СИНТЕЗ ПЛЕНКООБРАЗОВАТЕЛЯ

Химические реакторы

Процессы синтеза олигомеров в заданных условиях могут осуществляться только в замкнутых и изолированных от влияния внешней среды аппаратах - химических реакторах. Принято различать реакторы непрерывного действия и реакторы периодического действия. В настоящее время на лакокрасочных заводах, практически, не осталось непрерывно действующих реакторов

В реакторе периодического действия возможно проведения в одном объеме всех стадий синтеза плен­кообразующего вещества, при этом существует легкость перехода на разные режимы синтеза. Эти реакторы широко применяются на лакокрасочных заводах для синтеза алкидов и других пленкообразующих веществ.

Продолжительность синтеза пленкообразующих веществ вели­ка, поэтому время пребывания в реакторе отдельных частиц получаемоrо продукта различно. Оно максимально для частиц, полученных в начале синтеза, и минимально для частиц, полу­ченных в конце синтеза. Это одна из причин полидисперсности синтезируемых полимеров.

С точки зрения достижения определенной степени превращения моно­мера (мономеров) в олигомер наиболее важной в реакторах явля­ется гидродинамическая обстановка. Идеальный гидродинамический режим в реакторах смешения характеризуется полной изотропностью реакционной смеси в них по всем возможным параметрам: концентрациям, плот­ностям, вязкостям, теплоемкостям, а также их функциям (на­пример, скоростям реакции). Реально даже для гомогенных низковязких смесей полностью растворимых реагентов и от­носительно медленных реакций это верно лишь для стандарт­ных реакторов. В таком реакторе диаметр равен высоте Н = D, перемешивание осуществляется эффективной турбин­ной мешалкой диаметром d_M = 0.25-0.33 D, расположенной на расстоянии своего диаметра от дна аппарата, он имеет от­ражающие перегородки определенной ширины вдоль стенок реактора, которые препятствуют закручиванию потока и умень­шают глубину центральной воронки.

КОНСТРУКЦИИ РЕАКТОРОВ

Ем­костные вертикальные аппараты с перемешивающими устрой­ствами наиболее широко применяются при периодических мето­дах синтеза пленкообразующих веществ.

Цилиндрические вертикальные реакторы различаются по кон­струкции корпуса, виду погружного теплообменного устройства и типу мешалки (рис. 2).

Рис. 2. Конструкция корпусов (а~ж), погружных теплообменных устройств ( з-к) и мешалок (л-ф), применяемых в реакторах для синтеза пленкообразую­щих веществ

Конструкцию корпуса варьируют в зависимости от способа обогрева. В реакторах, обогреваемых парами теплоносителей, корпус снабжен гладкой рубашкой (рис. 2 а).

При обогреве реакторов жидкими теплоносителями необходи­мо обеспечить большие скорости жидкости у стенки корпуса для достижения высоких коэффициентов теплоотдачи от теплоносителя к стенке. Поскольку гладкие рубашки с большим свободным сечением для прохода жидкости в этом случае неприемлемы, создают спиралевидный канал малого сечения либо вокруг корпуса реактора, приваривая к нему трубы, полутрубы или профильный прокат (рис. 2 б), либо внутри гладкой ру­башки, приваривая к корпусу или рубашке винтообразно распо­ложенную узкую полосу (рис. 2 в). Рубашка в виде привар­ного змеевика позволяет снизить толщину стенки корпуса реактора, изготавливаемого из дорогостоящей нержавеющей или двухслойной (нержавеющая + углеродистая) стали. По­этому рубашки такого типа применяют и при обогреве паром.

В реакторах периодического действия при ступенчатой загруз­ке исходных компонентов (например, при синтезе алкидов) для исключения перегрева реакционной смеси на стенках реактора рубашку делают многосекционной (рис. 2, г, д, е).

При обогреве реакторов продуктами сгорания топлива и при индукционном электрообогреве рубашка отсутствует. Поскольку при обогреве продуктами сгорания топлива наиболее быстро прогорает днище, его делают сменным (рис.2, ж).

Часто в реакторах, особенно периодического действия, приме­няют погружные змеевики - однорядные (рис. 2, з) или двух­рядные (рис. 2, и), а также полые цилиндры (рис. 2,к) для основного или дополнительного (помимо рубашек) охлаждения или нагревания реакционной смеси.

Рис. 2. Конструкция погружных теплообменных устройств ( з-к)

Мешалки:

При выборе типа мешалки для реактора руководствуются следующими наиболее важными факторами: обеспечение высоких коэффициентов теплоотдачи от стенки аппарата или погружных теплообменных устройств к реакционной смеси; интенсивное пере­мешивание реакционной смеси, особенно при гетерогенных реак­циях; минимальные затраты энергии на перемешивание.

При низкой вязкости реакционной смеси (менее 5 Па-с) лю­бая из мешалок, показанных на (рис. 2, л – р), может обеспечить интенсивное перемешивание содержимого реактора. Для осущест­вления жидкофазных гетерогенных реакций при отсутствии по­гружных теплообменных устройств наиболее эффективны турбин­ные (рис. 2, м) (при вязкости реакционной смеси менее 50 Па- с) и пропеллерные (рис. 2, л) (при

вязкости реакционной смеси менее 10 Па - с) мешалки.

Рис. 2. Конструкция мешалок (л-ф),

Их применяют в тех случаях, когда необходима чистка стенок реактора. При наличии погруж­ных теплообменных устройств чаще всего применяют лопастные (рис. 2, н), листовые (рис. 2, о), якорные (рис. 2, п), реже пропеллерные (рис. 2, л) мешалки. Использование комбини­рованных мешалок (рис. 2,ф) заметно повышает передачу теплоты от днища и нижней части царги реактора. В процессе синтеза некоторых пленкообразующих веществ вязкость реакцион­ной смеси сильно возрастает, что резко ухудшает процесс тепло­обмена. В этих случаях используют якорные (рис. 2 п) или якорно-рамные (рис. 2, р) мешалки. При этом, чем меньше зазор между лопастями якорной мешалки и стенкой реактора, тем выше коэффициент теплоотдачи. При высокой вязкости реакционной смеси применение скребковых мешалок позволяет существенно увеличить коэффициенты теплоотдачи.

Виды реакторов:

Рис.1Конструкции вертикальных цилиндрических реакторов:а — реактор с гладкой рубашкой и якорно-рамной мешалкой; б — реактор с гладкой рубашкой и пропеллерной мешалкой; в — реактор с рубашкой из полутруб и якорно-рамной мешалкой; г — реактор, обогреваемый парами ВОТ, с рубашкой из полутруб, внутренним змее­виком и ластовой мешалкой; д. — реактор с электроиндукционным обогревом, внутренним змеевиком и ластовой мешалкой.

Таким образом, выбор оптимального типа мешалки определя­ется вязкостью реакционной смеси и наличием внутри реактора теплообменных устройств от правильного выбора типа мешалки зависит производительность реактора, качество получаемого про­дукта (исключение перегрева, снижение полидисперсности поли­меров и олигомеров) и возможность аварийных ситуаций, вызы­ваемых трудностью отвода или подвода теплоты.

Основным конструкционным материалом для реакторов явля­ется нержавеющая сталь. Для снижения расхода нержавеющей стали корпус реакторов часто изготавливают из двухслойной стали (нержавеющая + низколегированная) или эмалируют. Реакторы из углеродистой стали используют при получении основы темных лаков и для полимеризации растительных масел.

Периодически действующие реакторы, применяемые для син­теза пленкообразующих веществ, должны отвечать следующим основным требованиям:

1) стойкость материала реактора к реакционной смеси и про­дуктам ее термического разложения;

2) возможность секционного обогрева корпуса реактора при ступенчатой загрузке сырья и достижения температуры реак­ционной смеси 260-280 °С;

3) наличие охлаждающих устройств;

4) эффективное перемешивание реакционной смеси при макси­мальной интенсивности процесса теплообмена;

5) возможность проведения синтеза под вакуумом;

6) наличие в крышке реактора патрубков для загрузки жид­кого сырья и отвода газообразных веществ, а также люка диаметром 400-500 мм для осмотра ремонта и чистки аппарата без снятия крышки;

7) наличие смотрового люка и светового фонаря для наблю­дения за состоянием реакционной смеси в процессе синтеза и осмотра внутренних частей реактора;

8) наличие погруженных в реакционную смесь трубок, исполь­зуемых в качестве гильз датчиков для измерения температуры или для подачи в реактор инертного газа;

9) наличие не засоряемого осадком спускного запорного устройства, в котором не может образоваться «пробка» из за­твердевшего продукта синтеза.

На рис. -3 приведена отвечающая большинству этих требо­ваний конструкция реактора.

Рис.3. Реактор объемом 10 м³ для синтеза алкидов, обогреваемый парам и дифе­нильной смеси: 1 - электродвигатель; 2 ­редуктор; 3·-- люк смотровой; 4 -- маховики; 5 - вал мешал­ки; б – верхняя секция рубаш­ки: 7 - нижняя секция рубашки; 8 донная секция рубашки; 9 –­нижняя листовая мешалка; 10 --­клапан конический («грибко­вый»): 11- шестерни кониче­ские; 12 -- верхняя листовая мешалка; 13 --- змеевик; 14-­уплотнение вала

Цилиндрическая часть корпуса реактора снабжена двухсекционной змеевиковой рубашкой (6, 7) из полутруб. Для устранения снижения коэффициентов теплоотдачи при скоплении конденсата в длинных змеевиках секции нагрева выполнены двухзаходными. Днище снабжено глад­кой рубашкой (8).

Корпус реактора рассчитан на возможность проведения син­теза алкидов под вакуумом и изготовлен из двухслойной стали (Ст.3+ X18H9T) толщиной 10 мм.

Охлаждение осуществляется с помощью однорядного змеевика (13), помещенного внутрь реактора, с поверхностью теплообмена 10 м² .Змеевик рассчитан на давление 5 МПа (несмотря на то, что в него поступает вода с меньшим давлением, не превышающим нескольких десятых долей МПа), так как в случае проникновения воды в реакционную смесь могла бы произойти авария.

Листовая мешалка имеет две взаимно перпендикулярные лопасти сравнительно большого диаметра (~0,6D, где D ~ диаметр peaктора) , снабженные отверстиями для завихрения жид­кости. Вал мешалки приводится во вращение двухскоростным мотором-редуктором, сблокированным с электродвигателем (1500/750 об/мин, 14/10 кВт), с частотой вращения 55 и 1100б/мин.

Выгрузка реакционной смеси осуществляется через «грибковый» клапан (10), который закрывают и открывают вручную с по­мощью маховиков (4), расположенных в нижней и верхней частях реактора.

Для предотвращения конденсации и застывания летучих про­дуктов на стекле смотровые люки и фонари для подсветки выполнены с двойным остеклением, В некоторых случаях преду­сматривается поворотный скребок для очистки поверхности стекла, обращенной к реакционной смеси.

Для обеспечения хорошего теплообмена при высокой вязкости синтезируемого продукта применяют реакторы с якорной или якор­но-рамной мешалкой и очень малым зазором между кромкой ло­пасти и стенкой реактора.

Для синтеза пленкообразующих веществ (в частности, для синтеза алкидов) получили применение реак­торы с индукционным электрообогревом. Конструкция реактора объемом с индукционным электрообогревом приведена на рис. 4.

Рис.4. Реактор с индукционным обогревом

1 - корпус; 2 - змеевик; 3 - привод мешалки; 4 - вал мешалки; 5 - лопасть для раз­бивания. пены; 6 -индукционная катушка; 7, 8 - лопасти мешалки; 9 - кожух

Обогрев реактора ~ четырехсекционный, с помощью четырех индукционных катушек (кондукторов)( 6), из которых одна донная и три боковые (на царге). Мощность каждой боковой катушки 450 кВт, общая мощность четырех катушек 1620 кВт. Возможна раздельная работа каждой катушки и варьирование напряжения тока от максимума до нуля с помощью специального трансфор­матора. Катушки изготовлены из медных труб, охлаждаемых цир­кулирующей дистиллированной водой. Для обеспечения взрыво­безопасной работы реактора, часть корпуса реактора, на которой размещены катушки, заключена в кожух (9), в который вентилято­ром подается воздух под давлением, более высоким, чем в цехе, что исключает проникновение воздуха к катушкам. В случае наруше­ния работы вентилятора система автоматически отключается.

Корпус реактора, рассчитанный на работу под небольшим да­влением (0,17 МПа) или под вакуумом, изготовлен из двух­слойной (нержавеющая + углеродистая) стали. Наличие углеродистой стали в материале обязательно, так как нержавеющая сталь имеет низкую магнитную проницаемость.

Внутри реактора установлен змеевик обогрева. С целью снижения расхода электро­энергии с помощью змеевика не только охлаждают. реакционную смесь, пропуская через него воду, но и, подавая в него водяной пар, нагревают исходные вещества до 120-150 °С; лишь после этого включают индукционный электрообогрев.

Перемешивание. реакционной смеси осуществляется комбини­рованной мешалкой: у днища размещена фигурная лопасть (8), улучшающая передачу теплоты от днища, выше находятся обычные лопасти (7), а в верхней части реактора расположена гребенчатая лопасть (5) для разбивания пены. Вал мешалки (4) имеет большую длину, поэтому необходима установка подпятника. С по­мощью мотора-редуктора, сблокированного с электродвигателем, можно ступенчато изменять частоту вращения мешалки. Вал мешалки уплотняется в крышке реактора с помощью торцо­вого сальника, охлаждаемого циркулирующим глицерином (ох­лаждение водой недопустимо, так как она может попасть в реактор). Реактор снабжен грибковым клапаном, через который сливают полученный продукт.

Наряду с реакторами, специально сконструированными для синтеза пленкообразующих веществ, при получении ряда продук­тов периодическим методами (фенолоформальде­гидов, эпоксидов; поливинилацетатной дисперсии и др.) применяются серийно выпускаемые емкостные вертикальные аппараты с перемешивающими устройствами, которые различаются по кон­струкциям мешалки и рубашки, материалу корпуса, объему.

Аппараты из углеродистой, нержавеющей двухслойной стали с нормализованным объемом 1 ;2; 3,2; 4; 5; 6,9; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 30 и 50 м³ могут иметь рубашку сплошную или в виде привар­ного змеевика из полутруб. С пропеллерной и турбинной мешал­ками выпускаются реакторы объемом до 16 м³ , с лопастной и якорно-рамной мешалками - до 50 м³ .Изготовление реакторов из двухслойной стали сопряжено с расходом дорогостоящей нержа­веющей стали, при синтезе продуктов, налипающих на стенки реактора и мешалку (например, поливинилацетатной дисперсии), приходится их полировать, что значительно повышает стоимость аппарата. В, последние годы широкое применение получили эмали­рованные аппараты (налипаемость на эмаль резко снижается). Выпускаются эмалированные вертикальные аппараты объемом до 50 м³, намечается тенденция дальнейшего увеличения объемов. Эмалированные вертикальные аппараты объемом до 25м³ имеют верхний привод мешалки, а объемом 25 м³ -с нижним.

Ранее предельный объем реакторов периодического действия ограничивался и зависел от того, какое пленкообразующее ве­щество синтезируется. В настоящее время, имеется тенденция уменьшения единичного объема реактора (мах 20-25 м3) , что обеспечивает оптимально быстрый отвод теплоты реакции, что приводит к увеличению качества выпускаемой продукции.

При постоянном коэффициенте масштабирования линейных размеров реактора его объем растет пропорционально кубу, а площадь рубашки и погружных змеевиков уменьшаются пропорционально квад­рату коэффициента масштабирования.

Удельная поверхность теплообмена с ростом объема реактора уменьшается и, следовательно, увеличивается продолжительность нагревания и охлаждения реакционной смеси. В результате снижается эффект, достигаемый при увеличении объема реактора. Кроме того, при невозможности быстрого отвода теплоты реак­ции в процессе синтеза многих алкидов возможно бурное протекание реакции, сопровождающееся образованием «козлов».

Для сокращения затрат времени на вспомогательные операции нагревания и охлаждения реакционной смеси служат следую­щие приемы:

1) с целью повышения коэффициентов теплоотдачи от стенок реактора к реакционной смеси применяют эффективные типы мешалок, например, комбинированные мешалки (см. рис. 2,ф) или увеличивают их частоту вращения, проводят ступенчатое изменение частоты вращения мешалки в процессе синтеза, уста­навливают на валу мешалки дополнительные перемешивающие устройства (лопасти, пропеллеры и др.);

2) используют погружные теплообменные устройства не толь­ко для охлаждения, но и для нагревания реакционной смеси, предпочтительно с развитой поверхностью (двухрядные змеевики и т.п.); ,

3) загружают в реактор предварительно нагретые в приемни­ках или в проточных теплообменниках исходные компоненты и расплавленный фталевый ангидрид;

4) блокируют реактор с выносным теплообменником, с естест­венной (конвекционной) или принудительной циркуляцией реак­ционной смеси через теплообменник.

Одним из наиболее эффективных способов повышения поверх­ности теплообмена в реакторах периодического действия большой вместимости является установка выносных теплообменных устройств. (см. Рис.5)

Рис. 5. Горизонтальный реактор объемом 80 м³ с выносными теплообменниками: 1 корпус; 2 - мешалки; 3- выносные теплообменники

Было проведено исследование структуры потоков в таком реакторе. Показано, что при заполнении реактора на 0,8 его объема реагенты через 6-7 мин после загрузки равномерно распределя­ется по всему объему реакционной смеси. Практически полностью отсутствуют застойные зоны в стационарных условиях работы реактора; достигается хорошее перемешивание при цирку­ляции потока со скоростью 120-130 мЗ/ч, т. е. кратностью цирку­ляции 2.

Конструктивные особенности реактора