Разработка модели реактора полимеризации дициклопентадиена

УДК 519.711.3

Г.В. Борисов, А.А. Ляпков

Томский политехнический университет, Томск, Россия

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РЕАКТОРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ДИЦИКЛОПЕНТАДИЕНА

Разработана модель реактора полимеризации дициклопентадиена в растворе толуола под действием каталитической системы AlEt2Cl :TiCl4. Показано, что более выгодно применять реактор, работающий в адиабатическом режиме, чем в изотермическом, несмотря на то, что молекулярно-массовое распределение уже во втором полимеризаторе.

Was the development of a model of the polymerization reactor dicyclopentadiene in toluene solution under the influence of a catalyst system AlEt2Cl: TiCl4. It is shown that a more advantageous to employ a reactor operating under adiabatic conditions than under isothermal despite the fact that the molecular weight distribution in the second polymerizer.

Одним из основных процессов нефтеперерабатывающей промышленности является пиролиз углеводородного сырья, в результате которого помимо целевых продуктов - этилена и пропилена, образуется большое количество побочных жидких продуктов пиролиза (1).

Дициклопентадиен - один из важнейших компонентов жидких продуктов пиролиза, содержание которого в разных фракциях составляет до 50 %. Полимер, получаемый на его основе, является хорошим конструкционным пластиком, однако единственным способом получения изделий из этого вещества является реакционно-инжекционное формование, которое является трудоемким и длительным процессом (2). Альтернативной технологией получения полидициклопентадиена является его полимеризация в растворе толуола в турбулентном реакторе вытеснения.

Поскольку эти значения охватывают основную часть фракционной эффективности улавливания центробежных пылеуловителей, то в их расчетах оправдано применение приближенных моделей.

Математическая модель полимеризации дициклопентадиена включает стадии равновесного образования комплексов каталитической системы, активной частицы и роста цепи

DCPD + DEAH —^ KOMP

KOMP + TCT AC

DCPD + AC —^ GAC GAC + DCPD —^ POL + AC GAC + TCT —^ POL + AC где: DCPD - мономер, дициклопентадиен; TCT -тетрахлорид титана; DEAH - диэтилалюминийхлорид; KOMP - сольватированная молекула катализатора, включая ценовые комплексы тетрахлорида титана; AC - первоначальный активный центр; GAC - растущие активные центры; POL -полимер, полидициклопенадиен.

Для моделирования был выбран реактор идеального вытеснения, работающий в адиабатическом и изотермическом режимах. Для модели составили математическое описание, которое включало уравнения материального и теплового балансов (для изотермического T=const).

Ограничением являлась максимальная температура в реакторе 60 °С. Для достижения такой температуры в адиабатическом реакторе, концентрация мономера должна составлять не менее 1530 моль/м .

Систему уравнений, входящих в модель, решали для различных начальных условий (расход мономера и диаметр аппарата). Расход мономера рассчитывали исходя из данных, полученных с производства «ЭП-300» (Производство мономеров ООО «Томскнефтехим»), учитывая, что его содержание во фракции С9 составляет 19,3 %. Размеры аппарата выбирали таким образом, чтобы отношение длины трубы к ее эквивалентному диаметру было больше 20 (рис. 1).

Геометрические параметры адиабатического и изотермического реакторов для концентрации 1530 моль/м , при достижении максимальной конверсии совпадают, однако в изотермическом реакторе мы можем изменять концентрацию мономера, поддерживая при этом необходимую температуру. Изменение концентрации влияет на габариты аппарата (рис. 2).

dT AH

dT cp

KOMP

DCPD

Рис. 1. Результаты моделирования достигаемой степени превращения мономера от длины реактора при расходе раствора 0,676 м3/ч и концентрации мономера 1530 моль/м3

Рис. 2. Результаты моделирования достигаемой степени превращения мономера от длины изотермического реактора при различных концентрациях мономера растворе: 1 - 2030, 2 - 1530, 3 - 1030,

4 - 530 моль/м3

В адиабатическом реакторе максимальная степень превращения достигается быстрее при концентрации мономера 2030 моль/м , однако при

з

любом значение концентрации выше 1530 моль/м , температура в реакторе превышает наибольшее допустимое значение.

Согласно расчетам был смоделирован аппарат с геометрическими параметрами: 0,1 м - диаметр; 3,2 м - длина. Данные значения оказались одинаковыми как для адиабатического, так и для изотермического реактора, что говорит о том, что при такой температуре не наблюдается больших различий в скоростях реакции на начальной стадии.

Также был проведен анализ молекулярной массы полученного полимера и молекулярно-массового распределения, которые находятся в прямой зависимости от скорости образования активных центров, образующихся под действием каталитического комплекса и достижения системой стационарного состояния.

Анализ математической модели показал, что в изотермическом реакторе стационарное состояние достигается быстрее, чем в адиабатическом при равных концентрациях мономера и объемном расходе раствора (рис. 3), следовательно, молекулярно-массовое распределение полученного полимера в этом реакторе будет уже, в то время как средняя молекулярная масса полимера в обоих аппаратах будет одинаковой.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 « 0.W °.08 0.12 0,16

/, м /, м

а б

Рис. 3. Кинетическая кривая образования первоначальных активных центров (а) и растущих активных центров (б) в изотермическом (1) и адиабатическом (2) реакторах

Таким образом, нами была предложена математическая модель адиабатического и изотермического реактора полимеризации дициклопентадиена в растворе толуола под влиянием каталитической системы AlEt2Cl :TiCl4 (1:1 моль, 2,0 масс. %).

Показано, что смоделированные реакторы для двух тепловых режимов работы при достижении максимальной степени превращения имеют равные геометрические параметры. Оптимальными параметрами являются диаметр аппарата 0,1 м и длина 3,2 м.

При концентрации мономера 1530 моль/м экономически выгоднее использовать адиабатический полимеризатор, т.к. необходимая поверхность теплообмена для изотермического аппарата более чем в 10 раз превышает ее требуемое номинальное значение.

Библиографический список

1. Думский Ю.В., Но Б.И., Бутов Г.М. Химия и технология нефтеполимерных смол. - М.: Химия, 1999. - 312 с.

2. Vervacke D. An introduction to PDCPD. - Waarschoot: Product Rescue, 2008. - 129 p..

3. Бондалетов В.Г., Ляпков А.А., Ионова Е.И. Моделирование реакции олигомеризации фракции С9 пиролиза прямогонного бензина // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321. - №2 3. - С. 137 - 141.