Кинетика и аппаратурное оформление непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Гунин, Виталий Анатольевич

• Гунин, Виталий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гунин, Виталий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Технический процесс полимеризации в суспензии.

1.2 Методы эмульгирования углеводородной фазы.

1.3 Полимеризация метилметакрилата в суспензии.

1.4 Постановка задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ВЫБОРА ПРОЦЕССА И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ МЕТИЛМЕТАКРИЛАТА В СУСПЕНЗИИ.

2.1 Выбор метода диспергирования углеводородной фазы.

2.2 Устойчивость системы и анализ причин образования агломератов.

2.3 Разделение процесса по стадиям.

2.4 Анализ возможности исключения механического перемешивания и применения реакционного блока полного вытеснения.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Экспериментальная установка и методика исследования.

3.2 Исследование струйного диспергирования.

3.2.1 Выбор диспергирующего устройства.

3.2.2 Методика проведения эксперимента.

3.2.3. Исследование зависимости диаметра капель исходной эмульсии от параметров диспергирующего устройства и физико-химических свойств системы.

3.3 Исследование кинетики и продолжительности каждой стадии процесса полимеризации метилметакрилата в суспензии.

3.3.1 Роль температуры в процессе полимеризации.

3.3.2 Время жизни капель в зависимости от температуры.

3.3.3 Влияние температуры и физико-химических свойств системы на время второй стадии процесса.,.

3.3.4 Исследование осаждения полимер-мономерных частиц в. реакционном блоке полного вытеснения.

3.3.5 Влияние температуры на время полимеризации частиц и их конверсию на третьей стадии процесса.

3.4 Анализ полученных результатов.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КИНЕТИКИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ.

5.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТА10В ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЦЕССА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика и аппаратурное оформление непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата»

Данная диссертационная работа направлена на изучение свойств, поведения системы и выработки рекомендаций по аппаратурному оформлению непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата (ММА), а именно проблемы перевода периодического метода суспензионной полимеризации ММА, осуществленного в настоящее время в промышленности и имеющего ряд недостатков, на непрерывный.

Методом полимеризации в суспензии можно получать материалы с разнообразными физико-механическими свойствами, приобретающие все большее техническое значение, поэтому выпуск суспензионных полиметилметакрилатов (ПММА) литьевых марок с каждым годом возрастает. Мощный и быстрый подъем производства суспензионного ПММА обусловлен, прежде всего, высокой экономичностью технологического процесса, огромную роль играет также то, что переработка осуществляется высокопроизводительными методами литья под давлением и экструзии, которые дают возможность полностью автоматизировать процессы получения полуфабрикатов и изделий технического и широкого потребления. Ведущее место среди методов переработки суспензионного ПММА занимает литье под давлением. Этим методом перерабатывается более 70% суспензионного полимера. Экструзионным методом, в основном, изготавливаются стержни, трубы различного назначения и листы с рифленой поверхностью (светорассеиватели).

Актуальность работы. В настоящее время имеет место резкое увеличение темпов роста производства суспензионного полиметилметакрилата (ПММА) литьевых марок. Периодический метод производства, реализованный в промышленности, не обеспечивает стабильности свойств готового продукта различных партий, кроме того, предполагает значительные затраты ручного труда. Осуществляемое в объемных реакторах механическое перемешивание не может гарантировать получение монодисперсных частиц Заданного размера. Наличие в системе гранул диаметром <0.1 мм обуславливает в дальнейшем неизбежные потери готового продукта при отмывке от стабилизатора и затрудняет этот процесс.

Полимеризация ММА по непрерывной схеме позволит избежать перечисленных недостатков присущих периодическому методу, кроме того дает возможность получения монодисперсных гранул заданного размера. Однако, отсутствие достаточных данных по факторам, влияющим на суспензионную полимеризацию ММА в непрерывном процессе, а также отсутствие эффективного аппаратурного оформления процесса задерживает развитие данной области.

В связи с этим, проведенные в данной работе исследования кинетики непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА, а также аппаратурное оформление метода имеют актуальное научное и практическое значение.

Работа выполнена в рамках региональной научно-технической программы РФ "Черноземье", по разделу "Разработка аппаратурного оформления непрерывных процессов производства акриловых дисперсий" , 1999-2001 г.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию кинетики и разработке аппаратурного оформления для непрерывного процесса полимеризации ММА в суспензии. В соответствии с этим в задачу данной работы входило: анализ современного состояния процесса и оборудования для полимеризации ММА в суспензии; исследование и выбор метода диспергирования углеводородной фазы (УФ), выбор соответствующего диспергирующего устройства; исследование кинетики процесса полимеризации на разных стадиях превращения системы; математическое моделирование кинетики процесса полимеризации с целью минимизации продолжительности процесса; аппаратурное оформление метода; разработка технических решений, реализующих предложенный способ полимеризации ММА.

Научная новизна. Разработан и исследован способ струйного диспергирования углеводородной фазы, позволяющий получать монодисперсную эмульсию с каплями заданного размера при совмещении процессов диспергирования и смешения в одном аппарате. Получены расчетные зависимости для определения размера капель и предложен тип реакционного аппарата для данной стадии процесса.

Экспериментально исследованы кинетические зависимости и продолжительность каждой стадии непрерывного процесса суспензионной полимеризации. Предложена методика инженерного расчета конструктивных параметров реакционного блока полного вытеснения, позволяющая рассчитывать конструктивные параметры аппаратов различной производительности.

На основании проведенных исследований разработано аппаратурное оформление для непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата в суспензии.

Практическая ценность. Разработана технология производства суспензионного полиметилметакрилата непрерывным методом, позволяющая получать полимер литьевых марок с гранулами заданного размера.

Разработанная математическая модель кинетики полимеризации позволяет минимизировать время полимеризации, учитывает перепады температур в гранулах и обеспечивает получение полимерного материала с заданной степенью конверсии.

Проведено исследование предложенной технологии на лабораторной. установке и выданы рекомендации по организации процесса в промышленных 7 условиях - типы реакционных аппаратов с мешалкой для первой и второй стадий процесса и схема установки для непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата.

Результаты работы внедрены на «ТамбовНИХИ».

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 156 Границ основного текста, 45 рисунков, 23 таблицы и список использованных источников из 110 наименований.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Гунин, Виталий Анатольевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Предложен и обоснован технический способ полимеризации метилметакрилата в суспензии по непрерывной схеме, позволяющий значительно сократить потери готового продукта, уменьшить количество агломератов, а также снизить затраты ручного труда.

2.Разработано аппаратурное оформление каждой стадии данного процесса и всего процесса вцелом. Изготовлена экспериментальная установка для осуществления непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата, позволяющая изучить особенности предложенного процесса.

3.Предложен и исследован способ струйного Диспергирования углеводородной фазы, позволяющий получать монодисперсную эмульсию с каплями заданного размера. Выбрано диспергирующее устройство струйного типа. Получены эмпирические расчетные зависимости для определения размера капель.

4.Проведены экспериментальные исследования кинетических зависимостей на каждой стадии в непрерывном процессе полимеризации метилметакрилата в суспензии, позволяющие выбрать оптимальные условия проведения процесса.

5 .Разработана математическая модель кинетики полимеризации, учитывающая перепады температуры в гранулах полимера, которая позволяет рассчитать оптимальное время полимеризации и выбрать температурный режим ведения процесса, соответственно минимизировать его продолжительность.

6.На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена методика инженерного расчета реакционного блока для третьей стадии непрерывного процесса полимеризации с использованием представленной математической модели и результатов исследований.

128

7.Выданы рекомендации по организации процесса в промышленных условиях с использованием разработанного аппаратурного оформления - типы реакционного аппарата с мешалкой для первой и второй стадий процесса и схема установки для непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата.

5.1 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

В настоящем разделе рассматриваются рекомендации по организации непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА в промышленных условиях с использованием предложенного способа полимеризации и разработаны конструкции реакторов-полимеризаторов Для его осуществления. Также приводится алгоритм расчета параметров аппарата для данного процесса, в частности рассмотрена методика расчет^ реакционного блока полного вытеснения.

На основе анализа результатов экспериментов, а также исходя из теоретических предпосылок для организации непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА предлагается установка рис.5.1.

Установка состоит из реактора 1 для первой и второй стадий и системы реакторов 2, 3, 4, 8 для третьей стадии. Реакторы снабжены рубашками для обогрева их жидким теплоносителем. Верхний реактор 1, представляющий собой аппарат полного смешения, снабжен перемешивающим устройством 5, конструкция которого обеспечивает перемешивание УФ без значительной деформации и дробления частиц, позволяет избежать образования центральной воронки, что в значительной мере уменьшает риск образования агломератов. Перемешивающее устройство также служит для создания тангенциального потока СФ для диспергирования УФ. Диспергирование УФ осуществляется в результате направленного распада струй мономера (форполимера) ММА из отверстий вертикального диспергирующего устройства струйного типа 6. Данный тип диспергирования обеспечивает получение монодисперсной исходной эмульсии в виде капель заданного размера (см. разд. 3.2). СФ из расходной емкости 19 предварительно деаэрируется в вакуумном деаэраторе,

Рис.5.1 Установка для промышленной полимеризации ММА в суспензии непрерывным способом:

1 - реактор для первой и второй стадий; 2, 3, 4 - реакторы для третьей стадии; 5 -перемешивающее устройство; 6 - диспергирующее устройство; 7 - плоскопараллельная насадка; 8 - дозреватель; 9, 10, 11 - сборники; 12 - 3*-ходовой кран; 13, 16, 19 - расходные емкости; 14 - форполимеризатор; 15 - охладитель; 17. 18 -дозировочный насос; 20 - деаэратор; 21 - бак-аккумулятор; 22 - подогреватель работающем в режиме малого вакуума (15 - 60 кн/м~), для предварительного подогрева СФ служит подогреватель 22. Деаэрированный раствор стабилизатора собирается в баке-аккумуляторе 21, откуда он дозировочным насосом 18 подается в верхнюю часть реактора 1. В качестве УФ может быть взят как мономер ММА, так и его форполимер. Дозирование УФ осуществляется дозировочным насосом 17 из расходной емкости 13. Для приготовления форполимера служит форполимеризатор 14 и охладитель 15, где форполимер собирается. Для исключения агломерирования и засорения УФ в диспергирующем устройстве, которое возможно при аварийной остановке процесса, предусмотрена промывка диспергирующего устройства. Вода для промывки находится в расходной емкости 16. Для исключения попадания воды в аппарат во время процесса система снабжена обратным клапаном.

Первая и вторая стадии процесса полимеризации, при которых плотность частиц УФ не превышает плотности СФ, осуществляется в аппарате I, где частицы постоянно перемешиваются. По мере увеличения плотности частиц, наступает момент, когда рУФ становится больше рСФ. Частиды осаждаются в нижнюю часть реактора и поступают в реакционный блок полного вытеснения, образованный последовательно соединенными реакторами 2, 3 и 4. Внутри реакторов смонтированы пакеты из плоскопараллельных наклонных насадок 7, которые служат для увеличения времени пребывания частиц в реакционном блоке, причем угол наклона элементов насадок меняется по высоте аппарата (ах > а2 > «з) с учетом возрастания плотности полимеризующихся гранул. Полимеризацию в реакционном блоке вытеснения целесообразно проводить до степени конверсии гранул Ф да 65-70% - конверсия при которой частицы окончательно затвердевают и их взаимные контакты не приводят к коагуляции и флокуляции гранул. Для завершения процесса, т.е. доведения гранул до заданной степени конверсии предлагается дозреватель 8, представляющий собой наклонный реактор, в который частицы поступают из реакционного блока вытеснения. Угол наклона аппарата выполняется минимальным (1-2°). Внутри реактора вращается рамная мешалка, что обеспечивает винтообразное перемещение частиц по длине аппарата. Конверсия гранул на выходе из данного аппарата регулируется его длиной и углом наклона. Плотность твердых гранул выше плотности среды, поэтому они через нижний штуцер выводятся из аппарата и поступают в сборник 9, где они охлаждаются. В дальнейшем, с помощью 3--ходового крана 12 частицы поступают в сборники 10 и 11 и выводятся из аппарата. СФ после очистки можно использовать для последующих циклов полимеризации, периодически заменяя ее новой. Описанный метод обеспечивает получение однородных гранул ПММА заданного размера.

Для аппаратурного оформления непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА было разработано несколько вариантов реакторов-полимеризаторов с перемешивающими устройствами, позволяющими обеспечивать перемешивание дисперсной фазы без значительной деформации и дробления частиц и, кроме того, исключать образование центральной воронки, а следовательно значительно уменьшить образование агломератов (рис.5.2). На представленные конструкции реакторов-полимеризаторов были поданы заявки на авторское свидетельство. В обоях случаях получены положительные решения.

На рис. 5.2(a) перемешивающее устройство реактора-полимеризатора выполнено из двух ярусов: первого в верхней части реактора, представляющего собой параболоид вращения, снабженный лопастями, с размерами, приближающимися к размерам центральной воронки, и второго, представляющего собой лопастную мешалку, расположенную в нижней части аппарата с целью обеспечения своевременной выгрузки частиц. Диспергирование частиц осуществляется в верхней части реактора посредством вертикального диспергирующего устройства струйного типа.

Конструкция реактора-полимеризатора на рис.2.3(6) отличается тем, что верхняя секция мешалки выполнена из четырех ярусов с наклонными лопастями, перекрывающими друг друга, отличающихся углами наклона лопастей а{ > а2 > а^ > а4, где а{ = 10°, а2 = 15°,огз = 20 0,а4 = 25°.

Рис.5.2 Реактор-полимеризатор для суспензионной полимеризации ММА:

1 - реактор-полимеризатор; 2 - перемешивающее устройство; 3 - диспергирующее устройство а) - перемешивающее устройство - параболоид вращения с лопастями; ДФ подается сверху; б) - перемешивающее устройство - параболоид вращения с наклонными лопастями; ДФ подается снизу

Диспергирование осуществляется в нижней части аппарата диспергирующим устройством струйного типа через систему перфорированных трубок каплевидного сечения, объединенных коллектором снаружи аппарата.

Мешалка работает в ламинарном режиме, поэтому, частицы всплывая, перемещаются по поверхности лопастей, переходя с одной лопасти на другую. Причем, более легкие частицы перемещаются ярусами мешалки с меньшими углами наклона лопастей, а более тяжелые перемещаются ярусами мешалки с большими углами наклона лопастей, что обеспечивает относительно равномерное распределение ДФ по высоте слоя. Форма мешалки также исключает образование центральной воронки.

Рассмотренные перемешивающие устройства предназначены для работы в ламинарном гидродинамическом режиме, что практически исключает дробление частиц дисперсной фазы и может обеспечить получение монодисперсных гранул.

Представленные конструкции реакторов-полимеризаторов могут быть использованы для обеспечения первой и второй стадий непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА и возможно его сополимеров.

5.2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА АППАРАТА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ММА В СУСПЕНЗИИ

Поскольку организация производственного процесса суспензионной полимеризации ММА по непрерывной схеме предполагает использование нестандартного оборудования, в частности реакционного блока полного вытеснения, необходимо привести алгоритм расчета конструктивных параметров данного аппарата.

В соответствии с анализом результатов экспериментов, очевидно, что важнейшее значение для эффективного ведения процесса полимеризации играет тепловой режим данного процесса, который оказывает непосредственное влияние на продолжительность полимеризации. Поэтому, определение конструктивных параметров аппарата следует начинать с определения оптимального температурного режима и оптимального времени процесса. Данная задача решается подстановкой в уравнение кинетической модели известных параметров: начальной температуры полимеризации, констант для определения характеристического времени полимеризации, энергии активации, эффективность инициатора и др. Модель позволяет определить оптимальные температуры в каждом из реакторов, оптимальную продолжительность процесса при его ведении в данном температурном режиме, а также показывает степень конверсии гранул в заданный период времени.

Таким образом, на основе вышеизложенного можно, рекомендовать следующую методику расчета конструктивных параметров реакционного блока полного вытеснения:

Входные параметры: производительность аппарата; соотношение фаз; диаметр получаемых гранул; концентрация защитного коллоида; угол наклона пластин реакционного блока.

Расчет температуры в реакторах и определение оптимальных параметров: температурный режим (оптимальная температура в каждом из реакторов); продолжительность каждой стадии процесса.

Расчет конструктивных параметров реакционного блока полного вытеснения:

1 .Диаметр аппарата: n = (5.1) (5-2)

V п fV0 где San - площадь сечения аппарата; Qp - расход поступающей в аппарат дисперсной фазы.

2.Рабочая длина элемента насадки: l*ac=Tjy0 (5-3) где Тпл - максимально допустимое время пребывания гранулы на пластине; W0 - скорость гранулы при поступлении в аппарат.

3.Количество пластин насадки в вертикальной плоскости:

TW СР■' /с л\ нас где Tj - время пребывания частиц в каждом реакторе; Wcp j - средняя скорость гранул в i реакторе (формула из раздела 3.3.4)

W(=eg+sLlnL где б' - коэффициент (s = 0.001), a g зависит от температуры процесса и угла наклона элементов насадки: g = у + xt / In t приашс = 10° у ~ -1.25 х = 0.089; атс= 20° у =-1.26 х= 0.077; анас =30° j =-0.5 х= 0.068

4.Количество пластин в горизонтальной плоскости: n2j=D/(Xj-yj) ■ (5.6)

Xj = cos ccj ■ (нас; уj = sin а-, • Л, (5.7) h\ = X ' dmax (5.8) где Xj, у,-, h{ - геометрические параметры; dmax - максимально возможный размер гранул; % - коэффициент запаса ( х = 2).

5.Высота аппарата:

Lj nVi(x, +yt)

5.9) (5.10)

Xj = sin a• t mc; у,- = cos a, • hx

Используя вышеизложенную методику, приведем примерный расчет конструктивных параметров реакционного блока полного вытеснения установки для непрерывной полимеризации ММА в суспензии.

Для расчета примем следующие входные параметры: производительность аппарата Q =25 кг/ч, соотношение УФ и СФ - 1:3, диаметр получаемых частиц dk = 3 мм, концентрация защитного коллоида сст = 0.15%. В качестве УФ, поступающей в аппарат, используем мономер ММА.

Для проведения полимеризации по непрерывной схеме выбираем реакционный блок полного вытеснения, состоящий из 3~ вертикальных реакторов с вмонтированными в них пакетами стеклоэмалированных пластин, представляющих в совокупности плоско-параллельную насадку. Угол наклона элементов насадок изменяется по высоте аппарата - в каждом из реакторов (a 1 > а2 > а3). Полимеризацию в реакционном блоке вытеснения целесообразно проводить до степени конверсии гранул Ф » 70%. Дальнейшая полимеризация гранул происходит в дозревателе, представляющем собой наклонный аппарат с вращающимся цилиндрическим ротором и углом наклона

Определение конструктивных параметров аппарата начинаем с расчета кинетической кривой полимеризации, определения оптимального температурного режима и минимальной продолжительности процесса. Для этого в уравнение кинетической модели подставляем известные параметры: эффективность инициатора (обычно инициатору перекиси лаурила приписывается значение / = 0.6%; эффективную энергию активации (Еар = 124,5 кДж); радиус полимерных гранул (Rr = 1.5 мм); константы для определения характеристического времени полимеризации (а =5.46, Ъ = -1.58). а = 1-2 . о

Температурный режим представляет собой ступенчатое изменение температуры в каждом из последующих реакторов малыми шагами {At < 3°С).

Из кинетической модели находим, что для обеспечения данной стадии процесса, с учетом устойчивости системы, температурный режим имеет вид: t, = 84.3°С, t2 = 87°С, t3 = 89.9°С, t4 = 92.8°С где tj - температура в реакторе смешения для \ш и 2т стадий полимеризации; t2, t3, t4 - температура в 1-, 2— и 3м реакторах вытеснения, соответственно.

С учетом того, что на выходе из реактора смешения конверсия полимер-мономерных частиц достигает « 28%, из кинетической кривой находим, что продолжительность полимеризации в реакционном блоке полного вытеснения до степени конверсии гранул Ф « 70% при заданном температурном режиме составляет Тп= 16 мин.

Определение исходных параметров реактора смешения для Р и 2-стадий процесса.

Для определения объема аппарата необходимо знать объем каждой из фаз: v^ = туф

Рср где тпу<р - масса УФ, которая находится в аппарате в каждый момент времени, рср - средняя плотность УФ.

При температуре в реакторе // = 84.3°С время второй стадии, при которой частицы пребывают в данном аппарате Т= 28 мин. (рис.3.12), следовательно туф = 11.6 кг. Плотность мономера ММА рт = 935 кг/м , плотность УФ, соответствующая окончанию второй стадии рт2 - 1000 кг/м3, тогда,

935 + 1000 07П з

Рср =-2-= 9 '

1 1.6 , « 1Г. 2 3 1.2 х 10 м

При соотношении фаз 1:3 объем сплошной фазы:

3 • 1 1.6 . 1 n2 3

Vr® =-гтг- = 3.5 x 10 м .

Сф 1000

Рабочий объем аппарата: van = vv0 + vc0 = (1-2 + 3.5) X Ю-2 = 4.7 х 10~2 м3.

Исходя из результатов экспериментов для обеспечения 1— и 2Ш стадий процесса может служить реактор-полимеризатор с соотношением его высоты к диаметру 6:1, поэтому в соответствии с полученным объемом, выбираем аппарат с Н = 1.26 м и D = 0.21 м.

Определение конструктивных параметров реакционного блока полного вытеснения.

Исходными данными для определения конструктивных параметров реакционного блока вытеснения являются: угол наклона элементов плоско-параллельой насадки и длина элемента насадки, которые выбираются исходя из экспериментальных данных, а также время полимеризации и температура в каждом из реакторов.

Длина элемента насадки выбирается в соответствии с устойчивостью системы с учетом того, чтобы время пребывания полимер-мономерных частиц на пластине не превышало 30-40 сек. Данное условие базируется на результатах исследований, представленных в работах [25, 26, 27, 64]. Учитывая скорости частиц в реакционном блоке по высоте аппарата (разд.3.3.4), а также учитывая, что при осаждении гранул работает не вся длина пластины, выбираем длину элемента насадки I тс = 50 мм, которая обеспечивает выполнение заданного условия.

Угол наклона элементов насадок изменяется в соответствии с возрастанием плотности частиц, и уменьшается по высоте (в каждом из реакторов) для снижения скорости частиц (ах =30 ; а2 - 20 ; а3 = 15°).

Первым этапом расчета является определение площади сечения, которое обеспечивает расход УФ, с последующим выбором необходимого количества пластин каждой насадки.

Расход поступающей в аппарат дисперсной фазы:

Р„ъ 3600 где G - массовый расход УФ; рт3 - плотность УФ, соответствующая началу стадии процесса (ртЪ = 1008 кг/м3).

Qd = —----J— = 0.69 х 10"5 м3/с. d 1008 3600

Площадь сечения, обеспечивающая расход УФ:

Sd=Qd/ w0 где w0 - скорость гранул при поступлении в аппарат.

Исходя из экспериментальных данных (рис.3.16) w0 = 2.14x10"3 м/сек (а{ = 30°).

Sd = 0.69 х 10"5 / 2.14 х 10"3 = 3.22 х 10-3м2. С учетом соотношения фаз, площадь сечения аппарата:

San = 4 • 3.22 х 10~3 = 1.29 х 10~г' м2. Из данного расчета следует, что диаметр реакционного блока Dр б = 0.14 м. Для обеспечения гарантированного монодисперсного слоя на поверхности пластин принимаем Dр б = 0.2 м.

Расстояние между пластинами плоско-параллельной насадки в горизонтальной и вертикальной плоскостях, необходимое для свободного прохождения гранул полимера, образуется максимально возможным диаметром частиц (dmax = 5 мм) с учетом коэффициента запаса х = 2 мм: k = Х-dmax = 1° мм. Следующим шагом является определение длины всего реакционного блока Lo6ll(. Данный параметр рассчитывается с учетом скорости осаждаемых гранул в каждом из реакторов при соответствующем угле наклона элементов плоско-параллельной насадки.

Для расчета необходимо задаться начальным значением величины Ьобщ.

Выбираем Ьоб1Ц = 1.5 м, т.е. высота каждого из реакторов Lx = L2 = L3 = 0.5м.

При рассчитанном диаметре реакторов, входящих в реакционный блок, путем геометрического построения (решением простого прямоугольного треугольника) при соответствующем угле наклона элемента насадки и Ьобщ находим количество элементов насадки в вертикальной п/ (по высоте аппарата) и в горизонтальной п2 ( по диаметру аппарата) плоскостях. Для решения воспользуемся схемой расчета (рис.5.3). х

Рис.5.3 Схема к расчету реакционного блока полного вытеснения

Количество пластин в вертикальной плоскости: = £//(*/ +У,)

Xj = sin ai • t нас; yj = cos a• h нас >

Тогда для каждого реактора находим: щ, = 0.5 / (sin 30 • 0.05 + cos 30- 0.01) = 14 пластин; п[2 = 19 пластин; я13 = 22 пластины. Количество пластин в горизонтальной плоскости: n2J = D/(xj -yj)

Xj = cos a, ■ t нас ; уj = sin at • h{ п2\ = 0.2 / [cos 30 • 0.05 - sin 30 • 0.01) = 5 пластин; п22 = 5 пластин; п23 = 4 пластины.

Для достижения степени конверсии 70% необходимо систему полимеризовать 15-16 мин. Данное время складывается путем суммирования времен полимеризации в каждом из реакторов: где Tnj - время пребывания гранул на пластине по высоте в каждом из реакторов. где wcpj - средняя скорость движения частиц по элементу насадки по высоте аппарата; - коэффициент, учитывающий эффективную длину элемента насадки, которая зависит от угла наклона насадки (у9, =0.7, fi2 =0.75,/?3 = 0.8).

Значение скорости wcp, при соответствующей температуре в каждом из реакторов находим из графиков рис.3.19 (разд.3.3.4): о т л wcpA = 2.55 х 10 м/с; wcp 2 = 2.15 х 10 м/с; wcp 2> = 3.15 х 10 м/с.

Однако, при движении гранул по высоте реактора необходимо ввести поправочные коэффициенты, учитывающие изменение угла наклона элемента насадки и температуры в ходе осаждения гранул. Данные коэффициенты выбираются исходя из анализа графиков рис.3.16 и 3.19: ^ = 1; = 0.78;

Гз = 0.72.

Тогда имеем: wcpA = 2.55 х 10"3 м/с; wcp 2 = 0.78 • 2.75 х Ю-3 = 2.14 х 10"3 м/с; wcp3 = 0.72 • 3.15 х 10~3 = 2.25 х 10"3м/с.

Время полимеризации в каждом реакторе:

ХГя1 = 14-(о.7-0.05/ 2.55 xlO~3) = 192.1 сек; X Тп2 = 19 • (0.75 • 0.05 / 2.14 х 10~3) = 332 сек; %Тп2 = 22-(0.8-0.05/ 2.25 х 10~3) = 352 сек.

Общее время полимеризации:

192 + 332 + 352

У т =---= 14.6 мин.

Е 60

Видно, что выбранная длина реакционного блока не удовлетворяет заданным условиям {Тъ<Тобщ), поэтому дальнейший расчет ведем путем последовательного приближения. Принимаем Ьобщ = 1.8 м, тогда высота каждого из реакторов L{ = L2 = L3 = 0.6 м. Повторяем порядок расчета с определения количества элементов насадок в каждом из реакторов. Количество пластин в вертикальной плоскости: щ ] = 0.6 / [sin 30 • 0.05 + cos 30 • 0.01) = 17 пластин; п|2 =23 пластины; и13 =27 пластин. Количество пластин в горизонтальной плоскости остается прежним:

21 = 5 пластин; п22 - 5 пластин; п23 = 4 пластины. Средняя скорость гранул, движущихся по пластине: wcpA = 2.6 х 10~3 м/с; wc„ 2 = 0.78 • 3.2 х 10~3 = 2.5 х 10~3 м/с; w срЗ 0.72-3.6x10'3 =2.6x10~3 м/с.

Время полимеризации в каждом реакторе:

X ТпХ = 17 • (0.7 • 0.05 / 2.6 х 10~3) = 262 сек;

X Тп2 = 23 • (0.75 • 0.05 / 2.5 х 10~3 ) = 404 сек;

I Тп2 = 27 • (0.8 • 0.05 / 2.6 х 10"3) = 488 сек.

Общее время полимеризации:

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гунин, Виталий Анатольевич, 2000 год

1. А.с. № 165087 ПНР, кл. B01J 1/00, C08f 1/98, опубл. 7.09.73

2. Байзенбергер Дж.А., Себастиан Д.Х. Инженерные проблемы синтеза полимеров / Пер. с англ. М.: Химия, 1988. - 688 с.

3. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Кинетика полимеризационных процессов. М.: Химия, 1978.-320с.

4. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И. Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.

5. Будтов В.П., Консетов В.В. Тепломассоперенос в полимеризационных процессах. М.: Химия, 1983. 256 с.

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

7. Вольфтер Б.В., Сальников И.Е. Устойчивость режимов работы реакторов. М.: Химия, 1972. 192 с.

8. Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Расчеты высокоэффективных полимеризационных процессов. М.: Химия, 1980. 311 с.

9. Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С., Ошмян В.Г. Моделирование полимеризационных процессов в каскаде реакторов полного смешения // Пласт, массы. 1977, №1, С. 9-11

10. Гельперин Н.И., Пебалк В.А., Констанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. М.: Химия, 1977.-273 с.

11. Гидродинамика межфазных поверхностей: Сб. статей 1979-1981 г.г. / Пер с англ. М.: Мир. 1984.-210 с.

12. Гидродинамическое взаимодействие частиц в суспензиях / Пер с англ. М.: Мир. 1986. -246 с.

13. Гидродинамические явления переноса в двухфазных дисперсных системах: сб. науч. тр. Иркутск, 1989. -120 с.

14. Гладышев Г.П., Попов В.А. Радикальная полимеризация при глубоких степенях превращения. М.: Наука, 1974. 243 с.

15. Глейзер Р.Г., Файдель Г.И., Шатхан Ф.А. Оптимизация режимов работы каскада реакторов при термоинициированной полимеризации стирола // Пласт, массы, 1976, №10,-С. 66-67

16. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов. М.: Иностранная литература, 1963. 667 с.

17. Гудимов М.М., Перев Б.В. Органическое стекло М.: Химия. 1981,216с.

18. Гунин В.А., Павлов Н.В. О возможности использования реакторов-полимеризаторов непрерывного действия для полимеризации метилметакрилата в суспензии // Проблемы химии и химической технологии: Тез. докл. VIII регион, конф. Воронеж, 2000. - С.148 - 150

19. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости / Пер. с англ. М.: Энергия, 1971.-480 с.

20. Дисперсионная полимеризация в органических средах / под ред. К.Е. Дж. Барретта: Пер. с англ. Л.: Химия, 1979. - 338 с.

21. Дорохов И.Н., Кафаров В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Экспертные системы для совершенствования промышленных процессов гетерогенного катализа. М.: Наука, 1989. 395 с.

22. Елисеева В.И. Полимерные дисперсии. М.: Химия, 1981.-295 с.

23. Елисеева В.И., Иванчев С.С., Кучанов С.И. Эмульсионная полимеризация и ее применение в промышленности. М.: Химия, 1976. 240 с.

24. Зарандия Ж.А., Гунин В.А., Павлов Н.В. Исследование устойчивости системы при полимеризации метилметакрилата в суспензии на различных стадиях превращения // IV науч. конф. ТГТУ: Тез. докл. Тамбов, 1999. - С. 2,0

25. Зарандия Ж.А., Гунин В.А., Павлов Н.В. Исследование устойчивости системы в процессе полимеризации метилметакрилата в суспензии // Сб. науч. тр. ТГТУ, вып.З Технологические процессы и оборудование Тамбов, 1999. -С.90 - 93

26. Зонтаг X., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. JL: Химия. 1973. 151 с.

27. Иванчев С.С. Радикальная полимеризация. JL: Химия, 1985. 280 с.

28. Кабанов В.А., Зубов В.П., Семчинов Ю.Д. Комплексно-радикальная полимеризация. М.: Химия, 1987. 256 с.

29. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

30. Каргин В.А. Синтез и химические превращения полимеров. М: Наука, 1981.-393 с.

31. Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. ПульсационнаЯ: аппаратура в химической технологии. М.: Химия, 1983. 224 с.

32. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: Основы стратегии. М.: Наука, 1976. $00 с.

33. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: Топологический принцип формализации. М.: Наука, 1979.-400 с.

34. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Дранишников JT.B. Системный анализ процессов химической технологии: Процессы полимеризации. М.: Наука, 1991. -350 с.

35. Кафаров В.В, Глебов Н.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высш. шк., 1991. 400 с.

36. Кинетика полимеризации и молекулярные характеристики полимеров: Сб. научн. трудов / Под ред. А.А. Баулина. В.Н. Павлюченко. Д., 1982. - 160 с.

37. Клейтон А. Эмульсии в технике / Пер. с англ. -Д.: Химия, 1976. 552с.

38. Кочин Н.Е. Теоретическая гидромеханика / Под ред. И.А. Кибеля. -М.: Наука, 1963.- 583 с.

39. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973. 391 с.

40. Кубенко В.Д. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации. Киев: Наукова думка, 1989. 152 с.

41. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 1970.-659 с.

42. Кучанов С.Н. Методы кинетических расчетов в химии полимеров. М.: Химия. 1978.-368 с.

43. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. T.IV, Гидродинамика. М.: Наука, 1988. - 736 с.

44. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехтеориздат, 1954.- 648 с.

45. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959.- 668 с.

46. Марек О., Томка М. Акриловые полимеры / Пер. с чешского М.: Химия, 1966. - 320 с.

47. Маурин Л.Н. Одномерные двухфазные течения / Сб. статей, М.: МГУ, 1989.- 83 с.

48. Механика жидкостей и межфазных сред / Под ред. А.Ф. Файзулаева. -Ташкент: Фан, 1991. 139 с.

49. Мидлман С. Течение полимеров. М.: Мир, 1972.-260 с.

50. Моделирование и аппаратурно-технологическое оформление процессов получения полимерных пластмасс: Сб. научн. трудов / Под ред. В.В. Консетова. Л., 1982. - 83 с.

51. Николаев А.Ф. Технология пластических масс. Л: Химия, 1977. 368с.

52. Олевский В.М., Ручинский В.Р. Роторно-пленочные тепло- и массообменные аппараты. М.: Химия, 1984. 240 с.

53. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизация химико-технологических процессов: Теория и практика. М.: Химия, 1967. 240 с.

54. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химических реакторов. М.: Химия, 1967. 248 с.

55. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических систем. М.: Химия, 1975. 350 с.

56. Оудиан Дж. Основы химии полимеров. М.: Мир, 1974. 616 с.

57. Павлов Н.В. Особенности полимеризации стирола в суспензии и тип реактора : Труды ТИХМа, выпуск 4, Тамбов, 1970

58. Павлов Н.В., Левин А.Н. Плучение полистирола в гранулах заданного размера // Пласт, массы №3, 1967. С. 67-68

59. Павлов Н.В., Плановский А.Н. Исследование распада струй форполимера на капли // Пласт, массы №4, 1968

60. Пажи Д.Г. Основы техники распиливания жидкостей М. Химия, 1984. 254 с.

61. Патент ЕР № 0212974, В01J 4/00, опубл. 15.03.8966. Пат. Англ. № 709919

62. Перлмуттер Д. Устойчивость химических реакторов / Пер. с англ. JL: Химия, 1976,-256 с.

63. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976.504 с.

64. Поверхностные явления в полимерах. Киев: Наукова думка, 1976.392с.

65. Подвальный С.А. Моделирование промышленных процессов полимеризации. М.: Химия, 1979. 255 с.

66. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г. Гамкелидзе Р.В. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. 392 с.

67. Пригожин М.Н., Киселев Ю.Н. Методология разработки кинетических моделей процесса синтеза полимеров//Пласт, массы, 1979, №2. -С.8-9

68. Применение вычислительной математики в химической и физической кинетике / Под ред. Л.С. Полака. М.: Наука, 1969. 280 с.

69. Распыливание жидкостей / Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Клячко, Б.В. Новиков, В.И. Ягодин М. Машиностроение, 1977.-207 с.

70. Реакции в полимерных системах / Под ред. С.С. Иванчева. Л.: Химия, 1987.-293 с.

71. Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. М.: Наука, 1978. 368 с.

72. Рей У. Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983. 386 с.

73. Розенберг Б.А., Ирмак В.И., Ениколопян Н.С. Межцепной обмен в полимерах. М.: Химия. 1975, 237 с.

74. Русанов А.И. Поверхностные явления в жидостях. Л.: ЛГУ, 1975.263с.

75. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления Л.: Химия, 1967. 388 с.

76. Силинг М.И., Равер А.Е., Булгакова М.А. Моделирование кинетики4»процесса и молекулярно-массового распределения продуктов радикальной полимеризации // Пласт, массы, 1980, №7. С.9-11

77. Синтез и модификация полимеров. М.: Наука, 1978. 230 с.

78. Синтез и модификация полимеров: Межвуз. Сб. научн. тр. -Чебоксары, 1989. 131 с.

79. Синтез и химические превращения полимеров / Под ред. Б.И. Тихомирова. Л., 1979. 264 с.

80. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. М.: Машиностроение, 1968. 140 с.

81. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971

82. Справочник химика, т.1 Л. - М.: Энергия, 1968

83. Справочник по химии полимеров / Ю.С. Липатов, А.Ё. Нестеров, Т.М. Гриценко и др. Киев: Наукова думка, 1971. 536 с.

84. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Ко^Щака. М.: Химия, 1985.- 560 с.

85. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов, С.Е. Буравой, В.В. Куренин Л.: Машиностроение, 1986. 256 с.

86. Торопцева A.M. Лабораторный практикум по химии и технологии ВМС. Л. Химия, 1972. 415с.

87. Уоллис Г.Б. Одномерные Двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440 с.

88. Фортье А. Механика суспензий / Пер. с франц. М.: Мир, 1971.- 264 с.

89. Фролов ЮТ. Курс коллоидном химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1988. 464 с.

90. Фрэнке Р. Математическое моделирование в химической технологии. М.: Химия, 1971.-267 с.

91. Чернобыльский И.И., Хайтин Б.Ш. Полимерные аппараты. Харьков: Коммунист, 1968. 162 с.

92. Шестопалов В.В Математические модели химико-технологических процессов и систем. 4.1. М.: МХТИ, 1977.-407 с.

93. Эмульсии / Под ред. А.А. Абрамзона. Л.: Химия, 1972. 448 с.

94. Chen S.A., Jeng W-F. //Chem. Eng. Sci. 1978. Vol.33. 735 p.

95. Fitch R.M., Watson R.C. //J.Coll. Interface Sci. 1979. Vol.68, N1.

96. Husain A.,Hamielec A.E. // J. Appl. Polym. Sci. 1978. Vol.22, N11. P.1207-1223

97. Langer F., Moritz H., Richert K. // Chem. Eng. Sci. 1980. Vol.35. № 312. P.519 525

98. Lindt J.T.//Polim. Eng. Sci. 1981. Vol.21. 424 p.

99. Lipowicz M.R. // Can. J. Chem. Eng. 1988. Vol.66, № 4. P.591 598

100. Polymer processes. N.Y.: Wiley, 1977. 742 p.

101. Sacks M.E., Lee S-I., and Biesenberger J.A. // Chem. Eng. Sci. 1972. Vol.27. 2281 p.

102. Sacks M.E., Lee S-I., and Biesenberger J.A. // Chem. Eng. Sci. 1973. Vol.28. 241 p.

103. Tadmor Z. and Gogos C.G., Principles of Polimer Processing/ N.Y.: Wiley, 1979,425 p.

104. Teschamber Th., Fritz H., Streith S. // Helvetica Chimica Acta. 1985. Vol.68, № 5, P.1359 1362

105. Wu G., Denton L.A. and Laurence R. // Polym. Eng. Sci. 1982. Vol.22. № 1, P. 1 -30