Reaktory w trybie pracy ciągłej

Sterowanie reaktorami polimeryzacji

Sterowanie reaktorami, w których zachodzi polimeryzacja, nie jest łatwe. Składa się na to kilka przyczyn. Przede wszystkim proces ten ma bardzo złożony przebieg, charakteryzujący się wysoce nieliniową dynamiką, na który dodatkowo wpływa szereg zmiennych.

Tymczasem, o ile wielkości takie jak temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu i skład reagentów można mierzyć w trybie online, o tyle kluczowe parametry warunkujące jakość polimeru (na przykład masa cząsteczkowa, jej rozkład, szybkość płynięcia, lepkość), które z kolei decydują o tym, jakie właściwości będzie miał produkt końcowy (na przykład wytrzymałość na rozciąganie, odporność na promieniowanie UV) mierzy się w trybie offline, po zakończeniu produkcji i tylko dla wybranych próbek danej partii kauczuku. W efekcie nie można na bieżąco reagować na ich odchyłki.

Ponadto zazwyczaj reaktory są używane do produkcji wielu wersji podstawowego produktu, co oznacza, że korzysta się z różnych zestawów surowców. Wymaga to również częstych przełączeń i rozruchów. Wszystko to sprawia, że sterowanie reaktorami polimeryzacyjnymi wymaga specjalnych rozwiązań.

Reaktory w trybie pracy ciągłej

Reaktory polimeryzacyjne mogą pracować w trybie wsadowym, półwsadowym albo ciągłym. W tym ostatnim wykorzystuje się je głównie w produkcji polimerów na dużą skalę.

W trybie ciągłym wyróżnia się trzy etapy: uruchomienie, praca w stanie ustalonym, przełączenie z jednego stanu ustalonego do drugiego i wyłączenie. Podczas uruchamiania i wyłączania głównym celem systemu sterowania reaktorem jest zapewnienie bezpieczeństwa jego użytkowania. W stanie ustalonym i przy przejściach między stanami ustalonymi priorytetem jest z kolei jakość produktu.

W związku z tym system sterowania powinien mieć wielopoziomową strukturę hierarchiczną. Na najniższym poziomie monitorowane i regulowane są zwykle temperatura i przepływ, dla których nastawy dobiera się tak, aby uzyskać określone właściwości produktu końcowego (patrz: ramka). W celu zapewnienia dobrej jakości produktu podczas pracy w stanie ustalonym i podczas przejścia z jednego takiego stanu w drugi wykorzystuje się dostępne wyniki pomiarów online takich wielkości jak temperatura, ciśnienie, przepływ, w celu wywnioskowania ich wpływu na właściwości polimeru i okresowo aktualizowane wyniki pomiarów offline, które je rzeczywiście charakteryzują.

Regulacja temperatury w reaktorach polimeryzacyjnych

Reakcje zachodzące w procesie polimeryzacji mają zwykle przebieg egzotermiczny. Kontrola temperatury ma więc kluczowe znaczenie bez względu na tryb pracy reaktora, ciągły, półwsadowy czy wsadowy. Na etapach uruchamiania i wyłączania służy głównie zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania. W stanach ustalonych i przy przejściach między nimi jest z kolei wykorzystywana do wpływania na właściwości polimeru, które od niej silnie zależą. Kontrola temperatury nabiera dodatkowego znaczenia, gdy reaktor pracuje w niestabilnych stanach ustalonych. W przypadku polimeryzacji o przebiegu silnie egzotermicznym, oprócz kontroli aktualnej wartości temperatury w reaktorze, należy również uważnie monitorować szybkość jej zmian, zwłaszcza jeżeli w zbiorniku znajduje się znaczna ilość nieprzereagowanego monomeru. Wynika to stąd, że gwałtowny wzrost temperatury, w połączeniu ze znaczną ilością takiego materiału, stwarza poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Reaktory wykorzystywane w polimeryzacji przeważnie są ogrzewane i schładzane przez przepływ cieczy na zewnątrz, w otaczającym je płaszczu albo przez wbudowaną wewnątrz rurę. Układem grzania/chłodzenia zwykle steruje kaskadowy regulator PID. Składa się on z dwóch regulatorów. W takim układzie tym zewnętrznym jest regulator temperatury, który ustala wartość zadaną dla wewnętrznego regulatora przepływu płynu chłodzącego/ogrzewającego.

Monika Jaworowska