Реакторы типа теплообменников

На рис.2.8.21 показан трубчатый реактор для синтеза бутилкаучука.

Для интенсивной внутренней циркуляции реагентов предусмотрен осевой насос 4 (пропеллерная мешалка). Для интенсивного отвода тепла, выделяющегося при полимеризации изобутилена с изопреном, аппарат имеет встроенный охлаждаемый трубный пучок 3.

Верхнее и нижнее днища аппарата снабжены рубашками. Хладоагент (жидкий этилен с температурой минус 104 °С) проходит последовательно рубашку нижнего днища, межтрубное пространство корпуса и рубашку верхнего днища.

Мешалка обеспечивает турбулентный режим движения реакционной массы, что способствует уменьшению налипания полимера на внутренние поверхности реактора. Через 20…60 ч работы аппарат останавливают на чистку от полимера путем растворения его в чистом углеводородном растворителе при работающей мешалке.

Рис.2.8.21. Полимеризатор для синтеза бутилкаучука: 1 – корпус; 2 – центральная циркуляционная труба; 3 – трубки; 4 – осевой насос; 5 – форсунка; 6 – электродвигатель

Циркуляционный контур состоит из центральной трубы 2 и периферийных контактных трубок 3. В периферийных трубках смесь охлаждается. Направление вынужденной конвекции, создаваемой мешалкой, совпадает с направлением естественной конвекции, и в центральной трубе смесь движется вверх, а в периферийных трубках - вниз.

Для более быстрого смешения катализатора с циркулирующей реакционной смесью его подают через форсунку 5 в центральную циркуляционную трубу непосредственно под мешалку. Форсунка позволяет регулировать расход катализатора и конструктивно напоминает обычный вентиль удлиненного типа. Клапан форсунки снабжен иглой, с помощью которой прочищается сопло при забивке его полимером.

Трубчатый полимеризатор

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.2.8.22. показана конструкция трубчатого полимеризатора.

Рис.2.8.22. 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. Труба в рубашке центруется, как показано на рис.2.8.23.

Рис.2.8.23. Центровка трубы в рубашке

На рис.2.8.24 показано соединение труб с помощью линзового уплотнения. Концы соединяемых трубы 1 и калача 2 имеют резьбу, на которую навертываются фланцы 3 и 4. Края трубы и калача несколько выступают из фланцев. Торцы трубы и калача обрабатывают на конус под углом 20⁰. Форма уплотняющей линзы 5, которая помещается на стыке трубы и калача, сферическая. При затягивании болтов фланцевого соединения торцы трубы и калача плотно прижимаются к линзе и создают надежное уплотнение. Линзу изготовляют из более мягкого металла, чем металл трубы, что обеспечивает необходимую плотность соединения. При необходимости таким же образом уплотняют узел отбора проб (рис.2.8.25).

Рис.2.8.24. Линзовое уплотнение: 1 – труба; 2 – калач; 3,4 – фланцы на резьбе; 5 – уплотняющая линза	Рис.2.8.25. Узел отбора проб в трубчатом полимеризаторе

Длину зоны полимеризации при турбулентном режиме движения массы по трубе рассчитывают по формуле:

где V – объемная минутная производительность реактора, м³/мин; d_вн – внутренний диаметр полимеризатора, выбранный по расчетному диаметру трубы согласно ГОСТ на толстостенные трубы из легированных сталей; Т – температура, ⁰С.

Принятые внутренний диаметр и длина трубы полимеризатора проверяется тепловым расчетом. Установлено, что 25…30 % тепла реакции полимеризация отводят через стенку трубчатки с помощью хладагента. Затруднения с отводом тепла реакции не позволяют повысить производительность трубчатки без увеличения ее длины.

Трубчатый полимеризатор состоит из трех технологических зон. Первая зона выполнена из труб с внутренним диаметром 10 мм. 0на служит для нагрева этилена паром, который поступает в паровую рубашку каждой трубы. Вторая зона выполнена из труб с диаметром 16 мм, а третья зона из труб с диаметром 24 мм. Во второй и третьей зонах идет процесс полимеризации. Тепло реакции отводится перегретой водой, подаваемой в гладкую рубашку каждой трубы. Расход мономера на каждую зону поддерживают одинаковым.

Часть тепла реакции, протекающей во второй технологической зоне, используют для нагрева до температуры реакции мономера, поступающего в следующую зону. Степень конверсии мономера возросла до 15…17 % (12…15 % ранее).

Производительность реактора возросла в 1,5 раза за счет снижения времени пребывания мономера в зонах реакции и за счет отвода тепла реакции дополнительным вводом мономера.

Основными факторами, определяющими производительность трубчатого реактора, степень конверсии мономера в нем и молекулярно-массовое распределение получаемого полимера, являются:

• подача газа;

• количество инициатора;

• давление и температура газа на входе в реактор и выходе из него;

• температура реакционной массы по секциям.