Введение к работе
Актуальность проблемы. Для обеспечения все более растущих потребностей в производстве полимерных материалов и изделий из них, создания экологически чистых и высокопроизводительных замкнутых технологических линий, необходимы эффективные, надежные в управлении и обеспечивающие заданные параметры качества синтезируемого продукта реакторы. Используемые в настоящее время в промышленном производстве типы полимеризационных реакторов (в частности, широко распространенные трубчатые реакторы различных модификаций) не удовлетворяют в полном объёме всем перечисленным требованиям. Поэтому уделяется большое внимание разработке нового, более совершенного оборудования по производству полимеров. Именно к таким разработкам можно отнести фронтальные реакторы цилиндрической и сферической формы, впервые сконструированные и прошедшие апробацию в Институте химической физики АН СССР . Они удачно сочетают в себе достаточную производительность, компактность и высокую чистоту синтезируемого продукта. Последнее обстоятельство особенно ценно при производстве полимерных оптических волокон. Однако: опыт практического освоения (в частности, на установке непрерывного синтеза Инженерного центра полимерных оптических волокон -ИЦ ПОВ, г. Тверь) показывает, что эффективное использование фронтальных полимеризаторов, невозможно без глубокой проработки научных аспектов проблемы, создания достаточно полной математической модели такого реактора. Имеющиеся в настоящее время одномерные математические модели фронтальной полимеризации не учитывают целый ряд факторов, влияющих на закономерности протекания процесса. Так, при их использовании за рамками рассмотрения остаются вопросы влияния свободной конвекции на вынужденное течение экзотермически реагирующей массы и, как следствие этого, искажение формы и положения зоны реакции, значительная неоднородность условий пребывания полимеризующихся частиц в реакционном объёме, приводящая к нестабильности молекулярных характеристик продукта и некоторые другие, не менее важные проблемы. Поэтому проблема создания математической модели, которая бы не только достоверно описывала качественную картину фронтальной полимеризации, но и давала бы количественные оценки, необходимые для выбора рациональных и научно обоснованных параметров процесса, является достаточно актуальной.
Цель работы. Создание и апробация математической модели фронтальной полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе непрерывного вытеснения с учетом термогравитационных явлений и многокомпонентного инициирования реакции. Изучение посредством компьютерного моделирования основных закономерностей протекания процессов тепломассопереноса и связанных с ними химических превращений. Количественная оценка характеристик молекулярно-массового распределения <ММР), определяющих качество полимерного продукта. Поиск механизмов и способов, позволяющих реализовать эффективное управление полимеризатором. Определение рациональных конструктивных и технологических параметров процесса.
Научная новизна. Впервые поставлена и решена связанная краевая задача полимеризации термопластов в цилиндрическом фронтальном реакторе непрерывного вытеснения. Разработанная математическая модель учитывает термогравитационные эффекты, многокомпонентное инициирование реакции, существенную нелинейность теплофизических и реокинетических характеристик. На основе этой модели создан пакет прикладных программ (ППП) для расчёта параметров тепломассопереноса и молекулярных характеристик продукта.
Выявлены механизмы взаимодействия тепловых, гидродинамических и концентрационных процессов, протекающих в рабочем объёме реактора. Даны количественные оценки их влияния на свойства синтезируемого полимера.
Исследована динамика развития процесса и основные закономерности формирования стационарного состояния полимеризующейся среды в условиях вынужденного и смешанного течения.
Изучено влияние основных технологических параметров на закономерности протекания процесса и выявлены способы воздействия на зону интенсивных превращений, которая определяет общую картину процесса. В качестве одного из наиболее эффективных механизмов управления исследована система двух инициаторов с различными кинетическими характеристиками; найдены рациональные диапазоны изменения их концентраций.
Создана оригинальная численная методика идентификации условий полимеризации макрочастиц движущейся среды для оценки неоднородность теплофизических и молекулярно-массовых характеристик продукта.
Предложен вариант конструктивной модификации цилиндрического полимеризатора, позволяющий в значительной мере повысить эффективность его работы .
Практнчсская иенгиктъ.
Разработаны двухпараметрические диаграммы количественных оценок основных интегральных характеристик процесса синтеза полиметилметакрилата (ПММА) при бикомпонентном инициировании реакции с использованием азо-бис-изобутилонитрила (АИБН) и ди-трет-бутилпероксида (ТБП).
Создан пакет программ, позволяющий не только реализовать различные поисковые задачи фронтальной полимеризации, но и достаточно быстро смоделировать конкретный технологический режим, и тем самым избежать проведения гораздо более длительного и дорогостоящего натурного эксперимента. Пользовательская версия ППП передана для применения в ИЦ ПОВ, г. Тверь.
Выработаны рекомендации по назначению рациональных и научно обоснованных параметров процесса.
Апппвття раЛпш%г н /!уб>г~тя. Результаты диссертационной работы докладывались на III науч.-техн. конф. "Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов", Пермь, 1992; Международной науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, 1994; I Российской нац. конф. по теплообмену, Москва, 1994; VI Международной науч.-техн. конф. " Кристаллизация: компьютерные моде-ли.эксперимент, технология", Ижевск, 1994; Международной конференции" Математическое моделирование процессов обработки материалов",Пермь, 1994; XXVIII научн.- техн. конф. Пермского госуд. техн. университета (ПГТУ) по результатам научно-исследовательских работ, Пермь, 199S; теоретических семинарах кафедры прикладной математики ПГТУ, 1992-1995 (науч. руководитель проф. Первадчук В.П.), кафедры технологии полимерных материалов ПГТУ, 1995 (науч. руководитель проф. Ермилов А.С.), гидродинамическом семинаре Пермского гос. университета , 1995 (науч. руководитель проф. Гершуни Г.З.).
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, список которых помещен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, перечня цитируемой литературы и приложения. Общий объём диссертации 148 страниц, включая 99 страниц текста, 32 рисунка, 2 таблицы и 91 библиографических наименований.
