СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ИНТЕНСИФИЦИРОВАННОМ ТРУБЧАТОМ РЕАКТОРЕ ГОМОФАЗНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
PROCEDURE FOR CONTROL AND DEVICE FOR HEAT AND MASS EXCHANGING PROCESS IN INTENSIFIED TUBULAR REACTOR OF HOMO-PHASE POLIMERISATION

Область применения - химическая и нефтехимическая промышленность. Изобретение предназначено для проведения тепломассообменных процессов, с целью повышения надежности и эффективности работы химико-технологических систем.
Известно и взято в качестве прототипа устройство, содержащее установку типа трубчатого химического реактора, содержащее секционный каскадный нихромовый электронагреватель, камеру подачи мономера, инициатора и теплоносителя в реактор и автоматические регуляторы подачи реагентов, контроллер, малогабаритный преобразователь давления, автотрансформатор, цифровые ампервольтметры, хромокапелевую термопару, разделительную камеру и блоки предварительной подготовки реагентов, включающие насос, емкость предварительного термостатирования и теплообменник окончательного термостатирования. В устройстве зон нагрева и нагреваемых частей реактора более одной. Нагревание стенки реактора осуществляется электроподогревом (заявка на изобретение РФ №2332255, МПК B01J 8/06, B01J 3/02). В данном изобретении не предусмотрена стабилизация течения и интенсификация процессов тепло - и массообмена в реакторе, а также отсутствует система охлаждения рабочего участка в случае самоускорения химической реакции и сопровождающейся резким повышением температуры реакционной среды. Недостатком изобретения является отсутствие рециркуляционного подогрева рабочего участка горячим теплоносителем, позволяющим снизить энергетические затраты и обеспечить запасной вариант подогрева стенок реактора в случае поломки системы электрического нагрева. В рассматриваемом изобретении также не указываются оптимальные начальные концентрации реагентов, в частности инициатора, что может оказать существенное влияние на ход технологического процесса полимеризации. К тому же применение инжекторов впрыска реагентов в поток реакционной массы, расположенных на стенке реактора, приводит к дополнительным трудностям в очистке реактора от продуктов химической реакции, и не гарантирует эффективный впрыск реагентов в осевую область реактора, за счет торможения и уноса струи вязкими слоями полимеризующейся массы. Таким образом, данное изобретение в полной мере не обеспечивает безопасность проведения процесса полимеризации в гомофазном полимеризационном реакторе непрерывного действия и не позволяет улучшить качество получаемого продукта.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективного управления процессом полимеризации в гомофазном полимеризационном реакторе непрерывного действия, улучшение качества конечного продукта и снижение риска возникновения аварийной ситуации.
Технический результат - повышение управляемости технологического процесса, улучшение характеристик молекулярно-массового распределения образующегося полимера, обеспечение безаварийного режима работы реактора.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит секционный каскадный нихромовый электронагреватель, камеру подачи мономера, инициатора и теплоносителя в реактор, содержащую успокоительную камеру, причем начальная концентрация инициатора регулируется в интервале от 0.5 до 4.5 мас.% (предпочтительным является 0.5 мас.%), а начальная концентрация мономера и теплоносителя 100 мас.% и 10 мас.% соответственно, автоматические регуляторы подачи реагентов, контроллер, автотрансформаторы, хромокапелевую термопару, блоки предварительной подготовки мономера, инициатора, теплоносителя и охлаждающей жидкости, включающие насос, термопреобразователи и теплообменники, при этом блоки предварительной подготовки теплоносителя и охлаждающей жидкости соединены с рубашкой реактора, камеру отделения мономера, инициатора, теплоносителя и конечного продукта, соединенную с блоками предварительной подготовки реагентов, преобразователь давления, содержащий дифманометр, соединенный с камерой подачи мономера, инициатора и теплоносителя в реактор, цифровой ампервольтметр, автоматические регуляторы подачи реагентов, термопары, расположенные на стенках реактора по всей его длине, при этом стенка реактора снабжена искусственной поперечной периодической дискретной шероховатостью в виде полукруглых выступов по всей длине реактора. Повышение управляемости технологического процесса достигается за счет присоединения всех перечисленных выше устройств к контроллеру, в качестве которого может быть использован персональный компьютер, снабженный необходимой информационной базой. Способ управления тепломассообменными процессами в реакторе гомофазной полимеризации включает текущий контроль температуры на границе реактора, включая стенку реактора, для того, чтобы при необходимости увеличить или уменьшить температуру той или иной секции стенки реактора, за счет увеличения или уменьшения силы тока в секционном каскадном нихромовом электронагревателе. Охлаждение или нагрев стенки реактора может также осуществляться за счет использования нагретого до нужной температуры теплоносителя или охлаждающей жидкости, направляемой в рубашку реактора.
Интенсификация процессов тепло- и массообмена при применении периодической поперечной дискретной шероховатости в виде полукруглых выступов на стенке реактора обуславливается возникновением и развитием макровихрей за элементом выступа, увеличенной площадью теплообмена и большим, чем в гладком реакторе, временем пребывания полимера. Применение метода интенсификации теплообмена, основанного на разрушении пристенных слоев жидкости, позволяет за счет псевдопластичных свойств большинства полимеров снизить интенсивность нарастания вязкости в пристенной области и увеличить теплообмен между стенкой и реакционной средой в реакторе. В результате применения периодической поперечной дискретной шероховатости в виде полукруглых выступов на стенке реактора, например со следующими предпочтительными геометрическими характеристиками: S/D=0.8, h/D=0.1, где S/D и h/D - отношения шага накатки и высоты выступа соответственно к диаметру живого сечения реактора, наблюдается более интенсивное превращение полимера, увеличивается его однородность по сравнению с гладким реактором и с другими геометрическими характеристиками периодической поперечной дискретной шероховатости, гидродинамическое сопротивление увеличивается незначительно, при этом его опережает рост коэффициентов теплопереноса.
На качество полимера также влияет концентрация реагентов. Для увеличения степени превращения необходимо увеличивать начальную концентрацию инициатора, а для улучшения характеристик молекулярно-массового распределения необходимо наоборот уменьшать начальную концентрацию инициатора до приведенных выше значений.
Для создания периодической поперечной дискретной шероховатости в виде полукруглых выступов на стенке реактора применяют кольцевую накатку в проточной части реактора или монтаж вставок в реактор.
Устройство для проведения тепломассообменных процессов в интенсифицированном трубчатом реакторе гомофазной полимеризации представлено на чертеже.
Устройство состоит из:
Блоки №1-№5. Блоки предварительной подготовки реагентов, содержащие насос, термопреобразователи, теплообменники;
1.1-1.5 - автоматические регуляторы подачи каждого реагента;
2 - камера одновременной подачи материалов, содержащая успокоительную камеру;
3 - рабочий участок с полукруглыми выступами на внутренней стенке реактора;
4 - преобразователь давления, содержащий дифманометр, регулирующий и измеряющий градиент давления на входе и выходе из реактора;
5 - цифровой ампервольтметр, регистрирующий изменение силы тока и напряжения на нихромовой спирали;
6 - автотрансформаторы;
7 - секционный каскадный нихромовый электронагреватель;
8 - хромокапелевая термопара, регистрирующая изменение температуры вещества;
9 - разделительная камера;
10 - конечный продукт;
11 - рубашка реактора;
К - контроллер.
Устройство работает следующим образом: с помощью контроллера осуществляется автоматическое управление процессом тепло- и массообмена в реакторе, обеспечивающего роль диагностирующего и управляющего механизма. Контроллер сравнивает полученные данные о технологическом процессе от датчиков и устройств, регулирующих гидродинамические, тепломассообменные и химические характеристики рабочей среды с данными, соответствующими оптимальному эффективному и безопасному режиму полимеризации.
В камеру подачи материалов (2) подаются реагенты, предварительно пройдя подготовительную процедуру, при которой подготовленный реагент предварительно доводится до нужной температуры, затем в успокоительной камере (2) происходит стабилизация потока для обеспечения ламинарного режима течения реагентов. Ламинарный режим течения реакционной среды позволяет строго ориентировать макромолекулу в потоке, не позволяя ей сворачиваться в клубок, как это часто происходит при турбулентном режиме течения. Таким образом, стабилизация течения позволяет увеличить длину макромолекул, что положительно сказывается на молекулярной массе полимера и его однородности.
Регулирование расхода реагентов производится изменением числа оборотов соответствующих насосов и открытием или закрытием автоматических регуляторов подачи реагентов (1.1-1.5). Отметим, что температура теплообменников, обороты насосов, регуляторы подачи реагентов контролируются контроллером (К). Перепад давления на рабочем участке (3) измеряется при помощи преобразователя давления, содержащего дифманометр (4), данные которых передаются на контроллер.
Тепловые граничные условия на стенке рабочего элемента (3) формируются соответствующим переключением секций и регулированием силы тока на каждой из секций электронагревателей (7) и/или подачей теплоносителя (охлаждающей жидкости), доведенных до определенной температуры из блоков предварительной подготовки реагентов (Блоки №4 и №5) в рубашку реактора (11). Секции электронагревателей состоят из нихромовых спиралей, соединенных в электрическую цепь с лабораторными автотрансформаторами (6) и электрическими приборами для определения силы тока и потребляемой мощности (5).
Контроль температуры на отдельных участках рабочего элемента производится с помощью хромокапелевых термопар (8), замеры которых подаются на контроллер.
По завершении рабочего участка в камере отделения (9) отделяются конечный продукт (10) от непрореагировавших реагентов. Отделенный на выходе теплоноситель и непрореагировавшие реагенты снова направляются в Блоки №1-№4. Ближе к выходу из реактора охлаждающая жидкость и теплоноситель из рубашки реактора (11) направляются в Блоки №4-№5.
С помощью предложенных выше устройств возможно управление как расходом каждого реагента, так и регулированием их начальной концентрации и температуры перед направлением его в камеру подачи материалов (2).
Таким образом, для обеспечения эффективного управления процессом полимеризации в гомофазном полимеризационном реакторе непрерывного действия, улучшения качества конечного продукта и снижения риска возникновения аварийной ситуации устанавливаются специальные датчики и устройства (описанные выше), регулирующие гидродинамические, тепло- и массообменные и химические характеристики рабочей среды, и выполняется присоединение этих устройств к контроллеру, который должен быть снабжен необходимой информационной базой о предельно допустимых управляющих параметрах, соответствующих оптимальным эффективным и безопасным режимам работы всего производственного процесса. Контроллер при выявлении характеристик рабочего процесса, соответствующих аварийному режиму работы реактора, автоматически меняет расход, температуру и/или концентрацию подаваемых в реактор теплоносителя, мономера и инициатора, а также расход и температуру подаваемых в рубашку реактора теплоносителя и охлаждающей жидкости для предотвращения возникновения аварийных ситуаций.
Отличительной особенностью изобретения от его ближайшего аналога является следующее: изобретение включает в себя регулирование температуры стенки реактора с помощью подачи в рубашку реактора доведенных до определенных температур теплоносителя или охлаждающей жидкости, стабилизацию течения, а также установленные диапазоны значений начальных концентраций реагентов, подаваемых в реактор, и геометрические характеристики интенсификаторов тепломассообмена. Все это позволяет достичь максимальных степеней превращения, улучшить характеристики молекулярно-массового распределения, повысить надежность и управляемость процесса гомофазной полимеризации в трубчатом реакторе непрерывного действия.
Изобретение относится к теплотехнике и химической технологии. Оно позволяет не только управлять внутренними гидродинамическими, химическими и теплофизическими процессами, происходящими в потоке вязкой жидкости, но и прогнозировать, как данные процессы повлияют на качество конечного продукта.
Тем самым предложенное изобретение позволяет повысить надежность и управляемость технологического процесса, увеличить ресурс работы реактора и качество конечного продукта.