Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

IDENTIFICATION OF IMPORTANT TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO OBTAIN THE HIGHEST GRADE POLIVINILFORMALETILALYA

Ryabkova T.A. 1 Lukonin V.P. 1 Moncharzh E.M. 1
1 Dzerzhinsky Polytechnic Institute branch of the Nizhny Novgorod State Technical Universityn.a. R.E. Alekseev
An experiment in a laboratory setting to identify important process parameters in obtaining poluvinilformaletilalya premium. To establish conditions under which the mass fraction etilalnyh groups within a specific boundary rules, as the plan of the experiment was used polureplika from full-factorial experiment 28. On the basis of this experiment was carried out regression analysis to find the factors that determine the quality of high-grade polivinilformaletilalya and found the regression equation. Confirmed the adequacy of the regression equation by Fisher. Thus, it was found that for a high-grade polivinilformaletilalya affected by the following factors: the temperature of the first stage acetalation, dwell time at the first stage acetalation, the rate of decrease in temperature after completion of the second stage acetalation; formalin consumption and rate of rise of temperature at the end of acetalation polyvinyl alcohol. Therefore, it is necessary to control these parameters in the automation of the process of obtaining polivinilformaletilalya premium.
polivinilformalyetilal
experiment
regression analysis
1. Gmurman E.V. Rukovodstvo k resheniju zadach po teorii verojatnostejj i matematicheskojj statike M.: Vysshaja shkola, 2003 403 р.
2. Korshak V.V. Tekhnologija plasticheskikh mass M.: Khimija, Izd. 3-e, pererab. i dop., 1985 560 р.
3. Petrovich M.L. Regressionnyjj analiz i ego matematicheskoe obespechenie na EC EhVM: prakticheskoe rukovodstvo M.: Finansy i statistika, 1982 199 р.
4. Rozenberg M.E. Polimery na osnove vinilacetata L.: Khimija, 1983 176 р.
5. Tekhnicheskie trebovanija k PVFEh soglasno TU 2215-529-00208947-2010.
6. Tjurin J.N., Makarov A.A. Statisticheskijj analiz dannykh na kompjutere M.: INFRA-M, 1998 528 р.
7. Shtojjer R. Mnogokriterial’naja optimizacija M.: Radio i svjaz, 1992 504 р.

Поливинилформальэтилаль (ПВФЭ) относится к поливинилацеталям (ПВАц), обладает высокой адгезией к различным материалам, в том числе к металлу и стеклу, хорошими электроизоляционными свойствами [2].

Эмпирическая формула ПВФЭ [1]:

pic_47.tif

где х – содержание поливинилформаля = (41,3–45,65) % масс.; у – содержание поливинилэтилаля = (36,1–41,8) % масс.; z – содержание поливинилацетата = (0,5–1,46) % масс.; м – содержание поливинилового спирта (ПВС) = (22,49–11,09) % масс.

Производство поливинилацеталей в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г. Санкт-Петербург); «Кусковский хим.завод» (г. Москва); ПО «Поливинилацетат», (г. Ереван, Армения); СПО «Азот» (г. Северодонецк, Украина).

В настоящее время в России производство поливинилацеталей отсутствует. Поэтому точного технологического регламента по производству ПВФЭ не существует, и основной задачей является определение в лабораторных условиях параметров, которые существенно влияют на качество готового продукта.

Для получения высокосортного поливинилформальэтилаля массовая доля формальных групп должна быть в пределах (18–21) %, массовая доля этилальных групп (18–20) % и кислотное число не более 0,12 мг КОН на 1 г сухого продукта [5].

В табл. 1 представлена выборка значений показателей качества поливинилформальэтилаля, полученного на лабораторной установке.

Таблица 1

Технические характеристики ПВФЭ, полученные экспериментально

Номер синтеза

Массовая доля ацетальных групп, %

Кислотное число, мг КОН на 1 г сухого продукта, k

Формальные, m1

Этилальные, m2

1

18,9

23,9

0,04

2

17,6

24,3

0

3

18,8

23,2

0,36

4

19,6

24,1

0

5

19,0

24,1

0,08

6

18,6

25,1

0

7

22,8

21,3

0

8

18,8

24,4

0,17

9

20,2

20,6

0,06

10

19,9

23,4

0

11

21,0

22,8

0

12

19,9

21,95

0

13

16,2

26,2

0

14

21,7

22,0

0

15

20,1

22,7

0

16

20,7

21,1

0

17

19,1

23,4

 < = 0,03

18

18,6

23,6

 < = 0,03

19

20,3

21,7

 < = 0,03

20

17,7

20,3

 < = 0,03

21

19,3

23,3

 < = 0,03

22

20,5

21,3

 < = 0,03

23

17,6

25,8

 < = 0,03

24

19,4

24,7

 < = 0,03

25

17,8

25,7

 < = 0,03

26

18,7

20,8

 < = 0,03

27

15,3

26,9

 < = 0,03

28

18,1

24,9

 < = 0,03

29

15,3

27,7

 < = 0,03

30

18,9

20,6

 < = 0,03

31

19,3

23,6

 < = 0,03

32

19,2

23,8

 < = 0,03

33

19,5

23,2

 < = 0,03

34

17,6

20,6

 < = 0,03

35

21,2

20,9

 < = 0,03

36

17,4

25,4

 < = 0,03

37

17,0

26,6

 < = 0,03

38

18,9

24,6

 < = 0,03

39

20,7

20,4

 < = 0,03

40

21,7

20,5

0

41

21,8

20,3

0

42

21,1

22,2

 < = 0,03

43

21,7

20,6

 < = 0,03

44

21,0

21,8

0

Из экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке, видно, что показатель m2 (массовая доля этилальных групп) выходит за допустимые границы, которые соответствуют поливинилформальэтилалю высшего сорта.

В качестве плана эксперимента использовалась полуреплика от полно-факторного эксперимента 28.

Перечень факторов, варьируемых в эксперименте:

х1 – температура первой стадии ацеталирования (70 °С – верхний уровень, 68 °С – нижний уровень);

х2 – время выдержки (3 ч 18 мин – верхний уровень, 2 ч 42 мин – нижний уровень при температуре, равной х1);

х3 = u1 – скорость снижения температуры после завершения первой стадии ацеталирования (17 °С/ч – верхний уровень, 13 °С/ч – нижний уровень);

х4 = u2 – скорость снижения температуры после завершения второй стадии ацеталирования (14 °С/ч – верхний уровень, 10 °С/ч – нижний уровень);

х5 – время выдержки (3 ч 18 мин – верхний уровень, 2 ч 42 мин – нижний уровень при температуре 4 °C);

х6 – расход формалина (3,1 кг/15 мин – верхний уровень, 3,1 кг/20 мин – нижний уровень);

х7 – расход ацетальдегида (6,6 кг/15 мин – верхний уровень, 6,6 кг/20 мин – нижний уровень);

х8 = u3 – скорость подъема температуры (5,6 °С/ч – верхний уровень, 5 °С/ч – нижний уровень).

Для установления связи между массовой долей этилальных групп m2 и факторами, варьируемыми в данном эксперименте, применялось линейное уравнение регрессии [6]:

Eqn67.wmf (1)

где Eqn68.wmf – кодированное значение факторов xj;

Eqn69.wmf – шаг; bj – коэффициент регрессии.

Для каждой строки определялись соответствующие значения откликов (m2 опытное – массовая доля этилальных групп). План эксперимента с полученными результатами приведен в табл. 2.

Таблица 2

План эксперимента с результатами

Номер опыта

z1

z2

z3

z4

z5

z6

z7

z8

m2

опытное, %

m2

расчетное, %

1

1

1

1

1

1

1

1

1

18,94

19,1190

2

1

1

1

–1

–1

1

–1

–1

19,60

19,3941

3

1

1

–1

1

–1

–1

1

–1

18,40

18,6939

4

1

1

–1

–1

1

–1

–1

1

19,24

19,3690

5

1

–1

1

1

–1

–1

–1

1

18,70

18,8936

6

1

–1

1

–1

1

–1

1

–1

18,80

18,7685

7

1

–1

–1

1

1

1

–1

–1

18,90

18,6183

8

1

–1

–1

–1

–1

1

1

1

19,30

19,3436

9

–1

1

1

1

–1

–1

–1

–1

18,90

19,0810

10

–1

1

1

–1

1

–1

1

1

19,80

19,5811

11

–1

1

–1

1

1

1

–1

1

19,50

19,4309

12

–1

1

–1

–1

–1

1

1

–1

19,40

19,5310

13

–1

–1

1

1

1

1

1

–1

19,00

18,8304

14

–1

–1

1

–1

–1

1

–1

1

19,50

19,7307

15

–1

–1

–1

1

–1

–1

1

1

19,30

19,0305

16

–1

–1

–1

–1

1

–1

–1

–1

18,80

19,0804

В результате обработки экспериментальных данных [7] были получены искомые коэффициенты для уравнения (2).

Коэффициенты регрессии:

b0 = 19,156; b1 = –0,131; b2 = 0,119;

b3 = 0,019; b4 = –0,194; b5 = –0,056;

b6 = 0,094; b7 = –0,044; b8 = 0,156.

Тогда полученное уравнение регрессии (1) примет вид:

Eqn70.wmf (2)

Для оценки дисперсии воспризводимости Eqn71.wmf первый опыт был проведен пять раз.

Номер опытов, n

1

2

3

4

5

Результат, m2

18,9

18,8

19,0

18,9

19,1

Найдено среднее значение результатов всех опытов m2ср и получены дисперсия воспроизводимости опытов и среднеквадратическое отклонение воспроизводимости опытов Sm2:

Eqn72.wmf (3)

Eqn73.wmf (4)

где n – объем выборки, n = 5.

Проведена проверка значимости параметров.

Коэффициент регрессии bj является значимым, если выполняется условие значимости Eqn74.wmf

У всех коэффициентов ошибка Sb одинаковая, поскольку план эксперимента является ортогональным.

Eqn75.wmf (5)

где N – общее количество опытов.

Доверительный интервал ошибки коэффициента регрессии Sb·t, где t – критерий Стьюдента [3], равный:

t(α; f) = 2,78,

где α = 0,05 – уровень значимости; f = m – 1 – число степеней свободы для Sm2.

Тогда доверительный интервал ошибки коэффициента регрессии равен:

Sb·t = 0,028·2,78 = 0,079. (6)

В соответствии с условием значимости значимыми коэффициентами регрессии оказались:

b0 = 19,156; b1 = –0,131; b2 = 0,119; b4 = –0,194; b6 = 0,094; b8 = 0,156.

Значимые коэффициенты относятся к факторам, значимо влияющим на показатель качества m2. К таким факторам относятся x1, x2, x4, x6 и x8. Именно эти факторы необходимо найти и стабилизировать при промышленной реализации процесса.

Проверка адекватности уравнения регрессии осуществлялась по критерию Фишера F. Для того чтобы при заданном уровне значимости α = 0,05 проверить нулевую гипотезу H0 о принадлежности двух выборок одной генеральной совокупности, необходимо вычислить наблюдаемое значение критерия.

Адекватность полученного уравнения регрессии определялась остаточной дисперсией:

Eqn76.wmf (7)

где l – количество значимых коэффициентов.

Уравнение регрессии адекватно, если Eqn77.wmf и Eqn71.wmf относятся к одной генеральной совокупности, что оценивается по дисперсионному отношению:

Eqn78.wmf (8)

По таблице квантелей распределения Фишера [3] для заданного уровня значимости α и чисел степеней свободы f1 для Eqn77.wmf, f2 для Eqn71.wmf, найдена критическая точка Fk(α, f1, f2).

Критическое значение критерия Фишера:

Fk (0,05;10;4) = 5,96. (9)

Сравнив (8) и (9), выяснено, что F < Fk, поэтому уравнение регрессии адекватно.

В итоге установлено, что на получение высокосортного поливинилформальэтилаля оказывают влияние следующие факторы: температура первой стадии ацеталирования; время выдержки при температуре первой стадии ацеталирования; скорость снижения температуры после завершения второй стадии ацеталирования; расход формалина и скорость подъема температуры в конце процесса ацеталирования поливинилового спирта. Поэтому именно этими параметрами необходимо управлять при автоматизации процесса получения поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Рецензенты:

Добротин С.А., д.т.н., профессор, директор ООО «НТЦ «Безопасность», г. Дзержинск;

Сажин С.Г., д.т.н., профессор, генеральный директор ООО «НТЦ «АСТ», г. Дзержинск.

Работа поступила в редакцию 07.11.2012.