К ВОПРОСУ ОБ ОПТИМАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ РЕАКТОРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ВИНИЛХЛОРИДА В ПРОИЗВОДСТВЕ СУСПЕНЗИОННОГО ОЛИВИНИЛХЛОРИДА Ульянов В.М.,Коновалов В.С.

Дзержинский политехнический институт (филиал) Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е.Алексеева


Номер: 12-2
Год: 2017
Страницы: 29-36
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

оптимальный объем, реактор-полимеризатор, производство ПВХ, optimal amount, reactor-polymerization, manufacture of PVC

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Целью исследования являлось выявление тенденций влияния единичного объема реактора-полимеризатора в производстве ПВХ суспензионным методом на количество реакторов, металлоемкость оборудования и энергопотребление стадии полимеризации ВХ.

Текст научной статьи

В производствах суспензионного поливинилхлорида (ПВХ) используются реакторы полимеризации винилхлорида (ВХ) с объёмом реакционного пространства от 25 до 200 м3. Причём имеется тенденция в современных производствах ПВХ устанавливать реакторы большого объёма, что позволяет уменьшить число единиц основного и вспомогательного оборудования, контрольно-измерительной техники и средств управления, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, а также численность обслуживающего персонала. В то же время чрезмерное увеличение объёма реактора приводит к росту капитальных затрат на обеспечение безопасности процесса в аварийных ситуациях, что связано с необходимостью строительства крупногабаритных газгольдеров для сбрасываемого ВХ, сборников загрязнённой воды и колонн для её дегазации, автономной дизель электростанции. При нормальных условиях технологического процесса всё это оборудование не используется, но требует постоянного ухода для обеспечения работоспособности в любой момент. В связи с этим представляет практический интерес, до каких пределов целесообразно увеличивать объём реактора полимеризации ВХ с точки зрения количества реакторов, металлоёмкости оборудования и энергопотребления установки. Целью настоящего исследования является выполнение технологических, прочностных, энергетических расчётов и выявления тенденций в изменении указанных показателей с повышением объёма реактора, применяемого в производстве ПВХ. С целью сокращения объёма вычислений были приняты следующие ограничения и допущения: - расчётам подлежали реакторы объёмом 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180 и 200 м3 с материалом корпуса из стали 12Х18Н10Т; - во всех вариантах производится поливинилхлорид марки ПВХ-С-7058 при температуре полимеризации 54оС, водном модуле (отношении загружаемых масс воды и мономера ВХ) 1,3, температуре охлаждающей воды 5оС; - реакторы работают в режиме максимальной производительности с включением в процесс обратных конденсаторов при допустимой скорости потоков испаряемого ВХ в реакторе и трубном пространстве конденсатора; - годовая производительность (мощность) производства ПВХ для всех вариантов 300 тыс. т/год. Технологический расчёт выполняли в три этапа: решение материального и теплового балансов, вычисление кинетически необходимого времени полимеризации и определение количества реакторов в производстве. В основу расчёта положены теоретические предпосылки, изложенные в монографиях [1,2]. Процесс суспензионной полимеризации ВХ периодический, и выход полимера с одной операции составляет , (1) где масса загрузки мономера ВХ, кг; объем реактора, м3;- коэффициент заполнения; - степень конверсии ВХ; , - плотность жидкого мономера ВХ и воды соответственно, кг/м3; - водный модуль. Общее количество выделившегося в процессе тепла составляет , (2) где - удельная теплота реакции полимеризации ВХ, Дж/кг. Средняя величина теплового потока (тепловая нагрузка реактора) , (3) где - кинетически необходимая продолжительность времени реакции полимеризации до заданной степени конверсии, с. Согласно литературным и практическим данным [2], лимитирующей стадией кинетики процесса полимеризации ВХ является скорость овода тепла реакции через теплообменные устройства реактора. А поскольку процесс полимеризации ВХ проводят в изотермических условиях, на отвод тепла реакции большое влияние оказывает изменение теплового потока и коэффициента теплопередачи от реакционной массы к охлаждающей воде в рубашке во времени. Изменение теплового потока связано с изменением скорости реакции полимеризации ВХ, которая возрастает пропорционально количеству образующейся твёрдой фазы ПВХ вследствие автокатализа химической реакции. Однако при достижении степени конверсии 70% скорость процесса снижается, что связано с уменьшением подвижности молекул полимера и исчерпанием мономера ВХ в образующихся частицах ПВХ. Интенсивность тепловыделения находится в прямой зависимости от скорости химической реакции, поэтому также изменяется во времени протекания процесса. В [2] показано, что максимальная плотность потока тепла через стенку теплообменного устройства реактора (в пике) (Вт/м2) превышает среднюю величину qна 20 - 35% в зависимости от скорости реакции полимеризации, определяемой величиной концентрации инициатора. Причём, чем больше скорость реакции, тем больше величина превышения . Таким образом, кинетика процесса полимеризации ВХ может быть выражена через тепловой поток, величина которого пропорциональна скорости химической реакции. А с учётом ограничения отводимого теплового потока конструкцией теплообменного устройства и условиями теплопередачи можно свести расчёт кинетики процесса полимеризации в реакторе к его тепловому расчёту. Тепловой расчёт реактора-полимеризатора выполняли на экстремальные условия по тепловыделению() и наихудшие условия отвода тепла (при наименьшей величине коэффициента теплоотдачи к стенке реактора). Оба эти условия имеют место в процессе полимеризации ВХ при достижении степени конверсии Тепловой поток может быть определён из уравнения теплового баланса на общий тепловой поток , который требуется отвести из реактора: , (4) где мощность перемешивания, рассеиваемая в жидкости в виде тепла, Вт; тепловые потери, обычно принимаемые 5% от величины . Мощность перемешивания рассчитывают по формуле , (5) где - коэффициент мощности, зависящий от конструкции перемешивающего устройства и величины критерия Рейнольдса (центробежного) ( - плотность и динамическая вязкость жидкости); - частота вращения мешалки, ; - диаметр мешалки. Общий тепловой поток распределяется между теплообменными устройствами реактора: , (6) где поток тепла, отводимого через стенку реактора в теплообменную рубашку, Вт; поток тепла, отводимого в обратном конденсаторе, Вт. Величины обоих потоков имеют ограничения, которые и определяют кинетическое время реакции полимеризации ВХ. Тепловой поток через стенку реактора равен , (7) где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); - площадь теплообменной поверхности рубашки, м2; - средняя разность температур между реакционной массой в реакторе и охлаждающей водой в рубашке, К. Учитывая большой радиус кривизны стенки корпуса реактора, коэффициент теплопередачи рассчитывали для плоской поверхности с допущением аддитивности термических сопротивлений по формуле: , (8) где и - коэффициенты теплоотдачи от реакционной массы к стенке и от стенки к охлаждающей воде, Вт/(м2·К); - сумма термических сопротивлений всех слоёв стенки, включая слои загрязнений, м2·К/Вт. Коэффициент теплоотдачи от реакционной массы к стенке изменяется в процессе протекания реакции, так как физико-химические свойства полимеризационной среды существенно изменяются по мере превращения мономера ВХ в полимер [1]. Полимеризационная среда состоит из трёх основных жидких и твёрдых компонентов: воды, ВХ и ПВХ, физико-химические характеристики которых зависят только от температуры. Что касается сложной, изменяющейся во времени дисперсной системы (винилхлорид - вода, полимер-мономерные частицы - вода, поливинилхлорид - вода), то все её физические характеристики (, , , ), а также коэффициенты, характеризующие передачу тепла, и изменяются в разной степени в зависимости от степени конверсии . Основным фактором, влияющим на изменение коэффициента теплоотдачи в процессе полимеризации, является вязкость реакционной массы. Причём максимальная величина вязкости достигается при величине степени конверсии . Этой величине конверсии соответствует наименьшее значение коэффициента теплоотдачи . Таким образом, экстремальные условия процесса по тепловому потоку и теплоотдаче возникают при одной величине степени конверсии. Чтобы избежать сложных вычислений физико-химических характеристик реакционной массы можно воспользоваться экспериментальными данными [1], согласно которым, изменение коэффициента теплоотдачи полимеризационной среды по отношению к коэффициенту теплоотдачи чистой жидкости (например, воды) инвариантно к конструкции реактора и зависит только от степени превращения мономера. Причём с увеличением степени конверсии происходит монотонное уменьшение отношения / и при степени конверсии 70%, соответствующей максимуму выделения реакционного тепла, оно составляет величину, равную 0,6. Таким образом, коэффициент теплоотдачи от реакционной массы в экстремальных условиях процесса в реакторе может быть вычислен по формуле . (9) Исходя из этих предпосылок, коэффициент теплоотдачи от полимеризационной среды можно свести к расчёту коэффициента теплоотдачи от чистой жидкости (воды), что существенно упрощает задачу. Для реакторов с рубашками, снабжёнными лопастными мешалками типа Пфаудлер и трубчатыми отражателями, коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по формуле [1] , (10) где диаметр аппарата; коэффициент теплопроводности жидкости, критерий Прандтля (удельная теплоёмкость жидкости, ); вязкость жидкости при средней температуре в реакторе и при температуре стенки, ; - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик реактора и перемешивающего устройства: ; (11) - радиус кривизны и высота лопасти [1]; - высота уровня жидкости в аппарате; - количество отражательных перегородок. Термическое сопротивление стенки реактора определяется её толщиной и материалом, из которого она изготовлена, и существенно увеличивается при образовании корки или плёнки полимера на внутренней поверхности и загрязнённости стенки со стороны рубашки: , (12) где , - термическое сопротивление загрязнений по обеим сторонам стенки, м2·К/Вт; - толщина стенки корпуса реактора, м; - теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К). Ориентируясь на практические данные, приняли сопротивление загрязнений с обеих сторон стенки Толщину стенки корпуса принимали по результатам прочностного реакторов на максимальное давление, обеспечивающее универсальность реактора при производстве широкого марочного ассортимента ПВХ, с проверкой на давление гидравлических испытанийТеплопроводность стенки из стали марки 12Х18Н10Т Вт/(м·К) [3]. Коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к охлаждающей водерассчитывали для конструкции рубашки со спиральной перегородкой при развитом турбулентном режиме () по уравнению [4] , (13) где эквивалентный диаметр канала рубашки (ширина и высота канала); - коэффициент теплопроводности охлаждающей воды; коэффициент, учитывающий кривизну канала; критерий Рейнольдса для потока воды (-скорость потока воды в канале; , - плотность и вязкость воды соответственно); и критерий Прандтля для воды при средней температуре и температуре стенки. Скорость потока воды в рубашке находят из уравнения расхода , (14) где массовый расход воды, м3/с; площадь проходного сечения канала рубашки, м2. Массовый расход воды находили по тепловой нагрузке рубашки реактора из уравнения теплового баланса: ; (15) где - удельная теплоёмкость воды, ; , - начальная и конечная температура охлаждающей воды соответственно. Тепловой поток, отводимый в обратном конденсаторе, находили также из уравнения теплового баланса как (16) где расход испаряемого в реакторе винилхлорида, кг/с; удельная теплота парообразования ВХ при температуре полимеризации, Дж/кг. Величина имеет ограничение допустимой скоростью парообразного ВХ , приведённой к поперечному сечению реактора, в связи с опасностью вспенивания реакционной массы и попадания её в трубное пространство обратного конденсатора. По практическим данным, величина должна быть не более 0,05 м/с. В расчётах приняли с запасомм/с. При заданной величине формула (16) имеет вид (17) где площадь поперечного сечения реактора, м2; плотность насыщенного пара винилхлорида при рабочих условиях процесса (температуре полимеризации 54оС и давлении 0.87 МПа), кг/м3. Площадь теплообменной поверхности обратного конденсатора рассчитывают по его тепловой нагрузке из уравнения теплопередачи: , (18) где коэффициент теплопередачи в конденсаторе, Вт/(м2·К); - средняя разность температур между конденсирующимся ВХ и охлаждающей водой, К. При выборе типоразмера стандартизованного теплообменника учитывали ограничение по предельно допустимой скорости газообразного ВХ в трубках обратного конденсатора по условиям захлёбывания, равной 5 - 10 м/с для аппаратов со стекающей плёнкой жидкости внутри вертикальной трубы, по которой снизу вверх движется поток газа [4]. Ориентировочно принимали максимально допустимую скорость газа в трубах м/с. Для выбранного типоразмера теплообменника выполняли поверочный расчёт по обычной методике расчёта конденсаторов со стекающей плёнкой конденсата [4]. Определив по уравнению (6) значение теплового потока, из уравнения (4) находили величину максимального теплового потока от экзотермической реакции полимеризации ВХ . Условная максимальная плотность теплового потока (на площадь поверхности рубашки), обусловленная тепловым эффектом реакции, равна . (19) Полученную величину сравнивали с графиками практических зависимостей [2] и оценивали величину отношения максимальной и средней величин плотности теплового потока . (20) Очевидно, что средняя величина общего теплового потока от химической реакции полимеризации равна . (21) Требуемую по кинетике процесса длительность времени полимеризации находили из соотношения (3). Длительность цикла операции полимеризации с учётом времени на вспомогательные операции составляет , (22) где - общее время вспомогательных операций, определяемое требованиями технологического регламента, (принимали ориентировочно по практическим данным действующих производств ПВХ). Годовая производительность реактора составляет , (23) где - количество циклов полимеризации в течение года; - годовой фонд рабочего времени реактора, ч/год, (для всех вариантов принимали T= 7920 ч/год). Для заданной годовой мощности производства ПВХ количество реакторов в установке будет равно . (24) Результаты расчётов количества реакторов в производстве ПВХ представлены на рис. 1 в виде гистограммы. Можно видеть, что уменьшение количества реакторов в производстве ПВХ мощностью 300 тыс. т/год при увеличении объёма единичного реактора существенно снижается до величины объёма 140 м3. Дальнейшее увеличение объёма вплоть до 200 м3 не даёт такого явно выраженного эффекта снижения количества единиц оборудования в производстве, которое стремится стабилизироваться на уровне 8 шт. Были выполнены расчёты массы реакторов и связанных с ними обратных конденсаторов. Результаты расчётов также представлены в виде гистограммы (рис. 2). Из гистограммы видно сравнительно монотонное снижение суммарной массы основного оборудования стадии полимеризации при увеличении объёма реактора от 40 до 120 м3. При дальнейшем увеличении объёма реактора общая металлоёмкость оборудования возрастает существенно круче, что естественно приводит к росту капитальных затрат на строительство производства и увеличению себестоимости производимого ПВХ. Были выполнены также расчёты мощности электродвигателей привода мешалки и насосов для циркуляции охлаждающей воды, загрузки сырья и выгрузки суспензии, составляющих энерговооружённость стадии полимеризации ВХ. Результаты расчётов представлены в виде гистограммы (рис. 3), из которой также виден заметный скачок величины энерговооружённости стадии полимеризации ВХ при величине объёмов единичных реакторов в производстве более 140 м3. Таким образом, проведённый анализ возможности применения реакторов большого объёма в производствах суспензионного ПВХ показал нецелесообразность использования в них реакторов-полимеризаторов с единичным объёмом более 140 м3. Рис.1.- Зависимость количества реакторов в производстве ПВХ от объема реактора Рис.2.- Зависимость массы реакторов в производстве ПВХ от объема реактора Рис.3.- Зависимость энерговооруженности стадии полимеризации ВХ от объема реактора

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.