Лако-красочные материалы — производство

В зависимости от вида синтезируемой смолы необходимая тем­пература реакционной смеси может колебаться в широких пределах — от 50 до 300°С.

В настоящее время на производствах пленкообразующих веществ для обогрева реакторов используют водяной пар, продукты сгорания топлива, высокотемпературные теплоносители в жидком или паро­образном состоянии и электрообогрев.

Индукционный эле ктрообогрев реакторов обеспечивает лучшие санитарные условия в цехе, чем метод обогрева ВОТ, и позволяет повысить качество синтезируемых продуктов.

10.3.1. Обогрев реакторов продуктами сгорания топлива и во­дяным паром. Наиболее доступным и дешевым теплоносителем яв­ляется водяной пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего­ся водяного пара к стенке реактора 5000-10 000 Вт/(м2 К). Дроссели­руя пар, можно легко регулировать его температуру. Использование водяного пара как теплоносителя целесообразно для обогрева реакто­ров, когда Рлс < 0,2-0,3 МПа, даже если для этого требуется установ­ка специального парового котла, рассчитанного на получение пара заданного давления.

Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры:

Температура, °С 100 140 180 220 260 300 340

Рабе, МПа 0,10 0,37 1,03 2,38 4,79 8,85 16,0

При синтезе алкидов и термическом уплотнении масел реакцион­ная смесь должна быть нагрета до 250-280°С и водяной пар должен был бы иметь температуру не менее 280-320°С.

При 280-320°С давление насыщенного водяного пара достигает

6,5- 11,5 МПа, что вызвало бы значительное усложнение и утяжеле­ние конструкции реакторов и их коммуникаций. Поэтому здесь не применяют ни пар высокого давления, ни перегретый пар (из-за ма­лого коэффициента теплоотдачи от пара к стенке реактора: 20-50 Вт/м2 К). В данном случае можно применять продукты сгора­ния твердого, жидкого и газообразного топлива.

Сжигание твердого или жидкого топлива проводится в выносных топках. Дымовые газы по выходе из топки омывают поверхность теп­лообмена реактора и, отдав часть своей теплоты, через дымовую тру­бу удаляются в атмосферу.

Газообразное топливо сжигается непосредственно под днищем реактора с помощью небольших горелок. Топки и реакторы должны располагаться в помещениях, отделенных глухой огнестойкой стеной (брандмауэром), ввиду пожароопасности этого метода обогрева.

Недостатки метода обогрева продуктами сгорания топлива: труд­ность регулирования температуры вследствие наличия обмуровки с вы­сокой тепловой инерцией; низкий тепловой КПД; сложность и громозд­кость установки; трудоемкость обслуживания; пожароопасность и т. д.

10.3.2. Обогрев реакторов высококипящими теплоносителя­ми. В качестве высокотемпературных теплоносителей применяют расплавы металлов, солей и органические соединения. Высококипя — щие органические теплоносители (ВОТ) можно использовать в жид­ком и парообразном состоянии.

Требования к ВОТ: высокая температура кипения при малом дав­лении паров; низкая температура плавления (во избежание нагрева­ния коммуникации и рубашек реакторов при запуске системы); тер­мостабильность; небольшая вязкость жидкого теплоносителя и паров при малой их проницаемости через уплотнения в реакторе и комму­никации; отсутствие токсичности; взрывобезопасность; малое воздей­ствие на конструкционные материалы; физико-технические свойства, обеспечивающие высокие коэффициенты теплоотдачи от жидкого и парообразного теплоносителя к стенке; низкая стоимость.

Исследовалось много веществ для использования в качестве ВОТ. Однако еще не найдено вещества с рабочей температурой 320-3 50°С, удовлетворяющего всем перечисленным выше требованиям.

ПО

Для рабочих температур 280-350°С промышленное применение находят:

1) смесь дифенила с дифениловым эфиром, известная как дау — терм-А или дифенильная смесь;

2) дитолилметан;

3) продукты хлорирования дифенила и полифенилов (арохлоры);

4) моноизопропилдифенил;

5) терфенилы (дифенилбензолы);

6) кремнийорганические соединения;

7) ароматизированные минеральные масла (АТМ-300).

На рис. 11 приведена установка для обогрева реакторов парами дифенильной смеси с самотечным возвратом конденсата в парогене­ратор. Реакторы установлены на такой высоте, чтобы разность высот между патрубком паровой рубашки, из которого вытекает конденсат дифенильной смеси, и уровнем жидкой дифенильной смеси в верхнем барабане парового котла составляла 3-4 м. Из парогенератора 1 пары ВОТ поступают в рубашки реакторов 6. Из конденсатоотводчиков (сепараторов) 7 конденсат самотеком стекает в парогенератор через петлю на трубопроводе, исключающую самоопорожнение парового котла в случае аварии в сети трубопроводов. При повышении давле­ния в паровом котле сверх допустимого пары ВОТ через предохрани­тельный клапан 4 сбрасываются в конденсатор 5, из которого конден­сат стекает в сборник 2, а отсюда периодически спускается в емкость для жидкого ВОТ 10. С помощью вакуум-насоса из парового про­странства системы обогрева отсасывают воздух при пуске системы и периодически, но регулярно — образующиеся неконденсирующиеся газы вместе с парами ВОТ. Для улавливания паров ВОТ отсасывае­мые газы проходят через конденсатор 8. Подпитка испарителя жид­ким ВОТ осуществляется из бака 3, периодически заполняемого с помощью насоса 11. Емкость для жидкого ВОТ 10 служит для прием­ки ВОТ, поступающего в нее через фильтр Р, и для приемки жидкого ВОТ из бака 2, конденсатора 8 и при опорожнении системы от жидко­го ВОТ.

Схема проста и отличается от схем нагрева водяным паром нали­чием конденсаторов для улавливания паров ВОТ и приемника для жидкого ВОТ. Однако схема имеет существенный недостаток. Регу­лирование температуры реакционной смеси в реакторах осуществля­ется дросселированием давления (изменением температуры) пара в рубашке. При одновременной работе нескольких реакторов давление

ill

пара в рубашках отдельных реакторов может отличаться на 0,1-0,2 МПа. Это нарушает отвод конденсата с помощью конденсато — отводчиков, и в реакторах с более низким давлением пара в рубашке она частично заполняется жидким ВОТ, что резко ухудшает процесс теплообмена и возможность регулирования температуры в отдельных реакторах.

В настоящее время система с самотечным возвратом конденсата при обогреве парами ВОТ группы аппаратов с различными темпера­турными режимами считается неприемлемой. При обогреве парами ВОТ группьі аппаратов с возможностью тонкого регулирования тем­пературы в отдельных реакторах применяются системы с принуди­тельным возвратом конденсата с помощью насосов. Разработаны схе­мы с принудительным возвратом конденсата, в частности с установ­кой насоса к каждому реактору, с установкой промежуточных испа­рителей к каждому реактору или группе реакторов, работающих в одинаковом режиме.

Обогрев жидкой дифенильной смесью исключает отмеченные выше недостатки при обогреве парами ВОТ. Упрощается схема обогрева, обес­

печивается возможность тонкого регулирования температуры в отдельных реакторах, работающих при различных температурных режимах.

Применение жидкого ВОТ позволяет использовать рубашку для ох­лаждения реакционной смеси, а погружные змеевики не только для ох­лаждения, но и для нагревания до высоких температур, что значительно увеличивает поверхность теплообмена и резко сокращает затраты време­ни на нагревание и охлаждение реактора, является важным преимущест­вом метода обогрева жидким ВОТ по сравнению с обогревом парами ВОТ и с индукционным электрообогревом.

Помимо этого, коэффициент теплоотдачи от жидкого ВОТ к стенке выше, чем от конденсирующихся паров ВОТ, и тепловое на­пряжение поверхности теплообмена при прочих равных условиях увеличивается на 25-30%.

Схема нагревания и охлаждения реактора (объемом 15 м3) жидкой дифенильной смесью приведена на рис. 12. Реактор 1 имеет три секции теплообмена с помощью рубашки и двухвиткового змеевика, включае­мых и отключаемых с помощью автоматических клапанов 3-5. В схеме два циркуляционных потока. В одном потоке, включаемом и отклю­чаемом автоматическим клапаном 7, циркулирует с помощью насоса 11 горячий ВОТ, нагреваемый в жидкостном теплогенераторе 12 до 340±10°С и возвращаемый в него с температурой 280-320°С. В другом потоке, включаемом и отключаемом автоматическим клапаном 6, цир­кулирует с помощью насоса 10 «холодный» ВОТ, охлаждаемый в теп­лообменнике 9 и имеющий температуру на выходе из теплообменника около 40-50°С, а на входе — приблизительно 60-80°С.

Температура реакционной смеси с высокой точностью (±5°С) поддерживается автоматически по заданной программе с помощью автоматических клапанов 5-7, регулирующих подачу горячей и «хо­лодной» дифенильной смеси в секции рубашки и змеевиков реактора. Также автоматически регулируют работу газовой горелки жидкостно­го теплогенератора 12, поддерживая температуру теплоносителя на выходе из теплогенератора с точностью ±10°С.

При нагревании и охлаждении происходит изменение объема ди­фенильной смеси, заполняющей систему.

Расширительный бак 13 предназначен для обеспечения возмож­ности изменения объема теплоносителя и заполнения им всей систе­мы. Необходимое давление в системе поддерживается автоматически подачей сжатого азота в расширительный бак 13.

Особенностью реактора 1 является развитая поверхность змееви­ков, используемых для нагревания и охлаждения реакционной смеси.

8 Крутько Э. T., Прокопчук H. Р.

Каждая секция двухрядного змеевика имеет поверхность тепло­обмена 20 м2, и поверхность теплообмена обеих секций почти в два раза превышает поверхность теплообмена рубашек.

Длительность нагревания исходной смеси приблизительно от 30 до 250-260°С на стадии переэтерификации не превышает 1-1,5 ч, а с помощью только одних змеевиков — 1,5-2 ч, что значительно меньше, чем в реакторах с индукционным электрообогревом.

Достоинства обогрева жидким ВОТ: значительное сокращение време­ни нагревания исходной реакционной смеси до высоких температур за счет использования поверхности теплообмена змеевиков; возможность тонкого регулирования температуры реакционной смеси; более низкая стоимость обогрева по сравнению с индукционным электрообогревом.

Основные недостатки: сложность коммуникаций и запорных уст­ройств; высокие требования к герметичности системы при ее осущест­влении и эксплуатации (их нарушение вызывает загрязнение атмосфе­ры цеха парами дифенильной смеси); менее точное, чем при индукци­онном электрообогреве, поддержание заданной разности температур между стенкой реактора и реакционной смесью, что может отразиться на цвете и других свойствах некоторых пленкообразующих веществ.

10.3.3. Электрообогрев реакторов. Электрообогрев может осу­ществляться с помощью нагревателей, в которых возникает теплота при прохождении через них электрического тока. В данном случае теплота от нагревателей к реакционной смеси может передаваться кондукцией, радиацией и конвекцией.

Помещая электронагреватели на наружной стенке реактора, покрытой слоем электроизоляционного теплостойкого материала, передают теплоту кондукцией. Этот способ обогрева может привести к перегреву стенок реактора, термическому разложению и вспышке реакционной смеси.

При передаче теплоты радиацией реактор помещают в кожух, на стенках которого размещены электронагреватели. Такой способ по­зволяет создать несколько более мягкие условия нагревания, чем при передаче теплоты кондукцией, но дает низкий КПД использования электроэнергии и не исключает перегрева стенок реактора.

Передача теплоты конвекцией при погружении электронагревате­лей в реакционную смесь обеспечивает высокий КПД использования электроэнергии, но обладает рядом недостатков. На нагревателях от­лагается осадок, что повышает их температуру и может привести к термическому разложению продукта на поверхности этих нагревате­лей. Кроме того, они усложняют перемешивание реакционной смеси и чистку реакторов.

В связи с указанными выше недостатками эти способы электро­обогрева реакторов нашли ограниченное применение в производстве пленкообразующих.

10.3.4. Электроиндукционный обогрев реакторов. Индукцион­ный электрообогрев — нагревание стенки реактора за счет индукти­руемого в ней электрического тока.

Индукционный электрообогрев основан на использовании тепло­вого эффекта вихревых токов, возникающих в толще стальной стенки реактора под воздействием переменного электрического поля. Реак­тор с индукционным электрообогревом является своеобразным трансформатором (рис. 13).

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 приводят к превращению элек­трической энергии в тепловую.

Таким образом, при индукционном электрообогреве теплота образует­ся непосредственно в стенке реактора Хотя индуцируемые токи в резуль­тате так называемого поверхностного эффекта концентрируются на по­верхности стенки, обращенной к обмотке, вследствие высокой теплопро­водности стенки перепад температуры в ней мал.

Наиболее часто в реакторах для синтеза пленкообразующих ве­ществ устанавливают три катушки (рис. 13).

При трех катушках и трехфазном токе наиболее просто осуществля­ется автоматическое регулирование обогрева реактора. В начале нагре­вания реакционной смеси индукционные катушки соединяются в «тре­угольник» и подводится максимальное количество электроэнергии.

Когда температура реакционной смеси приблизится к заданной и будет ниже ее на 2-3°С, происходит автоматическое переключение катушек с «треугольника» на «звезду».

Это переключение почти в три раза снижает количество подводи­мой электроэнергии и тем самым уменьшает опасность перегрева ре­акционной смеси.

Дальнейшее регулирование проводится автоматическим выклю­чением и включением катушек.

Достоинства индукционного элекгрообогрева: исключается тепловое сопротивление от теплоносителя к стенке, и можно ограничить температуру стенки, что позволяет при достаточно интенсивном нагрева­нии снизить местные перегревы на поверхности стенки и тем самым улучшить цвет и другие свойства продукта; можно особо точно регулиро­вать и поддерживать необходимый режим нагрева, температуру стенки или разность температур между реакционной смесью и стенкой; исключа­ется загрязнение атмосферы цеха имеющими запах или токсичными газа­ми (такое загрязнение возможно при использовании ВОТ); отпадает необ­ходимость строительства и эксплуатации котельной, неизбежная при обогреве дифенильной смесью; исключаются сложные коммуникации, запорная арматура и насосы, необходимые при обогреве дифенильной смесью; улучшаются условия труда и повышается качество продукции.

Однако индукционный метод обогрева связан с расходом сравнитель­но дорогой электроэнергии, строительством мощной трансформаторной подстанции и прокладкой соответствующей силовой электросети.

При этом необходимо учесть, что исключение строительства ко­тельной при индукционном методе обогрева заменяется капитальны­ми затратами, связанными с получением электрической энергии.

Однако улучшение при индукционном электрообогреве условий труда и качества продукции обусловило широкое применение этого метода при синтезе пленкообразующих веществ.

10.3.5.

Комбинированные методы обогрева реакторов. Чтобы снизить расход электроэнергии при индукционном электрообогреве, можно совместно с индукционным электрообогревом применять по­гружные змеевики (рис. 14). В начале обогрева в змеевики подают водяной пар, реакционная смесь нагревается до 140-180°С, а затем включают индукционный электрообогрев.

8* Крутько Э. Т.» Прокопчук Н. Р.

Также применяют обогрев реакторов дифенильной смесью, испа­ряемой или нагреваемой с помощью погруженных в нее электрона­гревателей (рис. 15).

По сравнению с обогревом индукционными токами упрощается конструкция установки, автоматика, достигается высокий КПД ис­пользования электроэнергии и мощности. Такой комбинированный метод может явиться эффективным при установке небольшого числа реакторов и реакторов малой емкости.