Автоматизация контроля и управления процессом синтеза алкидных смол в производстве лакокрасочных материалов

Одним из основных путей повышения производительности труда и улучшения качества выпускаемой продукции в производстве лакокрасочных материалов, в частности, алкидных смол (как основы пленкообразующих веществ) является переход к автоматизированному контролю, а затем и управлению качеством продуктов и реакционных сред в рассматриваемых технологических процессах. К сожалению, приходится признать, что уровень автоматизации контроля и автоматизированного управления на производствах лакокрасочной промышленности (ЛКП) пока еще остается низким. Современные средства автоматизации и управления внедрены только на единичных заводах, где, однако достигнутый уровень автоматизации позволяет централизовать управление только общими технологическими параметрами без управления качеством получаемой продукции.

Многолетнее отсутствие автоматизированного аналитического контроля параметров синтезируемых смол привело к тому, что в соответствии с нормативной технической документацией допускается широкий интервал значений основных параметров для готовой смолы. Так, кислотность синтезированных смол может различаться вдвое (10 < КЧ < 20), а вязкость вчетверо (0,3 < г|12о°с < 1,3 Па-с).

Распространенные до настоящего времени процедуры лабораторного аналитического контроля технологических сред в производствах лакокрасочных материалов (ЛКМ), как правило, длительны во времени, сложны и многостадийны, что препятствует их использованию для целей автоматизации.

Предпринимавшиеся ранее многочисленные попытки локальной автоматизации контроля технологических сред путем погружения датчиков непосредственно в технологические среды реакционных пространств, успеха не имели из-за практического отсутствия в них изотермических и изоконцентрационных зон, что было обусловлено сложностью и неоднородностью этих сред.

Итак, среди причин, затрудняющих переход к автоматизированным производственным процессам, одной из главных является отсутствие методов и средств получения оперативной информации о концентрационных изменениях, происходящих в реакционных средах при синтезе ЛКМ.

Нельзя считать достаточно приемлемым, хотя и являлось вынужденным решение проблемы контроля и управления технологическим процессом с помощью временных циклограмм с корректировкой их по данным периодического лабораторного анализа. Такая организация контроля и управления часто приводила к нестабильности качества ЛКМ, а именно: к неудовлетворительной совместимости с растворителями, плохому отверждению ЛКМ на окрашиваемой поверхности и др. Управление технологическими процессами синтеза ЛКМ на базе результатов периодических лабораторных анализов целесообразно только при стабильном составе сырья и строгом соблюдении технологической дисциплины. В реальных условиях отечественной сырьевой базы требуются иные методы и приемы управления качеством продукции при синтезе ЛКМ, что и является темой настоящей работы. Автоматизация контроля и управления качеством технологических жидких сред, вязких растворов и расплавов, суспензий и эмульсий — сложная проблема, включающая решение многих вопросов, начиная от выбора точки отбора пробы контролируемой среды, способа доставки ее чувствительному элементу анализатора, обеспечение необходимых условий измерений и т. д., кончая разработкой способов управления качеством получаемой продукции. При этом следует иметь ввиду, что до настоящего времени сравнительно мало изучены способы автоматического управления качеством получаемых продуктов с молекулярной массой выше 1000, т. е. олигомеров и полимеров, а также недостаточная определенность требований к их составу на стадии синтеза, что особенно относится к синтетическим смолам.

Вышесказанное определяет перечень актуальных задач, решению которых посвящено настоящее исследование, а именно:

1. Определить основные, наиболее информативные методы контроля и управления процессами синтеза алкидных лаковых смол и способы их реализации, приняв за основу результаты исследований физико-химической сущности и закономерностей протекания этих процессов.

2. Разработать методическое и программно-алгоритмическое и техническое обеспечение систем автоматизированного контроля и автоматизированного управления процессами синтеза алкидных смол.

3. Реализовать конкретные системы автоматизированного управления для повышения эффективности производств лаковых смол.

4. Сформулировать принципы построения информационно-управляющей системы лакового производства в целом.

5. Разработать, апробировать в промышленных условиях и выдать рекомендации по выбору комплекса технических средств для реализации функционирования информационно-управляющей системы производства алкидных смол на всех уровнях ее иерархии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены основные особенности существующих подходов к организации производства алкидных лаков. Дано описание типовой технологической схемы лакового производства полупериодическим методом, включающей пять характерных стадий: 1) подготовки сырья- 2) непрерывной и периодической переэте-рификации- 3) поликонденсации- 4) растворения основы лака- 5) фильтрации лакадана характеристика общепринятой рецептуры для производства пентафта-левых и глифталевых лаков. Из 5-ти рассмотренных стадий наиболее важной является 3-я стадия — реакция поликонденсации, осуществляемая в реакторе синтеза смолы периодическим способом, которой уделено основное внимание в работе.

Установлено, что основными факторами, определяющими ход процесса синтеза алкидных смол, являются молекулярная масса полимера, вязкость среды, температура, энергия активации вязкого течения, кислотное число процесса синтеза, концентрация растворителя.

Из анализа установленных факторов, определяющих ход процесса синтеза алки-дов, определены основные, наиболее эффективные и информативные способы контроля и каналы управления процессомв частности, активно воздействовать на ход процесса можно изменением соотношения исходных компонентов, прерыванием реакции поликонденсации в определенный момент времени (используя различные приемы) — изменением температуры реакционной смеси и др.

2. Для целей контроля процессов синтеза алкидных смол наиболее информативными параметрами являются вязкость олигомера при заданной в интервале 120−180°С температуре приведения и энергия активации вязкого течения. Получение оперативной информации о вязкости олигомера позволяет надежно контролировать протекание технологического процесса и прогнозировать его развитие, а контроль энергии активации вязкого течения дает возможность своевременно определить момент увеличения скорости нарастания молекулярной массы олигомера за счет побочных реакций и предотвратить образование в синтезируемом продукте нежелательных пространственных молекулярных и надмолекулярных структур.

Вискозиметрические измерения следует проводить вне технологического аппарата при снижении температуры пробы до 120−180°С. На основании измерений вязкости при нескольких различных температурах необходимо оперативно рассчитывать для каждой пробы вязкость олигомера при заданной температуре приведения и энергию активации вязкого течения.

На основании результатов вискозиметрического анализа можно с достаточной точностью прогнозировать рост вязкости в ходе технологического процесса и предсказывать время окончания стадии синтеза. Для этого необходимо накапливать информацию об изменении вязкости олигомера в ходе технологического процесса и после измерения каждой очередной пробы синтезируемого продукта оперативно рассчитывать параметры функциональной зависимости вязкости от времени синтеза, а затем путем экстраполяции прогнозировать ожидаемую вязкость олигомера через заданный интервал времени.

3. Разработаны метод и автоматизированная система вискозиметрического контроля процессов синтеза алкидных смол, основанные на периодическом отборе проб реакционной среды из реактора синтеза при рабочей температуре 220−260°С, измерении вязкости каждой пробы при нескольких различных температурах приведения в интервале 120−180°С и последующем оперативном расчете на микроЭВМ текущих значений информативных вискозиметрических параметров олигомера для их использования в автоматизированной системе управления технологическим процессом.

4. Разработаны метод и автоматизированная система контроля процессов синтеза алкидных смол совместимая с системой вискозиметрического контроля, основанные на периодическом отборе проб реакционной среды из реактора синтеза при рабочей температуре 220−260°С изменении кислотности (кислотного числа) пробы с последующим титриметрическим анализом и расчетами на микроЭВМ для использования в автоматизированной системе управления технологическим процессом.

5. Создано алгоритмическое, программное и техническое обеспечение 2-х уровне-вой системы автоматизированного вискозиметрического и титриметрического контроля синтеза алкидных смол, включающей: 1) на нижнем уровне устройство отбора проб реакционной среды из аппаратаавтоматическую вискозимет-рическую и титриметрическую ячейку обеспечивающие снижение температуры анализируемой пробы, ее перемешивание и измерение вязкости и температуры в безградиентны изотермических условиях, кислотности, а также подсистему контроля и управления концентрацией ксилола в реакционной среде- 2) на верхнем уровне — управляющий контроллер и микроЭВМ, реализующие алгоритмы работы узлов и подсистем нижнего уровня, обрабатывающее поступающую информацию с нижнего уровня и выдающее на дисплей и алфавитно-цифровое печатающее устройство результаты вискозиметрического и титриметрического анализа (в виде графиков и таблиц).

6. На базе вибрационного вискозиметра ВВН-6 создана оригинальная конструкция вискозиметрической измерительной ячейки обеспечивающая высокую точность и надежность автоматического измерения вязкости проб технологических продуктов в ходе синтеза алкидных смол и позволяющая на этой основе строить высокоэффективные автоматизированные системы оперативного управления технологическими процессами синтеза алкидных смол.

7. На основе выполненных методических разработок, созданного автоматического обеспечения и технических средств построена унифицированная система многопараметрического контроля качества синтетических лаковых смол «Ал-кид-39», представляющая собой гибкую автоматизированную систему, пригодную для автоматического контроля качества реакционной смеси и получаемых пролетов в процессах производства многих синтетических смол и других высокомолекулярных соединений.

8. Разработана структура, программно-алгоритмическое и техническое обеспечение гибкой автоматизированной системы многопараметрического контроля и управления процессами производства лаков и смол (ГАЛС), пригодная для эксплуатации на любых производствах олигомеров и полимеров и, в частности, на многотоннажных производствах алкидных и полиэфирных лаков и смол, получаемых периодическим и непрерывным методами.

9. На базе системы ГАЛС разработана автоматизированная система управления процессом высокотемпературного синтеза полиэфирных смол в присутствии легколетучего растворителя (азеотропный метод) — предложенная система отличается тем, что в накопительной емкости парциального конденсатора-абсорбера установлен уровнемер, с помощью которого можно регулировать объем продуктов конденсации, возвращаемых в зону реакции, что позволяет осуществлять автоматизацию вискозиметрического и контроля продуктов синтеза с применением метода отрицательных добавок, используя для этого возможности технологической аппаратуры, а не специальные узлы подготовки пробы.

Ю.Разработаны критерии автоматического определения и управления степенью завершенности технологического процесса синтеза алкидных смол с наперед заданными параметрическими характеристиками и стабилизацией качества получаемой продукции независимо от качества используемого сырья. В качестве таких критериев приняты: энергия активации вязкого течения (Е) как функция остаточной кислотности (КЧ) получаемой смолы [Е=Г (КЧ)], а также ее производная [АЕ/АКЧ=Г (КЧ>].

11 .Разработана система управления полупериодическим производством алкидных смол по интенсивной и высокоавтоматизированной технологии, позволяющая осуществить оперативную оптимизацию процесса по его скорости протекания и энергозатратам путем максимально возможного ускорения выделения воды из реакционной массы и уноса ее из реакционной зоны.

12.Сформулированы принципы построения информационно-управляющей системы (ИУС) производства алкидных лаков, включающей три уровня иерархии: 1) на первом (нижнем) уровне она представлена локальными системами автоматического контроля и регулирования (САР) — 2) На втором уровне иерархии в составе ИУС предусмотрена АСУ ТП, в задачу которой входит активное вмешательство в ход всего технологического процесса, выработка заданий для локальных САР, обеспечение оптимальных режимов функционирования технологической схемы- 3) на третьем уровне ИУС рассматривается автоматизированная система управления предприятием (АСУП), в задачи которой входят: а) централизованный сбор информацииб) переработка информации с целью определения технико-экономических показателей и их анализа для своевременного принятия решений и реализации производственных плановв) сбор и обработка информации по материально-бухгалтерскому учетуг) передача необходимой информации в систему управления предприятием.

Исходя из общей концепции создания производства как объединения высокоавтоматизированных цехов, отделений и участков единого технологического комплекса, выполнен анализ и предварительный выбор технических средств систем управления, определены принципы и подходы к построению высокоавтоматизированных производственных модулейкомплекс технических средств (КТС) информационно-управляющей системы производства лака ориентирован на обеспечение 3-х основных режимов работы: а) автоматический режимб) режим дистанционного управленияв) режим ручного (местного) управления.

13.Выданы рекомендации по технической реализации гибкой автоматизированной системы аналитического контроля синтеза лаковых смол (ГАЛС) в виде 2-х уровневой высокоавтоматизированной модульной системы.

14.Выданы рекомендации по технической реализации автоматизированной системы контроля жидких сред «Алкид-39» — показано, что структура технологической части системы, алгоритм ее работы и программное обеспечение представляют эту систему в полной мере как типовую и как гибкую, позволяющую наращивать свои функциональные возможности путем увеличения количества приборов, участвующих в контроле технологической среды, и их номенклатуры.

15.Разработанные и внедренные системы аналитического контроля и автоматизированного управления качеством продукции в производстве лакокрасочных материалов позволили повысить на 20−30% производительность технологического оборудования при минимальных капитальных вложенияхв 1.5−2 раза умень.

1Л л.

Э.5 шить необходимое количество обслуживающего персоналазначительно повысить и стабилизировать качество получаемой продукциизначительно повысить удовлетворение спроса на товары ЛКП народного потребления.

16.Проведенные в настоящей работе исследования, созданные системы автоматизированного аналитического контроля и результаты их апробирования на предприятиях лакокрасочной промышленности вошли составной частью в «Исходные данные для проектирования завода-автомата в ЛКП» .