Моделирование процесса получения полиамида-6 Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ляется исходным материалом для получения кварцевой керамики методом высококонцентрированной вяжущей суспензии. Следующим этапом работы является получение кварцевой керамики из полученного кварцевого стекла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пивинский Ю.Е. // Новые огнеупоры. 2007. № 2. С. 56-64; Pivinskiy Yu. E. // Novye ogneupory. 2007. N 2. P. 56-64 (in Russian).

2. Пивинский Ю.Е., Ромашин А. Г. Кварцевая керамика. M.: Металлургия. 1974. 264 с.;

Pivinskiy Yu. E., Romashin A.G. Silica ceramis. M.: Me-tallurgiya. 1974. 264 p. (in Russian).

3. Volokitin O.G., Shekhovcov V.V., Maslov E.A. // Advanced materials research. 2014. V.880. P. 233-236.

4. Волокитин О.Г., Верещагин В.И., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Шеховцов В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 1. С. 73-77; Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Shekhovtsov V.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 1. P. 73-77 (in Russian).

5. Волокитин О. Г., Верещагин В. И., Волокитин Г. Г., Скрипникова Н.К. // Техника и технол. силикатов. 2013. № 4. С. 24-27;

Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. // Tekhnika i tekhnologia silikatov. 2013. N 4. P. 24-27 (in Russian).

6. Волокитин О.Г., Скрипникова Н.К., Верещагин В.И., Волокитин Г.Г., Шеховцов В.В. // Строит. матер. 2013. № 11. С. 44-47;

Volokitin O.G., Skripnikova N.K., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Shekhovtsov V.V. // Stroitelnye materialy.

2013. N 11. P. 44-47 (in Russian).

7. Волокитин О.Г., Верещагин В.И. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 8. С. 71-76; Volokitin O.G., Vereshchagin V.I. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 8. P. 71-76 (in Russian).

8. Волокитин О.Г. Патент РФ № 2503628. 2014; Volokitin O.G. RF Patent N 2503628. 2014 (in Russian)..

9. Kaz'mina O.V., Vereshchagin V.I., Abiyaka A.N., Semu-khin B.S. // Glass and ceramics. 2009. N 9-10. P. 341-344.

10. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Абзаев Ю.А., Волокитин О.Г., Шеховцов В.В. // Вестник ТГАСУ.

2014. № 5. С. 108-113;

Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Abzaev Yu.A., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. // Vestnik TGASU. 2014. N 5. P. 108-113 (in Russian).

Кафедра прикладной механики и материаловедения

УДК 547.4

Е.А. Алексеев, Б.А. Головушкин, А.Н. Лабутин, Е.В. Ерофеева

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАМИДА-6

(Ивановский государственный химико-технологический университет)

e-mail: [email protected]

Получена уточненная математическая модель процесса получения полиамида-6. Создана имитационная модель, проведен численный эксперимент.

Ключевые слова: полиамид-6, математическая модель, имитационное моделирование

В настоящее время внимание исследователей привлекает синтетический полимер полиамид-6 (поликапроамид), который, благодаря своим свойствам, находит широкое применение в различных отраслях промышленности. На основе данного полимера можно получать: нити технического назначения, композиционные материалы (ударопрочные, морозостойкие, водостойкие, трудногорючие), а также полимерные концентраты красителей и термостабилизаторы.

Основной промышленный способ получения полиамида-6 - это гидролитическая полимеризация капролактама в расплаве. При этом предполагаются последующие стадии гранулирования, экстрагирования остаточного мономера водой и

сушки гранулята. Ранее группой исследователей Ивановского государственного химико-технологического университета была разработана перспективная технология получения полиамида-6, которая предусматривает введение дополнительной стадии дополиамидирования в твердой фазе и приводит к снижению энергетических и материальных затрат на проведение данного процесса [3,4]. Реакции, протекающие в процессе дополиа-мидирования:

- взаимодействие контактных пар, образованных концевыми амино- и карбоксильными группами (дополиконденсация):

- NH2 + HOOC --

NHCO -+H2O (1)

- присоединение капролактама к концевым группам (дополимеризация):

NH (сН2)5 Ш + H [ NH (Ш 2)5 сО]пОН-H [ NH (сН2)3 CO]n+lOH,

(2)

где k1 и к2 -это константы скоростей протекающих реакций.

По данной технологии синтез полимера проводится в химическом реакторе типа «труба в трубе». Реактор представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический аппарат, снабженный рубашкой обогрева и специальным поперечно-перемешивающим и продольно-перемещающим гранулы устройством - ворошителем.

Процесс твердофазного дополиамидиро-вания осуществляется следующим образом. В ре-актор-дополимеризатор поступают гранулы полимера. Слой гранул ПА-6 равномерно распределен по длине аппарата. Поскольку полиамид очень чувствителен к кислороду воздуха, весь свободный объем реактора заполнен инертным газом -азотом. Обогрев содержимого аппарата осуществляется подачей в рубашку жидкофазного высокотемпературного органического теплоносителя -динила. В процессе нагревания гранул в замкнутом объеме происходит частичное испарение ка-пролактама и воды, содержащихся в полимере. В результате этого, в рабочем режиме гранулы полиамида окружает парогазовая среда, содержащая в себе пары воды и капролактама, а также азот. Время пребывания гранул в аппарате составляет 24 ч. Во время выдержки осуществляется постоянное перемешивание слоя гранул полимера ворошителем. После завершения процесса твердофазного дополиамидирования слой гранул поли-амида-6 направляется на следующую стадию технологического процесса.

Целью настоящей работы являлось исследование стадии твердофазного дополиамидирова-ния процесса синтеза поликапроамида как объекта управления путем имитационного моделирования.

Математическая модель

В работе была использована созданная ранее модель [1,2] с неидеальной структурой потоков (ячеечная модель), дополненная уравнениями теплового баланса. При построении математической модели принимались следующие допущения:

- вследствие работы перемешивающего устройства температура и концентрации компонентов для всех гранул одинаковы;

- слой гранул равномерно распределен по длине реактора с коэффициентом заполнения объема ф и степенью порозности е.

Принимая, что расход на входе ячейки и0 равен расходу на ее выходе и и полагая, что объе-

мы полимера, парогазовой среды и рубашки аппарата постоянны, с учетом кинетики математическое описание для /-той ячейки примет следующий вид (3):

с _ ^тв^с-1 - с) - к1(с1 - с _)

йт V 1 р

йСкл _ Утв.ф. (С/-1 - с/ ) - к с/(с/ - с ) -

кл ° кл) л2° кл ^ кл, р )

йт V

6000р

М кл < гр р

р,кл (р кл - р кл ) (рп рс )

йсв Уте.ф /-1 1 /

йт V 6000Впв

- (Рв - Рв )

М в < гр Р йт™ Vг.ф кл/-1

-(Се - св) + к1(С - с _) -

йт V,.

(тс - тГ ) +

й

(р„кл - рк)

гр

стС vг.ф в/-1

йт V, брр,вФ(1 - е)Ж

(тв-1 - тв ) +

й

(Рв - Рв )

гр

Ж1 йт

(Чтв.ф. + Vг.ф.(т'а + тС" + т.С )^

V

Vccтв ттв

аРс

-а1 - г1) -

\1тн 1 )

г ПУ1 йтС

(г1 -1 - г1) +

гв йтС

ств ттв йт ств ттв йт

тн _ утн (Л-1 _ л ) - ст (Л - л)

, _ V (гтн гтн) V (гтн 1 ) (3)

<т *р стнртн*р

Начальные условия запишутся следующим образом:

с1 I _ с1 с1 I _ с1 с1I _ с

™ кл1 I П ™„кл1 П ™ в

т |т 0 _ 0,т т 0 _ и, т

с т_0 ' с т_0 ' с

г I _ г г I _ г

1 к_0 [0> 1 тн к_0 тн,0

в т_0 ^в,0> _0,

В представленных уравнениях использовались следующие обозначения: с1, скл', св' - концентрации концевых групп, капролактама и воды в гранулах полимера, соответственно, на выходе 1-той ячейки, моль/кг; тскм, тсв1 - массы паров ка-пролактама и воды в парогазовой среде на выходе 1-той ячейки, кг; гг - средняя температура поли-амида-6 на выходе 1-той ячейки, °С; гтН - средняя температура теплоносителя на выходе 1-той ячейки, °С; 1 _ 1, N, где N - количество ячеек, которыми аппроксимирован аппарат; са - средняя теплоёмкость азота, кДж/(кг-К); та' - масса паров азота в парогазовой среде, кг; к1, к2 - константы скорости реакций, 1/с; ср, скл,р - равновесные значения

+

+

с„,„т

тв тв

концентраций концевых групп и капролактама, моль/кг; вр,кл, врв - коэффициенты массоотдачи капролактама и воды, соответственно, при выражении движущей силы как разности парциальных давлений, кг/(м2-с-Па); Рпкл, Рпв - парциальные давления паров капролактама и воды над поверхностью гранулята, Па; Рскл, Рсв - парциальные давления паров капролактама и воды в парогазовой среде в свободном объеме аппарата, Па; ёгр -средний диаметр гранул, м; р - плотность ПА-6, кг/м3; Мкл, Мв - молярные массы капролактама и воды соответственно, кг/кмоль; ф - степень заполнения аппарата, безразмерна; е - порозность слоя гранул, безразмерна; - площадь поперечного сечения аппарата, м2; Ь - длина аппарата, м; ств - удельная теплоемкость ПА-6, Дж/(кг-К); ттв -масса слоя гранул, кг; а - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Гст - поверхность теплообмена, м2; гпкл, гпв - скрытые теплоты парообразования капролактама и воды соответственно, Дж/кг.

Исходя из конструктивных особенностей аппарата и того, что перемешивающее устройство имеет 70 рабочих органов, имитационная модель состояла из 70 ячеек.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для проведения имитационного моделирования процесса дополиамидирования было выбрано программное и алгоритмическое обеспечение. В качестве программного средства в данной работе использовали пакет МЛТЬЛБ Я2011Ь со встроенным приложением 81шиНпк.

Ранее в работе [1] был проведен численный эксперимент и получен следующий результат, описывающий изменения концентрации воды в гранулах полимера.

12л 10 В-

6 4

2 Н

0

а

и

о

—I—

0,5

—|—

1,5

—|—

2,5

—е

3,5

L. м

Рис. 1. Изменение концентрации воды по длине аппарата Fig. 1. Water concentration change along the length of device

По мнению [1] пик на рис. 1 связан с конденсацией паров веществ на поверхности гранул, происходящей вследствие разности температур поступающего гранулята и содержимого аппарата.

В результате нашего эксперимента были получены зависимости изменения концентраций воды и капролактама в твердой фазе, а также степени полимеризации полимера для установившегося режима работы реактора рис. 2-4.

3.0 Б П

X

й ч> га

2,95

U

2,9

0,5

2,5

3.5

L 1.5 2

L. м

Рис. 2. Изменение концентрации воды в твердой фазе по длине аппарата

Fig. 2. Water concentration change in a solid phase along the length of device

6,5 -1

Ж 5,5 -

CJ

U

га 4,5 -

W

а 3,5 -

и

2,5 -

0,5

1,5 2

L. ы

2,5

3,5

Рис. 3. Изменение концентрации капролактама в твердой

фазе по длине аппарата Fig. 3. The caprolactam concentration change in a solid phase along the length of device

135 -| 175 -165 -

Я

Сц155 -

145 -

135

125

0,5

1,5Т 2

L. м

2,5

3,5

Рис. 4. Изменение степени полимеризации по длине аппарата Fig. 4. The polymerization degree change along the length of device

Анализ рис. 2-4 показал, что степень полимеризации по длине аппарата увеличивается, а концентрации воды и мономера уменьшается, соответственно, следовательно, достигается основная цель проведения процесса дополиамидирова-ния. Необходимо отметить, что на представленных графиках отсутствуют пики, наблюдавшиеся в работе [1]. На наш взгляд, представленная в данной работе математическая модель (3) лучше отражает физико-химическую суть процесса в

связи с нулевыми начальными условиями по концентрации воды в газовой фазе, что делает невозможным конденсацию паров компонентов в начале реактора.

Таким образом, полученные результаты позволяют решить следующие задачи:

- проверка адекватности разработанной модели;

- выявление основных качественных параметров проведения процесса;

- выбор каналов управления и их структурная и параметрическая идентификация.

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липин А. А. Тепло- и массообмен в процессах дополиа-мидирования и сушки полиамида-6. Дис. ... к.т.н. ИГХТУ. 2012. 146 с.;

Lipin A.A. Heat- and mass transfer in processes of pre-polyamidization and drying of polyamide-6. Dissertation for candidate degree on tehnical sciences. Ivanovo. ISUCT. 2012. 146 p. (in Russian).

2. Липин А.А., Базаров Ю.М., Липин А.Г., Кириллов Д.В., Мизеровский Л.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 3. С. 86-88;

Lipin A.A., Bazarov Yu.M., Lipin A.G., Kirillov D.V., Mizerovskiy L.N. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 3. P. 86-88 (in Russian).

3. Базаров Ю.М., Мизеровский Л.Н., Павлов М.Г. // Перспективные полимерные композиционные материалы. Применение. Экология: Доклады междунар. конф. «Композит-2001». Саратов. 3-5 июля 2001. Саратов: Изд-во СГТУ. 2001. С. 9-10;

Bazarov Yu.M., Mizerovskiy L.N., Pavlov M.G. // Promising polymer composite materials. Application. Ecology. Presentations of Int. Conf. "Kompozit-2001". Saratov. 2001. Saratov: SGTU. 2001. P. 9-10 (in Russian).

4. Павлов М.Г., Силантьев А.А., Базаров Ю.М. // Техника и технология экологически чистых производств: 4-Междунар. симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва. 2000. Тезисы докладов. М.: Изд-во МГУИЭ. 2000. С. 96-97;

Pavlov M.G., Silant'ev A.A., Bazarov Yu.M. //Techniks and technology of ecologically clean productions : 4th Int. Symp. of young scientists, post-graduates, and students. Moskva. 2000. Proceedings. M.: MGUIE. 2000. P. 96-97 (in Russian).

Кафедра технической кибернетики и автоматики

УДК 66.047

С.П. Рудобашта*, Г. А. Зуева**, Н.А. Зуев*

ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕМЯН

(*Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, **Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: [email protected]; zueva_galina [email protected]

Приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований гигроскопических свойств типичных коллоидных капиллярно-пористых материалов -семян горчицы белой и лука репчатого. Дано сопоставление гигроскопических свойств этих материалов с гигроскопическими свойствами других коллоидных капиллярно-пористых материалов растительного происхождения - зерновых культур.

Ключевые слова: равновесие, сушка, семена, изотерма десорбции, коллоидные капиллярно-пористые материалы, горчица белая, лук репчатый

Согласно [1] к коллоидным капиллярно- влажности в зависимости от влажности воздуха и

пористым материалам относятся капиллярно- температуры необходимы для вскрытия механиз-

пористые материалы с проницаемыми для распре- ма массопереноса при сушке семян, который обу-

деляемого вещества стенками пор. Таковыми явля- словлен физико-химическими свойствами зерно-

ются все материалы растительного и животного вых культур. Знание равновесного влагосодержа-

происхождения (в частности семена), имеющие ния up важно также для определения движущей

клеточное строение. Для кинетического расчета силы процесса сушки, которая, согласно зависи-

процесса сушки материалов, в том числе семян, а мости для скорости сушки (1), определяется раз-

также для выбора условий их хранения нужны дан- ностью значений влагосодержания (u-up): ные по их равновесному влагосодержанию [1, 2]. du _ ^ ( ) (1)

Закономерности изменения равновесной dx ^ р'