70689

Основное оборудование синтеза полимеров. Реакторы. Горизонтальные реакторы

Лекция

Производство и промышленные технологии

Перемешивание и транспортировка массы вдоль корпуса реактора осуществляется вращающимися сетчатыми наклонными дисками. Масса покрывает тонким слоем диски и попадает в паровое пространство реактора где создается разрежение.

Русский

2014-10-24

561.52 KB

25 чел.

Лекция 15. Основное оборудование синтеза полимеров. Реакторы

Горизонтальные реакторы

Примером такого рода реакторов является поликонденсатор для непрерывного синтеза полиэтилентерефталата, вид которого показан на рис. 5.14.

Рис. 1 Горизонтальный реактор для синтеза полиэтилентерефталата: 1 – привод мешалки; 2 – крышка; 3 – вал мешалки; 4 – диски; 5 – рубашка; 6 – корпус реактора

Реактор представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, снабженный обогревающей рубашкой. Перемешивание и транспортировка массы вдоль корпуса реактора осуществляется вращающимися сетчатыми наклонными дисками 4. В реакторе обеспечен хороший подогрев массы и большая поверхность зеркала

испарения, необходимая для полного удаления низкомолекулярного вещества.

Для этого реактор заполняют массой до оси мешалки. Процесс протекает в тонком слое. Масса покрывает тонким слоем диски и попадает в паровое пространство реактора, где создается разрежение. При этом достигается эффективное удаление низкомолекулярного соединения, которое выделяется в ходе реакции. Масса полимера с дисков удаляется скребками корпуса аппарата. Схема горизонтального секционного реактора поликонденсации показана на рис. 2

Рис. 2 Секционный поликонденсатор:

1 – приводной вал; 2 – кольцевые полые секции; 3 – кольцевые сплошные секции

Реактор представляет собой полый цилиндр, образованный из отдельных секций, собранных на приводном валу 1 и стянутых болтами 4. В каждую полую секцию 2 подводят и отводят теплоноситель или хладоагент. Вал 1 проходит внутри секций. На нем укреплены рабочие органы реактора – шнековые элементы 5, служащие для продвижения массы из секции в секцию вдоль конуса аппарата, и перемешивающие диски 6 с радиальными лопастями. В сплошных секциях установлены штуцеры для ввода реагирующих веществ и отбора массы. Конструкция реактора позволяет вести комбинированную сборку секции в зависимости от требований технологического процесса.

Реакторы пленочного типа

Реактор пленочного типа может быть выполнен в виде двух концентрических цилиндров с теплопроводными стенками (рис. 2). Внутренний цилиндр выполнен в виде винта, который при вращении равномерно перемешивает реакционный слой и перемещает его вдоль оси реактора. Меняя скорость вращения внутреннего цилиндра, и следовательно время пребывания массы в реакторе, варьируют характеристики получаемого полимера.

Рис. 3 Реактор пленочного типа из двух концентрических цилиндров

 

Реакционная смесь из реактора подается в испарительную камеру, находящуюся под вакуумом. Мгновенное расширение вызывает разделение реакционной массы на смолу и на побочные продукты реакции. Освобожденная от примесей смола непрерывно отбирается шнеком на охлаждение.

Центробежный реактор пленочного типа показан на рис. 4.

Рис. 4 Схема центробежного реактора пленочного типа: 1 – цилиндрическая часть; 2 – нижняя коническая часть; 3 – рубашка; 4 –двухкамерное сопло; 5 – штуцер

 

 

Реактор представляет собой вертикальный сосуд с верхней цилиндрической 1 и нижней конической частью. Обогрев его осуществляется через многосекционную рубашку 3. По касательной к корпусу реактора установлено одно двухкамерное сопло 4. Сопло обогревается через рубашку. Один из компонентов дозировочным насосом под давлением подается в центральную трубу сопла, а другой – в тангенциально установленный штуцер. Второй компонент движется спирально по сужающемуся конусу корпуса сопла. При выходе из конца сопла этот поток разбивает поток, движущийся по центральному каналу. Создается высокоразвитая поверхность контакта фаз. Поток диспергированной смеси движется по спирали тонким слоем вдоль нагретой поверхности конусной части реактора 2. Реакция поликонденсации протекает в течение нескольких секунд. Пары низкомолекулярного продукта реакции отводится из реактора через штуцер 5, а полимер через нижний штуцер поступает на дальнейшую переработку.

Колонные аппараты

На рис. 5 приведена колонна для синтеза фенолоформальдегидной смолы.

 

Рис. 5 Многосекционная колонна для синтеза новолачных смол непрерывным способом

 

 

Колонна состоит из расположенных одна над другой секций 1. Мешалки 2 всех секций имеют общий вал 3, который приводится в движение приводом 5. Вал мешалки свободно проходит из одной секции в другую через вваренные в днище каждой секции патрубки 4. Верхние их концы приподняты над уровнем реакционной массы. Паровые пространства всех секций колонны сообщаются между

собой и соединены штуцером 6 с общим обратным холодильником.

Ввод реагентов осуществляется в верхний загрузочный штуцер 7, а выход готового продукта происходит через штуцер 8, расположенный в нижней части аппарата. Каждая секция колонны снабжена рубашкой 9. Процесс конденсации протекает в каждой секции ступенчато и состав реакционной смеси изменяется от секции к секции.

Трубчатые аппараты

Метод полимеризации этилена в газовой фазе при высоком давлении и повышенной температуре в присутствии инициатора является основным способом производства полиэтилена высокого давления.

Процесс полимеризации осуществляется в трубчатом полимеризаторе. Он является наиболее типичным представителем аппаратов идеального вытеснения.

Конструктивной особенностью полимеризатора является небольшой внутренний диаметр его труб и небольшая толщина стенок, что обеспечивает большую поверхность теплообмена, приходящуюся на единицу объема полимеризатора, и позволяет осуществить интенсивный теплосъем. На рис. 5.18 показана конструкция трубчатого

полимеризатора.

Рис. 6 Трубчатый полимеризатор: 1 – трубчатка; 2 – рубашка; 3 – калач

Труба 1 имеет длину 2…4 м при общей длине полимеризатора 57…100 м. Трубы заключены в рубашку 2 и соединены между собой двойниками или калачами 3.

Разработана конструкция полимеризатора производительностью 400…500 кг/ч полиэтилена с длиной трубчатки 350 м. Аппарат имеет 33 трубы с длиной 7886 мм каждая. Рабочее давление в реакторе –145…150 МПа, расчетное давление в рубашке – 6,0 МПа. Материал труб, а также калачей и линз – сталь 20Х3МВФ, материал рубашки –Ст. 20.

Шнековые реакторы

Такие реакторы состоят из обогреваемого теплоизоляционного корпуса, шнека, привода его вращения. Эти реакторы используют для сред с вязкостью до 10Па·с при рабочей температуре 300 °С. На рис. 7 показана схема горизонтального двухшнекового реактора.

Рис. 7 Схема горизонтального двухшнекового реактора:

1 – корпус; 2 – шнеки; 3 – горизонтальный загрузочный шнек; 4 – штуцер для

дегазации; 5 – разгрузочный штуцер

Реактор состоит из корпуса с рубашкой 1, в котором вращаются два шнека 2, вертикального шнека-разгрузчика 3, дегазационного 4 и разгрузочного штуцера 5. Расплав форконденсата подается через загрузочное устройство в корпус реактора. Уровень расплава ниже диаметра шнека, поэтому нитки шнека постоянно выступают над его поверхностью, обеспечивая вакуумирование тонких слоев расплава. В

корпусе поддерживается глубокий вакуум, способствующий удалению низкомолекулярного вещества в процессе поликонденсации. Время пребывания реакционной массы в реакторе от 1 до 2,5 ч, средняя частота вращения шнеков 0,15…0,2 с, производительность реактора до 400 кг/ч.

Из других типов реакторов следует назвать реакторы, в которых проводится полимеризация в форме, в тонких слоях под действием радиационного и фотоизлучения, отверждение и вулканизация. Все эти процессы протекают без перемешивания в массе материала. Для них характерно фронтальное распределение зоны реакции по объему. Помимо основного оборудования в технике используются такие аппараты, как теплообменники, ректификационные колонны, центрифуги, сушилки, насосы, компрессоры и т. п., сведения о которых можно найти в книгах по процессам и аппаратам химической технологии.

Трубчатые турбулентные аппараты

К настоящему времени кинетические и гидродинамические методы анализа и расчетов промышленных реакторов развиты достаточно хорошо.  Широко используются методы компьютерного расчета и моделирования. При этом, зная кинетические и гидродинамические параметры процессов и принципиальные особенности работы реакторов, можно рассчитать практически все характеристики процесса, предсказать эффективность работы аппаратов и потребительские свойства химической продукции.

Этот принцип достаточно хорошо описывает химические превращения, протекающие с низкими и средними скоростями, когда в аппаратах можно создавать поля, однородные по концентрации реагентов, и изотермические условия. В этом случае легко рассчитывать и воспроизводить в реальных условиях все характеристики химического процесса и управлять им.

Совершенно иная катртина имеет место при проведении быстрых процессов, протекающих с высокими скоростями (характериное сремя химической реакции составляет порядка 0,001-0,1 с) и значительно меньше времени, необходимого для гомогенизации реакционной смеси на микро- и макроуровнях. В этом случае процесс протекает в диффузионной области, лимитируемой скоростью подвода реагентов зону реакции, что требует спецефического подхода к аппаратурному оформлению технологической схемы в каждом конкретном случае. Значительные сложности возникают с отводом большого количества теплоты реакции, выделяемой при проведении экзотермических реакций. Такие процессы в современных производствах, где обычно используются стандартные объемные реакторы смешения, плохо управляемы, протекают в условиях, далеких от изотермических, и характеризуютя неоправданно высоким временем пребыванием реагентов в зоне реакции, заметным снижением общего выхода конечного продукта, повышенным содержанием побочных веществ, ухудшенным теплосъемом, а при полимеризации - нежелательными изменениями в молекулярной структуре полиме-ров с ухудшением эксплуатационных качеств продуктов на их основе. Неконтроли-руемый температурный режим реакции с мгновенным выделением общего коли-чества теплоты реакции в локальной области, имеющей существенно малые раз-меры, может приводить к непредсказуемым явлениям (мощным гидро- и пневмо-ударам, выбросам, тепловым взрывам и т.д.).

По этой причине используемые в промышленности для проведения быстрых про-цессов в жидкой фазе объемные реакторы непрерывного действия объемом 2-30м3 с интенсивным перемешиванием и развитой системой теплосьема нельзя приз-нать удачным и оптимальным решением указанных проблем. Значительное повыше-ние габаритов реактора по сравнению с размерами зоны реакции определяет много-кратное завышение времени пребывания реагентов в аппарате по сравнению с раз-мерами зоны реакции определяет многократное завышение времени пребывания реагентов в аппарате по сравнению с периодом протиекания химического процесса до требуемой конверсии исходных реагентов. В этом случае создаются предпосылки для протекания побочных реакций, что снижает селективность по отношению к основному процессу.

Использование реакторов идеального вытеснения непрерывного действия для этих целей также малоэффективно, поскольку, как правило, даже в относительно медленных химических реакциях реализовать изотермический режим в реакторах такого типа невозможно. Пактически все реакторы, используемые в промышлен-ности при технологическом оформлении быстрых химических процессов неэффек-тивны в работе. Качество получаемых продуктов далеко от  оптимального, а процес-сы в целом несовершенны.

Характерными примерами быстрых химических реакций, реализованных в промышленности, являются катионная полимеризация изобутилена, его сополимеризация с изопреном, стирола, ионная полимеризация формальдегида, хлорирование олефинов и бутилкаучука и др.

 Трубчатые турбулентные реакторы вытеснения

Разработаны 4 модификации трубчатых турбулентных аппаратов для проведения быстрых химических реакций, массообменных жидкофазныхпроцессов в промышленности:

- цилиндрический (с постоянным по длине диаметром аппарата);

- кожухотрубчатый (пучок трубок, омываемых реагентом);

- диффузор-конфузорный (с несколько последовательно соединенными секциями с локальным гидродинамическим сопротивлением)

- "зонный" (последовательно соединенные независимые адиабатические зоны реакции, разделенные зонами охлаждения.

Рис. 8. Трубчатые турбулентные реактора цилиндрической (а); кожухотрубчатой (б), диффузор-конфузорной (в) и "зонной" (г) конструкции

1 - зона реакции; 2 - зона охлаждения

Относительные недостатки малогабаритных трубчатых турбулентных реакторов первого поколения (цилиндрической конструкции) - быстрый спад коэффициента турбулентной диффузии и, как следствие, эффективности перемешивания реакционной смеси в реакторе по мере удаления от мест ввода компонентов (через 1-2 калибра), а также низкая эффективность внешнего теплосъема. Для решения проблемы эффективного съема теплоты были разработаны кожухотрубчатые турбулентные реакторы. Используя пучки трубок омываемых хладагентом, можно сохраняя требуемую производительность, заметно улучшить внешний теплосъем.  Если при проведении быстрых химических процессов на базе этих 2 конструкций турбулентных аппаратов не может быть обеспечен эффективный теплосьем, то, во избежание недопустимого перегрева реакционной смеси в местах ввода реагентов, возможно использовать "зонную" модель. В каждую зону, где идет реакция подается порция одного из реагентов, размер которой определяет допустимый подъем Т на участке реактора. Чем больше зон реакции, тем больше возможностей управления быстрыми химическими реакциями, а при синтезе полимеров - их молекулярными характеристиками.

Лучшие по техническим характеристикам - трубчатые турбулентные аппараты второго поколения (диффузор-конфузорной конструкции), которые при проведении быстрых жидкофазных процессов превосходят другие аппараты химической технологии. Их отличительные особенности - возможность получения требуемого уровня турбулентности, а следовательно интенсивности смешения и теплопередачи, при существенно меньших скоростях потока; сохранение практически постоянного уровня турбулентности по всему объему аппарата, возможность формирования автомодельного режима относительно вязкости, критерия Re  и др.

Заключение

Технологическая схема – это совокупность аппаратов и машин, предназначенных для получения полимерного материала с комплексом полезных свойств. Центральное место в схеме отводится реактору, так как от его типа зависит производительность и качество выпускаемого полимерного материала. В промышленности используются реакторы самых разнообразных форм и конструкций. Различия в конструкции реакторов определяются требованиями технологического процесса и свойствами обрабатываемых материалов, которые отражаются на решении их отдельных узлов и деталей (развитые поверхности нагрева, различные типы перемешивающих устройств), а также в оснащении этих реакторов дополнительными вспомогательными холодильниками, приемниками и т. п.

Рис. 1 Горизонтальный реактор для синтеза полиэтилентерефталата: 1 – привод мешалки; 2 – крышка; 3 – вал мешалки; 4 – диски; 5 – рубашка; 6 – корпус реактора

 Рис. 2 Секционный поликонденсатор:

1 – приводной вал; 2 – кольцевые полые секции; 3 – кольцевые сплошные секции

Рис. 3 Реактор пленочного типа из двух концентрических цилиндров

Рис. 4 Схема центробежного реактора пленочного типа: 1 – цилиндрическая часть; 2 – нижняя коническая часть; 3 – рубашка; 4 –двухкамерное сопло; 5 – штуцер

 

Рис. 5 Многосекционная колонна для синтеза новолачных смол непрерывным способом

Рис. 6 Трубчатый полимеризатор: 1 – трубчатка; 2 – рубашка; 3 – калач

Рис. 7 Схема горизонтального двухшнекового реактора:

1 – корпус; 2 – шнеки; 3 – горизонтальный загрузочный шнек; 4 – штуцер для

дегазации; 5 – разгрузочный штуцер

Рис. 8. Трубчатые турбулентные реактора цилиндрической (а); кожухотрубчатой (б), диффузор-конфузорной (в) и "зонной" (г) конструкции

1 - зона реакции; 2 - зона охлаждения


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68404. Автоматические регуляторы 562 KB
  Регулирующее воздействие формируется в зависимости от заданного значения величины регулируемого параметра Регулирующее воздействие формируется в результате автоматического поиска т. Недостаток: сложность принципиальной электрической схемы регулирования что предъявляет повышенные требования...
68405. Исполнительные механизмы и регулирующие органы 561.5 KB
  Исполнительный механизм преобразует выходной сигнал регулятора в перемещение регулирующего органа. ИМ должен сохранять равенство между перемещением выходного элемента и рабочим ходом штока затвора регулирующего органа.
68406. Конвективный теплообмен в однофазной среде 67.5 KB
  Конвективным теплообменом называется процесс передачи теплоты при движении жидкости или газа. Под конвекцией понимают процесс переноса теплоты при перемещении макрочастиц в жидкости или газе в пространстве из области одной температуры в область с другой температурой.
68409. Дифференциальные уравнения динамического пограничного слоя 1.09 MB
  Область действия сил вязкости можно определить первой подобластью, то есть пограничным слоем. Точнее в этой подобласти силы инерции и силы вязкости рассматриваются как величины одного порядка. Во внешнем потоке силами вязкости можно пренебречь. То есть можно считать внешний поток жидкости идеальный.
68411. Автоматизация измерений, контроля и испытаний 910.5 KB
  Предметом настоящей дисциплины являются теоретические и практические задачи, которые встречаются при эксплуатации подобных систем. Выходная контролируемая переменная Y1 преобразуется датчиком Д в переменную Y2 (как правило, электрический сигнал) и далее прибор ВП...
68412. Теоретические основы управления государственной и муниципальной собственностью 57.5 KB
  Одна из причин низкой результативности экономических преобразований в России связанных с формированием и развитием рыночной экономики заключена в недостаточно продуманном и умелом проведении преобразований форм и отношений собственности.