На рис. 3.6 схематически показаны конструкция колонны дегазации, при-

мененной в производстве суспензионного ПВХ на Стерлитамакском ЗАО «Кау-

стик».

Конструкция колонны диаметром 1600 мм предусматривает доступность внутренних контактных устройств для чистки и ремонта, для чего корпус имеет разъем посередине, съемную крышку и три люка с условным проходом 600 мм.

Внутри корпуса размещены 28 ситчатых тарелок, собранные попарно на царгах.

В кольцевое пространство между внешним и внутренним (царговым) корпусом предусмотрена подача воды или маточника для смыва возможных отложений полимера. Для исключения отложений частиц ПВХ на тарелках отверстия в них выполнены в виде арочных щелей, обеспечивающих движение потока пара вдоль поверхности ситового полотна, причем секции этих полотен собраны та-

ким образом, чтобы на тарелке при движении парожидкостной смеси не обра-

зовывались застойные зоны.

Учитывая повышенное пенообразование, сепарационная часть колонны имеет большую высоту и снабжена указателем уровня пены. При превышении допустимого уровня в сепарационную часть колонны предусмотрена подача обессоленной воды или маточника для уменьшения пенообразования. В то же время расстояние между тарелками минимальное, поэтому возможен перенос суспензии на вышележащие тарелки. Однако в условиях, далеких от равновес-

ных, это не влияет на эффективность процесса дегазации, поскольку лимити-

рующей стадией является массоперенос в твердой фазе.

3.3. Теоретические предпосылки расчета аппаратов дегазации

Определение объема и основных размеров, а также других геометриче-

ских характеристик дегазаторов основывается на расчетах материального и те-

плового балансов и кинетики процесса массопереноса винилхлорида из твердой и жидкой фаз суспензии ПВХ в газовую (паровую).

Пренебрегая наличием в суспензии ПВХ компонентов рецептуры поли-

меризации ВХ (стабилизатора эмульсии, буферных солей, добавок и др.), мате-

риальный баланс дегазатора для трех главных составляющих суспензии (поли-

мера, воды, ВХ) для случая обработки ее острым паром можно представить в следующем виде:

- на общую массу главных компонентов

Gт(1+ С1) +W1(1+ X1) + G1(1+ Y1) = Gт(1+ С2 ) +W2 (1+ X 2 ) + G2 (1+ Y2 ) ; (3.1)

89

где Gт,W , G – масса (массовый расход) ПВХ, воды и пара соответственно;

С, X ,Y – относительная концентрация ВХ в твердой, жидкой и газовой фазах,

кг/кг соответствующей фазы; индексы 1 и 2 относятся к начальному и конечно-

му состоянию системы, обычно Y1 = 0 .

По данным материального баланса определяют массу и состав потоков

суспензии и парогазовой смеси на выходе дегазатора.

Уравнение теплового баланса, составленное по принципу аддитивности

носителей тепла, может быть представлено в следующем виде:

[G т ( ст + см С1 ) + W1 ( св + см X 1 ) ]t1 + G1c пt п1 + (G1 − G 2 )rв =

= [G т ( с т + см С 2 ) + W 2 ( св + см X 2 ) ]t 2 + G 2 (c п + сг Y 2 )t п 2 +

где t1, t2 – начальная и конечная температура процесса дегазации соответствен-

но, оС; с– удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) (индексы т, м, в, п, г относятся со-

ответственно к твердой (полимерной) фазе, жидкому мономеру ВХ, воде, водя-

ному пару и газообразному ВХ); rв – удельная теплота конденсации водяного пара при температуре процесса, Дж/кг; rм – удельная теплота испарения жид-

кого мономера ВХ, Дж/кг; tп1 , tп2 – начальная и конечная температуры грею-

щего пара.

Из уравнения (3.4) находится расход греющего пара G1 на процесс дега-

зации суспензии ПВХ. Избыточное количество пара определяется условиями обеспечения концентрации ВХ в парогазовой смеси величиной менее равновес-

ной и требованиями гидродинамики аппарата (колонны дегазации).

При решении уравнений материального и теплового балансов необходи-

мо учитывать условия равновесия, определяющие предельно достижимые кон-

центрации винилхлорида в твердой полимерной и жидкой фазах в зависимости от параметров процесса дегазации (температуры и давления).

Согласно данным исследования Беренса [19], растворимость винилхлори-

да в воде при малых концентрациях (менее 0,5%) подчиняется закону Генри.

Уравнение равновесия представлено им в виде зависимости

90

91

Процесс массопередачи ВХ из зерна ПВХ в водную среду заключается в перемещении ВХ в твердой полимерной фазе к границе раздела фаз массопро-

водностью и отводе такого же количества ВХ в жидкую фазу массоотдачей

(рис. 3.1). Процесс перемещения вещества внутри твердой фазы описывается дифференциальным уравнением молекулярной диффузии (второй закон Фика)

По аналогии с обычными процессами экстрагирования и сушки уравне-

ние (3.7) имеет решение при определенных допущениях, упрощениях и соот-

ветствующих граничных условиях. В частности, для тел канонической формы

(шар, цилиндр, пластина) при постоянных значениях коэффициента диффузии,

коэффициента массоотдачи и равновесных параметров уравнение (3.7) имеет вид [20]

диффузионного критерия Biд = βd / D (β коэффициент внешней массоотдачи от тела в окружающую среду; d – характерный размер тела (для шара – диа-

метр)); Foд = Dt / l 2 – критерий Фурье (диффузионный); l – приведенный раз-

мер тела.

Коэффициенты μ n представляют ряд возрастающих дискретных чисел

(0< μ1 < μ 2 <…), поэтому сходимость ряда (3.8) быстро увеличивается с возрас-

танием величины критерия Фурье. С необходимой для инженерных расчетов точностью (± 5%) для решения достаточно от одного до трех членов ряда

( n = 1 − 3 ) [5, 21].

Критерий Biд характеризует относительное влияние внешне- и внутри-

диффузионного сопротивления на кинетику процесса. При Biд < 0,1 внутри-

диффузионное сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с внешне-

диффузионным и скорость процесса массопередачи лимитируется скоростью массоотдачи (внешняя задача). При Biд > 100 скорость процесса полностью оп-

92

ПВХ в воду определяется внутренней диффузией, и массоотдача в жидкую фа-

зу не оказывает на процесс какого-либо заметного влияния. Тем более не ока-

зывает влияние на массопередачу массоотдача из твердой фазы в газовую при

поверхность зерна, м2. Полная поверхность зерна ПВХ может быть рассчитана по его массе и удельной поверхности (по отношению к массе порошка), опре-

где Kо = Dп[ρт (1 − εп) f уд ]2 – параметр, имеющий физический смысл скорости процесса массопереноса, с–1 .

Анализ уравнения (3.8) при Biд → ∞ и при С* << Со показывает, что с погрешностью, не превышающей 5%, процесс массопередачи описывается пер-

вым членом ряда, причем по упрощенной зависимости

Cо

д

94

Таким образом, на скорость десорбции ВХ из зерна ПВХ основное влия-

ние оказывают его структурные характеристики и температура.

В результате экспериментов по дегазации, проведенных на промышлен-

ных марках суспензионного ПВХ с широким интервалом fуд= 0,2 – 2,5 м2/г и

εп = 0,08 – 0,5, получено уравнение кинетики массопередачи ВХ в зернах ПВХ

[22]

Cо

о

Продифференцировав уравнение (3.15) по времени и умножив его на мас-

су ПВХ Gт , получим уравнение скорости переноса массы ВХ из твердой поли-

мерной фазы:

где Мм, Мг – мольная масса мономера ВХ и инертного газа соответственно;

уравнению (3.6).

95

Расчеты по уравнениям (3.18) и (3.19) показывают, что движущая сила процесса массоотдачи в газовую фазу сохраняет высокое значение в широком диапазоне температур и в основном определяется концентрацией ВХ в ПВХ.

Наличие водной фазы при некоторых условиях может оказать существен-

ное влияние на удаление остаточного ВХ. Рассмотрим эти условия.

Поскольку ВХ на поверхности зерна ПВХ не накапливается, изменение концентрации ВХ в ПВХ можно представить в виде зависимости

где X – концентрация ВХ в воде; m – коэффициент распределения ВХ между фазами (m = C * / X ). Равновесное содержание ВХ в воде можно рассчитать по формуле (3.5).

Учитывая незначительную растворимость ВХ в воде, процесс массопере-

дачи ВХ из водной фазы в газовую можно описать через уравнение массоотда-

чи в жидкой фазе:

где ( X − X гр) ≈ X , так как концентрация ВХ на границе раздела фаз X гр << X .

В этом уравнении βж – коэффициент массоотдачи ВХ из жидкой фазы к по-

верхности раздела фаз; F – площадь поверхности раздела фаз.

Из уравнений (3.20) и (3.21) можно определить условие, при котором водная фаза не оказывает заметного влияния на дегазацию суспензионного

ПВХ:

Если принять отношение βжF /(0,2KоmGт* ) = 10 , то можно с полным ос-

нованием считать, что водная фаза не лимитирует процесс массопередачи при дегазации суспензии ПВХ. Коэффициент распределения, рассчитанный по уравнениям (3.5), (3.6) и по графикам рис. 3.6, для самых неблагоприяттных ус-

ловий имеет величину m = 20 . В этом случае условие (3.22) преобразуется к более удобному виду

96

При выполнении условия (3.23) для расчета дегазатора можно использо-

вать кинетическую зависимость (3.15). Расчеты показывают, что это условие

соблюдается для колонн дегазации с барботажными или полочными тарелками.

В емкостном аппарате с мешалкой поверхность массообмена практически совпадает с площадью поперечного сечения аппарата с некоторым увеличением за счет возможного образования воронки. По отношению к массе ПВХ в объеме аппарата получается незначительная величина отношения F / Gт . Расчеты пока-

зывают, что в зависимости от пористости ПВХ отношение (3.23) имеет величи-

ну от 7 до 700, т.е. в емкостных аппаратах лимитирующей стадией массопере-

носа является массоотдача ВХ в жидкой фазе.

Процесс дегазации суспензии ПВХ в емкостном аппарате может быть ор-

ганизован в периодическом или непрерывном режиме. Время, необходимое для обработки суспензии, можно найти интегрированием дифференциального

97

где Vсут – объем суспензии, перерабатываемой за одни сутки, м3/сут; τц =τ+τв –

время цикла, с; τв – время на проведение вспомогательных операций (загрузку,

разогрев, выгрузку, промывку).

Условия, близкие к оптимальным для дегазации ПВХ, могут быть дос-

тигнуты в емкостном аппарате при кипении суспензии или при барботировании инертным газом или паром. В этом случае время, необходимое для процесса де-

газации, может быть рассчитано по уравнению (3.15).

Расчет процесса дегазации суспензии ПВХ через массопередачу в твер-

дой фазе полимера накладывает особенности на расчет колонн дегазации с та-

рельчатыми контактными устройствами. Для примера рассмотрим метод расче-

та колонн с барботажными ситчатыми тарелками, применяемыми обычно в

производствах суспензионного ПВХ.

По уравнениям материального и теплового балансов (3.1) – (3.4) нельзя

определить количество продувочного пара. Требуемый расход пара для отдувки газообразного винилхлорида и нормального функционирования колонны мож-

но определить из расходных характеристик барботажной тарельчатой колонны.

По известному расходу суспензии Vc и скорости ее в сечении слива, ко-

торая для жидкостей средней степени вспениваемости не должна превышать

величины wсл < 0,1 м/с [26], определяют площадь сечения сливного канала

Ориентируясь на величину Sсл , по справочным данным [4, 6] выбирают стандартизованную тарелку с известными геометрическими характеристиками:

диаметром D , рабочей площадью тарелки Fр , периметром слива П и длиной пути жидкости lж . Максимальная скорость пара в сечении колонны может быть определена по формуле, рекомендованной в [23, 26],

k1 , k2 , k 3 – коэффициенты, зависящие от типа тарелки и условий процесса.

В частности, для ситчатых тарелок при работе при атмосферном и повы-

шенном давлении k1 = 1,2, k2 = 1, k3 = 0,00034. Для устойчивой работы тарелки рекомендуются значения 10 < q < 65 м2/ч [26]. Рабочую скорость газа (пара) wр

98

принимают на 20 – 25% ниже максимальной или определяют по графическим зависимостям к.п.д. тарелок от комплекса wр ρп [4]. При выборе величины

комплекса следует учитывать наличие лимитирующей стадии массопереноса внутри твердой фазы, что обусловливает незначительное влияние к.п.д. тарелки на эффективность массопередачи процесса дегазации в целом. А в связи с тем,

что концентрации винилхлорида во всех фазах незначительны, необходимо в целях экономии энергии стремиться к минимальному расходу продувочного пара, т.е. к возможно меньшей величине комплекса wр ρп , обеспечивающей

устойчивую работу тарелки.

Ориентировочная величина объемного и массового расходов пара:

Вследствие конденсации части пара его расход в колонне изменяется при движении снизу вверх от максимального значения G1 до минимального конеч-

ного значения G2 . Поэтому расход, вычисленный по формуле (3.30), необхо-

димо скорректировать на начальные либо конечные условия процесса с соблю-

дением пределов, допустимых применением формулы (3.29) или комплекса wр ρп . Принятая величина G1 или G2 позволяет решить балансовые уравне-

ния (3.1) – (3.4) и при необходимости скорректировать типоразмер тарелки.

Число тарелок в колонне определяется по очевидному соотношению

99