Способ измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам автоматического измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в производстве каучуков и может быть использовано для автоматического контроля процессов получения полимеров. Изобретение позволяет повысить точность измерения концентрации полимера и конверсии мономеров по величине гидростатического давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температурной компенсацией за счет дополнительного измерения объемной концентрации мономеров в исходной жидкой среде, регулирования расхода эталонной жидкости, в качестве которой используют исходную жидкую среду, отбираемую до ввода инициатора, таким образом, чтобы обеспечить отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру равным не менее 10<SP POS="POST">4</SP> и равное время протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребывания эталона в его камере. 1 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1597360

А1

ECPL93858

==, Ь) ИО t Е А 4

=J.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4433213/23-05 (22) 30.05.88 (46) 07.10.90, Бюл. № 37 (72) Б.П. Буконов, С.Г, Тихомиров, В.А. Курицын, В.Н. Ветохин, А.С.Эстрин и B.Â. Кафаров (53) 678.7.02(088.8) (56) Глыбин И.П. Автоматические плотномеры — Киев: Техника, 1965, с. 93-115. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ПОЛИМЕРА И КОНВЕРСИИ MOHOMEPOB В ЖИДКОЙ СРЕДЕ С ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИЕЙ И НЕПОСТОЯННЫМ ФРАКЦИОННЫМ СОСТАВОМ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к способам автоматического измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в производстве клучуков и может быть использовано для автоматического контроля процессов получения полимеИзобретение относится к способам автоматического измерения концентрации полимера и конверсии мономера в производстве каучуков и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для автоматического контроля процессов получения

-каучуков.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации полимера и конверсии мономера.

На фиг. 1 и 2 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа. (51) 5 С 08 F 2/06, G 05 D 27/00

2 ров. Изобретение позволяет повысить точность измерения концентрации полимера и конверсии мономеров по величине гидростатического давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а так же с температурной компенсацией за счет дополнительного измерения объемной концентрации мономеров в исходной жидкой среде, регулирования расхода эталонной жидкости, в качестве которои используют исходную жидкую сред/у отбираемую до ввода инициатора, таким образом, чтобы обеспечить отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру равным не менее 10 и равное

4 время протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребывания эталона в его камере.

1 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Пример 1. Производство СКЛ а ,каучука полимеризацией в растворе.

Схема устройства реализации предлагаемого способа (фиг. 1) включает в себя блок реакторов полимеризации, на вход первого реактора 1 подаются исходная среда и инициатор реакции, а с выхода последнего реактора 2 снимается ф готовый продукт. Объем заполнения последнего реактора равен 1. Эталонная жидкая среда, в качестве которой используется исходная жидкая среда до ввода инициатора с входа реактора 1, подается в секционную камеру 3 для 597360 эталона, последняя секция которой —. представляет собой установленный вер тикально участок трубы, высота которого равна высоте камеры для исследуе5 мой среды, в качестве которой используется реактор 2.

Расход исходной жидкой среды, подаваемой в реактор 1, измеряется датчиком 4 расхода, а объемная концентрация мономеров в исходной жидкой среде — датчиком 5. Расход эталонной жидкости, в качестве которой служит исходная жидкая среда, в камеру 3 для эталона измеряется датчиком 6 и регу- 1> лируется с помощью регулятора 7 и клапана 8. Перепад гидростатического давления между основаниями равновысотных столбов эталонной и исследуемой сред измеряется датчиком 9. Гидроста- 20 тическое давление эталонной жидкости в вертикальной трубчатой секции измеряется датчиком 10. Температуру исследуемой жидкой среды в реакторе 2 измеряют датчиком 11 температуры, а температуру эталонной жидкости в последней секции камеры для эталона датчиком 12 температуры. Камеру для эталонной жидкости устанавливают так, чтобы верхняя часть ее объема из (N-1), (где N — число реакторов, секции быпа на одном горизонтальном уровне с днищем реактора, Информация от датчиков 4, 5, 9 — 1 2 поступа ет на входы блока 13 расчета концентрации полимера и конверсии мономеров, который рассчитывает задание регулятору расхода эталонной жидкости и определяет концентрацию полимера и конверсию мономеров в исследуемой среде. Информация и задания регулятору 7 расхода поступают с выхода блока 13 в камеру задания этого регулятора.

В качестве мономера используется бутадиен, растворителем являются толуол, бензин или отдельные фракции бензина.

Исходная жидкая среда (шихта) приготовляется смешением в трубопроводе мономера и растворителя в задан.ном соотношении, охлаждается и подается на полимеризацию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения,В линию исходной ж щкой среды на ее входе в первый реактор каскада подается инициатор. В результате непрерыв55 ной подачи исходной жидкой среды и инициатора реакционная масса последовательно проходит все аппараты каскада, количество которых не превышает

4-6. Объем аппарата составляет 16 з

20 м в зависимости от конструкции, высота аппаратов 5,0 мм. Отвод теплоты полимеризации осуществляется в результате предварительного охлаждения исходной жидкой среды и охлаждения аппаратов каскада рассолом температурой 258 К, поступакицим в рубашки аппаратов, Основные параметры процесса полимеризации представлены в табл. 1.

Концентрация мономера С = 0,1 и может изменяться до С м = 0,2.

Температура исходной среды Т

261 К, а температура исследуемой среды Т = 306 К.

В эталоне соотношение объемных концентраций мономера и растворителя изменяется в диапазоне (О, 1-0,9) (0,2-0,8) или (10 : 90) — (20 : 80) .

В качестве камеры для пропускания исследуемой среды (реакционной массы) используют реактор 2. Камера 3 эталона, например, при измерении конверсии мономеров и концентрации полимера во втором реакТоре состоит из двух секций. Последняя секция камеры имеет высоту, равную высоте реактора, т. е. 5 м. Общий объем камеры эталона выбирается таким, чтобы расход эталона через его камеру обеспечивал равенство времени протекания химической реакции в исследуемой среде и времени пребывания эталона в камере, а отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в камеру устанавливалось не менее 10 . При об4 щем объеме камеры эталона в 25 л, расходе исходной жидкой среды, равном

8 — 32 м /ч, и расходе эталона, устаз навливаемом в соответствии с расходом исходной жидкой среды в диапазоне

6,25-25 л/ч, время протекания химической реакции в реакторах 1 и 2 изменяется от 4 до 1 ч. Время пребывания эталона в его камере также изменяется от 4 до 1 ч в зависимости от расхода исходной жидкой среды на реактивный каскад, Таким образом, двухсекционная камера эталона и пропорциональное регулирование расхода эталона, обеспечивают равенство протекания химической реакции в исследуемой жидкой среде и времени пребывания эталона в его камере. Для обеспечения раdC = — — — — . 1001 = 0,667;

С,-С„, С,„„ к

Л С = — — — — - 100Х = 0 572 .

) Сяа-С-л

5 1597360 6 венства изЬыточного давления в каме- Значения концентрации полимера и ре исследуемой жидкой среды и камере конверсии мономера получены по формуэталона последняя секция камеры эта- лам (1) и (2) на основании результа! лона соединяется с камерой исследуе- тов измерений (таЬл. 2): Х = мой среды на ее выходе, т, е. на уров- 0,749997; Г,=0,054647; Х < =0,91999972; не верхней кромки реактора. При объе- С = 0,0673858.

Il1 ме посл едн ей с екции камеры э тало на Относительные погрешности измерения

12,5 л, высоте секции равной с помощью предлагаемого способа равны

5,0 м, диаметр секции составляет

1О

5,68 см, а скорость прбтока эталона дХ = ---- — 1007. = О 6X

Х.1-Х1

1= Х изменяется в диапазоне 2,5-10 м/ч.

Отношение гидростатического давления эталона к величине гидрадинамического давления в точке ввода эталона в его камеру составляет 10 о что больше рас- ) Х«-Х четной величины равной 10 . ДХ = — — - 1ООХ = 0,5447.;

У

Расчет конверсии мономера Х и концентрации полимера Сд выполняется по формулам

Х вЂ” —,- — — — ——

С ((1-eQ+(p-p„d) (Т-Т,) (аР 1 25 P p/4p(0) (T-T ) (C (-PP)+ P) ()

4 (1- /30(Т-Т )3 Г «лр и ((1-,г)+(Р„;Р„М) (Т-Т,) t ЛР(О)

ЛР +Р(0)

+ — — — — (С (Р -P )+p (Т-T )

Р(0) м м P P o (2) „ pï а а — плотности мономера и полимера, соответственно;

1, д, — коэффициенты объемного теплового расширения мономера, полимера и растворителя соответственно;

p(0) — гидростатическое давление эталона в последней секции камеры эталона;

Р (0) — гидростатическое давление исследуемой среды;

Л Р вЂ” дифференциальное давление между основаниями камер исследуемой среды и последней секции ка55 меры эталона.

В процессе полимеризации каучука

СКД получены результаты, представленные в табл. 2.

Пример 2. Производство каучука СКСЗОАРКМ15 поляризацией в эмульсии.

Схема устройства (фиг. 2) включает реактор 1 полимеризации, U-образную трубчатую камеру 14, для исследуемой среды, секционную камеру 3 для эталонной жидкости. На вход реактора 1 полимеризации подаются исходная жидкая среда и инициатор реакции. Расход исходной среды в реактор измеряется датчиком 4 расхода, а объемная концентрация мономеров в исходной среде— датчиком 5. Эталонная жидкая среда, ь качестве которой используют исходную жидкую среду до ввода в нее инициатора реакции полимеризации, с входа реактора 1 подается в камеру 3. Ее расход измеряется датчиком 6 расхода и регулируется регулятором 7 и клапаном

8. Перепад гидростатического давления между точкой симметрии Б-образной камеры и основанием последней трубчатой секции камеры 3 для эталона измеряется датчиком 9. Перепад давления между концами последней вертикальной трубчатой секции камеры для эталона измеряют датчиком 10, Температуру исследуемой жидкой среды на горизонтальном участке U-образной камеры, расположенном на одинаковом горизонтальном уровне с верхней кромкой объема из (N-1) секций эталонной камеры, измеряют датчиком 11, Температуру эталонной жидкости измеряют с помощью датчика 12 в последней вертикальной труЬчатой секции камеры для эталона, соединенной с U-образной ка1597360 мерой для исследуемой среды. Схема включает также вычислительный блок

13. В связи с тем, что в качестве камеры для исследуемой среды исполь5 зуется U-образная трубчатая камера

14, перепад давления на ее концах измеряется датчиком 15., Информация от датчиков 4,5,9,10,11,12 и 15 поступает на входы блока 13 расчета концент- 1ð рации полимера и конверсии мономеров, в котором осуществляется расчет задания регулятору расхода эталонной жидкости и определяется концентрация по- лимера и конверсия мономеров в исследуемой среде, Значение задания регулятору 7 расхода эталона в его камеру поступает с выхода блока 13 в камеру задания этого регулятора.

В качестве мономеров используют бутадиен и стирол. В качестве водной фазы — вафатитовую воду, содержащую ряд солей, необходимых для реализации процесса полимеризации.

Исходную жидкую среду (эмульсия) 25 готовят смешением водной фазы и мономеров в заданном соотношении, охлаждают и подают на полимеризацию, осуществляемую в реакторных каскадах смешения, В линию исходной жидкой среды Зр на ее входе в первый реактор каскада подают инициатор. В результате непрерывной подачи исходной жиДкой среды и инициатора латекс (реакционная масса) последовательно проходит все 35 аппараты каскада, количество которых составляет 10-12. Объем аппарата составляет 12 мз. Отвод теплоты полимеризации осуществляют в результате предварительного охлаждения исход- 4р ной жидкой среды и охлаждения аппаратов каскада через встроенные в них змеевики и рубашки рассолом температурой 258 К.

Основные параметры процесса поли- 45 меризации представлены в табл. 3.

В эталоне соотношение мономеров и водной фазы может изменяться в диапазоне (0,33:0,67)-(0,37:0,63).

В качестве камеры для пропускания исследуемой среды (латекса) используют U-образный трубопровод 2. Камера

3 при изменении конверсии и концентрации после, например, седьмого реак- 55 тора должна состоять из семи секций.

Последняя секция камеры эталбна должна иметь высоту, равную высоте камеры, через которую протекает исследуемая жидкая среда. Объем камеры эталона в 70 л обеспечивает при скорости протока 8 — 12 л/ч равенство времени пребывания эталона и времени химической реакции, осуществляемой в семи первых реакторах каскада, в первый из,Которых подается исходная жидкая среда с расходом 9,6-15 м /ч. Для обеспечения равенства избыточного давления в камерах среды и эталона последняя соединена с камерой среды на ее выходе, что позволяет исключить влияние исходной жидкой среды на скорость процесса в камере среды и дает возможность измерять точно параметры даже при nepexof де полимеризации в диффузионно-контролируемую область. Объем каждой секции камеры эталона, в том числе и последней, составляет 10 л. При высоте камеры среды и последней секции камеры эталона, равной 5 м, ее диаметр составляет 5 см. Отношение гидростатического давления эталона к величине гидродинамического давления в точке ввода эталона в его камеру составляет

10, что больше расчетной величины, р а 1 P 4

Расч ет к онв ер сии и концентрации осуществляют по формулам (1) и (2) с учетом того, что в этом случае где P(A) .— потери давления в U-образной камере, измеряемые

2 датчиком 14, г/см

dP(X h) - перепад давления, измеряемый датчиком 9, расположенным в точке симметрии

U-образной камеры, г/см

1 — — коэффициент определяемый

Э тем, что датчик 9 расположен в точке симметрии U-образной камеры.

В процессе полимеризации кау-:ука

СКСЗОАРКМ15 получены результаты, представленные в табл. 4.

Расчетные значения конверсии мономера и концентрации мдномера для эксперимента 1: Х, = 0,40831, С и„=

= О, 13326088; для эксперимента 2:

Х = 0,49187603, Сп2 = 0,16173927 °

Относительные погрешности измерений с помощью предлагаемого способа равны:

1597360

10

1Х вЂ” Х

ДХ1 Х 100 = 0,321%; (аС = — 1 — — 100 = 0 2%

1Сп -Ся э у п

4Х = — — — — I 100 = 0 38

Xt - Xg1

2 X

dC =(— — — -(100Х = 0 46 . Сп - Cpg1 п

Формула изобретения

1. Способ измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом путем контроля величины концентрации полимера по величине гидростатического давления столба исследуемой жидкости с компенсацией балластного давления эталонной жидкостью с известной плотностью, а также с температурной компенсацией с использованием ре- ZS гулирования расхода эталонной жидкости в ее камеру, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации полимера и конверсии мономеров, дополнительно измеряют объемную концентрацию мономеров в исходной жидкой среде, а расход эталонной жидкости через камеру для эталона устанавливают таким, который обеспечивает равенство времен протекания химической реакции в иссле- 5 дуемой жидкой среде и пребывания эталона в его камере и обеспечивает также отношение гидростатического давления эталонной жидкости к величине ее гидродинамического давления в точке

40 ввода эталона в его камеру равным не менее 10, причем в качестве эталон4 ной используют исходную жидкую среду, отбираемую до ввода инициатора, находящуюся под одинаковым давлением с

45 исследуемой жидкой средой, в качестве исследуемой дозы для сред с вязкостью

200 сП и выше используют всю массу исследуемой жидкой среды, заключен50 ную в объеме последнего реактора полимеризации в блоке реакторов, с коэффициентом заполнения, равным 1, а для сред с вязкостью до 200 сП вЂ” всю массу исследуемой жидкости, заключенную в У-образной трубчатой камере, при этом дополнительно измеряют перепад давления между входом и выходом этой камеры.

2, Устройство для измерения концентрации полимера и конверсии мономеров в жидкой среде с химической реакцией и непостоянным фракционным составом, содержащее камеры для исследуемой и эталонной жидких сред, датчики расхода и датчики состава исследуемой жидкой среды, расположенные до ввода инициатора реакции, контур регулирования расхода эталонной жидкой среды в камеру для эталона, датчики температуры исследуемой и эталонной сред в их камерах, датчик гидростатического давления эталонной жицкости, датчик перепада гидростатического давления между основаниями равновысотных столбов исследуемой и эталонной сред, блок расчета концентрации полимера и конверсии мономеров, связанный своими входами с датчиками расхода. и состава исследуемой среды, с датчиками температуры, гидростатического давления и перепада давления, а выходом— с камерой задания регулятора расхода эталона в его камеру, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, проточная камера для эталонной жидкости соединена с проточной камерой для исследуемой среды на ее выходе и установлена так, что верхняя кромка ее предпоследней секции расположена на одном горизонтальном уровне с днищем камеры для исследуемой среды, а высота последней вертикальной трубчатой секции равна высоте камеры для исследуемой среды, причем датчики гидростатического давления эталонной жидкости и ее температуры установлены на последней трубчатой секции этапонной камеры.

3. Устройство по п. 2, о т л и чающееся тем, что сцелью повышения точности измерения концентрации и конверсии мономеров для сред с вязкостью 200 сП и выше, в качестве камеры для исследуемой среды использован последний реактор полимеризации в -блоке реакторов.

4. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации полимера и конверсии мономеров для сред с вязкостью до 200 сП, в качестве камеры для исследуемой среды использована У-образная трубчатая ка11 1597360 l2 мера, между входом и выходом которой пада гидростатического давления между установлен датчик перепада давления, основаниями равновысотных столбов этаа в точке ее симметрии — датчик пере- лонной и исследуемой сред.

Таблица 1

Коэффициент объемного теплового расширения

К

Плотность, г/см

Температура, К Продукт

Расход Вязкость, I сП продукта, з/„, (л/ч) 10-4

2,038.1О "

6,63 10

0,65

Бутадиен — мономер

Бензин — растворитель

П олиб утади ен — полимер

Исходная жидкая среда - шихта

Исследуемая жидкая среда — р еакцион ная масса

Исходная жидкая среда — эталон

О, 68-0, 72

0,93

261 8-32

306 8-32

До 2500

261

6,25 (25) Таблица 2

Эксперимент

Параметр

Конверсия мономеров (лабораторные измерения)

Концентрация полимера (лабораторные измер ения )

Гидр остатич еское давление эталона в объеме последней секции камеры

2 эталона, г/см

Гидростатическое давление исследуемой среды в объеме камеры среды, г/см

Диффер енциальное давление между основаниями камер исследуемой среды и последней секции камеры эталона, г/см

Х 7 =0,925

Х, = 0,755

Г„= 0,067

Сп п1

Р, (О) =338, 5

Р (О) = 339,4

d Р (0) =342, 67718 dP (0) =345,39078

РФ=5,99078

Р =4, 17718

l4

1597360

Т а блица 3

Параметр

Плотность, г/ мЗ

Коэффициент объемного теплового расшир ения

10 4К -1

Температура, К

Расход продукта, м /ч

Вязкост сП

Бутадиен — мономер

Стирол, — мономер

Углеводородная шихта

Бутадиен-стирольный каучук

Водная фаза — дисперсионная среда

0,65

5,11

0,906

0,7268

0,9288

1,59

3,9613

7,0

1, 0001,005

2,07

Исходная жидкая среда

Исследуемая жидкая среда

8-25

263

8-25

278

П р и м е ч а н и е: С „ = 0,4; о(= 0,78252; Т-Т = 15. о

Таблица 4

Эксперимент

Параметр

Конверсия мономеров

Концентрация полимера по данным лабораторного анализа

Гидростатическое давление в последней секции камеры эталона при

Т.О по предлагаемому способу, г/см г

Перепад давления между выходом камеры и точкой симметрии в камере среды, г/см

Х = 0,49

Х = 0,407

С, = 0,13.3

Рт (О) =445,36 Р (0) =446,86

Р (О)+ Р (Л) 1

Р (О) + Р (Л)

=461, 1894 = 466,03507

Перепад давления между входом и выходом камеры среды, г/см

Расчетное значение дифференциального давления, г/см

P1(Л)=3,25 Р (Л)=2 95

P =17, 70007

Р =14, 2044

1597360 лы

ФАР

Составитель А, Голланд

Техред М,Дидык КоРРектоР Н,Ревская

Редактор Н. Рогулич

Заказ 3031 Тираж 439 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С СР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101