1.3 Реакторы периодического действия

Особенностью реакторов периодического действия является возможность проведения в реакторе всех стадий синтеза и легкость перехода на разные режимы. Эти реакторы широко применяются на лакокрасочных заводах для синтеза алкидов и других пленкообразующих веществ.

При синтезе пленкообразующих веществ К = 0,5-0,8. Этим объясняется низкая объемная производительность реакторов периодического действия, особенно при синтезе алкидов.

Продолжительность синтеза пленкообразующих веществ велика, поэтому время пребывания в реакторе отдельных частиц получаемого продукта различно. Оно максимально для частиц, полученных в начале синтеза, и минимально для частиц, полученных в конце синтеза. Это -- одна из причин полидисперсности синтезируемых полимеров.

Конструкции реакторов

Емкостные реакторы с перемешивающими устройствами. Емкостные вертикальные аппараты с перемешивающими устройствами наиболее широко применяются при периодических методах синтеза пленкообразующих веществ. При непрерывных методах синтеза их используют в виде каскада (см. рис. 1, г), причем очистку стенок реактора и мешалки от образующихся отложений проводят поочередно в каждом отдельном реакторе. Применение в этом случае колонного реактора потребовало бы его разборки при чистке.

Рисунок 1 - Конструкция корпусов, погружных теплообменных устройств и мешалок.

Цилиндрические вертикальные реакторы различаются по конструкции корпуса, виду погружного теплообменного устройства и типу мешалки (рис. 1).

Конструкцию корпуса варьируют в зависимости от способа обогрева, В реакторах, обогреваемых парами теплоносителей, корпус снабжен гладкой рубашкой (рис. 1, а).

При обогреве реакторов жидкими теплоносителями необходимо обеспечить большие скорости жидкости у стенки корпуса для достижения высоких коэффициентов теплоотдачи от теплоносителя к стенке. Поскольку гладкие рубашки с большим свободным сечением для прохода жидкости (рис. 1, а) в этом случае неприемлемы, создают спиралевидный канал малого сечения либо вокруг корпуса реактора, приваривая к нему трубы, полутрубы или профильный прокат (рис. 1, б), либо внутри гладкой рубашки, приваривая к корпусу или рубашке винтообразно расположенную узкую полосу (рис. 1, в). Рубашка в виде приварного змеевика (рис. 1, б) позволяет снизить толщину стенки корпуса реактора, изготавливаемого из дорогостоящей нержавеющей или двухслойной (нержавеющая + углеродистая) стали, поэтому рубашки такого типа применяют и при обогреве паром.

В реакторах периодического действия при ступенчатой загрузке исходных компонентов для исключения перегрева реакционной смеси на стенках реактора рубашку делают многосекционной (рис. 1, г, д, е).

При обогреве реакторов продуктами сгорания топлива и при индукционном электрообогреве рубашка отсутствует. Поскольку при обогреве продуктами сгорания топлива наиболее быстро прогорает днище, его делают сменным (рис. 1, ж).

Часто в реакторах, особенно периодического действия, применяют погружные змеевики -- однорядные (рис. 1, з) или двухрядные (рис. 1, и), а также полые цилиндры (рис. 1, к) для основного или дополнительного (помимо рубашек) охлаждения или нагревания реакционной смеси.

При выборе типа мешалки для реактора руководствуются следующими наиболее важными факторами: обеспечение высоких коэффициентов теплоотдачи от стенки аппарата или погружных теплообменных устройств к реакционной смеси; интенсивное перемешивание реакционной смеси, особенно при гетерогенных реакциях; минимальные затраты энергии на перемешивание.

При низкой вязкости реакционной смеси (менее 5 Па*с) любая из мешалок, показанных на рис. 1, л -- р, может обеспечить интенсивное перемешивание содержимого реактора. Для осуществления жидкофазных гетерогенных реакций при отсутствии погружных теплообменных устройств наиболее эффективны турбинные (рис. 1, м) (при вязкости реакционной смеси менее 50 Па*с) и пропеллерные (рис. 1, л) (при вязкости реакционной смеси менее 10 Па*с) мешалки. Их применяют в тех случаях, когда необходима чистка стенок реактора. При наличии погружных теплообменных устройств чаще всего применяют лопастные (рис. 1, я), листовые (рис. 1, о), якорные (рис. 1, я), реже пропеллерные (рис, 1, л) мешалки. Использование комбинированных мешалок (рис. 1,ф) заметно повышает передачу теплоты от днища и нижней части царги реактора. В процессе синтеза некоторых пленкообразующих веществ вязкость реакционной смеси сильно возрастает, что резко ухудшает процесс теплообмена. В этих случаях используют якорные (рис. 1, п) или якорно-рамные (рис. 1, р) мешалки. При этом, чем меньше зазор между лопастями якорной мешалки и стенкой реактора, тем выше коэффициент теплоотдачи. При высокой вязкости реакционной смеси применение скребковых мешалок позволяет существенно увеличить коэффициенты теплоотдачи.

Таким образом, выбор оптимального тина мешалки: определяется вязкостью реакционной смеси и наличием внутри реактора теплообменных устройств. От правильного выбора типа мешалки зависит производительность реактора, качество получаемого продукта (исключение перегрева, снижение полидисперсности полимеров и олигомеров) и возможность аварийных ситуаций, вызываемых трудностью отвода или подвода теплоты.

Итак реакторы для синтеза пленкообразующих веществ представляют собой различные комбинации корпусов, мешалок и погружных теплообменных устройств (см. рис. 1).

Основным конструкционным материалом для реакторов является нержавеющая сталь. Для снижения расхода нержавеющей стали корпус, реакторов часто изготавливают из двухслойной стали (нержавеющая + низколегированная) или эмалируют. Реакторы из углеродистой стали используют при получении основы темных лаков и для полимеризации растительных масел.

Периодически действующие реакторы, применяемые для синтеза алкидов должны отвечать следующим основным требованиям:

1. стойкость материала реактора к реакционной смеси и продуктам ее термического разложения;

2. возможность секционного обогрева корпуса реактора при ступенчатой загрузке сырья и достижения температуры реакционной смеси 260--280 °С;

3. наличие охлаждающих устройств;

4. эффективное перемешивание реакционной смеси при максимальной интенсивности процесса теплообмена;

5. возможность проведения синтеза под вакуумом;

6. наличие в крышке реактора патрубков для загрузки жидкого сырья и отвода газообразных веществ, а также люка диаметром 400--500 мм для осмотра ремонта и чистки аппарата без снятия крышки;

7. наличие смотрового люка и светового фонаря для наблюдения за состоянием реакционной смеси в процессе синтеза и осмотра внутренних частей реактора;

8. наличие погруженных в реакционную смесь трубок, используемых в качестве гильз датчиков для измерения температуры или для подачи в реактор инертного газа;

9. наличие не засоряемого осадком спускного запорного устройства, в котором не может образоваться «пробка» из затвердевшего продукта синтеза.

В последние годы, для синтеза пленкообразующих веществ (в частности, для синтеза алкидов) получили применение реакторы с индукционным электрообогревом.

Рисунок 2 - Реактор с индукционным электрообогревом.

Индукционный электрообогрев основан на использовании теплового эффекта вихревых токов, возникающих в толще стальной стенки реактора под воздействием переменного электрического поля. Реактор с индукционным электрообогревом (рис. 2) является своеобразным трансформатором. Вокруг реактора расположены индукционные катушки, представляющие собой как бы первичные обмотки трансформатора, по которым проходит переменный электрический ток. Электрическая энергия передается индукцией вторичной обмотке, роль которой выполняет короткозамкнутый виток -- стенка реактора. Вихревые токи в стенке реактора превращают электрическую энергию в тепловую.

В реакторах для синтеза пленкообразующих веществ часто устанавливают три катушки или число катушек, кратное трем.

При электроиндукционном обогреве можно получать большие удельные тепловые нагрузки поверхности теплообмена, охватываемой катушкой. Расход электроэнергии на 1 т синтезируемого алкида составляет 350--500 кВт.

Электроиндукционный обогрев обладает рядом дооинств:

· не происходит загрязнения атмосферы цеха имеющими запах или токсичными газами (что возможно при использовании ВОТ), что улучшает условия труда;

· отпадает необходимость в отдельном помещении для установки генераторов теплоты;

· исключаются сложные коммуникации, запорная арматура и насосы, необходимые при обогреве ВОТ.

Однако электроиндукционный обогрев связан с высоким расходом электроэнергии, необходимостью в строительстве мощной трансформаторной подстанции и прокладке соответствующей электросети. В реакторах с электроиндукционным обогревом вследствие перегрева реакционной смеси у стенок может происходить разложение синтезируемого пленкообразователя и, следовательно, ухудшение его качества.

Аппараты из углеродистой, нержавеющей и двухслойной стали с нормализованным объемом 1; 2; 3,2; 4; 5; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 30 и 50 м3 могут иметь рубашку сплошную или в виде приварного змеевика из полутруб. С пропеллерной и турбинной мешалками выпускаются реакторы объемом до 16 %-му с лопастной и якорно-рамной мешалками -- до 50 м3. Изготовление реакторов из двухслойной стали сопряжено с расходом дорогостоящей нержавеющей стали, при синтезе продуктов, налипающих на стенки реактора и мешалку (например, поливинилацетатной дисперсии), приходится их полировать, что значительно повышает стоимость аппарата. В последние годы широкое применение получили эмалированные аппараты (налипаемость на эмаль резко снижается). Выпускаются эмалированные вертикальные аппараты объемом до 50 м3, намечается тенденция дальнейшего увеличения объемов. Эмалированные вертикальные аппараты объемом до 25 м3 имеют верхний привод мешалки, а объемом 25 м3 -- с нижним.

Ранее предельный объем реакторов периодического действия ограничивался и зависел от того, какое пленкообразующее вещество синтезируется. В настоящее время это ограничение сохранилось лишь для синтезов, при которых недостаточно быстрый отвод теплоты реакции может вызвать сшивание продуктов (желатинизацию или образование «козлов»). Аппараты для синтеза алкидов в настоящее время имеют объемы до 80 м3, разрабатываются конструкции реакторов больших объемов. Укрупнение аппаратуры позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты, повысить производительность труда. Например, установка вместо двух реакторов одного реактора вдвое большего объема на 20--30 % уменьшает капитальные затраты и сокращает эксплуатационные расходы.

Удельная поверхность теплообмена с ростом объема реактора уменьшается и, следовательно, увеличивается продолжительность нагревания и охлаждения реакционной смеси. В результате снижается эффект, достигаемый при увеличении объема реактора. Кроме того, при невозможности быстрого отвода теплоты реакции в процессе синтеза многих алкидов возможно бурное протекание реакции, сопровождающееся желатинизацией массы (образованием «козлов») и нередко приводящее к аварии. Требования к быстроте нагревания и охлаждения реакционной смеси и степень опасности, возникающей при замедлении отвода теплоты реакции, зависят от вида синтезируемого алкида.

Для сокращения затрат времени на вспомогательные операции нагревания и охлаждения реакционной смеси служат следующие приемы:

1) с целью повышения коэффициентов теплоотдачи от стенок реактора к реакционной смеси применяют эффективные типы мешалок, например, комбинированные мешалки (см. рис. 1,о) или увеличивают их частоту вращения, проводят ступенчатое изменение частоты вращения мешалки в процессе синтеза, устанавливают на валу мешалки дополнительные перемешивающие устройства (лопасти, пропеллеры и др.);

2) используют погружные теплообменные устройства не только для охлаждения, но и для нагревания реакционной смеси, предпочтительно с развитой поверхностью (двухрядные змеевики и т. п.);

3) загружают в реактор предварительно нагретые в приемниках или в проточных теплообменниках исходные компоненты и расплавленный фталевый ангидрид;

4) блокируют реактор с выносным теплообменником, с естественной (конвекционной) или принудительной циркуляцией реакционной смеси через теплообменник.

Одним из наиболее эффективных способов повышения поверхности теплообмена в реакторах периодического действия большой вместимости является установка выносных теплообменных устройств. Примером может служить используемый при синтезе алкидов горизонтальный реактор периодического действия объемом 80 м3 с выносными рециркуляционными теплообменниками (рис. 3).

Рисунок 3 - Ректор с выносными теплообменниками.

Практически полностью отсутствуют застойные зоны в стационарных условиях работы реактора, достигается хорошее перемешивание при циркуляции потока со скоростью 120--130 м3/ч, т. е. кратностью циркуляции 2.

Максимальный объем стандартных аппаратов с вертикальным перемешивающим устройством составляет 50 м3. Недостатком таких реакторов является их большая высота. В настоящее время для синтеза алкидов применяют реакторы горизонтального типа объемом 50 м3 и более, не требующие очень высоких помещений для их устайовки. Из-за малой удельной поверхности нагрева горизонтальные реакторы большого объема снабжаются выносными циркуляционными кожухотрубчатыми теплообменниками с большой поверхностью теплообмена.

В процессе синтеза алкидов отгонка реакционной воды азеотропным методом на стадии этерификации существенно ускоряется при использовании пленочного испарителя. В этом случае пленочный испаритель является тепло- и массообменным аппаратом, поскольку в нем протекает не только процесс теплопередачи, но и синтез продукта. В реакторах большого объема с недостаточной поверхностью теплообмена пленочный тепло- массообменный аппарат является основной дополнительной поверхностью теплообмена. На рис. 4 приведена схема реактора для синтеза алкидов, сблокированного с роторно-пленочным тепломассообменным аппаратом.

Рисунок 4 - Схема реактора, сблокированного с пленочным тепломассообменным аппаратом.

В качестве пленочного испарителя могут быть использованы аппараты со свободно падающей или восходящей пленкой, роторно-пленочные испарители и испарители пленочно-трубчатого типа. Из этих аппаратов наиболее сложным является роторно-пленочный.

Ускорить процесс отгонки реакционной воды азеотропным методом при синтезе алкидов можно подачей в реактор вместо жидкого ксилола его паров, как это показано на рис. 5.

Рисунок 5 - Реактор с подачей в него паров ксилола при азеотропной отгонке реакционной воды.

При проведении реакции этерификации под вакуумом обогрев испарителя ксилола можно проводить водяным паром, а не ВОТ.

Непрерывнодействующие колонные реакторы полного смешения. К ним относятся многоступенчатые (многосекционные) вертикальные реакторы с мешалками (рис. 6), пульсационные колонны и колонные одноступенчатые реакторы с перемешиванием реакционной смеси барботированием через нее газа.

Рисунок 6 - Непрерывнодействующий многоступенчатый колонный реактор полного смешения.

Колонные многоступенчатые реакторы применяют в тех случаях, когда исключено образование отложений на стенках реактора, перемешивающих устройствах, переливных и пароотводящих трубах. Они занимают значительно меньшую площадь, чем каскад одноступенчатых реакторов полного смешения, их легко и недорого устанавливать, однако ремонт перемешивающих устройств, расположенных внутри колонны, достаточно сложен.

Если же при синтезе пленкообразующих веществ (алкидов, фенолоальдегидов и др.) образуются пары воды и летучих веществ, а также газы, которые необходимо непрерывно отводить из реакционного объема, применяют многоступенчатые колонные реакторы непрерывного действия. Особенностью такого реактора (рис. 6) является ~ наличие труб для отвода паров, позволяющих поддерживать необходимый уровень жидкости в каждой секции (определяемый высотой переливного патрубка). Паровые пространства всех четырех секций соединены, и пары, пройдя через трубы 5, уходят из верхней царги 2 в теплообменник. Реакционная смесь поступает в верхнюю секцию и уходит из нижней.

Непрерывнодействующие реакторы полного вытеснения находят ограниченное применение в производстве пленкообразующих веществ(рис. 7). Для вязких реакционных смесей применяют трубчатые реакторы с рециркуляцией смеси или со шнековым транспортером (реакторы шнекового типа) обычно с L/D> 20 (где L -- общая длина реактора, D -- его диаметр).

Рисунок 7 - Непрерывнодействующий реактор вытеснения шнекового типа.