1.1.9. Реакторы сверхвысокого давления синтеза полиэтилена
Реакторы синтеза полиэтилена представляют собой аппараты сверхвысокого давления (Р = 150 ÷ 320 МПа) и именно это давление, а также условие поддержания оптимальных температур полимеризаци этилена (Топт ≈ 170÷1800С) явились основными параметрами, определяющими конструктивное оформление реакторов.
Надежность и долговечность конструкции реактора легли в основу конструктивного оформления первых реакторов сверхвысокого давления, появившихся в шестидесятые годы в производстве полиэтилена.
Реактор представляет собой длинную трубу переменного диаметра с наружным теплообменником типа «труба в трубе». Реактор идеального вытеснения имеет три зоны:
а) зону подогрева с внутренним диаметром реакционной трубы d = 10 мм; (рис.1.14).
б) основную зону полимеризации этилена – реакционную зону с диаметром реактора 18 мм;
в) зону охлаждения продуктов реакции с диаметром 24 мм.
Инициатором процесса полимеризации этилена является введение небольшого количества пироксида или кислорода. Несмотря на большую общую длину реактора – более 60 м – степень полимеризации этилена, достигаемая в нем, чуть больше 20 %. После выделения полиэтилена незаполимеризовавшийся этилен промывают, очищают и снова вводят в цикл.
Из рис. 1.14 наглядно видно, что реактор имеет теплообменники в виде рубашки и два выносных теплообменника 1 и 2.
Насос 3 прогоняет теплоноситель по рубашкам полимеризационной части реактора. Теплоноситель снижает тепло реакции, нагревается и, нагретый, разделяется на две части. Одна часть направляется насосом 4 на подогрев исходного этилена, охлаждается там и снова направляется в насос 3. Вторая часть направляется в холодильник 1 и, охлажденная в нем, также поступает на вход насоса 3. Охлаждение продуктов реакции осуществляется выносным холодильником 2 и циркуляционным насосом 5.
Рис. 1.14. Реактор идеального вытеснения синтеза полиэтилена: 1 – теплообменник - холодильник; 2 – холодильник; 3, 4, 5 – насосы; 6 – рубашка; 7 – реактор.
Благодаря такой организации процесса удачно используется теплота реакции полимеризациии и на выходе из холодильников 1 и 2 мы получаем дополнительную тепловую энергию.
На рис.1.15 схематически показан трубчатый реактор для полимеризации этилена, на котором на рубашках изображены линзовые компенсаторы температурных напряжений, а трубы соединены коленчатыми переходами.
Рис. 1.15. Трубчатый реактор для полимеризации этилена (внешний вид): 1 – линзовые компенсаторы; 2 – коленчатые переходы.
Второй тип реактора для производства полиэтилена, появившийся позже первого, имеет внутри винтовую мешалку и представляет собой по гидродинамическому режиму реактор промежуточного типа (рис.1.16).
В связи с большим давлением в аппарате привод винтовой мешалки герметичный и помещен в корпус реактора. Для повышения надежности работы привода он охлаждается холодным этиленом, поступающим в реактор сверху. Число оборотов мешалки – 1000 об/мин. Наличие мешалки существенно повышает коэффициент теплоотдачи от стенки корпуса к реакционной смеси, выравнивает температуру реакционной смеси и повышает степень полимеризации этилена. На рис. 1.16 наглядно показано, что лопастно-винтовая мешалка для регулирования времени пребывания в зоне подогрева холодного этилена, основной зоне полимеризации этилена и зоне охлаждения продуктов реакции имеет различную форму и угол наклона лопастей.
Рис. 1.16. Реактор с перемешиванием для полимеризации этилена в полиэтилен:
1 – экранированный электропривод; 2 – корпус; 3 – винтовая мешалка; 4 – охлаждающие рубашки; 5 – компенсаторы температурных напряжений.
В зоне подогрева лопасти имеют больший угол наклона к оси, что приводит к большой осевой скорости исходного материала, охлаждающего двигатель привода.
В основной полимеризационной зоне угол наклона лопастей значительно меньший, что позволяет увеличить время пребывания реагента в ней и повысить степень полимеризации этилена в связи со стабильностью температуры смеси. В данном реакторе удается получать степень полимеризации этилена уже более 25 %.