Лако-красочные материалы — производство

При синтезе смол используют реакторы периодического и непре­рывного действия.

Наибольшее применение находят реакторы с перемешивающими устройствами, в частности вертикальные цилиндрические реакторы с мешалкой. Они различаются конструкцией корпуса, типом мешалки и устройством для охлаждения реакционной смеси.

Конструкцию корпуса варьируют в зависимости от способа обогрева.

В реакторах, обогреваемых парами теплоносителей (рис. 5), кор­пус снабжен гладкой рубашкой (рис. 5, а), которая в ряде случаев вы­полняется двух — или трехсекционной (рис. 5, б, в) для исключения перегрева реакционной смеси на стенках аппарата при ступенчатом заполнении реактора (например, при синтезе алкидных смол).

Рис. 5. Конструкция корпусов, типы мешалок и охлаждающих устройств,
применяемых в реакторах для синтеза смол

При повышенном давлении теплоносителя с целью уменьшения толщины стенки корпуса реактора, изготовляемого из дорогостоящей нержавеющей стали, к нему приваривают трубки, полутрубки или

7 Крупко Э. Т., Прокопчу* Н. Р.

профильный прокат (рис. 6), образующие змеевиковый канал, примы­кающий к корпусу (рис. 5, г). Применяется и комбинированная конст­рукция рубашки (рис. 5, д).

При обогреве реакторов жидкими теплоносителями необходи­мо создать большие скорости жидкости у стенки корпуса для дос­тижения высоких коэффициентов теплоотдачи от теплоносителя к стенке. Гладкие рубашки с большим свободным сечением для про­хода жидкости (рис. 5, а, б, в) в этом случае неприемлемы. Поэто­му для жидких теплоносителей необходимо создать вокруг корпу­са спиралевидный канал малого сечения путем приварки к нему труб, полутруб или профильного проката (рис. 5, г) либо устройст­вом внутри гладкой рубашки спирального канала, приваривая к корпусу или рубашке винтообразно расположенную узкую полосу (рис. 5, е).

Нагрев реакторов парообразным и жидким теплоносителем с по­мощью змеевиков (рис. 5, ж) или цилиндрических полых вставок (рис. 5, з) применяется редко.

При нагреве реакторов продуктами сгорания топлива при элек — троиндукционном методе обогрева, а также при обогреве погружени­ем в реакционную смесь нагревателей рубашка отсутствует. Учиты­вая, что при обогреве продуктами сгорания топлива наиболее быстро прогорает днище, его делают сменным (рис. 5, и).

В реакторах для синтеза смол используются широко применяе­мые и специальные типы мешалок.

Наиболее важными факторами при выборе типа мешалки для ре­актора являются: обеспечение высоких коэффициентов теплооотдачи от стенки аппарата к реакционной смеси, достаточно интенсивное ее перемешивание, сравнительно небольшие затраты энергии на привод мешалки.

В процессе синтеза алкидных смол вначале нагревают смесь рас­тительного масла с многоатомными спиртами (глицерином или пен­таэритритом), и на этой стадии при температуре реакции вязкость смеси составляет десятые и сотые доли пуаза. В процессе поликон­денсации вязкость реакционной смеси резко возрастает.

Главным требованием к перемешивающему устройству является обеспечение высоких коэффициентов теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной смеси. При низких вязкостях почти любой тип мешал­ки позволяет получать сравнительно высокие тангенциальные скоро­сти жидкости у стенки реактора.

При вязкостях жидкости более ~10 пз резко снижается эффектив­ность (в части интенсификации теплообмена) листовых (рис. 5, к), пропеллерных (рис. 5, л) и турбинных (рис. 5, м) мешалок, но она со­храняется для якорных (рис. 5, н) и рамных мешалок (рис. 5, о). В свя­зи с этим для синтеза смол, особенно если необходим интенсивный теплообмен на стадии поликонденсации, когда значительно возраста­ет вязкость смолы, желательно применять якорные и рамные мешал­ки. При этом чем меньше зазор между лопастями якорной мешалки и стенкой реактора, тем выше коэффициент теплоотдачи, который воз­растает с числом лопастей.

Применение скребковых мешалок позволяет при вязких жидко­стях во много раз увеличить коэффициенты теплоотдачи.

При установке внутри реактора охлаждающих устройств в виде змеевиков (рис. 5, п) или полых вставок (рис. 5, р), а также при необ­ходимости регулярной чистки стенок реактора применяют пропел­лерные, турбинные и листовые мешалки.

В реакторах, применяемых на лакокрасочных предприятиях для синтеза смол, наиболее часто используются пропеллерные мешалки. В реакторах с устройством для охлаждения внутри аппарата такие мешалки по эффективности теплоотдачи при одинаковом расходе энергии на их вращение уступают якорным и затем листовым. Внутри змеевика для нагревания и охлаждения реакционной смеси в реакторе с индукционным обогревом конструкции одной из зарубежных фирм и в ряде отечественных конструкций (рис. 7) применяется листовая

мешалка. Общим недостатком реакторов, внутри которых располо­жены устройства для охлаждения реакционной. смеси (см. рис. 5, я, р), является трудность создания больших скоростей жидкости у теплопе­редающих стенок аппарата.

Охлаждающие устройства для пропеллерных мешалок являются диффузором, и поэтому в кольцевом пространстве между охлаждаю­щим устройством и цилиндрической стенкой корпуса аппарата соз­даются не тангенциальные, а осевые потоки.

Для получения осевых потоков жидкости, имеющих скорость 1 -2 м/сек, вдоль цилиндрической стенки реактора необходимо в ре-

акторе емкостью 10 м3 (площадь сечения ~4 м2) переместить 15 000-30 000 м3/ч жидкости. Перемещение таких объемов жидкости даже при малых гидравлических сопротивлениях потребовало бы больших затрат энергии.

Помимо того, как было отмечено выше, при вязкости более ~10 пз пропеллерная мешалка имеет весьма низкое значение КПД.

В связи с этим особый интерес приобретают конструкции некото­рых реакторов, применяемых в промышленности пластических масс.

Для полимеризации стирола в массе (блоке) до степени конверсии 30-40% и вязкости 500-1000 пз применяют реакторы с якорной мешал­кой и охлаждающее устройство в виде одного или двух полых цилинд­ров (рис. 5, с). Наличие у якорной мешалки дополнительных вертикаль­ных лопастей, скользящих вдоль поверхности полых вставок (рис. 5, с) и стенок аппарата, обеспечивает хорошие условия теплоотдачи.

Мешалка аналогичной конструкции может быть применена и при установке внутри реактора змеевиков (рис. 5, т).

Лопасти якорной мешалки (рис. 5, с) могут быть выполнены с по­воротными скребками.

Из приведенного выше следует, что на выбор оптимального типа мешалки влияет вязкость реакционной смеси и наличие внутри реак­тора охлаждающих устройств.

Вопросу применения наилучшего типа мешалки должно уделяться особое внимание, так как от этого зависит производительность реакто­ра, качество продукции (исключение перегрева) и устранение аварий­ных случаев, вызванных трудностью отвода или подвода тепла.

Применяемые на лакокрасочных предприятиях реакторы для син­теза смол, в зависимости от вида смолы, способа обогрева и охлажде­ния реактора, представляют собою ряд комбинаций корпусов, меша­лок и охлаждающих устройств (см. рис. 5).

Ранее для синтеза смол применяли реакторы малой емкости. В на­стоящее время стремятся к установке реакторов наибольшей емкости.

Укрупнение аппаратуры позволяет снизить капитальные и экс­плуатационные затраты и повысить производительность труда. На­пример, установка одного реактора вдвое большей емкости по срав­нению с установкой двух реакторов снижает капитальные затраты на 20-30% и сокращает в заметной мере эксплуатационные затраты.

Увеличение емкости реакторов ограничивают два главных факто­ра — количество марок смол, подлежащих единовременному выпуску, и удельная поверхность теплообмена реакторов.

7* Крутько Э. Т., Прокопчу» Н. Р.

В реакторах периодического действия тепло передается через стенки аппарата.

С увеличением емкости реактора снижается удельная поверх­ность теплообмена и тем самым удлиняется продолжительность на­грева и охлаждения его содержимого. В связи с этим снижается эф­фект, достигаемый при увеличении емкости реактора. Помимо того, при синтезе многих смол возможно бурное протекание реакции, при­водящее к аварии, порче продукта или желатинизации массы (образо­ванию «козлов») в случае невозможности быстрого отвода реакцион­ного тепла.

В зависимости от вида синтезируемой смолы меняются требова­ния к быстроте нагрева и охлаждения реакционной смеси и степень опасности, возникающей при замедлении отвода реакционного тепла.

6 настоящее время, учитывая отмеченные выше факторы, емко­сти реакторов для синтеза смол доведены до следующих величин:

Смолы: м3

Полиэфирные………………………………………………………… "..10

Эпоксидные………………………………………………………………. 20

Резольные фенолоформальдегидные………………………….. 5

Новолачные фенолоформальдегидные…………………….. 10

100%-ные фенолоформальдегидные…………………………. 10

Мочевиноформальдегидные…………………………………….. 25

Эти емкости не являются предельными. Появление более совер­шенного типа перемешивающих устройств и скребковых мешалок, позволяющих заметно повысить коэффициенты теплопередачи, а также выносных теплообменников и других усовершенствований от­крывает возможность дальнейшего увеличения емкости реакторов периодического действия.

В реакторах непрерывного действия отпадает необходимость в единовременном нагревании или охлаждении больших количеств исходного сырья или продукта; это может быть осуществлено тепло­обменом и позволит устранить резкие скачки в выделении реакцион­ного тепла.

Поэтому применение реакторов непрерывного действия позволя­ет значительно увеличить мощность установок для синтеза смолы по сравнению с реакторами периодического действия.

К реакторам, применяемым для синтеза смол, в частности алкид — ных, предъявляется ряд требований:

1) возможность секционного обогрева корпуса реактора (учиты­вая ступенчатую загрузку исходного сырья) и получения температуры реакционной смеси 260-280°С;

2) наличие охлаждающих устройств;

3) достаточно хорошее перемешивание реакционной смеси при условии максимальной интенсивности процесса теплообмена;

4) возможность проведения синтеза смолы под вакуумом;

5) 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;

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

7) наличие трубок, погруженных в реакционную смесь, исполь­зуемых в качестве гильз для помещения в них пирометров или для подачи в реактор инертного газа;

8) наличие спускного запорного устройства, не засоряемого осад­ком, в котором не может образоваться «пробка» из затвердевшей смолы;

9) стойкость материала реактора к реакционной смеси и продук­там ее термического разложения.

На рис. 7 приведена конструкция реактора для синтеза алкидных смол емкостью 10 м3, обогреваемого парами дифенильной смеси.

Цилиндрическая часть корпуса реактора снабжена двухсекцион­ной змеевиковой рубашкой из полутруб. Для устранения заметного снижения коэффициентов теплоотдачи при скоплении конденсата в длинных змеевиках змеевиковые секции нагрева выполнены двухза — ходными. Днище снабжено гладкой рубашкой. Поверхности тепло­обмена рубашек составляют для верхней секции 5 м2, нижней — 4,2 м2 и донной — 5,3 м2. Рубашки рассчитаны на давление дифенильной смеси 4 кгс/см2, что соответствует ее температуре 345°С. Корпус ре­актора рассчитан на возможность проведения синтеза смолы под ва­куумом, изготовлен из двухслойной стали (ст. З + 1Х18Н9Т) толщи­ной 10 мм.

Охлаждение производится с помощью змеевика, помещенного внутри реактора, с поверхностью теплообмена 10 м2. Змеевик сконст­руирован и испытывается на давление 50 кгс/см2, несмотря на то что в него поступает вода с давлением, не превышающим нескольких атмо­сфер, так как в случае проникновения воды в реакционную смесь мо­жет произойти авария.

Листовая мешалка имеет две взаимно перпендикулярные лопасти сравнительно большого диаметра, снабженные отверстиями для за­вихрения жидкости.

Вал мешалки приводится во вращение редуктором и двухскоро­стным электродвигателем со скоростью вращения 55 и 110 об/мин.

Разгрузка реакционной смеси (рис. 7) производится через угловой «грибковый» кран, при котором исключается засорение спускного устройства осадком и образование в нем «пробок» из затвердевшей смолы.

Закрытие и открытие крана осуществляется вручную с помо­щью маховиков, расположенных в нижней и верхней частях ре­актора.

Во избежание конденсации и застывания летучих продуктов на стекле смотровые люки и фонари для подсветки делают с двойным остеклением.

В некоторых случаях предусматривают поворотный скребок для очистки поверхности стекла, обращенной к реакционной смеси.

Конструкция реактора, изображенного на рис. 7, соответствует многим требованиям, предъявляемым к реакторам для синтеза алкид — ных смол.

По тонкости регулирования температуры реакционной смеси и стенок аппарата она уступает реакторам, обогреваемым индукцион­ными токами.

Недостатком реакторов, применяемых для синтеза смол, типа, изображенного на рис. 7, является отсутствие перемешивающих уст­ройств между стенкой реактора и змеевиком для охлаждения реакци­онной смеси.

На рис. 8 приведена принципиальная конструкция реактора (фор — полимеризатора) для синтеза полистиролов. В этом реакторе имеются лопасти, перемешивающие жидкость как у стенки реактора, так и у обеих стенок одного или двух двухстенных полых цилиндров, поме­щенных внутри реактора и предназначенных для охлаждения реакци­онной смеси. Такие реакторы эксплуатируются в течение многих лет на отечественных заводах пластических масс.

В них вязкость продукта достигает 500-1000 пз. Вертикальные ло­пасти якорной мешалки в этих реакторах имеют высоту 1500-1800 мм. Разработаны конструкции таких реакторов емкостью 10 м3.

Вместо двухстенных полых цилиндров в реакторе могут быть по­мещены змеевиковые охлаждающие устройства (рис. 5, т).

При синтезе некоторых смол в реакторе получается продукт с вы­сокой вязкостью. Для обеспечения хорошего теплообмена при высо­ковязком продукте применяют реакторы (рис. 9) с якорной мешалкой и очень малым зазором между кромкой лопасти и стенкой реактора.

При синтезе смол наиболее широко используются реакторы иде­ального смешения. В них перемешивание может проводиться мешал­ками или пузырьками пара в случае проведения синтеза при кипении содержимого реактора.

В случае, когда надо использовать реакторы с перемешивающим устройством, применяют каскад реакторов с мешалками или много­секционные колонные аппараты (рис. 10). При необходимости чистки реакторов, вследствие возможности образования отложений на его

стенках, при нормальных условиях эксплуатации (либо допустимых отклонениях от нормального режима) применяют каскад реакторов с мешалками, более удобный для чистки. В этом случае могут быть использованы любые типы описанных выше аппаратов с мешалками.

На рис. 10 приведена принципиальная конструкция трехсекционного колонного реактора с мешалкой, применяемого при синтезе смол.

Особенностью конструкции реактора является наличие перелив­ных труб 7 и труб 9 для отвода паров, позволяющих поддерживать необходимый уровень жидкости в каждой секции (определяемый вы­сотой переливного патрубка).

Паровые пространства всех трех секций соединены, и пары, пройдя через трубы 9, уходят из верхней царги в теплообменник. Ре­акционная смесь поступает в верхнюю секцию и уходит из нижней.

В каждой секции с помощью рубашек поддерживается необходи­мый температурный режим или интенсивность кипения реакционной смеси.

Особенностью установок непрерывного действия является не только поддержание в отдельных секциях реактора различных и оп­тимальных режимов, но и применение для отдельных стадий синтеза (осуществляемых в одном и том же реакторе периодического дейст­вия) различных типов аппаратов. Это позволяет, учитывая специфи­ческие особенности отдельных стадий синтеза смолы, применять для их проведения наиболее эффективный аппарат.

При разработке аппаратурного оформления (реакционной аппара­туры) непрерывных методов необходимо учитывать специфические особенности синтеза смол.

При синтезе смол в реакторах периодического действия, несмотря на одинаковое время нахождения всех частей реакционной смеси в аппарате, получается смесь продуктов, отличающихся молекулярны­ми весами. Помимо того, по окончании синтеза в продуктах реакции содержатся некоторые количества непрореагировавшего исходного сырья, низкомолекулярных и побочных веществ.

Свойства смол в большой мере зависят от их молекулярно­весового состава и содержания в них низкомолекулярных и побочных веществ, а также непрореагировавшего сырья.

Наиболее часто для синтеза смол непрерывным методом исполь­зуют реакторы идеального смешения, реже — смешанного типа, со­всем редко — идеального вытеснения.

Синтез смол в реакторах периодического действия состоит из основ­ных и вспомогательных операций. При синтезе смол непрерывным мето­дом отпадают вспомогательные операции. Поэтому, несмотря на то что в реакторах идеального смешения продолжительность проведения самих химических процессов несколько удлиняется, в целом (при достаточном числе секций) достигается уменьшение реакционного объема.

Помимо общеизвестных преимуществ непрерывных методов (улучшение качества и стабильности свойств получаемого продукта, снижение потерь сырья, комплексная механизация, облегчение авто­матизации процесса, повышение производительности труда и др.) они открывают еще ряд новых возможностей.

Упрощается проведение синтеза под давлением или вакуумом, при оптимальных температурах и pH, облегчается многоступенчатое добавле­ние катализаторов, что позволяет значительно ускорить многие процессы.

Отпадает надобность в нагреве и охлаждении больших количеств реакционной смеси, как это имеет место в реакторах периодического действия, применяются выносные теплообменники, облегчаются ус­ловия теплообмена, что позволяет создавать установки непрерывного действия большой мощности.

Представляется возможным для каждой стадии синтеза создать наиболее эффективное аппаратурное оформление.

В процессе синтеза смол при некоторых степенях превращения реагирующих веществ создаются трудные условия ведения процесса (налипание смолы на стенки аппарата и т. п.). В реакторах идеального смешения степень превращения изменяется не плавно, а ступенчато. Это позволяет создать в нем такие «ступени», в которых отсутствуют нежелательные явления.