Интенсификация технологических процессов в гетерогенных полимерных системах: На примере производства основы кинофотоматериалов

Интенсивное развитие производства полимерных материалов ставит задачу исследования, моделирования и оптимизации тепло — массообменных процессов в гетерогенных полимерных системах «твердое тело — жидкость», «твердое тело — газовая фаза». К ним относятся процессы экстракции, сорбции, десорбции, сушки, ионообмена. Существенной чертой этих процессов является их сопряженность, когда характер внутренних тепломассообменных изменений зависит от внешних условий, которые, в свою очередь, изменяются под воздействием внутренних процессов в материале. Полимеры, отличаясь от низкомолекулярных веществ по молекулярной массе в сотни и тысячи раз, придают многокомпонентным системам специфические свойства. Для них характерны нелинейность по кинетическим параметрам, изменение структуры, составов и объемов взаимодействующих фаз, что ставит задачу разработки теоретических положений расчета тепломассообменных процессов в гетерогенных полимерных многокомпонентных системах и определяет необходимость учета этих эффектов при моделировании технологических процессов.

Особый интерес как в теоретическом, так и в практическом плане имеют задачи тепломассопереноса в гетерогенных полимерных системах в виде растворов полимеров. Широкий спектр таких задач возникает в технологии эмульсионного, суспензионного производства высокомолекулярных соединений, в процессе отдувки низкомолекулярных растворителей и остаточных мономеров при получении каучуков и синтетических смол. Аналогичные задачи стоят при разработке эффективной технологии получения мелкодисперсных и пленочных материалов из растворов полимеров, в производстве лакокрасочных материалов и т. д.

Одним из частных примеров гетерогенной многокомпонентной полимерной системы, имеющей указанную специфику, является технология производства пленочной основы кинофотоматериалов, получаемой путем сушки раствора триацетата целлюлозы (ТАЦ). В настоящее время перед российской промышленностью кинофотоматериалов стоит проблема оптимизации производства полимерной основы кинофотопленки и приближения его к мировому уровню. Узким местом в технологической цепи производства ТАЦ — основы кинофотопленки является удаление многокомпонентного растворителя из полимерного ТАЦ — раствора в ленточном отливочном агрегате. Скорость отлива основы на действующем на предприятии «ТАСМА» агрегате в 3 — 5 раз меньше соответствующих мировому уровню. Не всегда выполняются требования по качеству получаемой пленки. Возрастание спроса на кинофотоматериалы, производство высококачественной отечественной кинофотопленки, способной конкурировать с зарубежной, делает актуальной проблему разработки теоретических положений, математического моделирования, оптимизации режимов технологического процесса.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

1.Теоретическое исследование тепломассообенных процессов в гетерогенных полимерных системах в условиях подвижной границы раздела фаз (усадки) на примере производства ТАЦ — основы кинофотоматериалов.

2.Разработка подхода к математическому моделированию тепломассопереноса в многокомпонентных полимерных системах в условиях подвижной границы раздела фаз на примере производства.

ТАЦ — основы кинофотоматериалов и создание математической модели процесса.

3. Экспериментальное определение коэффициентов диффузии компонентов растворителя методом ЯМР и получения их зависимости от состава и температуры полимерной смеси.

4.Создание лабораторной установки для экспериментального изучения кинетики удаления растворителей из ТАЦ — раствора.

5.Численное исследование на ПЭВМ процесса получения ТАЦ — основы в отливочной машине по математической модели.

6.Оптимизация на основе полученной модели режимов удаления растворителей из ТАЦ — основы^ исходя из критерия максимизации интегрального потока растворителей из пленки в течение всего процесса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Предлагается подход к моделированию тепломассообменных процессов в гетерогенных многокомпонентных полимерных системах в условиях подвижной границы раздела фаз (усадки), заключающийся в том, что математическая модель представляется на уровне микрои макрокинетики процесса. Математическая модель микрокинетики представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных с нелинейной зависимостью коэффициентов диффузии в полимерной фазе. Усадка пленки учитывается как в самих диффузионных уравнениях, так и через граничное условие. Равновесный состав взаимодействующих фаз определяется с учетом неидеальности многокомпонентного растворителя в полимерной фазе. Уравнение макрокинетики, записанное в дифференциальной форме, определяет баланс компонентов системы во взаимодействующих фазах и показывает влияние усадки на процесс удаления растворителей. На основании математической модели разработан метод инженерного расчета.

— 7 процесса в отливочной машине для получения основы кинофотоматериалов.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

Результаты теоретического и экспериментального исследования тепломассопереноса с учетом усадки пленки при удалении растворителей из полимерных растворов.

Математическую модель тепломассопереноса при удалении растворителей из полимерной ТАЦ — пленки в производстве основы кинофотоматериалов.

Результаты экспериментального исследования коэффициентов диффузии компонентов полимерного ТАЦ — раствора методом ЯМР.

Результаты численного исследования процесса для промышленной установки исходя из критерия максимизации интегрального показателя интенсивности выхода растворителя из пленки в течение всего процесса.

ВЫВОДЫ.

1.Создана лабораторная установка для изучения кинетики удаления растворителей из ТАЦ — раствора.

2.Экспериментально изучена кинетика удаления растворителей при изготовлении ТАЦ— основы кинофотопленки на лабораторной и.

— 112 полупромышленной установках. Данные эксперимента использовались для проверки адекватности математической модели.

3. Экспериментально определены эйнштейновские коэффициенты диффузии компонентов полимерного ТАЦ —раствора методом ЯМР. Результаты эксперимента использовались для определения констант, входящих в аппроксимацию концентрационной и температурной зависимости коэффициентов диффузии растворителей.

4. Произведен расчет на ПЭВМ кинетики удаления растворителей из полимерного ТАЦ — раствора по математической модели. При этом варьировались режимные параметры, исходя из возможностей отливочного агрегата.

5.Сформирован критерий оптимальности и принципы управления процессом.

6.Проведена машинная оптимизация процесса удаления растворителей из ТАЦ —раствора на агрегате АО —1 — 30. Даны рекомендации по оптимальному ведению процесса.

— 113 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Тепломассообменные процессы в полимерных многокомпонентных системах отличаются рядом специфических особенностей. Как правило, в таких случаях, наблюдаются нелинейная зависимость коэффициентов диффузии низкомолекулярных компонентов от их концентрации и температуры. Молекулярные массы компонентов отличаются в тысячи раз, поэтому процессы сорбции —десорбции зависят не только от концентрации низкомолекулярных компонентов, но и от структурных изменений в полимерной фазе и сопровождаются изменением ее объема. Кроме того, многокомпонентные полимерные системы отличаются существенной неидеальностью. В настоящее время отсутствует достаточно полное математическое описание тепломассобменных процессов сорбции —десорбции в полимерных системах, в котором учитываются указанные специфические особенности. Учитывая важность получения математического описания для управления тепломассообменными процессами в многокомпонентных полимерных системах, в настоящей работе предпринята попытка разработки такого математического описания для конкретной системы — «ТАЦ —растворитель», применяемой для изготовления основы кинофотоматериалов. Отметим, однако, что данный подход применим к любым системам «полимер — низкомолекулярная жидкость». Например, для получения математического описания процессов удаления растворителей при изготовлении тонких пленок, волокон, покрытий из растворов полимеров, сушки лакокрасочных покрытий.

В ходе проведенной работы получены следующие результаты: 1. Разработана математическая модель удаления растворителей при получении полимерной основы кинофотопленки, учитывающая усадку пленки, неидеальность применяемого растворителя, а также нелинейность по кинетическим параметрам. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений микрои макрокинетики с соответствующими краевыми условиями. На основе баланса компонентов во взаимодействующих фазах выведено уравнение усадки пленки.

2.Создана лабораторная установка для изучения кинетики удаления растворителей из ТАЦ — раствора.

3. Исследована экспериментальным путем кинетика удаления растворителей на лабораторной и полупромышленной установках.

4. Методом ЯМР определены эйнштейновские коэффициенты диффузии компонентов полимерной смеси. Найдены константы в концентрационной и температурной аппроксимации коэффициентов диффузии.

5. Исследовано влияние технологических параметров на процесс удаления растворителей по математической модели. Показана адекватность математической модели экспериментальным данным по кинетике удаления растворителей на полупромышленной установке.

6. Поставлена задача оптимизации, сформирован критерий оптимальности который представляет собой максимальный суммарный поток растворителей с поверхности пленки во внешнюю среду в течение всего процесса, при определенных ограничениях по температуре пленки.

7. Проведена машинная оптимизация процесса удаления растворителей из ТАЦ —раствора на агрегате АО —1 — 30. Даны рекомендации по оптимальному ведению процесса.

— 115.