مقایسه عملکرد دو فرایند صنعتی برای تولید گریدهای مختلف پلی‌استایرن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

چکیده

در این تحقیق، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی دو فرایند صنعتی تولید پلی استایرن به روش توده‌ای به منظور مقایسه عملکرد این فرایندها انجام شده است. در فرایند صنعتی اول، پیش پلیمریزاسیون در دو راکتور پیوسته همزن‌دار به طور موازی انجام می‌شود و سپس در یک راکتور لوله‌ای ادامه می‌یابد. راکتور لوله‌ای توسط ژاکت‌های بیرونی و لوله‌های داخلی به شش ناحیه دمایی مساوی تقسیم شده است. فرایند دوم نیز شامل یک راکتور پیوسته همزن‌دار خود سرد کننده برای پیش پلیمریزاسیون و یک راکتور لوله‌ای برای تکمیل پلیمریزاسیون است. در این فرایند نیز راکتور لوله‌ای توسط ژاکت‌های کنترل کننده دما به سه بخش تقسیم می‌شود. سینتیک و فرضیات به کار برده شده در مدل‌سازی این فرایندها یکسان است. مدل‌های ارائه شده برای هر فرایند، قادر به پیش‌بینی متوسط‌های عددی و وزنی وزن مولکولی، شاخص پراکندگی، درجه تبدیل منومر و دما برای محصول خروجی از راکتورهای پیوسته همزن‌دار و لوله‌ای هستند. به منظور حداکثر کردن درجه تبدیل، حداقل کردن شاخص پراکندگی و رساندن متوسط عددی وزن مولکولی به یک مقدار تجاری، بهینه‌سازی به کمک روش الگوریتم ژنتیک بر روی دمای راکتورها در هر فرایند انجام شد. نتایج شبیه‌سازی و بهینه‌سازی نشان می‌دهد که فرایند اول با تغییر شرایط عملیاتی دمایی تنها قادر به تولید پلیمری با وزن مولکولی بالا و توزیع وزن مولکولی پهن است، در حالی که فرایند دوم قادر به تولید گریدهای متفاوتی از پلی‌استایرن است

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of Performance of Two Industrial Processes for Production of Different Grades of Polystyrene

نویسندگان [English]

  • Mohsen Gharaghani
  • Hossein Abedini
  • Mahmoud ParvaziniaIran
Polymer and Petrochemical Institute
چکیده [English]

In this study, the steady-state simulation and optimization of two continuous bulk styrene polymerization processes have been developed to compare the performance of industrial processes. The first process consists of two continuous stirred tank reactors (CSTR), followed by a tubular reactor. The tubular reactor has been subdivided into six temperature-control zones. The second process consists of an auto-refrigerated stirred tank, followed by a tubular reactor. The tubular reactor of this process has been subdivided into three temperature-control jacket zones. Similar kinetic mechanism and assumptions were used to simulate both processes. The models can predict monomer conversion, number-and weight-average molecular weights, polydispersity index, and temperature at the output of reactors for each process. The genetic algorithm (GA) is used for the maximization of the monomer conversion, the minimization of the final polydispersity index in the product, and to control the number average molecular weight in the range of the common commercial grade. Simulation and optimization results show that the first process is able to produce just one grade of polystyrene while the second one can produce different grades of polystyrene.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
  • Polystyrene
  • Simulation
  • Tubular Reactor
  • Optimization
  • Comparison of Performance
مراجع

[1] Chen C.C., “A Continuous Bulk Polymerization Process for Crystal Polystyrene”, Journal of Polymer Plastice Technology Engineering, Vol. 33, pp. 55-58, 1994.

[2] Vasco de Toledo E.C., Martini C.R.F., Maciel M.R.W. and Filho R.M., “Process intensification for high operational performance target: Autorefrigerated CSTR polymerization reactor”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 29, pp.1447–1455, 2005.

[3] Luyben W.L., “Temperature Control of Autorefrigerated Reactors”, Journal of Process Control, Vol. 9, pp. 301-312, 1999.

[4] Henderson L.S. and Cornejo R.A., “Temperature control of continuous, bulk styrene polymerization reactors and the influence of viscosity: An analytical study”, Ind. Chem. Res., Vol. 28, pp.1644-1653, 1989.

[5] Vasco de Toledo E.C., Martini R.F., and Filho M.R., “Development of High Performance Operational Strategies for Polymerization Reactor”, Computers Chemical Engineering, Vol. 24, pp. 481–486, 2000.

[6] Vasco de Toledo E.C. and et al., “Influence of Non-Condensable Gases on the Dynamic Behaviour of an Auto-Refrigerated CSTR Polymerization Reactor”, The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 84, pp. 469-479, 2006.

[7] Waschler R., Pushpavanam S. and Kienle A., “Multiple Steady States in Two-phase Reactors under Boiling Conditions”, Chemical Engineering Science, Vol. 58, pp. 2203–2214, 2003.

[8] Chen C.C., “Continuous Production of Solid Polystyrene in Back-Mixed and Linear-Flow Reactors”, Journal of Polymer Engineering and Science, Vol. 40, No. 2, pp. 441-464, 2000.

[9] Svec P. et al., Styrene-based Plastics and Their Modification, Ellis Horwood, New York, 1989.

[10] Almeida A.S., Wada K. and Secchi A.R., “Simulation of Styrene Polymerization Reactors: Kinetic and Thermodynamic Modeling”, Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol. 25, pp. 337- 349, 2008.

[11] Makwana Y., Moudgalya K.M., and Khakhar D.V., “Modeling of Industrial Styrene Polymerization Reactors”, Journal of Polymer Engineering and Science, Vol. 37 , No. 6, pp. 1073-1081, 1997.

[12] Jung Yoon W., “Polymerization of Styrene in a Continuous Filled Tubular Reactor”, Journal of Chem. Eng., Vol. 13, pp. 88-96, 1996.

[13] Costa, E.F., Lage, P.L.C. and Biscaia, E.C., “On the Numerical Solution and Optimization of Styrene Polymerization in Tubular Reactors”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 27 , pp. 1591-/1604 , 2003.

[14] Nogueira A. L., et al. “Continuous Polymerization in Tubular Reactors with Prepolymerization: Analysis Using Two-Dimensional Phenomenological Model and Hybrid Model with Neural Networks”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 91, pp. 871–882, 2004.

[15] Yoon W.J. and Choi K.Y., “Polymerization of Styrene in a Continuous Filled Tubular Reactor”, Polymer Engineering and Science, Vol. 36, pp. 65-77, 1996

[16] Gao J., Hungenberg K.D. and Penlidis A., “Process Modelling and Optimization of Styrene Polymerization”, Macromol Symp, Vol. 206, pp. 509-522, 2004.

[17] Bhat S.A., Sharma R., Gupta S.K., “Simulation and Optimization of the Continuous Tower Process for Styrene Polymerization”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 94, pp. 775–788 ,2004.

[18] Hui A.W. and Hamielec A.E., “Thermal polymerisation of styrene at high conversions and temperatures; An experimental study”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 16, pp. 749-769, 1972.

[19] Husain A., and Hamielec A.E., “Thermal Polymerisation of Styrene”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 22, pp. 1207-1223, 1978.

[20] Wallis J.P.A., Ritter R.A. and Andre H., “Continuous Production of Polystyrene in a Tubular Reactor”, AIChE J, Vol. 21, No. 4, pp. 686-698, 1975.