Лекция 15. Основное оборудование синтеза полимеров. Реакторы
Горизонтальные реакторы
Примером такого рода реакторов является поликонденсатор для непрерывного синтеза полиэтилентерефталата, вид которого показан на рис. 5.14.
Рис. 1 Горизонтальный реактор для синтеза полиэтилентерефталата: 1 – привод мешалки; 2 – крышка; 3 – вал мешалки; 4 – диски; 5 – рубашка; 6 – корпус реактора
Реактор представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, снабженный обогревающей рубашкой. Перемешивание и транспортировка массы вдоль корпуса реактора осуществляется вращающимися сетчатыми наклонными дисками 4. В реакторе обеспечен хороший подогрев массы и большая поверхность зеркала
испарения, необходимая для полного удаления низкомолекулярного вещества.
Для этого реактор заполняют массой до оси мешалки. Процесс протекает в тонком слое. Масса покрывает тонким слоем диски и попадает в паровое пространство реактора, где создается разрежение. При этом достигается эффективное удаление низкомолекулярного соединения, которое выделяется в ходе реакции. Масса полимера с дисков удаляется скребками корпуса аппарата. Схема горизонтального секционного реактора поликонденсации показана на рис. 2
Рис. 2 Секционный поликонденсатор:
1 – приводной вал; 2 – кольцевые полые секции; 3 – кольцевые сплошные секции
Реактор представляет собой полый цилиндр, образованный из отдельных секций, собранных на приводном валу 1 и стянутых болтами 4. В каждую полую секцию 2 подводят и отводят теплоноситель или хладоагент. Вал 1 проходит внутри секций. На нем укреплены рабочие органы реактора – шнековые элементы 5, служащие для продвижения массы из секции в секцию вдоль конуса аппарата, и перемешивающие диски 6 с радиальными лопастями. В сплошных секциях установлены штуцеры для ввода реагирующих веществ и отбора массы. Конструкция реактора позволяет вести комбинированную сборку секции в зависимости от требований технологического процесса.
Реакторы пленочного типа
Реактор пленочного типа может быть выполнен в виде двух концентрических цилиндров с теплопроводными стенками (рис. 2). Внутренний цилиндр выполнен в виде винта, который при вращении равномерно перемешивает реакционный слой и перемещает его вдоль оси реактора. Меняя скорость вращения внутреннего цилиндра, и следовательно время пребывания массы в реакторе, варьируют характеристики получаемого полимера.
Рис. 3 Реактор пленочного типа из двух концентрических цилиндров
Реакционная смесь из реактора подается в испарительную камеру, находящуюся под вакуумом. Мгновенное расширение вызывает разделение реакционной массы на смолу и на побочные продукты реакции. Освобожденная от примесей смола непрерывно отбирается шнеком на охлаждение.
Центробежный реактор пленочного типа показан на рис. 4.
Рис. 4 Схема центробежного реактора пленочного типа: 1 – цилиндрическая часть; 2 – нижняя коническая часть; 3 – рубашка; 4 –двухкамерное сопло; 5 – штуцер
Реактор представляет собой вертикальный сосуд с верхней цилиндрической 1 и нижней конической частью. Обогрев его осуществляется через многосекционную рубашку 3. По касательной к корпусу реактора установлено одно двухкамерное сопло 4. Сопло обогревается через рубашку. Один из компонентов дозировочным насосом под давлением подается в центральную трубу сопла, а другой – в тангенциально установленный штуцер. Второй компонент движется спирально по сужающемуся конусу корпуса сопла. При выходе из конца сопла этот поток разбивает поток, движущийся по центральному каналу. Создается высокоразвитая поверхность контакта фаз. Поток диспергированной смеси движется по спирали тонким слоем вдоль нагретой поверхности конусной части реактора 2. Реакция поликонденсации протекает в течение нескольких секунд. Пары низкомолекулярного продукта реакции отводится из реактора через штуцер 5, а полимер через нижний штуцер поступает на дальнейшую переработку.
Колонные аппараты
На рис. 5 приведена колонна для синтеза фенолоформальдегидной смолы.
Рис. 5 Многосекционная колонна для синтеза новолачных смол непрерывным способом
Колонна состоит из расположенных одна над другой секций 1. Мешалки 2 всех секций имеют общий вал 3, который приводится в движение приводом 5. Вал мешалки свободно проходит из одной секции в другую через вваренные в днище каждой секции патрубки 4. Верхние их концы приподняты над уровнем реакционной массы. Паровые пространства всех секций колонны сообщаются между
собой и соединены штуцером 6 с общим обратным холодильником.
Ввод реагентов осуществляется в верхний загрузочный штуцер 7, а выход готового продукта происходит через штуцер 8, расположенный в нижней части аппарата. Каждая секция колонны снабжена рубашкой 9. Процесс конденсации протекает в каждой секции ступенчато и состав реакционной смеси изменяется от секции к секции.
Трубчатые аппараты
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. 5.18 показана конструкция трубчатого
полимеризатора.
Рис. 6 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.
Разработана конструкция полимеризатора производительностью 400…500 кг/ч полиэтилена с длиной трубчатки 350 м. Аппарат имеет 33 трубы с длиной 7886 мм каждая. Рабочее давление в реакторе –145…150 МПа, расчетное давление в рубашке – 6,0 МПа. Материал труб, а также калачей и линз – сталь 20Х3МВФ, материал рубашки –Ст. 20.