Реакторы идеального смешения

Рис. 4.6. Трубчатый полимеризатор: 1 – мешалка; 2 – корпус; 3 – трубки

Для получения низкомолекулярных каучуков полимеризацией в растворе используют типовые реакторы с мешалками, для получения высокомолекулярных каучуков - более сложные аппараты, для систем со сравнительно невысокой вязкостью – аппарат, представляющий собой комбинацию реактора с мешалкой и трубчатым реактором (рис. 4.6.).

В производстве растворных каучуков наиболее распространен реактор со скребковыми мешалками (рис. 4.7.),

Рис. 4.7. Скребковый полимеризатор: 1 – корпус; 2- опорнгая лапа, 3 – вал; 4 – рама; 5 – скребок; 6 – люк; 7 – штуцер для ввода хладоагента; 8- привод

основным конструктивным элементом которого является скребковое устройство (рис. 4.8.).

Рис. 4.8. Скребковое устройство: 1 – цанговый зажим;

2 – пружина; 3 – планка; 4 – лезвие скребка

Применение жестких скребков, не имеющих упругих элементов, приводит к образованию зазора между корпусом и скребком, что вызывает нежелательное отложение слоя полимера на поверхности аппарата. Не имеют упругих элементов шарнирные скребки, прижимаемые к стенке аппарата центробежной силой (рис. 4.9.).

Рис. 4.9. Шарнирные скребки: а – скребок, поджимаемый к стенке силой давления среды; б – скребок, поджимаемый к стенке центробежной силой

Этих недостатков лишены скребковые устройства с упругими элементами. Последние состоят из собственно скребка, несущей рамы и упругих элементов, соединяющих скребок с рамой (рис. 4.10.).

Рис. 4.10. Скребковое устройство с шарнирными скребками и возвратно-поступательным движением:

1 – рама; 2 – стенка аппарата; 3 – скребок

В качестве упругих элементов используются металлические стержни из пружинной стали. Соединение стержней с рамой осуществляется с помощью цанговых зажимов. Лезвие скребка изготавливается из фторопласта. У мешалки со скользящим скребком износ меньше (рис. 4.11.).

Рис. 4.11. Схема скользящего скребка: 1 – корпус; 2 – вал;

3 – каркас мешалки; 4 – пластинчатая пружина; 5 – скребок

Число скребков зависит от диаметра аппарата, а по высоте они устанавливаются так, чтобы поверхность, ометаемая одним скребком, перекрывалась поверхностями, ометаемыми соседними скребками (рис. 4.12.).

Рис. 4.12. Расположение скребков на валу мешалки: а – в одной плоскости; б – в нескольких плоскостях

Недостатки конструкции полимеризатора со скребковыми мешалками: наблюдается заметный перепад температур в радиальном направлении, что может приводить к снижению физико-механических показателей полимера.

Разновидностью трубчатого аппарата является полимеризатор для синтеза бутилкаучука (рис.4.13.).

Рис. 4.13. Реактор синтеза бутилкаучука в суспензии:

1- обечайка; 2 – теплообменные трубки; 3 – лопастная мешалка; 4 – электродвигатель; 5,6 – нижнее и верхнее днища

Полимеризатор синтеза БК представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой и с шестью пучками труб. Высота его цилиндрической части составляет 5620 мм, диаметр - 2000 мм, объем трубного пространства - 2 м³, объем межтрубного пространства - 18 м³.

Процесс получения бутилкаучука проводят в проточном реакторе идеального смешения, в котором поддерживается постоянная концентрация реагентов. В полимеризаторе, приближение к идеальному смешению обеспечивается тем, что циркуляция реагентов внутри аппарата значительно превышает внешнюю циркуляцию, т.е. объемную скорость прокачки реагентов через аппарат. Для интенсивной внутренней циркуляции реагентов предусмотрен осевой насос (лопастная мешалка) 3, число оборотов мешалки составляет 230 об/мин.

Для интенсивного отвода реакционной теплоты в корпус полимеризатора 1 встроен охлаждаемый трубчатый пучок 2. Охлаждение полимеризатора производится за счет испарения в трубных пучках жидкого этилена, поступающего самотеком из отделителя через штуцер А (выход газообразного этилена осуществляется через штуцер Б). Диаметр трубок равен 20х2 мм, длина трубок - 6083 мм.

Верхнее и нижнее днище полимеризатора снабжены рубашками. Хладоагент (жидкий этилен) проходит последовательно рубашку нижнего днища 5, межтрубное пространство корпуса 7 и рубашку верхнего днища 6. Помимо основной функции - перемешивания системы и интенсификации теплообмена - мешалка обеспечивает турбулентный режим движения, что способствует уменьшению отложения полимера на внутренней поверхности аппарата. В процессе полимеризации на стенках полимеризатора и на выводном трубопроводе, происходит отложение пленки каучука. Поэтому полимеризатор через 20-60 ч работы останавливают на чистку, которая проводится путем растворения полимера в чистом углеводородном растворителе (в качестве растворителя используется пентановая фракция) при работающей мешалке. Промывка ведется снизу вверх.

Рабочая шихта, которая представляет собой раствор изобутилена, изопрена в хлористом метиле через штуцер. И поступает в нижнюю часть полимеризатора. Через штуцер В выходит суспензия полимера в хлористом метиле.

Катализаторный раствор (хлорид алюминия в хлорметиле), захоложенный до режимной температуры в холодильнике, через штуцеры З₁ и З₂ вводят в реакционную зону двумя потоками (для уменьшения зоны пламени), по первому - в нижнюю часть реакционной зоны направляют 50-80% от общего расхода катализатора и стабилизируют его на заданном уровне, по второму - в верхнюю часть реакционной зоны подают 20-50% от общего расхода катализатора в зависимости от вязкости каучука. После прекращения подачи катализаторного раствора в полимеризатор подается хлористый метил для предотвращения забивки линии продуктами разложения катализатора.

Электродвигатель 4, расположен в нижней части аппарата.

Для более быстрого смешения катализатора с циркулирующей реакционной массой катализатор подают в центральную циркуляционную трубу непосредственно под мешалку, через форсунку (рис.4.14.), позволяющую регулировать расход катализатора.

Рис. 4.14. Форсунка полимеризатора: 1 – сопло; 2 – корпус;

3 – шток; 4 – фланец; 5 – ниппель; 6 – шкала; 7 – маховик;

8 – игольчатый клапан

На ОАО «Нижнекамскнефтехим» для получения СКЭПТ произведена модернизация скребкового полимеризатора – скребковая тихоходная мешалка (30 об/мин) заменена на быстроходную турбинную мешалку (120 об/мин). Это привело к увеличению гомогенности получаемого продукта (улучшилось распределение этилена), стал лучше «работать» регулятор молекулярной массы – водород и т.д.

Полимеризатор (рис. 4.15.) предназначен для проведения реакции сополимеризации этилена, пропилена и третьего мономера (дициклопентадиен, этилиденнорборнен) в среде жидкого растворителя (нефрас). Реакция проводится при температуре не более 65°С и давлении не более 0,85 МПа.

Рис. 4.15. Полимеризатор с быстроходной турбинной мешалкой для синтеза СКЭПТ: 1 – корпус; 2 – рубашка; 5 – вал мешалки;

6 – турбинки с лопатками; 11 – электродвигатель с редуктором

Полимеризатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с рубашкой, в которую через штуцеры Л и З подается рассол для съема тепла реакции. Для выхода хладагента служат штуцеры М и С.

Шихта, состоящая из мономеров, растворителя, каталитического комплекса, водорода подается в аппарат через штуцеры В и И, расположенные в верхней части полимеризатора и через штуцер К, который расположен в нижней части аппарата.

Для перемешивания полимеризата внутри аппарата на вертикальном валу 5 закреплены турбинки с лопатками 6. За счет наклона лопаток 45° у 2-х верхних турбинок они толкают среду вниз, с целью недопущения её уноса. Самая нижная турбинка - радиальная, создает радиальное перемещение среды. В верхней части вала мешалки (зона газовой фазы) имеются две скребковые лопатки (позиций не имеют) с углом наклона 45°, для снижения уноса жидкости в газовую фазу.

Мешалка приводится во вращение от электродвигателя через редуктор 11. Полимеризат выводится через штуцер Б.

Для доступа внутрь аппарата при внутреннем осмотре, чистке, ремонте в корпусе аппарата имеются два люка: верхний Е и нижний Ж.

Для создания организованной циркуляции полимеризата в аппарате могут применяться геликоидальные мешалки, использование которых рекомендуется при вязкости среды более 10 Па×с. геликоидальная мешалка (рис.4.16.).

Полимеризатор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с охлаждающей рубашкой. Рубашка 1 служит для охлаждения полимеризата и для поддержания режимной температуры в полимеризаторе. Внутри аппарата закреплена ленточная мешалка 4. Мешалка представляет собой две спирали, соединенные в жесткую конструкцию. Между витками спирали укреплены скребки. Скребковое устройство не имеет пружин и прижимается к стенке аппарата за счет силы, создаваемой сопротивлением перемешиваемой среды. Благодаря этому за один оборот мешалки каждый участок поверхности скребки ометают несколько раз, что повышает эффективность отвода тепла. Мешалка создает циркуляционный поток вверх по ленте и вниз по оси аппарата. Конструкция мешалки обеспечивает равномерное распределение концентрационных и температурных полей во всем объеме аппарата, что повышает качество полимера. Полимеризатор с такой мешалкой используется для получения СКИ-3, т.к. данный тип каучука имеет чрезвычайно высокую молекулярную массу (≈800 тыс.), что обуславливает большую вязкость раствора. Число оборотов мешалки составляет 32 об/мин.

Для герметизации вала мешалки в полимеризаторе применяется торцевое уплотнение. В этом уплотнении герметичность достигается за счет плотного поджатия по торцевым плоскостям двух деталей – вращающейся и неподвижной. Торцевое уплотнение включает в себя кольцо, которое получает вращение от вала через водило. Неподвижное кольцо соединено с сильфоном. Тяги с пружиной дают возможность регулировать силу поджатия колец. Торцевое уплотнение одновременно является опорой для вала.

Обычно растворная полимеризация осуществляется не в одном аппарате, а в батарее последовательно соединенных полимеризаторов, аналогично рис.4.2. (для увеличения времени пребывания и облегчения теплосъема). Количество полимеризаторов в батарее удалось сократить с 5 до 3 после модификации каталитического комплекса на основе тетрахлорида титана и триизобутилалюминия дифенилоксидом.

Рис. 4.16. Полимеризатор с геликоидальной мешалкой для синтеза СКИ-3: 1–рубашка; 2-обечайка; 3–крышка; 4 – мешалка; 5 – днище; 6,7 – электродвигатель с редуктором

Обвязка каждой батареи позволяет в процессе работы произвести промывку забившихся участков трубопроводов, а также включить в работу или выключить из работы и подготовить к ремонту и чистке любой полимеризатор.

На крышке аппарата имеется штуцер А для подвода исходных компонентов. В нижней части корпуса расположен штуцер Б для отвода реакционной смеси. Полимеризатор работает полностью заполненным.

Для защиты полимеризатора от завышения давления предусмотрены разрывные болты, рассчитанные на давление 1,25МПа и предохранительные клапаны.

Объем полимеризатора - 20 м³. Объем рубашки – 1,8 м³. Наружный диаметр корпуса аппарата – 2108 мм. Наружный диаметр рубашки – 2200 мм. Общая высота аппарата – 6570 мм. Аппарат изготовлен из двухслойной стали.

Полимеризатор оснащен необходимыми контрольно-измерительными приборами, позволяющими автоматизировать процесс и проводить его в оптимальных условиях.

Достоинства полимеризатора с геликоидальной мешалкой:обеспечивается более равномерное распределение концентрационных и температурных полей во всем объеме аппарата (повышается качество полимера); мешалка снабжена большим количеством скребков, чем в аппарате рассмотренном до этого (благодаря этому за один оборот мешалки каждый участок поверхности скребки ометают несколько раз, что повышает эффективность отвода тепла); более высокая производительность аппарата.