Берлин Ал.Ал., Прут Э.В. - Химические реакторы, страница 2

Второй адиабатический, при котором все тепло, выделяющееся в ходе реакции, расходуется на нагрев реагирующей массы. Возможны и любыепромежуточные режимы, когда часть тепла отводится, ачасть идет на нагрев или когда температуру в реакторепринудительно изменяют во времени для РИСПД илипо длине реактора (для РИВ).Рассмотрим установившийся тепловой режим вРИСНД.

Установившимся или стационарным называется такой режим работы РИСНД, когда концентрациивсех веществ и температура в реакторе постоянны пообъему и не меняются во времени. Такой режим обыч-32(2)WS=  ----- c p ( T – T 0 ) +  --- χ ( T – T 1 ). V V(3)На рис. 2 представлены схематически левая (рис.

2,1 ) и правая (рис. 2, 2 ) части уравнения (3). Точки пересечения – решения уравнения (3), то есть значения температур в стационарных условиях. В принципе могутсуществовать два устойчивых режима, соответствующие нижней и верхней точкам пересечения кривой 1 ипрямой 2. Третья средняя точка пересечения, если онасуществует, отвечает неустойчивому состоянию. Приэффективном теплоотводе или большой скорости подачи реагентов прямая 2 имеет большой угол наклона кгоризонтальной оси и существует единственная точкапересечения.

В этом случае работа реактора совершенно устойчива при различных температурах Т0 и Т1 . Еслипрямая 2 касается кривой 1, то реактор может устойчивоработать только при высоких температурах. Если теплоотвод через стенки отсутствует и все тепло реакции идетна нагрев реакционной смеси (χ = 0), то такой режимработы РИСНД называется автотермическим.Часто используют каскады реакторов, напримердва или три последовательно соединенных РИСНД. Втаком каскаде удобно проводить многоступенчатыйхимический процесс, подбирая оптимальные условияпроведения каждой стадии.Однако реальные реакторы отличаются от идеальных моделей. Так, в реакторах смешения существуютС О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 4 , 2 0 0 0ХИМИЯСкорость выделения и отвода тепла1,22'1,022''12'''0,80,60,40,204005006007008009001000 1100ТемператураРис.

2. Зависимость скорости выделения (1 ) и скорости отвода тепла (2–2 "') для РИСНДзастойные зоны, в которых время пребывания, температура и концентрации веществ отличаются от средних.В трубчатых реакторах вытеснения профиль скоростейможет быть неплоским, распределение по временампребывания расширяется и т.д.Остановимся несколько подробнее на трубчатыхреакторах. При ламинарном течении жидкости и постоянной температуре в гладкой трубе устанавливаетсяпараболический профиль скоростей – в центре на осиреактора самая высокая скорость течения (о ламинарном и турбулентном режимах течения см. [6]).

Это обстоятельство приводит к расширению распределенияпо временам пребывания (при турбулентном течениифронт течения становится более плоским [5]). Ситуация усугубляется при попытке провести в таком реакторе химическую реакцию получения высокомолекулярного продукта – полимера. Обычно в реакцияхполимеризации выделяется большое количество тепла,которое в трубчатом реакторе должно отводиться черезвнешнюю стенку.

Из-за высокой вязкости и низкойтеплопроводности реакционной системы температурав реакторе повышается, причем в центре температуравыше, у стенок ниже. Поскольку с ростом температурымолекулярная масса образующегося полимера практически всегда уменьшается (это общее свойство большинства процессов синтеза полимеров), вязкость реакционной массы в центре снижается и профильскоростей течения еще более вытягивается, так что приопределенных условиях наблюдается проскок почтинепрореагировавшего вещества по центральной частиреактора. Как избавиться от нежелательного эффекта?Есть разные способы.

Самый простой – обеспечить перемешивание вязкой реакционной массы поперек потока, то есть приблизиться к модели реактора идеального вытеснения. Хорошее перемешивание очень вязкихполимеров уже было реализовано в процессах их переработки в экструдерах (рис. 3), напоминающих мясорубку.

В этом случае удается получить однородное распределение компонентов и их высокую дисперсностьпри смешении. Исходные реагенты в экструдер можновводить в любой точке по длине экструдера, тем самымконтролируя время их пребывание в реакторе и препятствуя протеканию побочных реакций.Экструдеры изготавливают двух типов: одно- идвухшнековые. Одношнековый экструдер (рис. 3, а)состоит из шнека, вращающегося внутри обогреваемого цилиндрического корпуса. Материал в виде гранулили порошка поступает через бункер загрузки в цилиндр машины.

Вращающийся шнек захватывает материал, поступающий из бункера, продвигает его вдольэкструдера, плавит и равномерно нагнетает гомогенный расплав в головку.абРис. 3. Схемы одношнекового (а) и двухшнекового (б) экструдеровБ Е РЛ И Н А л . А л . , П Р У Т Э . В . Х И М И Ч Е С К И Е Р Е А К Т О Р Ы33ХИМИЯАналогично сконструирован двухшнековый экструдер, в котором два шнека установлены параллельнов одном общем корпусе (рис. 3, б ). При этом шнеки могут вращаться либо в одном, либо в противоположныхнаправлениях.

Двухшнековые экструдеры обладают преимуществами по сравнению с одношнековыми. Одношнековые экструдеры не обеспечивают однородногосмешения из-за низкого уровня сдвиговых напряженийи наличия застойных зон. Двухшнековые экструдерыдают превосходное однородное смешение и позволяютконтролировать времена пребывания компонентов иреакционной смеси в экструдере. Поэтому одношнековые экструдеры удобно использовать для простыхопераций, таких как плавление, получение пленок,труб. Двухшнековые экструдеры должны применятьсядля более сложных операций, таких, как гомогенизация, диспергирование различных добавок, реакционного смешения, полимеризации.За последние 20 лет интенсивно развиваются процессы химического формования, в которых сочетаютсяхимические реакции (синтез полимеров, их модификация) с переработкой в готовые изделия.

Следовательно, химические реакции, приводящие к формированию конечной молекулярной структуры материала, вовремени и пространстве совмещаются с механическими операциями придания этому материалу формы целевого изделия, обладающего требуемыми качествами.Данные процессы называются совмещенными. Такоеоформление процесса дает возможность сократитьчисло стадий, минуя производство полуфабрикатов иполучая сразу готовые изделия. Уменьшение числа стадий приводит к снижению суммарной энергоемкости ипродолжительности всего цикла изготовления конечного продукта благодаря устранению необходимостиповторных изменений температуры (нагрева и охлаждения), а также исключению транспортных операций.Другим фактором является уменьшение объема отходов за счет упрощения изготовления изделий сложнойконфигурации. Это приводит к экономии исходныхматериалов и улучшению экологии.

Одной из важнейших проблем при синтезе полимеров или их химическоймодификации является высокая вязкость, вследствиечего данные процессы проводят либо в растворителях,либо в разбавителях – в суспензии или эмульсии. Припроведении реакции в экструдерах можно избежатьприменения растворителей или разбавителей.

Это экологическое преимущество экструзионной технологии,так как отсутствует необходимость удаления растворителя (разбавителя) и последующей его регенерации.Помимо решения экологической задачи сокращаютсятакже энергетические затраты. Таким образом, энергетические, сырьевые и экологические факторы определяют экономическую целесообразность (а в некоторыхобластях техническую необходимость) перехода к совмещенной технологии.В совмещенных процессах в экструдер в его определенных точках вводят исходные реагенты и другиереакционноспособные агенты, которые гомогенизируются, реагируют друг с другом и образуют требуемыесоединения.

Реакционная смесь продвигается вдольшнека, и реакция протекает до желаемой степени конверсии, которая определяется временем пребывания вэкструдере (см. рис. 3). Примеры типичных совмещенных процессов приведены в табл. 1.Было установлено, что следующие типы реакциймогут быть проведены в экструдере: 1) радикальная,анионная, катионная и координационная полимеризация; 2) поликонденсация, полиприсоединение; 3) направленная деструкция и сшивание полимеров с цельюполучения продукта с необходимым молекулярно-массовым распределением и образованием реакционныхгрупп для последующей прививочной и других реакций; 4) образование функциональных групп на полимере; 5) модификация полимеров путем прививкимономеров или смеси мономеров на основную полимерную цепь с применением радикальных инициаторов или ионизирующего излучения; 6) межцепные реакции с получением сополимеров; 7) реакции полимераТаблица 1Тип реакцииИонная полимеризацияПолиприсоединениеРеагентыКапролактамПолиол + диизоцианат + ароматическийдиаминПоликонденсацияПреконденсатРадикальная сополимеризация Стирол + акрилонитрильный преполимерАнионная сополимеризация1,3-Диен + ароматическое виниловое соединениеПрививочная полимеризация Полистирол + малеиновый ангидридГидролизПолиуретановые отходы34ПродуктНайлон-6ПолиуретанПолиамидСтирол-акрилонитрильный сополимерБлок-сополимеры 1,3-диена и ароматического винилового соединенияПолистирол-малеиновый ангидридный аддуктПолиол, аминыС О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 4 , 2 0 0 0ХИМИЯи полифункциональных агентов с получением разветвленных полимеров; 8) получение термоэластопластовметодом динамической вулканизации; 9) измельчениеполимерных отходов, резин и пр.Одним из интенсивно развивающихся процессовреакционного смешения является процесс динамической вулканизации для получения термопластичныхэластомеров (ТПЭ).