Вопрос № 5 Конструктивные типы и классификация полимеризаторов Классификация полимеризаторов

Конструктивная классификация полимеризаторов объединяет всю реакционную аппаратуру в следующие группы:

1. реакторы емкостного типа (котлы);

2. автоклавы;

3. колонные реакторы;

4. горизонтальные полимеризаторы;

5. ленточные реакторы;

6. реакторы типа теплообменников;

7. трубчатка.

Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем веществ (мономеров).

К важнейшим из факторов, определяющих устройство реактора, можно отнести следующие:

• агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции а также их химические свойства;

• температуру и давление при которых протекает процесс;

• тепловой эффект процесса и скорость теплообмена;

• интенсивность перемешивания реагентов;

• непрерывность или периодичность процесса;

• удобство монтажа и ремонта аппарата;

• простоту его изготовления, доступность конструкционных материалов и т.д.

Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает самое большое влияние на принцип действия реактора и в целом должно определять конструктивный тип реакторного устройства. Кроме того, в зависимости от этого фактора находится выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата, таких как, например, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и т.д. Наконец, как было показано выше, метод изготовления тоже будет влиять на конструкцию реакционного устройства, внося свои коррективы в набор и оформление основных и вспомогательных деталей полимеризатора.

Реакционные котлы

Самым распространенным типом реакторных устройств для синтеза полимеров является реакционный котел (рис.2.8.1). Реакторы подобного типа используются для получения форполимера стирола, полиэфирных смол, новолачных смол по периодическому способу, полипропилена и полиэтилена при низком давлении и других полимеров.

Рис.2.8.1. Реакционный котел: 1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – рубашка; 4 – крышка

Корпус 1 и крышка 4 аппарата обычно выполнены из легированной стали. Компоненты реакции могут смешиваться перед поступлением в реактор или непосредственно в аппарате (так называемое смешивание в объеме). Для этого котлы снабжаются перемешивающими устройствами. Мешалка 2 якорного типа или иной конструкции выполнена также из легированной стали. Привод мешалки осуществляется от электродвигателя через редуктор. Для уплотнения вала мешалки служит сальниковое или торцовое уплотнение.

Обогрев или охлаждение реагирующей массы в реакционном котле осуществляется с помощью приваренной к корпусу односекционной внешней рубашки 3 или змеевика, помещаемого внутрь аппарата.

Входные патрубки реакционных котлов снабжают сифонами, которые предотвращают разбрызгивание загружаемой в аппарат жидкости и уменьшают накопление статического электричества.

Нижний конец сифона обязательно должен быть срезан под углом 45° к горизонтальной плоскости, так как это уменьшает разбрызгивание. Сифон может служить и для передавливания прореагировавшей смеси.

Реакционные котлы периодического действия загружаются через специальный люк, который целесообразно снабдить быстродействующим гидравлическим или электрическим запорным устройством.

Рис.2.8.2. Клапанное сливное устройство реакционных котлов

Для разгрузки аппарата периодического действия, особенно в условиях повышенной вязкости реакционной массы, рекомендуется использовать сливные устройства клапанного типа (рис.2.8.2), которым не страшно попадание полимера в зазор между корпусом и пробкой клапана.

На рис.2.8.4 показан полимеризатор емкостью 12 м³, применяемый в производстве эмульсионного каучука СКС-30А.

Корпус полимеризатора 1 выполнен из нержавеющей стали Х18Н9Т, снабжен рубашкой 2 со спиральным ходом хладагента и внутренним стаканом 3 или змеевиком. Суммарная поверхность охлаждения составляет около 40 м². Пропеллерная мешалка 4 помещена во внутренний двустенный стакан 3, выполняющий роль диффузора для улучшения циркуляции эмульсии в аппарате. Мешалка приводится в действие электродвигателем через редуктор 5.

Рис.2.8.4. Полимеризатор для производства стирольного каучука

Аппарат снабжен сливным устройством 6, установленным в днище 2 и люком для очистки котла 8, расположенным на крышке аппарата 3.

На рис.2.8.6 показан реактор емкостью 25 м3 для получения полипропилена. Корпус реактора 1 снабжен теплообменной рубашкой 2, выполненной из полутруб, и перемешивающим устройством якорно-лопастного типа (частота вращения 30 об/мин).

Рис.2.8.6. Реактор для синтеза полипропилена

Верхняя лопастная часть перемешивающего устройства 3 предназначена для смешения жидкой пропан-пропиленовой фракции с твердым катализатором. Нижняя рамная мешалка 4 служит для перемешивания осаждающейся суспензии полимера.

На рис.2.8.7. изображен реактор для полимеризации этилена с пропиленом в присутствии гетерогенного катализатора Циглера-Натта. Процесс получения статсополимера проводят в растворе гептана при температуре 50 ⁰С и давлении 0,6…0,9 МПа.

Рис.2.8.7. Реактор для синтеза сополимера этилена с пропиленом: 1 – мотор-редуктор; 2 – стойка; 3 – торцевое уплотнение; 4 – люк; 5 – крышка; 6 – штуцер; 7 – обечайка; 8 – рубашка; 9 – волнорез; 10 – опора; 11 – днище; 12 – вал; 13 – мешалка; 14 – гильза

Реактор объемом 43 м³, представляет собой вертикальный цилиндрический емкостной аппарат смешанного типа с мешалкой 13 и рубашкой 8, который успешно сочетает в себе достоинства как РИС, так и РИВ.

Так как главными особенностями данного процесса являются: гетерофазность и большой реакционный объем, то существует опасность возникновения градиента температур по сечения аппарата, что снижает стереоспецифичность и, следовательно, качество продукта. В связи с этим в реакторе установлена многоярусная быстроходная турбинная мешалка 13. Для предотвращения оседания образующегося сополимера нижняя турбина мешалки снабжена скребками. Реактор снабжен электродвигателем с редуктором 1, и дополнительной поверхностью теплообмена в виде встроенных в аппарат пучков труб 9, которые играют также роль волнорезов (устраняют появление воронок около стенок аппарата).

Наличие в реакционной среде токсичных, пожаровзрывоопасных веществ приводит к необходимости уплотнения всех соединений в реакторе. В связи с этим используется аппарат с приварной крышкой 5, а вращающийся вал 12 уплотнен торцевым уплотнением 3. Для исключения радиального биения вала используются двухрядные радиально-упорные роликовые подшипники, закрепленные в стойке 2.

Поддержание температурного режима осуществляется подачей теплоносителя в рубашку аппарата. При сравнительно невысоких параметрах процесса (50±2 0С) в качестве теплоносителя используют подогретую острым паром воду, что позволяет применить несъемную рубашку 8 с гладкими стенками и перегородками. Для контроля температурного режима реактор имеет термогильзу 14 для размещения датчика температуры.

Реактор снабжен нижними опорами 10 для установки на фундамент.