کنترل کیفی فرایندهای تولید پلیمر
در صنایع تولید پلیمر، مزیت رقابتی از فناوری منتج می شود که در کنترل خواص پلیمر به روشی ثابت در کل کارخانه و در به حداکثر رساندن عملکرد تولید با رعایت اصول ایمنی برتر است. باتوجه به استفاده از طرح های کنترل فرایند و برنامه ریزی پیشرفته در پلنت های پلیمریزاسیون پلی الفین صنعتی، پیشرفته ترین سیستم های کنترل کیفی برای بکارگیری در پلنت تولید پلیمر با ظرفیت بیشتر به منظور تمایز و قابلیت انطباق محصول مورد بررسی قرار می گیرد. هدف از این مقاله بررسی روند کنترل با ارزیابی نرم آنلاین و تغییر گرید بهینه است. در اینجا، یک سیستم کنترل کیفی برای پلنت تولید پلیمر، که کنترل بهینه را با تکنیک های سنجش و زمان بندی آنلاین ادغام می کند، با اشاره به کاربرد سیستم نمونه اولیه در یک پلنت صنعتی مورد بحث قرار می گیرد.
استفاده از پلیمرها به طور پیوسته در بسیاری از حوزه های صنعتی من جمله خودرو، غذا، پوشاک، الکترونیک و غیره با کاوش در کاربردهای جدید و متنوع پلاستیک رو به رشد بوده است. در حال حاضر، از پلی پروپیلن (PP) در ساخت تمام خودروها استفاده می شود. بطری های نوشابه ساخته شده از PET (پلی اتیل ترفتالات) جنس شیشه ای فشرده دارند و کیسه های پلی اتیلن (PE) نیز جایگزین کیسه های کاغذی در فروشگاههای مواد غذایی شده اند. مصرف کنندگان به مرور زمان با ساخت محصولات پلاستیکی از پلیمر آشنا می شوند. برای مثال از PP برای ساخت متریال اصلی پنل ابزار اتومبیل ها، باتری اتومبیل ها و حتی کفپوش ها استفاده می شود که در هر کدام به خواص اصی از پلیمر نیاز است. برای تأمین این ضروریات، صنایع پلیمری در حال تولید انواع مختلفی از پلیمرها با کیفیت بالا است. در سال های اخیر، علیرغم بالا بودن خواص کیفی پلیمرها، مشتریان خواستار تنوع بیشتر گریدها و افزایش کیفیت محصول بوده اند. در صنایع پلیمری آینده، مزیت رقابتی از فناوری حاصل می شود که در طراحی خواص پلیمر و در کنترل پلنت های تولید با هدف افزایش کیفیت محصول، عملکرد و ایمنی تولید برتر است. در این مقاله، با توجه به پروژه های مشترک دانشگاه و صنعت در بکارگیری طرح های کنترل فرایند و برنامه ریزی پیشرفته در پلنت های پلیمریزاسیون پلی الفین صنعتی، پیشرفته ترین سیستم های کنترل کیفی برای فرایندهای تولید پلیمر مورد بحث قرار می گیرند. تحقیقات قابل ملاحظه ای در زمینه کنترل، نظارت و مدلسازی راکتورهای پلیمریزاسیون انجام شده و بررسی های مطلوبی نیز توسط چندین محقق ارائه شده است. به دلیل تعصب نویسندگان و محدود بودن فضای این مقاله، نمیتوان به بیان تمام رویدادهای مهم گذشته در این زمینه پرداخت. سنجش نرم آنلاین و کنترل تغییر گرید بهینه اساسآ در این مقاله بررسی شده اند. یکی از موضوعاتی که در اینجا بحث شده است، کنترل کیفی کلی در سطح پلنت با طراحی ساختار مولکولی در مقیاس میکرو تا مقیاس کلان است. پلنت تولید پلیمر نه تنها شامل راکتورها؛ بلکه شامل جدا کننده ها، خشک کن ها، اکسترودرها و مخزن های ترکیب نیز می شود. بنابراین، کیفیت پلیمر نه تنها توسط شرایط عملکرد راکتورها، بلکه با عملیات اکسترودر و اختلاط نیز تحت تأثیر قرار می گیرد. علاوه براین، خواص پلیمر توسط ساختارهای مولکولی مرتبه بالا و پایین تعیین می شود. بنابراین، برای افزایش ظرفیت پلنت تولید به منظور تمایز و قابلیت انطباق محصول، خواص پلیمر بایستی در سطح ساختار مولکولی به روشی ثابت در حین پردازش از راکتورها تا مرحله جداسازی، اکسترودر و مخازن ترکیب کنترل شود. طرح سیستم کنترل کیفی در پلنت تولید پلیمر، که کنترل بهینه را با تکنیک های سنجش و زمان بندی آنلاین ادغام می کند، با اشاره به کاربرد یک سیستم نمونه اولیه در یک پلنت صنعتی مورد بحث قرار می گیرد.
پلنت تولید پلیمر
در شکل زیر یک نمودار شماتیک بسیار ساده از یک پلنت تولید پلیمر ارائه شده است.
شکل 1:
به طور کلی، پلنت های تولید پلیمر از یک مجموعه راکتور، واحدهای جداسازی، اکسترودرها و مخازن مخلوط تشکیل شده اند. در واقع، این راکتورها برای تولید محصولات لایه ای کاربرد دارند و واحدهای جداسازی برای بازیافت مونومر غیر واکنشی به منظور رعایت مقررات محیطی و کاهش هزینه های تولید نصب می شوند. همچنین، به مخلوط کن ها برای کاهش تنوع کیفیت محصول نیاز است. علاوه براین، برای دستیابی به تنوع گریدها و محصولات بدون افزایش هزینه های جانبی، کارخانه بایستی با تغییر روند عملیاتی بتواند 10 گرید یا حتی بیشتر تولید کند. در نتیجه، عملیات آن پیچیده و دشوار می شود. کنترل اساسی تنظیم متغیرهای کلیدی فرایند مانند دما و نرخ ها بسیار ضروری است، اما این به تنهایی برای تولید گریدهای مختلف محصولات پلیمری با کیفیت بالا و کاهش هزینه های اقتصادی کافی نیست. در شکل زیر، یک نمای کلی از سیستم کنترل در یک پلنت پلی الفین ارائه شده است.
شکل 2:
در این شکل، بلافاصله پس از ارائه مشخصات پلیمر توسط مشتریان، کیفیت پلیمر تولید شده در واحد فرآوری بایستی بهینه سازی شود. سپس، شرایط عملیاتی برای هر واحد با هدف ارزیابی کیفی آن تعیین می شود. با در نظر گرفتن این طرح، برنامه تولید با هدف تأمین تقاضا و کاهش هزینه های تولید تدوین می شود.
ضرورت مدلسازی با کیفیت
مهندسی واکنش پلیمریزاسیون کمک زیادی به مدلسازی و درک چگونگی تأثیر شرایط عملکرد راکتور بر خواص مولکولی من جمله توزیع وزن مولکولی، توزیه ترکیب و میزان انشعاب زنجیره می کند. رئولوژی نیز نقش مهمی در برطرف نمودن شکاف بین خواص مولکولی و خواص رئولوژیکی برعهده دارد که به کیفیت کاربر نهایی بسیار نزدیک است. در جدول زیر، روابط کیفی بین خواص مولکولی و خواص پلیمر، همچنین پردازش پذیری پلیمر ارائه شده است.
جدول 1:
از طرفی، خواص کاربر نهایی به شدت به ساختارهای مولکولی مرتبه پایین و بالا پلیمر و همچنین، ماهیت توزیع شدۀ متغیرها (توزیع وزن مولکولی و غیره) بستگی دارد. برای مثال، سختی پلیمر به میزان تبلور پلیمر بستگی دارد که براساس نظم کلی پلیمر تعیین می شود: یک پلیمر خطی با گروههای فرعی کوچک بسیار کریستالی است؛ با گروههای جانبی حجیم اما منظم دارای تبلور کم؛ با گروههای فرعی حجیم و تصادفی یک پلیمر غیر کریستالی محسوب می شود. همچنین، شکل مورفولوژیکی پلیمر HIPP اغلب یک متغیر کلیدی از خواص کاربر نهایی محسوب می شود و به توزیع اندازه ذرات، توزیع ترکیب پلیمر و نحوه پردازش در اکسترودر بستگی دارد. برای تعیین شرایط عملیاتی در هر واحد پردازش جداگانه، بایستی درک عمیق تری از چگونگی تأثیر خواص کاربر نهایی توسط ساختار مولکولی، توزیع آن و شرایط عملیاتی در هر واحد پردازش داشته باشیم. برای داشتن یک سیستم کنترل کیفی در پلنت های پلیمریزاسیون، توسعه چنین مدلهای کیفی که می تواند روابط بین خواص کاربر نهایی، خواص پلیمر، ساختار مولکولی آنها و نحوه پردازش را تفسیر کند بسیار مهم است.
نتیجه گیری
همانطور که قبلآ هم بحث شد، جایگاه کنترل کیفی یک پلنت پلیمر در تحقیقات آینده بسیار مهم و ضروری است. برای دستیابی به بالاترین کنترل کیفی، ادغام فناوری ها در سه حوزه اساسیِ کنترل فرایند، ارزیابی و بهینه سازی، و ایجاد یک سیستم تولید هوشمند و ناظر بر تمام طرح کاملآ ضروری است. در نهایت، می توان گفت مهمترین عامل در توسعه چنین سیستمی مدلسازی کیفیت است؛ بدون آن، کنترل کیفی عملآ امکان پذیر نیست.
