Усиление контроля полимеризации суспензии с помощью визуализации реакции в режиме реального времени
Встроенная рамановская спектроскопия обеспечивает непрерывное изучение износа мономера, роста полимера и поведения водорода в шламовых реакторах для принятия своевременных решений, повышения стабильности качества продукции и снижения риска некондиции при производстве полиэтилена и полипропилена.
Обеспечение однородности состава в процессе полимеризации в суспензии
Полимеризация в суспензии полипропилена или полиэтилена регулируется быстрой многофазной химической динамикой. Незначительные и незаметные изменения концентрации мономеров, уровня водорода или скорости полимеризации могут быстро распространяться, что сказывается на стабильности свойств продукта, достижении заданного молекулярного веса и стабильности реактора.
В реальных производственных условиях этот риск усугубляется следующими факторами:
- непрозрачные системы с высоким содержанием твердых частиц в суспензии, которые не позволяют проводить стандартный анализ;
- задержки между отбором проб, лабораторным анализом и корректирующими действиями;
- неопределенность на этапах перехода на новую категорию, запуска и расширения масштаба.
Самые большие потери материала и прибыли обычно происходят до того, как операторы узнают, что реакцию удалось стабилизировать.
Что можно увидеть с помощью встроенной рамановской спектроскопии
Встроенная рамановская спектроскопия позволяет проводить исследование химического состава непосредственно в реакторах, обеспечивая непрерывное наблюдение в месте установки, где невозможно использовать традиционные методы.
Обеспечивает доступ в режиме реального времени к:
- обеднению мономеров и сомономеров (например, этилена, пропилена);
- прогрессу образования пуолимеров, даже в непрозрачных смесях с высоким содержанием твердых частиц;
- низкому уровню концентрации водорода, критический для контроля молекулярной массы и скорости течения расплава (MFR);
- химическим отклонениям по мере их возникновения, а не после завершения партии или передачи.
Эта аналитика распространяется на жидкую, твердую и газовую фазы; ее можно получить в течение первого часа после начала реакции.
Как визуализация реакции меняет операционные решения
Когда информация о химическом составе постоянно поступает в реактор суспензионной полимеризации, решения переходят от режима реагирования к режиму упреждения. Операторы и инженеры могут:
- обнаружить отклонений, когда еще можно принять меры по их устранению;
- определить, когда в процессе перехода степень качества сорта достигает заданного уровня;
- ускорять стабилизация рабочих условий после запуска или перезапуска;
- принять решения о масштабировании на основе реального протекания реакции, а не косвенных сигналов.
Результативность достигается не за счет получения большего количества данных, а за счет обеспечения прозрачности принятия решений в тот самый момент, когда меняется поведение химических веществ.
Технически предусмотренное регулирование реакции в шламовом реакторе
В процессе суспензионной полимеризации переходы между качествами сорта и ранние фазы реакции подвергают качество продукта и производительность наибольшему риску. Благодаря тому, что процесс обеднения мономера, образования полимера и поведения водорода можно наблюдать непосредственно в реакторе и на протяжении всей реакции, встроенный контроль с помощью комбинационного рассеяния света позволяет перейти от косвенных выводов к пониманию ситуации на уровне реакции. Принятие решений происходит в то время, когда реакцию еще можно контролировать, а устранение отклонений происходит до того, как будет получен материал, не соответствующий техническим требованиям. Таким образом, устраняется неопределенность в самые критические моменты производства, стабилизируются переходы между качеством сорта, а операторы получают возможность обеспечить стабильное качество и более высокую эффективную производительность за счет разработки, а не коррекции после выпуска партии.
От прозрачности к ощутимому воздействию на производство
В производстве олефиновых полимеров в суспензии значительная доля материала, не соответствующего техническим требованиям, образуется при переходе на новый сорт, когда операторы ожидают подтверждения того, что новый сорт соответствует техническим требованиям. Благодаря более раннему обнаружению образования полимеров и стабилизации сорта, встроенный контроль методом рамановской спектроскопии сокращает время, необходимое для перехода от сбора материалов, не соответствующих требованиям, к сбору соответствующих.
При производстве этилена или пропилена из суспензии экономическое воздействие видимости реакции определяется тем, насколько рано операторы могут с уверенностью распознать стабилизацию сорта и принять соответствующие меры. Каждая задержка между фактической стабилизацией реакции и принятием решения приводит к ненужным отклонениям от нормы и потере производственной прибыли.
Пример экономического воздействия в реальных условиях эксплуатации
Более раннее понимание уровня реакции при переходе от одного сорта к другой может привести к восстановлению материала, отвечающего техническим требованиям, и измеримой годовой стоимости. Основной вопрос для каждой задачи заключается не в том, можно ли достичь аналогичных результатов, а в том, как много времени для перехода и какого объема нестандартного продукта можно было бы избежать, если бы решения принимались в тот момент, когда реакция действительно стабилизируется .
Преимущества:
- типичное время выхода за пределы характеристик без учета реального времени: ~90 минут;
- время перехода за пределы характеристик при определении сорта на основе комбинационного рассеяния света: ~60 минут;
- сокращение объемов производства продукции, не соответствующей требованиям, за один переход: ~30 тонн;
- с учетом 3 переходов за неделю в год получается ~4 680 тонн материала, соответствующего требованиям;
- с учетом показательной разницы в цене между материалами, соответствующими и не соответствующими техническим требованиям, в ~400 USD/тонна, то это составляет ~1,87 млн. USD/год потенциальной стоимости.
На практике же экономическая выгода напрямую зависит от того, насколько раньше удастся подтвердить переход на новый сорт и возобновить сбор материалов, соответствующих требованиям.
Это значение достигается в реальных шламовых реакторах благодаря:
- погружным рамановским зондам, которые устанавливаются непосредственно в шламовые реакторы;
- работе в средах ATEX, где анализаторы находятся в контролируемых зонах;
- чувствительности, достаточной для количественного определения мономеров, полимеров и следов водорода в процессе работы;
- поэтапном применении (лаборатория → пилотный проект → производство), сохранению аналитических моделей и пониманию самого процесса.
Технология рамановской спектроскопии не заменяет существующие системы управления, а дополняет их, делая ранее невидимые переменные реакции доступными для контроля, оптимизации и принятия решений.
Проверено в промышленном процессе суспензионной полимеризации
Компания Borealis в сотрудничестве с Endress+Hauser отслеживает обеднение мономера и рост полимера в процессе суспензионной полимеризации пропилена или этилена с помощью встроенной рамановской спектроскопии.
- Мониторинг в реальном времени жидкой, твердой и газовой фаз в процессах полимеризации
- Определение количества пропилена, полипропилена и следов водорода в процессе полимеризации
- Четкая визуализация реакции в течение первого часа работы процесса полимеризации
- Повышение уверенности при масштабировании от лаборатории до опытного образца, а затем и до полного производства
Почему именно Endress+Hauser?
Компания помогает производителям полимеров в разработке безопасных, стабильных и высокопроизводительных производственно-технологических процессов, предоставляя следующие возможности:
- надежные системы рамановской спектроскопии для сред ATEX;
- погружные зонды, созданные для многофазных и изменчивых реакционных условий;
- богатый опытв области полимерной химии и аналитики технологических процессов;
- опыт консультирования по вопросам продаж, включая хемометрию и экспериментальное проектирование;
- обширная глобальная сервисная сеть с мощной технической поддержкой на местах.
Начиная с лабораторных разработок и заканчивая полномасштабным производством, разработанные нашей компанией технологии позволяют лучше понять технологический процесс и обеспечить стабильное качество полимеров.
Подходит ли рамановская спектроскопия для вашего процесса?
Ознакомьтесь с практическими соображениями и вопросами для самостоятельного анализа, чтобы определить, где и как можно использовать рамановскую спектроскопию для получения реальной пользы в процессе химического производства.
