Практическое занятие № 2 Процесс полимеризации

В промышленности СК применяются три способа тех­нологического оформления процессов полимеризации: в эмульсии (эмульсионная полимеризация), в растворе и в массе (блочная полимеризация).

Рисунок 54 - Реактор для полимеризации бутадиена со стиролом при 50 °С:

1—корпус; 2—рубашка; 3 — мешалка; 4—мотор с редуктором.

В настоящее время эмульсионная полимеризация проводится главным образом непрерывным способом. С этой целью используются агрегаты, состоящие из ряда последовательно соединенных полимеризаторов. Каждый из них работает в близких к идеальному смешению условиях. В целом же каскад (батарея) полимеризаторов работает по схеме, приближающейся к схеме идеального вытеснения.

Агрегат для производства бутадиен-стирольного каучука состоит из 12 полимеризаторов, из которых 11 находятся в работе, а один — запасной. Полимеризаторы в батарее соединены между собой тремя рабочими трубопроводами. По основной линии продукт передается из одного аппарата в другой (поступает по трубе (доходящей почти до дна полимеризатора, и выходит из него сверху). Вторая трубопроводная линия шунтовая, т. е. служит для выключения любого полимеризатора из батареи (на ремонт, чистку или при забивке линии коагулюмом). Третья линия необ­ходима для разгрузки через вспомогательный фильтр выключен­ного из батареи аппарата.

Полимеризаторы представляют собой вертикальные цилиндри­ческие аппараты (автоклавы) емкостью 12 или 20 м³, снабженные мешалками.

Порядок расчета полимеризаторов с мешалками

Прежде всего, следует выбрать число полимеризаторов и по нему установить к. п. д. батареи. Так как эмульсионная полимеризация является гетерогенным процессом, то имеющиеся в литературе формулы для расчета к. п. д. непрерывно действую­щего каскада реакторов для гомогенных реакций неприменимы. Поэтому необходимо воспользоваться практическими значениями к. п. д. полимеризационной батареи.

Практические значения к. п. д. непрерывно действующей бата­реи полимеризаторов ниже значений к. п. д., рассчитанных по имеющимся формулам для гомогенных реакций. Расхождение объясняется микрогетерогенностью системы и зависит как от числа аппаратов в батарее, так и от глубины полимеризации и типа каучука (рецепта полимеризации). Данные о к. п. д. непрерывно действующего каскада полимеризаторов при синтезе разных типов каучуков и латексов приведены в справочных данных.

Задачи:

1. На полимеризацию поступает изопрен, массовый расход его G₁ = 1570 кг/ч или v₁ = 2,3 м³/ч. Растворитель — изопентан подается в коли­честве G₂ = 9780 кг/ч или v₂ = 15,7 м³/ч. Растворитель содержит 1,5 масс. % изопрена. Каталитический комплекс в 18%-ном растворе изопентана подается в количестве G₃ = 302 кг/ч (или v₃ = 0,45 м³/ч). Конверсия изопрена соста­вляет 0,9. Объем полимеризатора 16 м³, поверхность теплообмена F = 41,1 м²., Тепловой эффект реакции полимеризации изопрена q = 1047 кДж/кг. Темпера­тура в первом полимеризаторе должна быть 10 °С, во всех последующих 20 °С. Температура рассола для охлаждения —15 °С. Изопрен, растворитель и раствор каталитического комплекса подаются предварительно охлажденными до —15 °С, причем в первый аппарат подается весь изопрен, каталитический комплекс и весь растворитель. Теплоемкость изопрена с₁ = 2,093 кДж/(кг·°С), изопентана с₂ = 2,303 кДж/(кг·°С), мощность, потребляемая мешалкой, N = 15 кВт.

Рассчитать допустимую конверсию мономера, при которой обеспечивается отвод тепла в каждом аппарате, и определить количество полимеризаторов.

Расчет. Первый полимеризатор. На основе практических данных прини­маем следующие коэффициенты теплопередачи К по аппаратам

Номер полимеризатора............ 1 2 3 4 5 6 7 8

К, Вт/(м²·°С).............................. 100 90 80 65 50 35 15 12

Максимальное количество изопрена, которое можно заполимеризовать в первом аппарате с использованием при этом всех возможностей теплосъема, составит:

где Q_i — тепло, отводимое предварительно охлажденным («захоложенным») изо­преном; Q₂ — тепло, отводимое захоложенным растворителем; Q₃ — тепло, отво­димое захоложенным раствором катализатора; Q₄ — тепло, отводимое рассолом через поверхность теплообмена; Q₅ — тепло, выделяемое мешалкой; — понижение температуры изопрена, растворителя и раствора катализатора соот­ветственно; t_ср — средняя разность температур в процессе теплообмена (тем­пературный напор).

Принимаем температуру отходящего рассола — 11 °С. Тогда

Так как изопрен, растворитель и каталитический комплекс подаются при одинаковой температуре

Принимаем теплоемкость раствора катализатора с₃ равной теплоемкости растворителя с₂.

Общий объем подаваемой в по­лимеризатор смеси (растворителя, изопрена и раствора каталитического комплекса):

Количество подаваемого в по­лимеризатор изопрена, включая изо­прен, содержащийся в растворителе:

Концентрация мономера в по­ступающей в аппарат смеси:

,

(68 — молекулярный вес изопрена).

Находим для температуры полимеризации 10 °С = 0,69 и = 1,085. По уравнению

и по уравнению

Задаем два значения m₂ 0,95 и 0,85 и находим значения А.

На основании полученных данных строим график зависимостей А = f(m₂) и А = F (m₂), считая их линейными и по пересечению прямых находим искомое значение m₂ = 0,928.

Количество мономера, не заполимеризовавшегося в первом аппарате, со-

ставит:

Количество заполимеризовавшегося мономера:

Количество заполимеризовавшегося изопрена меньше, чем максимальное количество z (904,5 кг/ч), которое можно заполимеризовать по условиям тепло­обмена. Таким образом, обеспечивается отвод тепла с запасом ~60% (запас можно уменьшить повышением температуры подаваемых в полимеризатор моно­мера и растворителя).

Концентрация полимера в растворе:

Конверсия мономера:

Задание

Подобным образом рассчитать последующие полимеризаторы: второй, третий, четвертый, пятый, шестой — до достижения заданной конверсии мономера 90%. Так как температура в процессе полимеризации не меняется и составляет 20 °С, как и во втором полимеризаторе, теплосъем во всех последующих полимериза­торах осуществляется только через поверхность теплообмена.