Диффузорно-пенный реактор-фибридатор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик г

Ъ фу, ." ;/ г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 11.06.79 (21) 2777348/23-26 t$$) М.Кд.з

В 01 J 19/26 с присоединением заявки ¹â€” (23) ПриоритетГосударственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 300982. Бюллетень ¹ 36 ($3) УДК66.023 (088. 8) Дата опубликования описания 30.09.82 р з "(1

В.A. Никифоров, С.A. Жижилев и Л. Б. Соколов

1 !

1 j ()

I, „„.„,. „.Ц

1 („ Т " м г.

J .,p

Калининский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ДИФФУÇOPHO-ПЕННЫИ РЕАКТОР-ФИБРИДАТОР

Изобретение относится к химической технологии полимерных материалов, в частности к реакторным устройствам для синтеза гетероцепных полимеров с ароматическими ядрами в цепи и волокнисто-пленочных полимерных связующих (фибридов) на их основе методом неравновесной поликонденсации на границе раздела жидкость-гаэ, и может быть использовано в производстве пластических масс, синтетической бумаги, нетканных материалов.

Известен реактор-фибридатор,состоящий из форсуночного смесителя испари-15 теля,и реакционной камеры. Между испарителем и реакционной камерой размещена перфорированная перегородка. Реакционная камера снабжена обечайкой, коаксиально установленной с внешней стороны реакционной камеры на расстоянии от названной камеры с образованием полости, служащей напорной камерой для жидкой фазы. Напорная камера сообщается с реакционной зоной регулируемой по высоте кольцевой щелью, .образуемой основанием камеры и нижним обрезом цилиндрического корпуса. Напорная камера и кольцевая щель обеспечивают подачу жидкой фазы а реакционную зону в виде сплошной тонкой пленки (пелены) на высоте 34 мм н ад поверхностью перфорированной перегородки, что при контакте с газовой фазой, поступающей через перфорацию перегородки, благоприятствует образованию длинноволокнистых фибридов (1).

Однако известный реактор-фибридатор при работе на расплавах технических монометров не обеспечивает надежность эксплуатации установки.

Благодаря наличию в конструкции аппарата перфорированной перегородки неплавящиеся примеси и продукты разложения хлорангидридов забивают отверстия перегородки, что вызывает необходимость периодической остановки реакторного агрегата для очистки перфорации, Вынужденные остановки снижают производительность и затрудняют эксплуатацию установки.

Известен также реактор диффузорного типа, корпус которого выполнен в виде двух вертикальных усеченных конусов, вставленных один в другой концентрически и служащих в качестве камеры окисления и диффуэора аппарата непрерывного действия для производства свинцовых окислов. Корпус диффузора выполнен в виде единой мо96 .746 нолитной детали суживающе-расширяю.щейся формы, причем суженная средняя часть диффузора имеет боковое отверстие для монтажа форсунки (2), Вследствие отсутствия в известном реакторе приспособления для подачи 5 жидкой фазы в виде сплошной пелены в месте ее контакта с газовой фазой это устройство не позволяет получать фибриды синтетических полимеров. Кроме того, в известной конструкции отсутствует устройство для генерирования газовой фазы исходных продуктов.

Цель изобретения — интенсификация процесса и повышение надежности эксплуатации установки. t5

Поставленная цель достигается тем, что диффузо рно-пенный реактор-фиб ридатор, содержащий вертикально установленную реакционную камеру, выполненную в виде двух усеченных конусов, об ращенных друг к другу меньшими основаниями с образованием между ними щели, причем отношение большего диаметра к меньшему составляет 2,5-2,1, а высота кольцевой щели равна 0,02-0,06 величины большего диаметра конуса.

Надежность э ксплу атации установки определяется следующими факторами.

Во-первыМ, применение в качестве приспособления для создания необходимого динамического напора газовой фа-30 зы в месте ее контакта с жидкой фазой устройства конфузорно-диффузорного ти-. па исключает забивание сужения неплавящимися примесями и продуктами разложения мономера в условиях повышен- 35 ных температур расплава (выше,130 С) .

Во-вторых, в связи с переносом реакционной зоны непосредственно в сужение с отсутствием энергозатрат на .дросселирование газового потока до реакционной эоны необходимость в значительном перегреве газовой фазы исключается, что позволяет снизить температуру газовой фазы на входе в реакционную камеру от 190-200 до 150170 С, т.е. в среднем на 30-40 С. о 45

Расчетами и экспериментом установлено, что снижение температуры газовой фазы на каждые 10 С позволяет снизить температуру стенки испарителя на 110115 С. Таким образом, при внедрении предлагаемой конструкции эксплуатацию камеры генерирования газовой фазы стало возможным осуществлять при температуре стенки испарителя 350450 С вместо 650-800 С (табл. 1). 55

Снижение температуры стенки ис-. парителя до указанных температурных пределов предотвращает вероятность деформации и разрыва корпуса испарителя при проведении технологического 6О процесса в условиях повышенного давления. Наряду с этим, за счет снижения температуры газовой фазы на входе в реакционную зону происходит пропорциональное снижение энергозатрат 65 на генерирование газовой фазы в среднем на 15%, а также cHижение теплопотерь в окружающую среду за счет снижения температуры стенки испарителя.

В-третьих, надежность эксплуатации обеспечивается стабильным выходом полимера. Последний зависит от соотношения геометрических размеров конструктивных элементов реакционной камеры. При отношении наибольшего диаметра усеченного конуса к наименьшему диаметру его меньше 2:1 происходит частичный провал жидкой фазы в камеру генерирования газовой фазы, что влечет за собой нарушение молярного соотношения мономеров в зоне контакта фаз, образование олигомерных твердых продуктов ниже реакционной эоны, сажеобразование и загрязнение фибридов, снижение выхода целевых продуктов. При отношении .наибольшего диаметра усеченного конуса к наименьшему диаметру его больше 2,5:1 возникает струйный проскок.мономера газовой фазы и резкое снижение выхода полимера до

60-655 от теоретического.

Таким образом, надежная эксплуатация установки при достаточно высокой эффективности технологического процесса возможна при соотношении на-, ибольшего и наименьшего диаметров усеченных конусов, образующих реакционную камеру, в пределах 2,5-2:1 (табл. 2) .

Высота кольцевой щели определяет размеры получаемых фибридов. При постоянном расходе жидкой фазы с уменьшением высоты щели увеличивается скорость истечения жидкой фазы, напряжение и скорость относительного сдвига ее, уменьшается толщина жидкостной пленки и диффузионное торможение,. увеличивается средневзвешенная длина фибридов. При увеличении высоты щели при постоянном расходе жидкой фазы указанные показатели ухудшаются. Уменьшение высоты щели ниже 0,02 величины наибольшего диаметра резко увеличивается гидравлическое сопротивление и ограничивает расход жидкой фазы, снижает производительность установки. Оптнмальной высотой щели,. обеспечивающей размеры фибридов, удовлетворяющие промышленность синтетических бумаг, при высоком выходе полимера экспериментально установлено 0,02-0,03 величины наибольшего диаметра. Увеличение высоты щели до

0,06 величины наибольшего диаметра усеченного конуса следует устанавливать при повыаенной до 5 моль/м носителя концентрации мономера в газовой фазе (нормальная концентрация мономера в газовой фазе 1-1,5 моль/м ), что максимально позволяет предложенная конструкция реактора-фибридатора. Влияние высоты кольцевой щели, с оо бщающей реакционную каме ру с н а961746

45 порной кольцевой камерой, на выход ,полимера и размеры получаемых фибри дов представлено в табл. 3.

На чертеже изображен реактор-фибридатор,состоящий иэ вертикальной реакционной камеры и расположенной под ней камеры генерирования газовой фазы.

Камера генерирования газовой фазы вклю чает форсуночный смеситель 1, диффузор 2 и испаритель-перегреватель 3.

Форсуночный смеситель 1 содержит соп- 1О ло 4, кольцевой зазор и штуцер 5 для ввода носителя газовой фазы. Реакционная камера образована двумя усеченными конусами, обращенными друг к другу наименьшими основаниями с обра- 15 зованием между ними сплошной горизонтальной кольцевой щели. Разъемные части корпуса реакционной камеры (конфузор 6 и диффузор 7) имеют резьбовое соединение, уплотненное набив- щ кой .8 и нажимной гайкой 9. Между внутренней còåíêoé верхней цилиндрической части конфузора 6 и наружной конической стенкой диффузора 7 образована кольцевая полость со штуцером 10 радиального ввода. Диффузор 2, испаритель-пере.греватель 3 и реакционная камера снабжены электронагревательными элементами 11. Отношение диаметров наибольшего и наименьшего оснований усеченных конусов 2,5-2:1.

Ре актор-фибридатор оборудован гильзами 12 для термопар и техническими манометрами 13. Форсуночный смеситель 1, диффузор 2, испаритель 3, реакционная камера и труба 14 отвода реакционной массы крепятся между собой простыми фланцевыми соединениями.

Для обеспечения регулирования высоты кольцевой щели между наименьшими основаниями усеченных конусов в пределах 40 0,02 — 0,06 величины диаметра наибольшего основания усеченного конуса с шагом регулирования 0,05-0,1 мм верхнее фланцевое соединение реакционной камеры с трубой 14 отвода реакционной массы имеет увеличенное до

8-16 количество болтовых соединений (возможна замена увеличенного коли.— чества болтовых соединений накидными фланцами). 50

Реактор-фибридатор работает следующим образом..

Расплав ацилирующего мономера хлорангидрида ароматических дикарбоновых кислот) с температурой 130150 С через сопло 4 под давлением азота поступает в диффузор, где диспергируется до аэрозольного состояния потоком горячего возцуха, поступающего сюда через штуцер 5 и кольцевой зазор форсунки. Аэрозольно-воздушная смесь, поднимаясь в вертикальной плоскости вдоль поверхностей- теплообмена диффузора 2 и испарителяперегревателя 3, превращается в паровоздушную смесь, содержащую мономер 65 в состоянии перегретого пара, и с температурой 150-190ОС поступает в горловину реакционной камеры, где эа счет сужения линейная скорость паровоздушной смеси возрастает и достигает максимума. При этом пропорционально квадрату увеличения линейной скорости возрастает кинетическая энергия потока.

Жидкая фаза (воднощелочной раствор ацилируемого бифункционального соединения) с температурой 95-105ОС под напором, создаваемюм центробежным насосом, через штуцер 10 радиального ввода поступает в кольцевую полость, откуда истекает через кольцевую щель в горизонтальной плоскости реакционной зоны в виде пелены (сплошной тонкой пленки) от периферии к центру и вступает в контакт с газовой фазой.

При этом в перекрестном токе взаимодействующих фаз непосредственно в горловине при максимальных скоростях истечения фаз протекают процессы тепло- и массообмена, мгновенные или быстрые реакции поликонденсации с образованием гелеобраэной пленки, инверсия фаэ (жидкая фаза диспергирует в сплошной газовой фазе с образованием высокотурбулиэованной газожидкостной эмульсии, в которой также распределяются набухшие частицы полимера) с образованием подвижной трехфазной пены и формование фибри.дов в условиях повышенного напряжения сдвига, испытываемого жидкой фазой.

Контакт взаимодействующих фаэ в интенсивном гидродинамическом режиме обеспечивает формование длинноволокнистых фибридов непосредственно в реакционной камере реактора-фибридатора. Так как на размеры фибридов s значительно большей степени оказывает влияние скорость истечения жидкой фазы, чем газовой фазы в предложенной конструкции, где периметр и общее сечение щели меньше, чем в цилиндрическом корпусе с перфорированной перегородкой, при одном и том же расходе жидкой фазы размеры получаемых фибридов больше и по средневзвешенной длине достигают 260-280 дцг против 70-100 дцг в реакторе с перфорированной перегородкой.

На.развитой поверхности трехфазной пены протекают даЛьнейшие процессы поликонденсации и нейтрализации выделяющегося низкомолекулярного вещества (хлористый водород) содержащимся в жидкой фазе основанием (щелочь).

Реакционная масса динамическим потоком воздуха подается в сборник-сепаратор, где разделяется на водную суспензию полимера и отходящие газы.

Предложенная конструкция реакторафибридатора позволяет организовать ,непрерывное производство длинноволок(нистных фибридов термостойких поли9о1746

2,5:1

2,731

70

Проскок хлоран гид рида, н аблюдается коррозия пеногасителя

То же

3:1

Таблица1

Отношение высоты щели к наибольшему диаметру усеченного конуса

Скорость истечения

2О жидкой фазы, м/с

Средневзвешенная длина фибридов,дцг

5,6 0.,01

3 3 0,017

280

256

2,8

0,02

240

780

200

1,9 0,03

1,5 0,04

205

670

190 .

170

560

180

1,4

0,04

160

445

170

0,9 0,06

120

330

160

0,8

0,07

150

220

Формула изобретения

Провал жид-. Я кой фазы, налипание полимера на сужении, сажа

То же у

1,5:1

1, 8: 1

1,9 . 1

Незначительный налет полимера ниже кольце- © вой щели

96

2:1 меров с ароматически я ядрами в цепи, обеспечивает ловьааенную надежность эксплуатации оборудования, устойчивость технологического режима и снижение энергозатрат. Реактор может быть применен для синтеза широкого класса линейных полиамидов и полиэфиров с использованием высокореакционнослособных мономеров.

Промышленное внедрение конструкции в производстве лолиамида-6Т с целью переработки его в синтетическую бумагу электротехнического назначения лри мощности установки

100 т/год даст экономический эффект

2166 тыс. руб. в год.

Зависимость температуры стенки испарителя от температуры газовой фазы на входе в реакционную камеру при линейной скорости газовой фазы

8 м/с и высоте испарителя 3 м.

Температура газовой Температура фазы на входе в ре- стенки испаакционную камеру, ОС рителя, ОС

Т а б л и ц а 2

Зависимость выхода полимера от соотношения наибольшего(0) и наименьшего(о) диаметров усеченных конусов, образующих реакционную камеру.

Продолжение табл. 3

Таблица Э

Зависимость размеров фибридов и выхода полимера от скорости истечения жидкой фазы в реакционную зону

Диффузорно-пенный реактор-фибридатор, .содержащий вертикально установленную реакционную камеру, выполненную в виде двух усеченных конусов, обращенных друг к другу меньшими основаниями с образованием между ними щели, о т л и ч а ю щ и и .с я тем, что, с целью интенсификации процесса и повышения надежности эксплуатации установки, отношение большего диаметра к меньшему составляет 2,5-2,1, а высота кольцевой щели равна 0,020,06 величины большего диаметра конуса.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2563805/26,кл.В 01 J 1/00, С 08 G 69/04.

2. Авторское свидетельство СССР

М 82133, кл. В 01 J 19/00, 1947.

962746

Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская .наб. д, 4/5

Заказ 7355/9

Филиал .ППП Патент, г. Ужгород, ул..Проектная, 4

Составитель Н. Кацовская

Редактор A. Мотыль Техред Ж.Кастелевич Корректор ° сутяга