Теоретическое обоснование расчёта реактора

РЕАКТОР ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ВИНИЛХЛОРИДА

Конструкция реактора

Основное оборудование стадии полимеризации представляют реакторы-полимеризаторы. На протяжении последних десятилетий в промышленном производстве суспензионного ПВХ используются реакторы с рабочим объемом от 25 до 200 м³. Применение реакторов большого объема позволяет уменьшить число единиц основного и вспомогательного оборудования, контрольно-измерительной техники и средств управления, арматуры и численность обслуживающего персонала. Значительно сокращается общая протяженность коммуникаций, число соединений, требующих уплотнения.

Скорость полимеризации в реакторах большого объема при использовании активных инициаторов такая же, как в реакторах небольшой емкости. Длительность вспомогательных операций (загрузки компонентов, выгрузки суспензии, промывки, чистки и т.д.) также практически одинакова. Поэтому с увеличением объёма реактора значительно увеличивается его удельная производительность, т.е. съем продукта с 1 м³ реакционного объема, которая составляет 300 т/(м³·год) и выше.

В то же время чрезмерное увеличение объема реактора приводит к ухудшению гидродинамических и тепловых условий полимеризации, снижению качества продукта и росту капитальных затрат по обеспечению безопасности процесса. При увеличении объема реактора соотношение площади поверхности охлаждающей рубашки и объема уменьшается, что усложняет отвод тепла реакции. Для обеспечения изотермических условий процесса применяют подачу охлаждённой до 5^оС воды в рубашку и используют обратный конденсатор, устанавливаемый над реактором. Реакторы-полимеризаторы большого объема требуют крупногабаритной аппаратуры для создания запаса сырья, приготовления растворов компонентов, более емкой аппаратуры для последующих стадий производства, а также электродвигателей, редукторов и насосов большей мощности. За рубежом в настоящее время в производствах суспензионного ПВХ используют реакторы объёмом 140 – 150 м³.

На рис. 2.2 представлена схема конструкции реактора полимеризации ВХ объемом 80 м³ конструкции Дзержинского филиала ЛенНИИхиммаша. Реактор имеет цельносварной корпус 4 из нержавеющей стали 10Х17Н13М2Т с полированной внутренней поверхностью и теплообменную рубашку (86 м²) со спиральной перегородкой, обеспечивающей высокую скорость потока охлаждающей воды для интенсификации теплообмена со стенкой корпуса.

Реактор имеет цельносварной корпус 4 из нержавеющей стали 10Х17Н13М2Т и теплообменную рубашку (86 м²) со спиральной перегородкой, обеспечивающей высокую скорость потока охлаждающей воды для интенсификации теплообмена со стенкой корпуса. Отношение высоты корпуса к его диаметру составляет 1,8, что обеспечивает поддержание однородных гидродинамических условий перемешиваемой среды во всем объеме реактора при использовании одной мешалки.

На крышке реактора расположены обратный конденсатор 2 (площадь поверхности теплообмена 74 м²) с устройством гидроочистки 1, люк 3, штуцеры для загрузки компонентов полимеризационной среды, установки предохранительной арматуры и контрольно-измерительных приборов. В нижней части корпуса имеется мешалка 7 с нижним приводом 10, состоящим из электродвигателя и редуктора. Вал мешалки уплотнен двойным торцевым уплотнением 12. В днище имеется донный клапан 8 с электроприводом и возможностью ручного обслуживания.

В реакторах полимеризации ВХ применяют лопастные мешалки типа Пфаудлер, отличающиеся отогнутыми кверху дугообразными лопастями, обращенными выпуклостями в сторону вращения. Благодаря такой форме и расположению лопастей мешалка обеспечивает высокую циркуляционную способность и однородный гидродинамический режим требуемой интенсивности во всем объеме перемешиваемой среды. Лучшему качеству перемешивания способствуют отражательные перегородки (называемые также контрмешалками).

В рассматриваемом реакторе установлены два трубчатых отражателя, закрепленных в штуцерах крышки и траверсах в нижней части с возможностью поворота вокруг осей. В зависимости от угла установки возможно изменение удельной мощности перемешивания среды на 20 – 25%. Внутрь трубчатых отражателей предусмотрена подача охлаждающей воды, что дает дополнительную поверхность теплообмена реактора (8,5 м²) и предотвращает образование полимерной корки на отражателе.

Уплотнение вала мешалки – торцевое двойное типа ТДПН с принудительной подачей в него защитной жидкости (воды) и запирающей жидкости (минерального масла) от маслонасосной станции.

Очистка стенок и внутренних устройств реактора осуществляется промывкой с помощью устройства гидроочистки 1, вводимого внутрь аппарата сверху через трубу, расположенную в осевой зоне кожухотрубчатого конденсатора 2. Моющая головка состоит из вращающихся сопел, в которые подается вода под высоким давлением (25 – 32 МПа). Выходящая из сопел водяная струя смывает со стенок налипший полимер за счет высокой кинетической энергии удара. Возникающая в соплах сила реакции используется для вращения сопловой насадки.

Кроме вращательного движения сопловой головки, устройство гидроочистки обеспечивает перемещение ее вниз и вверх вдоль оси аппарата. В рассматриваемой конструкции реактора ввод в аппарат моющей сопловой головки выполняется с помощью телескопически раздвижных труб.

Теоретическое обоснование расчёта реактора

Обычно при проектировании расчет выполняют для реактора заданного объема и заданной годовой мощности производства. Цель технологического расчета – определение производительности реактора, которая зависит от кинетических закономерностей процесса и условий отвода тепла реакции полимеризации. Расчёт содержит три этапа: балансы (материальный и тепловой), кинетика процесса, определение количества реакторов в установке.

Процесс суспензионной полимеризации ВХ периодический, и выход полимера с одной операции составляет

, (2.1)

где масса загрузки мономера ВХ, кг; объем реактора, м³; – коэффициент заполнения; – степень превращения (конверсии) ВХ; , – плотность жидкого мономера ВХ и воды соответственно, кг/м³; – водный модуль (отношение массы воды к массе мономера).