автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование и выбор аппаратурного оформления непрерывного процесса полимеризации метилметакрилата в суспензии с использованием пульсационного перемешивания

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Процесс полимеризации в суспензии как технический метод

1.2 Полимеризация метилметакрилата в суспензии

1.3 Применение пульсационного воздействия на реакционную систему

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ВЫБОРА АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ММА В СУСПЕНЗИИ

2.1 Разделение процесса по стадиям и их аппаратурное оформление

2.2 Анализ возможности применения пульсационного воздействия на реакционную систему на третьей стадии процесса

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Исследование осаждения ПМЧ в пульсирующей среде

3.1.1. Экспериментальная установка и методика исследования

3.1.2. Исследование зависимости диаметра ПМЧ и режимов пульсации на скорость их осаждения

3.2 Предпосылки к выбору конструкции реактора для третьей стадии процесса

3.3 Исследование поведения реакционной системы в секционированном пульсационном реакторе

3.4 Исследование распределения времени пребывания частиц ДФ в секционированном реакторе

3.5 Исследование условий вихреобразования

3.6 Анализ полученных результатов

4. Математическое описание 61 4.1 Математическое моделирование структуры потоков в аппарате

4.2 Проверка адекватности математической модели

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА

5.1 Рекомендации к организации процесса в промышленных условиях

5.2 Методика расчета секционированного реактора - полимеризатора

В настоящее время основная тенденция развития химической технологии связана с повышением глубины переработки сырья, снижением затрат энергии и материальных ресурсов.

Все химические вещества получаются в реакторах различного типа, поэтому для них вопросы повышения степени конверсии, при реконструкции действующих производств и проектировании новых, требуют серьезных научных исследований.

В связи с тем, что переход от малотоннажного, требующего значительных затрат ручного труда и высокой степени автоматизации реактора периодического действия к реакторам непрерывного действия помимо очевидных достоинств порождает проблему различного времени пребывания частиц реакционной массы в рабочем объеме аппарата. Решение данной проблемы основывается на учении о структуре потоков, объясняющего, что наряду с кинетикой химической реакции немаловажное значение для эффективной работы проточного реактора имеет и распределение частиц по времени пребывания в аппарате.

Актуальность работы. Реализованный в настоящее время в промышленности периодический способ производства суспензионного полиметилметакрилата (ПММА) имеет ряд существенных недостатков: не обеспечивает стабильности свойств готового продукта различных партий, предполагает значительные затраты ручного труда, неизбежны потери сырья и готового продукта при отмывке, ввиду его мелкодисперсности (наличие гранул меньше 0,1мм). Это обстоятельство наряду с возрастающими темпами роста производства данного материала делает актуальным реализацию непрерывного процесса его производства, что позволит избежать перечисленных недостатков. В ходе процесса полимеризации метилметакрилата (ММА) плотность полимер

О л мономерных частиц (ПМЧ) возрастает от 0,938 г/см (мономер), до 1,18 г/см о ^

ПММА). В свою очередь плотность сплошной фазы (СФ) 1 г/см . То есть в начале процесса частицы дисперсной фазы (ДФ) всплывают в СФ, а в конце -осаждаются. Это обстоятельство, наряду с нестабильностью системы на разных стадиях превращения, делает невозможным реализацию непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата (ММА) в типовых химических аппаратах.: в каскаде реакторов полного смешения или аппаратуре полного вытеснения.

В связи с этим исследования протекания процесса полимеризации ММА в предложенном в данной работе реакторе, а так же исследования структуры потоков в таком аппарате имеют актуальное научное и практическое значение.

Работа выполнена в рамках региональной научно - технической программы РФ «Черноземье» по теме «Разработка аппаратурного оформления непрерывных процессов производства акриловых дисперсий», 1999 - 2001 гг.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке аппаратурного оформления для непрерывного процесса полимеризации ММА в суспензии В данной работе решались следующие вопросы:

- анализ современного состояния процесса и оборудования для полимеризации ММА в суспензии;

- выбор реактора - полимеризатора для непрерывного процесса полимеризации ММА в суспензии с пульсационным перемешиванием системы;

- исследование поведения реакционной системы в аппарате данной конструкции;

- исследование среднего времени пребывания частиц дисперсной фазы (ДФ) в реакционной зоне аппарата;

- математическое моделирование структуры потоков в реакторе;

- разработка аппаратурного оформления предложенного метода.

Научная новизна. Предложен секционированный пульсационный реактор

- полимеризатор для непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА на стадии осаждения частиц ДФ, обладающий повышенной удерживающей способностью, позволяющий сохранить заданную дисперсность исходной реакционной системы, полученной методом струйного диспергирования.

Экспериментально исследован процесс в этом аппарате и подтверждена его эффективность. Исследовано распределение времени пребывания частиц дисперсной фазы (ДФ) в реакционной зоне аппарата.

Разработана математическая модель структуры потоков в указанном реакторе, позволяющая рассчитать среднее время пребывания частиц ДФ в реакционной зоне аппарата.

Предложена методика инженерного расчета конструктивных параметров реактора - полимеризатора, позволяющая определять основные размеры реакторов различной производительности.

На основании проведенных исследований разработан вариант аппаратурного оформления для непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата.

Практическая ценность. Предложена методика, алгоритм, программа инженерного расчета конструктивных параметров реактора - полимеризатора, позволяющая определять основные размеры аппаратов различной производительности.

Предложена технологическая схема установки для непрерывного процесса суспензионной полимеризации ММА с использованием разработанного реактора.

Результаты работы приняты к рассмотрению с целью дальнейшего внедрения в организациях : АО «ТамбовНИХИ», АО «Пигмент» г. Тамбов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 74 наименований и 5 приложений. Она содержит 96 страниц основного текста, 25 рисунков, 23 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен и обоснован технический метод полимеризации ММА в суспензии по непрерывной схеме, позволяющий сократить потери сырья и готового продукта, а так же снизить затраты ручного труда.

2. Разработан реактор - полимеризатор с использованием пульсационного перемешивания, для начального периода третьей стадии процесса. Изготовлена экспериментальная установка для осуществления непрерывного процесса полимеризации ММА в суспензии, позволяющая изучить особенности проведения данного процесса в предложенном аппарате.

3. Проведены экспериментальные исследования поведения реакционной системы в данном аппарате, позволяющие выбрать оптимальные условия проведения процесса. Исследовано распределение времени пребывания частиц ДФ в реакторе, и получены зависимости среднего времени пребывания ПМЧ в реакционной зоне аппарата от их диаметра.

4. Разработана математическая модель структуры потоков в реакторе, которая позволяет рассчитать среднее время пребывания частиц ДФ в реакционной зоне аппарата, а следовательно, определить высоту реактора.

5. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета реактора - полимеризатора предложенной конструкции.

6. Выданы рекомендации по организации процесса в промышленных условиях с использованием разработанного аппаратурного оформления.

1. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов. М.: Иностранная литература, 1963. 667 с.

2. Иванчев С.С. Радикальная полимеризация. Л.: Химия, 1985. 280 с.

3. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Кинетика полимеризационных процессов. М.: Химия, 1978. 320 с.

4. Реакции в полимерных системах / Под ред. С.С. Иванчева. Л.: Химия, 1987. 293 с.

5. Елисеева В.И. Полимерные дисперсии. М.: Химия, 1981. 295 с.

6. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1988. 464 с.

7. Елисеева В.И., Иванчев С.С., Кучанов С.И. Эмульсионная полимеризация и ее применение в промышленности. М.: Химия, 1976. 240 с.

8. Николаев А.Ф. Технология пластических масс. Л: Химия, 1977. 368 с.

9. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. М.: Химия, 1985. -560 с.

10. Ю.Зонтаг X., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. Л.: Химия. 1973. 151 с.

11. П.Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.

12. Дисперсионная полимеризация в органических средах / под ред. К.Е. Дж. Барретта: Пер. с англ. Л.: Химия, !979. - 338 с.

13. В.Кабанов В.А., Зубов В.П., Семчинов Ю.Д. Комплексно-радикальная полимеризация. М.: Химия, 1987. 256 с.

14. Марек О., Томка М. Акриловые полимеры / Пер. с чешского М.: Химия, 1966.-320 с.

15. Каргин В.А. Синтез и химические превращения полимеров. М.: Наука, 1981. 393 с.

16. Кинетика полимеризации и молекулярные характеристики полимеров: Сб. научн. трудов / Под ред. А.А. Баулина. В.Н. Павлюченко. JT., 1982. - 160 с.

17. Павлов Н.В., Левин А.Н. Плучение полистирола в гранулах заданного размера // Пласт, массы №3, 1967. С. 67-68

18. А.С. № 165087 ПНР, кл. B01J 1/00, C08f 1/98, опубл. 7.09.73

19. Патент ЕР № 0212974, B01J 4/00, опубл. 15.03.8920.Пат. Англ. № 709919

20. Гунин. В.А. Кинетика и аппаратурное оформление непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата. //Канд. дисс. Тамбов. 2000.

21. Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в химической технологии. М.: Химия, 1983. 224 с.

22. Карпачева С.М., Рябчиков Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. М.: Атомиздат, 1980. - 256 с.

23. Карпачева С.М., Рагинский Л.С. Муратов В.М. Основы теории и расчета горизонтальных аппаратов и пульсаторов. М.: Атомиздат, 1981. -192 с.

24. Ахременко А.И., Белоусов В.Л., Марченко В.П., Теоретические исследования процесса переноса твердых частиц в пульсирующих потоках жидкости // ИФЖ №2, т.68, 1995. с.

25. Чистовалов С.М., Чернов А.Н., Способы интенсификации различных химико технологических процессов путем наложения низкочастотных колебаний и их аппаратурное оформление // Химическая промышленность №8, 1997.

26. Кубенко В.Д. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации: Киев.: Наук, думка, 1989. 152 с.

27. Быков Е.Д., Голубев В.З., Попков А.А., Дьяконов B.C., Использование пульсационных колонн в производстве активированных углей // Химическая промышленность №9, 1996.

28. Кириченко Т.Г. Исследование процесса цементации меди в пульсационном колонном реакторе // Хим. пром. №5. 1995. С. 385.

29. Абиев Р.Ш., Аксенова Е.Г., Островский Г.М., Новые разработки пульсационной резонансной аппаратуры для жидкофазных систем // Химическая промышленность №11, 1994.

30. Абиев. Р.Ш. Резонансная аппаратура для процессов в жидкофазгных системах. // Дисс. д.т.н. СПб. 2000.

31. Патент SU №1733071 А1, В 01J10/00, опубл. 16.0.5.90

32. Аппаратурное оформление непрерывного процесса суспензионной полимеризации метилметакрилата / В.А. Гунин, Ж.А. Зарандия, П.А. Галкин, Н.В. Павлов // Методы кибернетики химико-технологических процессов: Тез. докл. междун. конф. Казань, 1999.

33. Патент №2162733, опубл. 10.03.2001.

34. Патент №2163839 опубл. 12.05.99.

35. Бояджиев JI, Сапунджиев Ц. О движении недеформируемой сферической частицы в вертикально осциллирующей жидкости// ТОХТ 1970. - т.4, №4. С. 597-602.

36. Присняков В.Ф., Присняков К.В., Воздействие вибраций на тепло и массообмен при кипении // ИФЖ т. 74., №4. 2000. С. 185-187.

37. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. М.: Химия, 1968. 618 с.

38. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: Основы стратегии. М.: Наука, 1976. 500 с.

39. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Дранишников JI.B. Системный анализ процессов химической технологии: Процессы полимеризации. М.: Наука, 1991. 350 с.

40. Фрэнке Р. Математическое моделирование в химической технологии. М.: Химия, 1971.-267 с.

41. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973. 391 с.

42. Гельперин Н.И., Пебалк В.А., Констанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. М.: Химия, !977.~ 273 с.

43. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов / Пер с англ. М.: Химия, 1969. - 624 с.

44. Кафаров В.В, Глебов Н.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высш. шк., 1991. 400 с.

45. Справочник химика, т.1 Л. - М.: Энергия, 1968

46. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и хим технологии. М.: Наука, 1985.-448 с.

47. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. шк., 1998.-479 с.

48. Галкин П.А., Павлов Н.В., Климов A.M. Исследование времени пребывания частиц дисперсной фазы в секционированном пульсационном колонномреакторе при полимеризации метилметакрилата в суспензии // VI науч. конф. ТГТУ: Тез. докл. Тамбов, 2001. - с. 239

49. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости / Пер. с англ. М.: Энергия, 1971.-480 с.

50. Механика жидкостей и межфазных сред / Под ред. А.Ф. Файзулаева. -Ташкент: Фан, 1991. 139 с.

51. Кочин Н.Е. Теоретическая гидромеханика / Под ред. И.А. Кибеля. М.: Наука, 1963.- 583 с.

52. Чжен П. Управление отрывом потока. / Пер. с англ. под ред. д.т.н. Бондарева Е.Н. М.: Мир. 1979. - 552 с.

53. Чжен. П. Отрывные течения В. 3-х т. // Пер. с англ. д.т.н. Голубинского А.И., под ред. д.т.н. Майкапара Т.И. М.: Мир. 1972.

54. Гогиш. JI.B. Степанов Г.Ю. Отрывные и кавитационные течения: Основные свойства и расчетные модели. М.: Наука 1990. 382 с.

55. Гогиш. J1.B. Молодых О.В. Расчет отрывных и кавитационных течений в диффузорных каналах // МЖГ № 5 1986. с. 47 54.

56. Коновалов А.Е. Вихревое невязкое течение с циркуляционными зонами в каналах переменного сечения. // МЖГ № 2 1985.

57. Слезкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гостехиздат 1955.-496 с.

58. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. T.IV, Гидродинамика. -М.: Наука, 1988.- 736 с.

59. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехтеориздат, 1954 -648с.

60. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. 504 с.

61. Шестопалов В.В Математические модели химико-технологических процессов и систем. 4.1. М.: МХТИ, 1977. - 407 с.67.3акгейм А.Ю. Введение в моделирование химико технологических процессов. 2 -е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1982. - 288 с.