Система управления аппаратом производства фотографической эмульсии

Рисунок 1.1 – Строение галогеносеребряной эмульсии

Цифрой 1 обозначен верхний защитный слой из хорошо задубленной желатины. Фотографическая желатина – это основная коллоидная среда для эмульсий. Она представляет собой сложное вещество белковой природы, получаемое при гидролизе коллагена. Под защитным слоем находится наиболее важная составная часть фотографического материала – светочувствительный или эмульсионный слой 2; в нем протекают все процессы, приводящие в конечном результате к образованию фотографического изображения. Эмульсионный слой представляет собой пленку воздушно-сухой желатины, в которой во взвешенном состоянии находятся микрокристаллы галогенида серебра (чаще всего AgBr с некоторой примесью AgI или AgCl), так называемые эмульсионные зерна (эмульсионные кристаллы); толщина эмульсионного слоя для разных фотоматериалов различна и лежит в диапазоне от 4 до 25-30 мкм.

Эмульсионный слой скреплен с подложкой 5 при помощи подслоя 4 – желатинового слоя с добавками дубителя и веществ, способствующих склеиванию эмульсионного слоя и подложки; толщина подслоя ~ 1 мкм. Подложка представляет собой гибкую пленку, бумагу или стекло; гибкая пленочная подложка называется обычно основой. На основу со стороны, обратной эмульсионному слою, иногда бывает нанесен противослой 6, препятствующий скручиванию пленки.

Наиболее важной составной частью фотографического материала являются эмульсионные кристаллы: они поглощают свет, в них образуется скрытое изображение, они в процессе проявления превращаются в зерна серебра, создающие почернение слоя и, следовательно, в конечном результате видимое фотографическое изображение.

1.2     Краткие сведения об аппарате эмульсификации

В процессе получения фотографических галогеносеребряных эмульсий, проводимом в механизированной аппаратуре периодического действия, различают следующие стадии [1, с.61-64]:

1)     подготовка и дозирование сырьевых материалов (желатины, нитрата серебра, хлорида натрия, бромида и йодида калия или аммония, водного аммиака, дистиллированной воды) и приготовление растворов этих веществ;

2)     эмульсификация;

3)     первое, или физическое созревание эмульсии;

4)     стадия перехода от первого созревания ко второму;

5)     второе, или химическое созревание;

6)     завершающая стадия (студенение, измельчение, расфасовка);

7)     хранение готовой эмульсии.

Рассмотрим более подробно вторую стадию процесса.

Эмульсификация состоит в образовании твердой фазы галогенидов серебра в результате реакции двойного обмена между нитратом серебра (или аммиакатом серебра при аммиачном способе) и галогенидами щелочных металлов или аммония в присутствии защитного коллоида – желатины:

При эмульсификации образуется пересыщенный раствор галогенида серебра, выделяются центры кристаллизации и начинается процесс кристаллизации эмульсионных зерен (эмульсионных микрокристаллов). Условиями образования галогенида серебра определяются конечные свойства фотографической эмульсии.

Опишем наиболее современный из применяющихся на сегодняшний день аппаратов для эмульсификации, построенный по двухструйной схеме (см. рисунок 1.2).

Эмульсификация и первое созревание проводится при непрерывной циркуляции эмульсии из аппарата первого созревания через реакционную камеру смесителя с малой зоной перемешивания и эффективной мешалкой. Смеситель 3 выполняет одновременно роль эмульсификатора и насоса для циркуляции потока. В смеситель из сборников-термостатов 1 дозирующими насосами 2 непрерывно подают растворы нитрата серебра и галогенида щелочного металла. Предварительно в аппарате готовят раствор эмульсификационной

Рисунок 1.2 – Общая схема установки двухструйной эмульсификации

желатины, который с помощью водяной рубашки подогревают до температуры ~ 45 ºC. При включении мешалки смесителя раствор

желатины засасывается из аппарата 4 по трубопроводу и поступает в

смеситель, где смешивается с растворами реагентов; в результате в эмульсификационной среде возникают зародыши микрокристаллов галогенида серебра. В дальнейшем в аппарате 4 образуется фотографическая эмульсия, которая непрерывно циркулирует через зону смешения в смесителе 3 и обогащается новыми образованиями галогенида серебра, одновременно с течением кристаллизационного процесса в потоке, проходящем через накопитель 4 и смеситель 3. Процесс ведут при работающей мешалке 5.

Главными условиями получения качественной эмульсии являются:

–       поддержание в реакционной среде избытка ионов галогена;

–       поддержание постоянного температурного режима.

Опишем более подробно стадии процесса и приведем численные значения основных характеристик процесса.

1)     введение желатины 2%-раствора в течение 3-5 мин;

2)     включение циркуляционного насоса. Расход – 10 м3/ч;

3)     нагрев раствора до 45±1 ºC – термостатирование;

4)     ввод:

–       смачивателя;

–       дубителя;

–       этанола;

–       этиленгликоля.

5)     ввод KNO3 10%-раствора 1л за 10 мин до начала процесса;

6)     ввод KBr 1N-раствора объемом 0.1 л. Суммарный объем смеси до начала процесса – 0.2 л.

7)     ввод NH3 25%-раствора 0.01 л.

8)     начало кристаллизации. Показатели процесса: T=45±1 ºC; pBr=3.3±0.2. Данные параметры – температуру раствора и концентрацию ионов Br- – следует поддерживать постоянными в течение всего процесса.

9)     Начало ввода растворов 1 и 2 одновременный. В дальнейшем под раствором 1 будем понимать сантинормальный раствор (то есть на 1л приходится 0.01 моль растворенного вещества) KBr, а под раствором 2 – сантинормальный раствор AgNO3.

10)ввод растворов вести со скоростью ~140 л/ч, всего нужно подать по 160 л.

11)сигналом окончания процесса служит достижение нижнего уровня в одной из емкостей с раствором 1 или 2.

Необходимо отметить, что оценивать качество получающегося продукта в “реальном времени” невозможно, т.к. довольно трудно представить датчик формы и дисперсности микрокристаллов AgBr в растворе желатины. Поэтому единственным способом поддерживать должное качество фотографической эмульсии является слежение за основными параметрами процесса эмульсификации – температурой и показателем концентрации ионов галогена pBr, и поддержание их значений на постоянном (в пределах точности) уровне. Отклонение температуры раствора на 10 ºC в обе стороны от номинала или отклонение величины pBr на 1 единицу от номинала приводят к порче продукта.

Таким образом, необходимо с максимально возможной точностью поддерживать два заданных технологических параметра на номинальных значениях, не допускать выхода их значений за допустимые пределы и контролировать ряд вспомогательных технологических параметров – температуру воды в рубашке, величину pH исходного раствора.

2        МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Конечной целью моделирования процессов в аппарате эмульсификации (далее просто аппарате) является получение линеаризованных динамических зависимостей между входными и выходными величинами процесса, на основании чего легко построить передаточные функции по соответствующим каналам. Однако надо учесть, что в будущем объект будет включен в схему автоматизации, а это значит, что на его вход будет воздействовать исполнительный механизм (в дальнейшем – ИМ) совместно с регулирующим органом (в дальнейшем – РО), а регулируемая величина будет преобразовываться с помощью датчика, поэтому суммарная передаточная функция будет равна произведению передаточных функций собственно объекта, РО и датчика.

Мы определили, что регулируемыми величинами объекта являются температура и показатель концентрации pBr в аппарате. Рассмотрим отдельно факторы, влияющие на каждую из величин и построим модели, описывающие изменение выходной величины в зависимости от изменений выбранных входных величин.

2.1     Получение модели по величине pBr

При получении модели будем руководствоваться рисунком 1.2, представляющим собой упрощенную схему технологической установки – на нем не показаны тепловая рубашка и контур циркуляции воды из рубашки.

С учетом того, что KBr является сильным электролитом, т.е. переходя в раствор, практически полностью распадается на ионы, то величина pBr перед началом процесса полностью определяется концентрацией KBr в исходной среде (c1).

Кроме того, описанная в пункте 1.2 основная реакция:

не является обратимой, т.е., идет до конца, поскольку основной конечный продукт AgBr является чрезвычайно слабо растворимым веществом. Из этого можно сделать вывод, что общая концентрация ионов Br- в растворе на протяжении всего процесса определяется количеством непрореагиро-

вавшего вещества KBr.

В аппарате установлена мешалка и, кроме того, присутствует контур рециркуляции. Это дает основание отнести его к идеализированному классу аппаратов идального смешения. А именно, под аппаратом идеального смешения понимают такой аппарат, в котором концетрации интересующего нас вещества во всех точках его реакционного объема равны.

Для построения модели сделаем еще одно допущение – примем скорость реакции как величину, гораздо большую, чем скорость поступления реагентов. Это оправдано, поскольку растворы 1 и 2 поступают в достаточно малый реакционный объем смесителя, в котором создано достаточно сильное перемешивание. Поэтому считаем, что скорость изменения концентрации Br- в аппарате полностью зависит от скоростей подачи реагентов.

Пусть V·c – общее количество вещества KBr (а следовательно, и количество ионов Br-) в аппарате в данный момент времени. Запишем уравнение динамики для изменения количества вещества:

                            ,                                  (2.1)

где  v1, v2 – объемные скорости подачи раствора 1 и 2 соответственно, м3/с;

c1, c2 – мольные концентрации растворов 1 и 2 соответственно, моль/м3;

V, c – соответственно объем аппарата и концентрация ионов Br-.

Учтем, что и объем, и концентрация являются величинами переменными, тогда:

                          .                       (2.2)

Запишем уравнение, описывающее изменение объема смеси в аппарате:

                                       .                                           (2.3)

Система уравнений (2.2) и (2.3) описывает динамику изменения концентрации c ионов Br- в аппарате. Поскольку выходной величиной является pBr, то дополним эту систему уравнением для нахождения pBr:

                                  ,                                      (2.4)

где c[Br-] выражено в моль/м3.

На основе полученной системы уравнений получим модель динамики аппарата. Следует отметить, что в общем случае она является нелинейной, т.к. коэффициент при  – объем смеси в аппарате – является величиной переменной, зависящей от расходов веществ 1 и 2. Кроме этого, зависимость pBr от концентрации c[Br-] является нелинейной. Существует еще одно обстоятельство, которое не позволяет перейти от уравнений (2.2)–(2.4) к линейным уравнениям в приращениях по известной методике. Дело в том, что для получения уравнения в приращениях необходимо из уравнения динамики вычесть уравнение статики объекта. Под статикой подразумевается такой режим работы объекта, который характеризуется постоянством во времени всех величин, характеризующих его состояние. В нашем объекте при ненулевых расходах растворов 1 и 2 статический режим отсутствует, т.к. объем смеси в аппарате постояно растет. Поэтому если даже предположить, что общее количество ионов Br- в аппарате постоянно, т.е. правая часть (2.1) равна нулю, концентрация c[Br-] будет падать, потому что объем раствора в аппарате будет расти.

1	2	3	4	5	6	7