара на входе в рубашку реактора, Па.

Расход греющего пара через регулирующий клапан определяется зависимостью:

,                                                                           (10)

где  - степень открытия клапана греющего пара; K_v – пропускная способность клапана, кг/(с Па^1/2);  - давление теплоносителя в рубашке реактора, Па.

Таким образом, математическая модель процесса сополимеризации при производстве эмульсии ЭП-8 представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений,

Для исследования влияния входных параметров на основной технологический параметр – температуру реакционной смеси, были построены динамические характеристики процесса. Для этого входные воздействия изменялись на 20 % от их исходных значений:  = 0.11;  = 476740 Па;  = 20 °С,  = 20 °С. Загрузка исходных компонентов и расход акриловой кислоты в реактор согласно технологическому регламенту подлежат стабилизации. График динамических характеристик приведен на рисунке 1.

1 – при фиксированных значениях входных параметров

2 – при увеличении температуры окружающей среды  (D=4 °С);

3 – при увеличении давления греющего пара  (D =95348 Па);

4 – при увеличении темп-ры акриловой кислоты на входе  (D =4 °С);

5 – при увеличении степени открытия клапана  (D=0.022)

Рисунок 1 - Переходные функции объекта управления – изменение температуры реакционной смеси

Анализируя полученные переходные функции, делаем вывод о наибольшем воздействии на температуру реакционной смеси оказывает давление греющего пара на входе в рубашку реактора. Данный входной параметр является основным возмущающим воздействием для процесса получения эмульсии ЭП-8.

Также существенное влияние на температуру реакционной смеси оказывает изменение степени открытия клапан на линии подачи теплоносителя в рубашку реактора. Данный технологический параметр является управляющим (регулирующим) для процесса производства эмульсии ЭП-8. Изменение температуры окружающей среды практически не оказывает влияние на температуру реакционной смеси.

Список литературы:

1. Технологический регламент. Производство эмульсии ЭП-8 на ПАО «Пигмент».
2. И.А. Елизаров, Моделирование систем: учебное пособие / Ю.Ф. Мартемьянов, А.Г. Схиртладзе, А.А. Третьяков. – Старый Оскол: Изд-во ТНТ, 2013. – 136 с.