Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор
1.1 Проблемы управления технологическим процессом производства композиций на основе ПВХ 9
1.2 Состояние исследований в области экспериментального изучения и математического моделирования процессов смешения полимерных композиций 36
1.3 Основные типы оборудования и технологические схемы, используемые для производства полимерных композиций 44
Выводы 59
Разработка математической модели процесса смешения композиций на основе ПВХ 61
77
2.1 Описание технологической схемы производства композиций на основе ПВХ 61
2.2 Основные закономерности процесса смешения композиций на основе ПВХ
2.3 Разработка математической модели процесса смешения композиций ПВХ в каскаде скоростных циркуляционных смесителей периодического действия на основе энергетического баланса процесса 81
2.4 Разработка алгоритма и программ для реализации математической модели процесса смешения композиций ПВХ на управляющих 9т микро-ЭВМ
Выводы 94
3. Экспериментальная часть 95
3.1 Исследование процесса смешения композиций ПВХ в лабораторном скоростном смесителе 95
3.2 Методы исследования качества исходного ПВХ и композиций на основе ПВХ III
136
3.3 Исследование процесса смешения компози ций ПВХ в промышленном скоростном смеси
теле - проверка адекватности разработан ной математической модели реальному про цессу смешения
Выводы 147
Применение разработанного математического обеспечения в АСУТП для оптимизации и супервизорного управления процессом смешения ком позиций ПЕХ 148
4.1 Постановка задачи оптимизации процесса смешения композиций на основе ПВХ 148
4.2 Выбор метода решения задачи оптимизации и разработка алгоритма и программы оптимизации процесса смешения композиций на основе ПВХ. Результаты оптимизации 150
4.3 Выбор оптимальной структуры системы управления процессом смешения композиций ПВХ 159
4.4 Рекомендации по совершенствованию дейст вующей АСУТП производства композиций на основе ПВХ 164
Выводы 172
Заключение 174
Литература Приложения
- Проблемы управления технологическим процессом производства композиций на основе ПВХ
- Описание технологической схемы производства композиций на основе ПВХ
- Исследование процесса смешения композиций ПВХ в лабораторном скоростном смесителе
- Постановка задачи оптимизации процесса смешения композиций на основе ПВХ
Введение к работе
Намеченный ХХУІ-ом съездом КПСС и ХП-ом съездом ВСРП рост производства и потребления пластических масс в Советском Союзе и в Венгрии ставит задачу непрерывного увеличения объема их переработки в изделия. Поэтому важнейшей народно-хозяйственной задачей, стоящей перед промышленностью переработки пластмасс как в Венгрии, так и в Советском Союзе является интенсификация технологических процессов переработки полимеров и пластических масс на их основе. Одно из ведущих мест в общем объеме производства и переработки полимеров в 1980-1990 гг. отводится поливинилхлориду (ПВХ). Однако, собственные недостатки, присущие ПВХ, и многообразие композиционных материалов на его основе требуют наличия обязательного этапа смешения полимеров с различными технологическими и целевыми добавками. Современная технология переработки ПВХ материалов предусматривает непосредственное формирование изделий из сухих смесей. Поэтому роль смешения ПВХ-компо-ЗИЦИЁ в общем процессе переработки ПВХ неизмеримо возростает.
На современных заводах переработки ПВХ строятся отдельные цеха для изготовления композиций ПВХ, где применяются мощные, высокопроизводительные скоростные смесители с программным управлением, которые потребляют 20-50$ энергии от общей затраченной энергии на изготовление пластмассовых изделий из ПВХ.
Одним из важнейших направлений повышения производительности и качества выпускаемых продуктов, а также сокращения расхода энергии и материалов на единицу выпускаемой продукции в многоассортиментных химических производствах и, в том числе, переработке пластмасс, представляющих собой шкшные дискретно-непрерывные химико-технологические системы (ХТС), является интенсификация их технологических режимов на базе автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
Эффективность АСУТП во многом зависит от совершенства математического, программного и технического обеспечения, реализующего алгоритмы переработки информации и управления. Оптимальное управление процессом смешения композиций ПВХ невозможно без применения современных ЭВМ, в том числе управляющих микро-ЭВМ.
Для создания интегрированных автоматизированных систем управления требуется глубокое знание закономерностей всех этапов производственного процесса, а также высокоэффективные управляющие программы.
На Боршодском Химическом Комбинате в Венгрии работает современная распределенная автоматизированная система управления производством композиций ПВХ на базе микро-ЭВМ. Всвязи с совершенствованием этой АСУТП возникла необходимость в разработке математической модели процесса смешений порошкообразных сыпучих материалов композиций ПВХ в скоростных смесителях. Оптимизация процесса и системы управления на основе такой модели приведёт к сокращению расхода энергии, увеличению произ водительности оборудования и улучшению качества продукции, что имеет большое практическое значение и является актуальной задачей в области переработки пластмасс.
Целью настоящей работы является разработка и исследование математической модели процесса смешения порошкообразных полимерных материалов - композиций ПВХ в скоростных смесителях с целью оптимизации процесса, разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения многоуровневой системы оптимального управления, реализующего математическую модель и оптимизацию процесса на управляющих процессом смешения микро-ЭВМ,
Поставленные в работе задачи решаются в следующей последовательности:
1. Анализ объекта моделирования и разработка математической модели процесса.
2. Разработка алгоритма и программ для реализации математической модели смешения композиций ПВХ.
3. Проведение активных экспериментальных исследований процесса смешения композиций ПВХ в лабораторном и промышленном скоростном смесителях с целью определения основных параметров элементарных процессов смешения композиций ПВХ и идентификации параметров математической модели и проверка ее адекватности реальному процессу.
4. Разработка алгоритма и программы оптимизации процесса смешения композиций на основе ПВХ в скоростном циркуляци
онном смесителе. Получение результата оптимизации -расчет оптимальных технологических параметров процесса смешения композиций ПВХ в скоростном смесителе.
5. Выбор оптимальной структуры системы управления процессом смешения композиций ПВХ.
6. Выдача рекомендации по совершенствованию действущей АСУТП производства композиций ПВХ. Проведение опытной эксплуатации разработанной оптимальной системы управления производством композиций ПВХ.
В первой главе проводится аналитический обзор .литературы по вопросам состояния математического моделирования процесса смешения композиций ПВХ, оборудования, используемого для смешения сыпучих материалов, особенностям управления процессом смешения композиций ПВХ.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса смешения композиций ПВХ.
На основе комплексного анализа свойств исходных компонентов, физико-химических закономерностей и тепловых явлений процесса смешения сыпучих материалов впервые сформулирована математическая модель смешения композиций ПВХ в каскаде скоростных смесителей, учитывающая изменение температуры композиций ПВХ по времени смешения.
Создано программное обеспечение, реализующее разработанную математическую модель для микро-ЭВМ, управляющих процес сом смешения композиции ПВХ в АСУТП действующего завода.
В третьей главе описаны эксперименты, проведенные на лабораторном скоростном смесителе и циркуляционном смесителе периодического действия.
С помощью лабораторного скоростного смесителя были определены основные параметры элементарных процессов смешения композиций ПВХ и корреляции, существующие между показателями качества порошка ПВХ и технологическими параметрами процесса смешения. Разработана методика оценки качества смешения композиций ПВХ и предложено использовать современные методы и средства контроля качества готовой композиции ПВХ. Собраны экспериментальные данные для идентификации параметров математической модели и проведены проверки ее адекватности реальному процессу.
В четвертой главе разработанную математическую модель предложено использовать для супервизорного управления в реальном масштабе времени процессом смешения композиций ПВХ.
Сформулирована задача оптимизации процесса смешения композиций ПВХ и разработан алгоритм и программное обеспечение, реализующее оптимизирующий алгоритм на управляющих процессом смешения микро-ЭВМ.
В результате расчета получены оптимальные технологические параметры смешения композиций ПВХ в промышленных скоростных смесителях.
Предложена оптимальная структура системы управления процессом смешения композиций ПВХ с использованием микро-ЭВМ, сущность которой заключается в введении верхнего уровня иерархии управления, реализующего разработанные алгоритмы оптимизации и супервизорного управления.
Результаты исследований и разработок использованы в АСУТП действующего завода производства композиций ПВХ на Бор-шодском химическом комбинате в Венгрии, в городе Казинцбарци-ка. Внедрение программно-математического обеспечения супервизорного управления, реализующего разработанную математическую модель и оптимизирующий алгоритм привело к повышению качества изготовленных композиций ПВХ, сокращению производственного брака, снижению расхода материалов и энергии на единицу продукции, что в сумме дает экономический эффект в размере 3,5 миллионов форинтов, что составляет приблизительно 200 тыс.руб. в год. Работа выполнена в соответствии с координационным планом ГКНТ СМ СССР.
Проблемы управления технологическим процессом производства композиций на основе ПВХ
Технологический процесс производства композиций ШХ является сложным, многостадийным, даскретно-непрерывшм процессом, который включает в себя следующие задачи управления: 1. Управление приемом и хранением сырья и вспомогательных материалов; 2. Управление транспортировкой и дозировкой сырья и вспомогательных материалов; 3. Управление смесителями композиций ПВХ; 4. Управление транспортировкой, хранением, расфасовкой и отгрузкой готовых композиций на основе ПВХ.
На современных заводах переработки пластмасс в основном используются скоростные циркуляционные смесители периодического действия и скоростные смесители непрерывного действия [12,13,18]. В связи с этим, в дальнейшем будем заниматься вопросами, касающимися особенностей управления этими двумя классами смесителей.
Использованные системы управления технологическим процессом производства композиций на основе ПВХ по характеру управляемого процесса можно разделить на два больших класса: системы управления смесителями периодического действия и системы управления смесителями непрерывного действия. По признаку технического уровня использованных элементов системы управления также можно разделить на два класса: I. системы, содержащие традиционные аналоговые регуляторы П. дискретные логические автоматы.
Системы управления, содержащие традиционные аналоговые регуляторы и дискретные логические автоматы описаны в работах Кертеса [12] и Йоганнабера [13] .
Эти управляющие системы обеспечивают ручное, Полуавтоматическое и автоматическое управление смесителем. Применимы три варианта управления скоростным смесителем с обогревом: а, Управление временем смешения (смешение до установ ленного времени); б, Управление температурой смешения (смешение до уста новленной температуры смеси); в, Управление по потребляемой мощности (смешение до установленного потребляемого тока двигателя). Для предотвращения аварийной ситуации в случае отказа автоматики параллельно с автоматической системой управления включено аварийное реле температуры или време ни. Для оптимальной работы каскада обогреваемых и охлаждаемых смесителей необходимо обеспечить согласованность работы двух смесителей, оптимизировать время горячего и холодного смешения. Это трудно осуществить с помощью системы управления на базе традиционных логических автоматов. Оптимальное управление целым технологическим процессом производства композиций можно осуществить с помощью системы управления на базе ЭВМ или микропроцессоров [16,17,21].
Управление смесителями непрерывного действия, с одной стороны, является более простой задачей, чем управление смесителями периодического действия, поскольку параметры смешения (такие как температура и скорость вращения ротора) нужно поддерживать постоянными, с другой стороны, является более сложной задачей, поскольку нужно обеспечить очень точное непрерывное дозирование всех компонентов смеси [12,1.
Вначале для управления смесителями непрерывного действия использовали автоматы, программированные перфокартами [12]. С помощью перфокарт вводили характерные данные смешения, и программированный автомат выполнял управление смесителем автоматически. Такая система управления способна управлять дозировкой максимум 15 компонентов. Для изменения рецептуры смешения в автомат
нужно было только вводить другую перфокарту.
Более современные управляющие системы смесителями непрерывного действия работают на базе микропроцессоров или на базе других средств цифрового управления[16,18,27]. Одним из самых важных факторов получения высококачественных композиций является точное взвешивание и дозировка исходных компонентов смеси [18]. Большую точность дозировки порошкообразных материалов можно; достичь с помощью гравиметрических дозаторов, а жидкостей - с помощью плунжерных дозировочных насосов и применением таких контрольных приборов, как турбинные счетчики, шестеренчатые счетчики, или счетчики с овальными колесами. Полное дозируемое количество компонентов разбивается на определенное число маленьких объёмов, которые выражаются числом импульсов в цикле дозирования. Небольшие отклонения от установленного дозируемого количества материалов могут быть компенсированы управляющей системой путем изменения числа дозировочных импульсов в цикле дозирования. Хотя дозировка осуществляется циклически, вся система работает непрерывно.
Описание технологической схемы производства композиций на основе ПВХ
Прием, хранение и транспортировка жидких вспомогательных материалов - Прием и хранение жидких вспомогательных материалов. - Автоматическая транспортировка жидких вспомогательных материалов в промежуточные емкости и в смесители жидких компонентов. 2.1.1.3. Приготовление концентратов из порошкообразных вспо могательных мат ериа лов. - Приготовление концентратов из стабилизаторов. - Приготовление концентратов из смазочных веществ. - Приготовление концентратов из пигментов.
2.1.1.4. Приготовление композиций и гранулятов из ПВХ. - Приготовление гранулятов: 1-ая линия скоростных смесителей; - Приготовление композиций ПВХ для производства изделий для пищевой и фармацевтической промышленности: 2-ая линия скоростных смесителей; - Приготовление композиции ПВХ для производства пластифицированных профильных изделий: 3-ая линия скоростных смесителейі. - Приготовление композиций I3BX для производства пластифицированных пленок: 4-ая линия скоростных смесителей; - Приготовление композиций ПВХ для производства не-пластифицированных пленок: 5-ая .линия скоростных смесителей; - Приготовление композиций ПВХ для производства пластифицированных и непластифицированных изделий; 6-ая .линия смесителей; - Приготовление кошозиций ПВХ для производства пластифицированных технических изделий; 7-ая линия смесителей; - Приготовление композиций ПВХ для производства непластифицированных технических изделий: 8-ая линия смесителей. 2.1.1.5. Прием, хранение, расфасовка, упаковка и отгрузка готовых композиций ПВХ - Прием, промежуточное хранение и транспортировка в бункеры хранения готовых композиций ПВХ;
- Расфасовка, упаковка и отгрузка готовых композиций; 2.1.2. Принцип работы отдельных подсистем 2.1.2.1 Прием, хранение и транспортировка порошкообразных материалов - Прием и хранение порошкообразного ПВХ Прием порошкообразного ПВХ из транспортировочной автоцистерны в бункер хранения происходит с помощью пневмо транспортной системы, состоящей из компрессора и пневмотранспортной .линии с клапанами дистанционного управления. На рисунке 2.1. показаны 4 бункера (СХ І0І-І04) хранения ПВХ и пневмотранспортные линии. - Прием и хранение порошкообразных вспомогательных материалов
Прием порошкообразных материалов, поступающих в цех в мешках, происходит с помощью мешкоопорожняющих машин (МО ІІІ-ІІ5) и транспортируются пневмотранспортной системой в приемные емкости EX ІІІ-І23. - Пневмотранспорт порошкообразных материалов в промежуточные емкости.
Из бункера СХ І0І-І04 с помощью пневмотранспортной системы можно транспортировать порошок ПВХ в промежуточные емкости ПВХ ЕМ 411.; 421, 431, 451, 461, 471 скоростных смесителей смесительных линий 1-8. Отметим, что смесительные -линии 3-4 и 7-8 имеют общие промежуточные емкости для хранения порошка ПВХ соответственно ЕМ 431 и Ж 471. Имеется ещё возможность транспортировать порошок ПВХ в промежуточные емкости Ж 301-304, 331, 332 смесителей концентратов. 2.1.2.2. Прием, хранение и транспортировка жидких вспомогательных материалов - Прием и хранение жидких вспомогательных материалов Для приема и хранения мягчителя, используемого в большом количестве, служат две емкости ЕХ 212, 213, которые оснащены обогревающими змеевиками. Мягчителъ принимается из центрального парка резервуаров через трубопровод или из железнодорожной цистерны. Для опорожнения цистерны служат насосы НА 213 А,В.
Жидкие вспомогательные материалы, используемые в небольших количествах, поступают в цех в бочках. Опорожнение бочек осуществляется с помощью насосов НА 201-214 в емкости EX 201-214. - Автоматическая транспортировка жидких вспомогательных материалов в промежуточные емкости и в смесители жидких компонентов.
Мягчителъ из емкостей хранения насосами НА 214 А,В перекачивается в промежуточные емкости ЕМ 214, 215. Насосы НА 215 А,В обеспечивают циркуляцию мягчителя в замкнутом трубопроводе, от которого имеются ответвления ко всем скоростным смесителям. В замкнутом трубопроводе поддерживается постоянное давление с помощью регулятора.
Из ёмкостей хранения Ж 201-214 жидкие вспомогательные материалы насосами НА 201-214 автоматически транспортируются в смесительные емкости СЕ 411,412,421, 422, 431, 432, 441, 442, 451, 452, 461, 462, 471, 472 для изготовления смесей из жидких компонентов. Эти смесительные емкости подключены попарно к смесительным линиям 1-6, и по одному к смесительным .линиям 7-8. Все смесительные емкости соединены с 7-мыо емкостями хранения, таким образом, в каждой смесительной емкости можно приготовить смесь, состоящую максимум из 7-ми компонентов. Приготовленную смесь из смесительных емкостей с помощью шестеренчатых насосов НА 4II-48I дозируют, соответственно установленной рецептуре, в отдельные скоростные смесители периодического действия.
Исследование процесса смешения композиций ПВХ в лабораторном скоростном смесителе
Исходное сырьё - порошок ПВХ и большинство вспомогательных материалов, поступающих на приготовление композиций на основе ПВХ, в исходном состоянии сыпучие материалы, т.е. либо порошкообразные, либо гранулированные, которое характеризуется рядом свойств, влияющих на качество готовых пластмассовых продуктов, изготовленных переработкой кошозиций ПВХ.
Перерабатываемость сыпучих материалов зависит от плотности и соотношения компонентов в смеси, насыпной плотности, гранулометрического состава, коэффициента внутреннего трения, пористости, поглощения пластификатора, сыпучести, способности к растворению в пластификаторах (мягчителях), термостабильности и т.д.
Композиции, приготовленные на основе ПВХ, являются также сыпучими материалами, т.н. сухими смесями. Качество композиции также можно характеризовать большинством выше перечисленных характеристик и некоторыми специфическигли методами, характеризующими перерабатываемость композиции, такими, как реологические свойства, измеренные пластографом Брабендера, экстризиометром и т.д.
Ниже рассмотрим методы определения основных свойств сыпучих материалов - исходного ПВХ и приготовленных композиций на основе ПВХ.
Среди методов определения плотности пластических масс используются пикнометричесіши, флотационный и метод градиентной колонки, из которых наиболее широко распространен пикнометрический, обеспечивающий точность измерения до 0,05$. Сущность метода заключается в сравнении масс одинаковых объёмов испытаемого вещества и жидкости известной плотности.
Насыпная плотность сыпучих материалов является отношением насыпной массы порошка к единице объёма (г/см3). Метод позволяет контролировать равномерность структуры порошка. Сущность метода определения насыпной плотности заключается в заполнении исследуемым материалом измерительного цилиндра известного объёма с его последующим взвешиванием.
Гранулометрический состав характеризуется размерами частиц и фракционным составом. Распределение частиц порошка или гранул можно описать только статистическими моделями, получение которых основано на применении ситового, седиментационного, флотационного, телевизионного или кон-дуктометрического методов, из которых ситовой является наиболее простым, а кондуктометрический наиболее прогрессивным.
Ситовой анализ основан на применении серии сит с различными размерами отверстий и определения процентного содержания отдельных фракций.
Кондуктометрический метод основан на определения изменений сопротивления электропроводящей жидкости в капилляре при прохождении через отверстие капилляра частицы порошкообразного материала, суспендированного в этом электролите.
На этом принципе основан прибор Коултер-Коунтер /Coulter Counter/ Модел ТАИ (производства Coulter Electronics Ltd), который может быть применен для быстрого определения гранулометрического состава исходного ПВХ и приготовленной композиции на основе ПВХ. Этот метод является перспективным, поскольку время измерения короткое, требует маленькое количество образца, обеспечивает большую точность (+1,5% для каждой фракции).
На рисунках 3.3 и 3.4 показаны гистограммы распределения размера частиц исходного ПВХ, добавок и композиций на основе ПВХ, снятых на приборе Коултер Коунтер Модел ТАГЕ. Как видно на этих рисунках, гранулометрический состав готовой композиции определяется гранулометрическим составом исходного порошка ПВХ и технологией процесса смешения. Гистограмма стандартной когшозиций близка к гистограмме исходного ПВХ, а
Постановка задачи оптимизации процесса смешения композиций на основе ПВХ
Калиброванный релаксационный метод исследования полимерных композиций заключается в измерении термомеханических релаксационных спектров, диэлектрических потерь и диэлектрических деполяризационных спектров с помощью универсального релаксационного спектрометра "Унирелакс". Этот прибор был разработан венгерским!учеными П.Хедвиг и І. Мишко лци, и предложен для исследования полимерных композиций 7, 95].
На Боршодском Химическом Комбинате была разработана методика определения точек переходов в композициях ПВХ как на прессованных,так и на порошкообразных образцах, при линейно изменяющихся по времени температурах [192] .
Помимо проведения термомеханического анализа порошкообразного образца предложено измерение диэлектрического деполя-ризационного спектра, сущность которого следующая: композиция при температуре выше температурного интервала стеклования подвергается поляризации высокшл напряжением, вследствие которого постоянные диполы ориентируются. Охлаждая систему под напряжением, это поляризованное состояние замораживается. После этого снимается напряжение, образец включается в цепь короткого замыкания и система нагревается с постоянной скоростью. Под влиянием нагрева повышение подвижности свободных зарядов и диполей дает характерные пики силы тока. Эти пики можно интерпретировать как пики различных переходов, возникающих в следствив трёх основных процессов:
а/ деполяризация диполей, б/ изменении диполей на поверхностных слоях инградиентов полимер, в/ активации носителей зарядов, замороженных в местах
дефектов полимера. Типичный комбинированный релаксационный спектр кошозиций ПВХ - диоактилфталат - хлорированный полиэтилен, снятый на установке "УНЙВЖАКС показан на рисунке 3.14, на котором видны характерные - для данной системы переходы при температурах -35, +9 и +25 С.
Комбинированный релаксационный метод хорошо можно использовать для исследования полимерных композиций, и
С целью идентификации параметров математической модели были исследованы скоростные смесители периодического действия типа "MSHK 750/2000" (производство фирмы TRUSI0MA, ГДР).
Основные технические данные скоростного смесителя типа MSHK 750/2000 приведены в таблице 3.9. Объектами исследования были выбраны наиболее распространенные промышленные непластифицированные композиции на основе суспензионного ПВХ, продукты Боршодского Химического Комбината, модальная рецептура которых приведена в таблице 3.9.
Для идентификации параметров разработанной математической модели процесса смешения композиций на основе ПВХ в каскаде скоростных смесителей экспериментальные данные были собраны с помощью микро-ЭВМ типа DSC-23 (производства фирмы HITACHI Ltd, Япония), управляющей в реальном масштабе времени процессом смешения композиций ПВХ в скоростном смесителе типа MSHK 750/2000. Характерная кривая смешения показана на рисунке 3.15.
Идентифицированные параметры математической модели процесса смешения композиции ПВХ в скоростном смесителе для одной непластифицированнои композиции ПВХ приведены в таблице З.П.
