مدلسازی و شبیه سازی فرآیند پلیمریزاسیون تعلیقی وینیل کلرایدتحت مسیرهای دمایی از پیش تعریف شده

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this research, in order to improve the suspension polymerization of vinyl chloride productivity, S-PVC process under variable temperature trajectories has been simulated by considering the predetermined K-value and reactor cooling capacity. A simulator software called "S-PVC Process Simulator" was provided which is able to simulate S-PVC process under predefined temperature trajectory (constant and variable). A combination of Kiparissides and Xie models was used for simulation. The simulation results include operational and kinetics parameters and molecular-structural properties of the final product. The model equations were solved by Runge-Kutta fourth order method. The reactor pressure and diffusion-controlled phenomena kinetics were accounted for based on Flory-Huggins and Free-volume theory, respectively. The validity of "S-PVC Process Simulator" software was examined by comparing simulation results with experimental, pilot and industrial data. It was found that it has ability to simulate properly the process parameters such as final process time, reactor pressure, conversion, polymerization rate, K-value and average molecular weight in three scales by selecting proper initiator efficiency. The polymerization rate could not be kept at maximum value by applying variable temperature trajectories, because, although time to achieve final conversion will be reduced considerably, the desired K-value will not be achieved. In order to reduce duration of S-70 and S-65 grades production processes, some temperature trajectories versus time and conversion were proposed. Applying the proposed temperature trajectories must satisfy four constraints: process time reduction, considering the cooling capacity of the reactor, achieving the desired grade and invariance of the molecular-structural characteristics of final polymer. By investigating the temperature effects on process progress and final product characteristics, it was seen that the low temperatures produced a polymer with high K-value , and high temperatures produce polymer with low K-value . If the temperature at the beginning of the process is high, it’s necessary to reduce the reactor temperature. In order to produce the S-70 grade, in addition to the proposed temperature trajectory, a combination of two initiators is recommended to obtain high polymerization rate at beginning of the process. In the last part of research, for improving S-PVC process and achievement of the desired product by applying fewer temperature ramps, industrial approximation of proposed temperature trajectories was presented. By using a combination of two initiators and a predefined temperature trajectory, the time to achieve final conversion can be reduced from 306 minutes to 187 minutes for S-70 grade production. Also applying proposed temperature trajectories (with preheating and without preheating) increased the S-65 process productivity by 28.0% and 40.0%. Key Words: S-PVC process, Simulator software, variable temperature trajectory, K-value , Reactor cooling capacity

در این تحقیق به منظور افزایش بهره وری پلیمریزاسیون تعلیقی وینیل کلراید، فرآیند S-PVC تحت مسیرهای دمایی متغیر با در نظر گرفتن K-value از پیش تعیین‌شده و ظرفیت سرمایشی راکتور شبیه سازی گردید. یک نرم افزار شبیه ساز تحت عنوان «شبیه ساز فرآیند S-PVC» ارائه شد که قابلیت شبیه سازی فرآیند پلیمریزاسیون تعلیقی وینیل کلراید تحت مسیرهای دمایی از پیش تعریف شده (ثابت و متغیر) را دارد. از میان مدل های ارائه شده برای توصیف فرآیند S-PVC، تلفیقی از مدل های کی پاری سیدس و زی ارائه گردید و شبیه سازی فرآیند بر اساس آن انجام شد. طراحی نرم افزار «شبیه ساز فرآیند S-PVC» به‌گونه‌ای است که پس از اِعمال ورودی های راکتور، شروع به حل معادلات و روابط کرده و نتایج شبیه سازی، شامل پارامترهای عملیاتی و سینتیکی و همچنین خواص مولکولی- ساختاری محصول نهایی را در اختیار کاربر قرار می دهد. معادلات دیفرانسیل موجود در مدل از روش رانگ- کاتای مرتبه چهارم حل شد، همچنین فشار راکتور بر اساس معادله ی فلوری- هاگینز و روابط سینتیکی مربوط به پدیده ی نفوذ کنترلی بر اساس تئوری حجم آزاد محاسبه گردید. پس از معرفی نرم افزار «شبیه ساز فرآیند S-PVC»، اعتبار آن از طریق مقایسه نتایج شبیه سازی با داده های آزمایشگاهی و واحدهای نیمه صنعتی و صنعتی ارزیابی شد و مشخص گردید که در صورت انتخاب صحیح بازده ی آغازگر که پارامتری وابسته به شرایط عملیاتی فرآیند است، نرم افزار می تواند پارامترهایی همچون مدت انجام فرآیند، فشار راکتور، تبدیل بحرانی، تبدیل نهایی، سرعت پلیمریزاسیون، K-value و متوسط وزن مولکولی را برای هر سه مقیاس آزمایشگاهی، نیمه صنعتی و صنعتی به‌خوبی شبیه سازی کند. نمی توان با اِعمال مسیر دمایی متغیر، سرعت پلیمریزاسیون را همواره در حد ماکزیمم نگه داشت، زیرا علیرغم کاهش زمان دست یابی به تبدیل نهایی و استفاده طولانی از حداکثر توان سرمایشی راکتور، گرید موردنظر از نظر وزن مولکولی تولید نمی شود. چند مسیر دمایی به منظور کاهش زمان تولید دو گرید S-70 و S-65 بر حسب زمان و تبدیل پیشنهاد گردید. مسیرهای دمایی متغیری که پیشنهاد شدند، علاوه بر کاهش زمان فرآیند باید محدودیتِ ظرفیت سرمایشی راکتور و دست یابی به K-value از پیش تعیین‌شده را ارضاء کنند و همچنین خواص ساختاری محصول نهایی را تغییر ندهند. با بررسی تأثیر مسیرهای دمایی مختلف بر پیشرفت فرآیند و مشخصات محصول نهایی مشخص شد که دماهای پایین، پلیمری با K-value بالا و دماهای بالا محصولی با K-value پایین تر تولید می کنند. بنابراین در صورت بالا بودن دما در ابتدای فرآیند لازم است که در ادامه ی فرآیند، دمای راکتور کاهش یابد تا علاوه بر جبران کاهش K-value ، سرعت پلیمریزاسیون و نرخ گرمای آزاد شده نیز بیش‌ازحد افزایش نیابد. همچنین پیشنهاد گردید به منظور تولید پلیمر گرید S-70 بهتر است علاوه بر مسیر دمایی پیشنهادی از ترکیب دو نوع آغازگر نسبتاً تند و متوسط استفاده شود تا در ابتدای فرآیند سرعت پلیمریزاسیون افزایش یابد. درنهایت، تقریب صنعتی مربوط به مسیرهای دمایی پیشنهادی ارائه شد تا بتوان در صنعت با اِعمال تعداد رمپ دمایی کمتر، فرآیند S-PVC را بهبود بخشید و به محصول موردنظر دست یافت. با اِعمال مسیر دمایی از پیش تعریف شده و ترکیب دو نوع آغازگر، زمان دست یابی به تبدیل نهایی در فرآیند تولید گرید S-70 از 306 دقیقه به 187 دقیقه کاهش یافت. همچنین اِعمال مسیرهای دمایی همراه با پیش گرمایش و بدون پیش گرمایش به ترتیب موجب افزایش بهره وری فرآیند تولید گرید S-65 به میزان 28% و 40% گردید. کلمات کلیدی: فرآیند S-PVC، نرم افزار شبیه ساز، مسیر دمایی متغیر، K-value ، ظرفیت سرمایشی راکتور