Оптимизация производства синтетического каучука — каждая партия продукции будет качественной
Анализ методом рамановской спектроскопии кинетики полимеризации и микроструктуры в реальном времени позволяет принимать меры по контролю на более ранних этапах, что способствует увеличению выхода продукции, улучшению консистенции и сокращению времени цикла при производстве синтетического каучука.
Когда теряются эксплуатационные характеристики при полимеризации синтетического каучука
При производстве растворного бутадиен-стирольного каучука (SSBR) и эмульсионного бутадиен-стирольного каучука (ESBR) наибольшие потери показателей на выходе, консистенции и производительности происходят внутри партии, когда кинетика реакции и эволюция микроструктуры не видны в режиме реального времени. Без такого анализа упускаются возможности для более раннего принятия мер по контролю, а также для подтверждения конечной точки реакции раньше, пока партия еще запущена, что приводит к задержке принятия решений, которые в противном случае могли бы увеличить выход продукта за один проход в единицу времени и эффективную производительность реактора. Принятие критически важных решений, таких как обнаружение конечной точки или корректировка, часто откладывается из-за автономного отбора проб и времени лабораторных исследований. Эти задержки не просто влияют на качество, но и отнимают ценное время реактора после того, как реакция фактически достигла своей оптимальной конечной точки, ограничивая количество партий, которые реактор может производить в год.
Поскольку определяющие свойства синтетического каучука формируются в процессе полимеризации, пропущенные этапы реакции не могут быть восстановлены. В большинстве случаев при производстве каучука применяется метод «торможения реакции», чтобы избежать чрезмерной полимеризации, т.е. реакции останавливаются задолго до оптимальной конверсии. Это приводит к образованию нереализованной конверсии продукции, увеличению разброса показателей между партиями и требует дорогостоящих процессов зачистки и извлечения. В результате получается материал пониженного качества или не соответствующий требованиям — результат, который напрямую снижает загрузку реактора, производственные мощности и операционную прибыль.
Что можно увидеть с помощью встроенной рамановской спектроскопии
Встроенная рамановская спектроскопия дает возможность проводить химический анализ непосредственно в зоне реакции в реакторах для синтетического каучука и обеспечивает точность контроля конечных точек для достижения необходимой вязкости и коэффициента конверсии по Муни. Рамановские зонды измеряют химический состав в самой реакционной массе, действующей при реальных условиях температуры и давления, во время выполнения партии. Это обеспечивает непрерывное наблюдение в месте установки за кинетикой реакции и эволюцией микроструктуры именно там, где формируются полимерные цепи, а не на основе выводов, сделанных по результатам анализа образцов, полученных с задержкой или извне.
Контроль методом рамановской спектроскопии в реальном времени позволяет выявить следующее:
- потребление мономеров (бутадиен и стирол);
- кинетику реакции во всей партии;
- эволюцию микроструктуры (цис, транс, винил, стирил);
- распределение изомеров, влияющее на температуру стеклования (Tg);
- раннее образование полимерных блоков и риски агломерации.
Поскольку измерения проводятся непрерывно в ходе технологического процесса, поведение реакции наблюдается в ходе ее развития, а не реконструируется позже по отложенным лабораторным данным.
Как визуализация реакции меняет операционные решения
Поскольку этот анализ осуществляется внутри самого реактора во время производства партии, операторы больше не полагаются на экстраполяцию лабораторных образцов, взятых с разницей в несколько часов.
Когда кинетика реакции и микроструктура видны непрерывно в течение партии, оперативный контроль переходит от режима реагирования к режиму упреждения. Операторам больше не нужно тратить время на то, чтобы понять, что же произошло; они могут вмешаться в процесс эволюции партии до того, как отклонения распространятся.
Анализ методом рамановской спектроскопии позволяет осуществлять следующие действия:
- больше уверенности при вызове конечных точек;
- мгновенная корректировка подачи или условий при смещении микроструктуры;
- принятие решений в режиме реального времени во время обработки партии;
- анализ принятия решения о том, следует ли активировать остановившиеся реакции (например, добавление инициатора или мономера);
- отсутствие необходимости в отборе проб опасных материалов из реакторов с высокой температурой и высоким давлением вручную.
Вызовы конечных точек, основанные на данных, — это не просто улучшение контроля, это мощный инструмент повышения производительности . Когда конечные точки проверяются в режиме реального времени, можно прекратить выпуск партий, как только достигнуты заданные показатели конверсии и микроструктуры без необходимости получения лабораторного подтверждения. Каждый час, сэкономленный за счет сокращения времени ненужных реакций, напрямую приводит к увеличению выхода продукции за один проход в единицу времени и годовой производственной мощности при том же объеме реактора. Ценность заключается не в генерировании большего количества данных, а в том, что при изменении поведения реакций становится видно, как принимаются решения.
Инженерно-технический контроль партиями внутри реактора для производства резины
В процессе производства синтетических полимеров качество и производительность партии подвергаются наибольшему риску во время проведения самой реакции. Благодаря тому, что конверсия мономера и эволюция микроструктуры непрерывно видны в реакторе, система поточного мониторинга методом рамановской спектроскопии позволяет перенести контроль с запоздалого лабораторного подтверждения на изучение ситуации во время обработки партии в режиме реального времени. Конечные точки обнаруживаются еще в процессе выработки партии, что позволяет определить более раннюю и подтвержденную точку окончания процесса, основанную на фактическом состоянии реакции, а не на основе результатов лабораторных анализов, которые поступают с задержкой. Корректирующие действия применяются до того, как будет произведен материал, не соответствующий требованиям, а решения принимаются в процессе реагирования, а не после него.
Благодаря этому обеспечиваются более прогнозируемые циклы изготовления партий, более жесткий контроль характеристик и более высокая производительность реактора, снижение затрат и увеличение выхода продукта за один проход в единицу времени за счет проектирования, а не путем коррекции после изготовления партий.
От понимания реакции к измеряемому воздействию на производство
В процессе полимеризации SSBR и ESBR задержка в принятии решений напрямую приводит к использованию стратегии «торможения реакции», длительному времени выдержки партии, увеличению времени цикла, повышению вариабельности и снижению выхода продукции. Благодаря более тщательному определению конечных точек и непрерывному отслеживанию микроструктуры, мониторинг с помощью встроенной рамановской спектроскопии сокращает продолжительность производства партий и улучшает их однородность.
Производители могут демонстрировать в повседневной работе:
- более раннее обнаружение конечных точек и ранний выпуск партий продукции;
- уменьшение изменчивости от партии к партии;
- более высокий выход конечного продукта без ущерба для контроля за качеством;
- повышение эффективности использования реактора за счет сокращения времени цикла;
- более безопасная эксплуатация за счет отказа от использования извлекающего метода отбора проб вручную.
Эти результаты достигаются во время изготовления партии, а не путем корректировки на этапе обработки.
С практической точки зрения более раннее завершение технологического цикла означает увеличение объема готовой продукции, производимой на реактор в год, что позволяет превратить понимание процесса в ощутимую финансовую прибыль.
Как эта ценность реализуется на промышленных предприятиях по производству синтетического каучука
Встроенная рамановская спектроскопия развертывается с помощью:
- анализаторов комбинационного рассеяния с классом защиты ATEX и погружных или обводных зондов;
- непрерывного измерения в условиях высоких температур и давления;
- проверенных в реальном времени спектральных моделей для газовой хроматографии (ГХ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
- Поэтапное внедрение (лаборатория → пилотный проект → производство), сохранение моделей и знаний о технологическом процессе
Технология рамановской спектроскопии не заменяет существующие системы управления, а дополняет их, делая ранее невидимые переменные реакции доступными для контроля и оптимизации во время изготовления партии.
Хорошо зарекомендовала себя в сфере полимеризации синтетического каучука
Встроенный контроль методом рамановской спектроскопии уже несколько десятилетий применяется в процессах производства синтетических каучуков, включая каучуки на основе бутадиена и нитрил-бутадиена. Благодаря измерению конверсии мономера и микроструктуры в режиме реального времени удалось ускорить процесс передачи новых сортов в лабораторию, обеспечить более последовательный контроль критических Tg-характеристик и повысить безопасность работы за счет исключения ручного отбора проб из опасных этапов.
Почему именно Endress+Hauser?
Компания Endress+Hauser оказывает помощь производителям синтетического каучука в разработке прогнозируемых и высокоэффективные серийные производственные процессы, внедряя технологию анализа процессов (PAT) непосредственно в рабочие процессы полимеризации.
- Большой опыт в области полимеризации и химии эластомеров
- Надежные рамановские системы для работы в опасных условиях
- Разработка надежных приложений и долгосрочное сотрудничество
- Обширная глобальная сервисная сеть с мощной технической поддержкой на местах
На всех этапах — от разработки до полномасштабного производства — мы обеспечиваем контроль над каждой партией на том этапе, когда это действительно важно.
