Изобретение относится к реактору, в частности трубчатому реактору, его применению для осуществления способа непрерывного получения полимеров, в частности, синтетических каучуков, а также к указанному способу.
Из патента США US 4,282,925 известен теплообменник, который обладает в основном трубообразным корпусом с вертикальным центральным валом. Теплообменник снабжен скребком, который ножами скребка перемещается вдоль внутренней поверхности корпуса.
Недостаток указанного теплообменника состоит в том, что он плохо пригоден в качестве трубчатого реактора для осуществления полимеризации в непрерывном режиме, поскольку не позволяет удовлетворительно контролировать реакционные условия и оказывать на них необходимое воздействие. В частности, почти невозможно регулировать необходимое молекулярно-массовое распределение.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать реактор и предложить способ непрерывной полимеризации, которые позволяли бы оказывать более эффективное воздействие на условия полимеризации и, в частности, облегчать регулирование необходимого молекулярно-массового распределения.
Указанная задача согласно изобретению решается с помощью реактора, отличительные признаки которого приведены в пункте 1 формулы изобретения, а также с помощью способа, отличительные признаки которого приведены в пункте 17 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах.
Предлагаемый в изобретении реактор для осуществления непрерывной полимеризации, который можно использовать, в частности, для получения синтетических каучуков путем полимеризации, обладает по меньшей мере одним, в основном трубообразным корпусом, который снабжен приводом, соединенным по меньшей мере с одним установленным
внутри корпуса скребком или, соответственно, очистителем с возможностью вращения, причем скребок или, соответственно, очиститель снабжен по меньшей мере одним ножом скребка или, соответственно, очистителя, предназначенным для перемещения вдоль внутренней поверхности корпуса реактора.
В дополнение к этому следует заметить, что в соответствии с настоящим изобретением понятие «скребок» или «очиститель» используют также для обозначения элементов, которые во время их функционирования располагаются под углом к внутренней поверхности корпуса реактора, составляющим точно 90°.
Зазор между ножом скребка или, соответственно, очистителя и внутренней поверхностью корпуса реактора составляет, например, 0 или более 0 до 1 %, предпочтительно 0 или более 0 до 0,5 % в пересчете на радиальный диаметр корпуса реактора. В одном варианте конструктивного исполнения, в соответствии с которым зазор между ножом скребка или, соответственно, очистителя и внутренней поверхностью корпуса реактора составляет 0 %, то есть нож скребка или, соответственно, очистителя непосредственно контактирует с внутренней поверхностью корпуса реактора, достигают полной очистки указанной поверхности, а, следовательно, оптимальной передачи тепла от реакционной среды через корпус реактора к охлаждающей среде, поскольку в этом случае удается эффективно избежать образования полимерных отложений, называемых также гелями. Оптимальной теплопередачи достигают также и в альтернативном варианте конструктивного исполнения, предусматривающем указанные выше значения зазора между ножом скребка или, соответственно, очистителя и внутренней поверхностью корпуса реактора. При подобном варианте конструктивного исполнения благоприятным обстоятельством является воздействие на скребок или, соответственно, очиститель, меньших механических усилий при их перемещении, что обусловливает более длительный срок их службы.
При этом привод может быть конструктивно выполнен, например, в виде вала, в частности, в виде центрального вала, проходящего в основном вдоль геометрической центральной оси корпуса реактора, или в виде децентрализованного вала. В соответствии с изобретением под децентрализованным валом подразумевают, например, вал, который обладает опорным гнездом, вращающимся вокруг геометрической центральной оси реактора, или соответствующей системой рычагов, причем гнездо или система рычагов снабжены по меньшей мере одним вращающимся скребком, расположенным внутри корпуса реактора, и причем центральный вал, по меньшей мере частично,
предпочтительно по меньшей мере преимущественно проходящий вдоль геометрической центральной оси, отсутствует.
Валы при необходимости могут быть самоохлаждающимися или могут быть снабжены средством, с помощью которого эдукты можно направлять во внутреннее пространство корпуса реактора, пропуская через вал.
Для содействия передаче тепла, а также радиальному и аксиальному перемешиванию внутренняя поверхность корпуса реактора может быть снабжена по меньшей мере одним статором, предназначенным для разрушения потока и снижения тенденции содержимого реактора к вращению, причем число подобных статоров предпочтительно может составлять от 2 до 16, особенно предпочтительно от 2 до 8.
В другом варианте конструктивного исполнения реактор имеет:
• предпочтительно охлаждаемый центральный вал, по меньшей мере в основном проходящий вдоль геометрической центральной оси, и
• статорами, выполненными таким образом, чтобы зазор между ними и центральным валом составлял, например, 0 или более 0 до 1 %, предпочтительно 0 или более 0 до 0,5 %, в пересчете на радиальный диаметр корпуса реактора.
В соответствии с изобретением под статорами подразумевают фиксированные, неподвижные внутренние устройства, соединенные с внутренней поверхностью корпуса реактора, например, листы или пластины, которые расположены под угом к геометрической центральной оси, составляющим, например, от 0 до 90°, предпочтительно от 0 до 60°, особенно предпочтительно от 0 до 50°.
Статоры могут быть выполнены таким образом, чтобы подобно скребкам и очистителям, соответственно ножам скребков или очистителей, они осуществляли очистку центрального вала. В этом случае зазор между статором и валом составляет, например, 0 или более 0 до 1 %, предпочтительно 0 или более 0 до 0,5 %, в пересчете на радиальный диаметр корпуса реактора.
В другом варианте конструктивного исполнения реактор, в частности, трубчатый реактор, находится не в вертикальном, а в горизонтальном положении, то есть положение трубчатого реактора совпадает с положением в основном горизонтальной геометрической центральной оси его корпуса. Благодаря этому можно избежать обусловленных гравитацией потоков, направление которых совпадает с направлением потока или противоположно ему. Однако допустимыми в принципе являются любой наклон и ориентация реактора. Под в основном горизонтальной геометрической центральной осью подразумевают ось, которая отклоняется от горизонтали максимум на 10°, предпочтительно менее чем на 5°. То же относится и к определению «в основном вертикальный».
Согласно изобретению можно предотвратить или по меньшей мере заметно сократить различные скорости течения в направлении потока реакционной среды. В частности, некоторые варианты конструктивного исполнения реактора позволяют избежать так называемого извилистого течения. Благодаря этому можно прогнозировать локальное реакционное поведение вдоль корпуса реактора в направлении потока реакционной среды с учетом времени ее пребывания внутри корпуса реактора и кинетики полимеризации. Так, например, можно заранее рассчитать локальные концентрации эдуктов и концентрации реакционных продуктов, а также теплоту полимеризации вдоль корпуса реактора. Благодаря более точной осведомленности о разных реакционных ситуациях вдоль траектории течения можно выполнять локальные различные мероприятия с целью оказания воздействия на полимеризацию. Так, например, можно, идентифицировать ту часть корпуса реактора, в которой ожидается особенно высокой реакционная активность, следствием которой может явиться соответствующее повышенное тепловыделение (экзотермическая реакция) или соответствующая повышенная потребность в тепле (эндотермическая реакция). Именно в этой части корпуса реактора между потоком реакционной среды внутри корпуса реактора и теплоносителем с помощью теплообменника можно устанавливать соответствующую более высокую теплопередачу, что позволяет поддерживать температуру реакции на оптимальном уровне. Вместе с тем можно предотвращать чрезмерно высокий теплообмен в тех зонах реактора, в которых следует ожидать лишь незначительных изменений температуры потока. Благодаря этому можно оказывать энергетически эффективное, целенаправленное воздействие на реакционные условия в соответствующих зонах, чтобы, в частности, обеспечить необходимый температурный режим и, соответственно, надлежащее молекулярно-массовое распределение продуктов полимеризации. Это позволяет более эффективно
контролировать условия полимеризации и воздействовать на них, а также облегчает получение полимера с необходимым молекулярно-массовым распределением (положением, шириной и формой пиков на соответствующей кривой ММР).
Кроме того, в качестве альтернативы возможно также формирование так называемого извилистого или циркуляционного течения с обратным перемешиванием, реализуемым посредством аксиально функционирующих скребков или, соответственно, очистителей и/или статоров. При этом путем варьирования наклона или конструктивного исполнения скребков или, соответственно, очистителей и/или статоров обеспечивают формирование заданных осевых скоростей потока у внутренней поверхности реактора и/или поверхности вала. Для этого скребкам или, соответственно, очистителям и/или статорам известными специалистам методами придают определенную форму или ориентацию. Так, например, установка статоров, скребков или, соответственно, очистителей под небольшим углом к геометрической центральной оси корпуса реактора приводит к более выраженным осевым составляющим скорости потока. В соответствии с этим вариантом конструктивного исполнения угол между статорами, скребками или, соответственно, очистителями и геометрической центральной осью корпуса реактора составляет, например, от 15 до 60°, предпочтительно от 20 до 50°.
Кроме того, согласно изобретению использование скребков или, соответственно, очистителей, позволяет избежать образования напластований на внутренней поверхности корпуса реактора, например, в виде отложений, налипаний, полимерных гелей и прочих, которые оказывают неконтролируемое воздействие на теплопередачу через корпус реактора. Вместе с тем вращательное движение скребка и перемещение его ножа в направлении окружности обеспечивают дополнительное перемешивание в радиальном направлении. Статоры, при необходимости фиксируемые на внутренней поверхности корпуса реактора, способствуют предотвращению напластований, что достигается благодаря их редиспергирующему совместному действию со скребками или, соответственно, очистителями. Таким образом, для любого отдельного участка, расположенного вдоль центральной оси корпуса реактора, можно создавать в основном однородные реакционные условия. Одновременно предотвращается образование пограничных слоев потока у внутренней поверхности корпуса реактора, а благодаря наличию радиальных потоков существенно возрастает теплопередача. Вращательное движение скребка обеспечивает радиальное перемешивание потока реакционной среды внутри корпуса реактора, которое доминирует над гравитационными эффектами и
дополнительно способствует либо поршневому, либо петлевому течению вплоть до полного обратного перемешивания потока внутри трубчатого реактора. Это позволяет прогнозировать реакционные условия в осевом направлении корпуса реактора, а также устанавливать и контролировать надлежащие индивидуальные реакционные условия вдоль корпуса реактора, что прежде всего предоставляет возможность обеспечения необходимого молекулярно-массового распределения. Кроме того, благодаря установлению петлевого течения достигают преимущества, состоящего в том, что в месте входа эдуктов, в частности, катализатора, вследствие обусловленного петлевым течением разбавления можно избежать возникновения «горячих точек» в процессе полимеризации.
Корпус реактора особенно предпочтительно соединен с системой подачи, предназначенной для транспорта эдуктов в корпус реактора и/или транспорта продуктов полимеризации из корпуса реактора, причем производительность системы подачи устанавливают таким образом, чтобы внутри корпуса реактора преобладало поршневое течение. Поршневое течение позволяет избежать перемешивания в направлении, обратном направлению потока. Поршневое течение может быть сформировано благодаря тому, что посредством системы подачи осуществляют просасывание и/или продавливание потока реакционной среды через корпус реактора вдоль его геометрической центральной оси. Благодаря наличию скребков, предотвращающих образование пограничных слоев на внутренней поверхности корпуса реактора, достаточной оказывается сравнительно низкая скорость поршневого течения. Это позволяет обеспечивать сравнительно длительные времена пребывания потока в трубчатом реакторе без негативного влияния на поршнеобразный характер ее течения.
Согласно изобретению под эдуктами подразумевают поступающие в трубчатый реактор вещества, в то время как под продуктами подразумевают вещества, выходящие из трубчатого реактора. Примерами эдуктов являются используемые для получения синтетических каучуков мономеры или смеси мономеров, которые при необходимости содержат используемые для полимеризации катализаторы, растворители и при необходимости добавки. При этом эдукты можно вводить в корпус трубчатого реактора через общее впускное отверстие или через несколько различных впускных отверстий, в частности, в различных аксиальных или тангенциальных положениях.
Частоту вращения и форму скребка или, соответственно, очистителя, предпочтительно устанавливают таким образом, чтобы выборочно в той или иной аксиальной части
корпуса реактора посредством ножа скребка можно было оказывать воздействие на ту составляющую скорости потока, направление которой совпадает только с радиальным направлением и/или направлением окружности. Так, например, в общей зоне корпуса реактора, охватываемой ножом скребка или очистителя, посредством ножа скребка или очистителя можно оказывать воздействие на ту составляющую скорости потока, направление которой совпадает только с радиальным направлением и/или с направлением окружности. Для этого нож скребка или очистителя ориентирован преимущественно перпендикулярно траектории его перемещения в направлении окружности, чтобы энергия скребка или очистителя не оказывала воздействия ни на одну дополнительную составляющую скорости, направление которой совпадает с направлением потока реакционной среды или которая имеет противоположное направление. Нож скребка или очистителя может быть ориентирован в основном параллельно геометрической центральной оси корпуса реактора. Вместе с тем частоту вращения скребка или очистителя устанавливают таким образом, чтобы избежать слишком сильной турбулентности, которая может обусловливать возникновение значительных составляющих скорости, направление которых совпадает с направлением потока. Это обусловливает предсказуемость характера изменения реакционных условий в направлении потока реакционной среды, который при непрерывном пропускании последней через реактор остается постоянным относительно корпуса реактора. В соответствии с вариантом конструктивного исполнения реактора, предусматривающим его снабжение статорами, во избежание возникновения осевых составляющих скорости потока статоры также ориентированы в основном параллельно геометрической центральной оси корпуса реактора.
В другом варианте конструктивного исполнения реактора в общей зоне его корпуса, охватываемой ножом скребка или очистителя, посредством ножа скребка или очистителя можно оказывать воздействие как на составляющую скорости потока, направление которой совпадает с радиальным направлением и/или направлением окружности, так и на составляющую скорости потока, направление которой совпадает с осевым направлением. В подобном случае нож скребка или очистителя может быть расположен под углом к геометрической центральной оси корпуса реактора, который может составлять, например, от более 0 до 60°, предпочтительно от 20 до 60°, особенно предпочтительно от 20 до 50°.
В соответствии с вариантом конструктивного исполнения реактора, предусматривающим его снабжение статорами, последние ориентированы в основном параллельно
геометрической центральной оси корпуса реактора или также обладают наклоном, позволяющим увеличить осевую составляющую скорости потока.
В предпочтительном варианте конструктивного исполнения в осевом направлении корпуса реактора расположены по меньшей мере два, предпочтительно по меньшей мере три или по меньшей мере четыре теплообменника, предназначенные для регулирования температуры потока внутри корпуса реактора, причем указанные теплообменники отделены друг от друга таким образом, что для каждого теплообменника могла бы быть установлена различная температура. На температуру потока внутри корпуса реактора можно воздействовать, а также регулировать ее посредством соответствующих теплообменников, находящихся вне корпуса реактора. В зависимости от прогнозируемого характера изменения реакционных условий внутри корпуса реактора для каждого теплообменника может быть выбрана индивидуально подходящая температура, чтобы, например, можно было обеспечить постоянство температуры внутри корпуса реактора с учетом прогнозируемой теплоты реакции.
По краям зон корпуса реактора с разными температурами стенок предпочтительно можно использовать скребки или очистители, которые оказывают воздействие прежде всего на радиальные, соответственно тангенциальные составляющие скорости, благодаря чему можно обеспечивать ее дополнительное перемешивание в реакционных зонах с разными температурами. Теплообменники могут быть также соединены последовательно, чтобы весь поток реакционной среды или его часть можно было направлять от одного теплообменника к другому. Другой теплообменник, в частности, может быть снабжен другим вводом для подачи теплоносителя, температура которого отличается от температуры потока реакционной среды, поступающего в первый теплообменник. Таким образом, несмотря на динамическое изменение реакционных условий вдоль траектории потока внутри корпуса реактора его внутреннюю температуру можно поддерживать в основном на постоянном уровне. Благодаря этому оказывается возможным достижение заданного молекулярно-массового распределения со сравнительно низким отклонением от среднего значения. Так, например, при получении синтетических каучуков, в типичных случаях реализуемом в температурном интервале от -100 до -30°С, посредством испаряющегося этилена или других жидкостей, испаряющихся при указанных температурах, в зависимости от выбранного давления можно устанавливать любую необходимую температуру в пределах указанного выше температурного интервала. В качестве альтернативы можно использовать иные термостатирующие жидкие хладагенты.
В другом варианте осуществления изобретения в процессе использования охлаждающего средства оно остается однофазным, то есть не испаряется. При этом температура охлаждающего средства на выходе превышает его температуру на входе. Преимуществом подобного варианта является постоянный теплообмен на стороне охлаждающего средства. При этом в качестве охлаждающего средства используют этилен, этан, пропилен, пропан, изобутан и другие, а также коммерчески доступные жидкие теплоносители.
В другом варианте конструктивного исполнения трубчатый реактор может обладать двумя или более реакционными пространствами, отделенными друг от друга промежуточной плитой, которые сообщаются друг с другом посредством сквозных отверстий, причем в этом случае в осевом направлении корпуса реактора имеется по меньшей мере один, предпочтительно по меньшей мере два теплообменника на каждое реакционное пространство, предназначенных для регулирования температуры внутри соответствующего реакционного пространства.
В случае если реактор, в частности, трубчатый реактор, ориентирован горизонтально, вследствие гидростатического давления дополнительно образуется также сравнительно тонкий фонтанирующий слой испаряющейся жидкости, например, такой как этилен, что способствует еще более высокой эффективности теплопередачи, реализуемой в соответствующем теплообменнике.
Корпус реактора может быть выполнен из любых известных специалистам материалов, которые в реакционных условиях обладают достаточной прочностью и коррозионной стойкостью, например, из обычной стали. В случае применения реактора в условиях низких температур, например, в температурном интервале от -100 до - 30°С, пригодным материалом корпуса реактора является, например, аустенитная сталь.
Корпус реактора предпочтительно выполнен из специальной стали 1.4571 или аналогичных стойких сталей, принятых в химической промышленности.
Для улучшения полируемости внутренняя поверхность корпуса реактора, которая контактирует с реакционной средой, предпочтительно выполнена из благородной стали 1.4404 с пониженным содержание титана.
Теплообменник предпочтительно снабжен внешним кожухом, окружающим часть корпуса реактора, причем между указанным внешним кожухом и корпусом реактора предпочтительно располагается спиралеобразный разделитель, предназначенный для формирования спиралеобразного канала теплообменника. Благодаря подобному конструктивно просто выполнимому техническому мероприятию можно обеспечить спиралеобразное течение теплоносителя вдоль корпуса реактора и соответственно увеличить протяженность зоны теплообмена теплоносителя с потоком внутри корпуса реактора. Это позволяет обеспечить особенно эффективный теплообмен между потоком внутри корпуса реактора и теплоносителем. Подобный вариант конструктивного исполнения теплообменника со спиралеобразным каналом предлагается, в частности, для однофазных теплоносителей с характерным для них отсутствием изменения фазового состояния при поглощении и/или выделении тепла, например, отсутствием испарения и/или конденсации. В случае теплоносителей, которые изменяют фазовое состояние при поглощении и/или выделении тепла, например, испаряются и/или конденсируются, в частности, можно отказаться от использования разделителя, в связи с чем внутри теплообменника может возникать максимально высокая турбулентность теплоносителя, обусловленная изменением его фазового состояния. Одновременно внутренним ограничителем теплообменника служит сам корпус реактора. Благодаря этому удается избежать дополнительного теплового сопротивления между потоком внутри корпуса реактора и теплообменником. Теплоноситель можно пропускать через спиралеобразный канал теплообменника, например, противотоком по отношению к потоку внутри корпуса реактора или в совпадающем с этим потоком направлении, например, в начале полимеризации должен быть обеспечен высокий теплосъем, то есть в случае движения противотоком.
В особенно предпочтительном варианте конструктивного исполнения отношение площади внутренней поверхности (А) трубообразного корпуса реактора к его объему (V) составляет 0,1 м2/м3≤А/V≤100 м2м3, предпочтительно 1 м2/м3≤А/V≤50 м2м3, особенно предпочтительно 5 м2/м3≤А/V≤30 м2м3, еще более предпочтительно 10 м2/м3≤А/V≤30 м2м3. Наличие скребка, который предотвращает образование пограничных слоев на внутренней поверхности корпуса реактора, позволяет сконструировать сравнительно тонкий трубчатый реактор, корпус которого характеризуется сравнительно большим отношением площади внутренней поверхности (А) к замыкаемому им объему (V), прежде всего в случае если вал также выполнен с возможностью охлаждения и также подвергается очистке статорами. Благодаря сравнительно большой площади внутренней
поверхности (А) трубообразного корпуса реактора можно обеспечить соответствующую высокую эффективность теплообмена через наружную сторону корпуса реактора. Одновременно можно легче обеспечивать в основном однородное распределение температур в радиальном направлении. Вместе с тем трубчатый реактор способен выдерживать более высокие внутренние давления без необходимости выбора стенок слишком большой толщины. Это позволяет устанавливать и контролировать параметры реакции в более широком диапазоне давлений.
В предпочтительном варианте конструктивного исполнения скребок или, соответственно, очиститель, состоит по меньшей мере из двух, предпочтительно от 2 до 8 частей скребка или, соответственно очистителя, причем эти части скребка или, соответственно очистителя соединены друг с другом в осевом направлении шарнирно, например, посредством хорошо известных специалистам подшипниковых устройств, например, опирающихся на корпус реактора многоточечных опор, например, таких как трехточечная опора. Таким образом, скребок или, соответственно, очиститель, может быть разделен на несколько частей меньшего размера, которые благодаря шарнирному взаимному сочленению лучше соответствуют конфигурации внутренней поверхности трубообразного корпуса реактора, вдоль которой они перемещаются. В частности, возможно следовать деформациям корпуса реактора, в частности искривлениям вызванным тепловым расширением, без перекоса по отношению к внутренней поверхности корпуса реактора. Так, например, посредством трех ножек трехточечной опоры, которые могут опираться на внутреннюю поверхность корпуса реактора соответственно в трех местах, можно обеспечить центрированное расположение соответствующей части скребка между двумя трехточечными опорами. Трехточечная опора может быть неподвижной или может быть конструктивно выполнена с возможностью по меньшей мере частичного совместного вращения со скребком или, соответственно, очистителем. В случае обусловленной тепловым расширении деформации корпуса реактора соответствующая часть скребка или, соответственно, очистителя автоматически приходит в соответствие с новой конфигурацией внутренней поверхности корпуса реактора. Скребок существенно не нарушает поршневой характер потока реакционной среды даже в случае незначительного искривления корпуса реактора, обусловленного его тепловым расширением.
Скребок(-ки) или, соответственно, очиститель можно приводить в движение посредством привода, причем передачу соответствующего усилия можно осуществлять посредством механического или магнитного сцепления.
При использовании валов для механической передачи усилия уплотнение предпочтительно реализуют посредством устанавливаемого между валом и корпусом реактора контактного уплотнительного кольца двойного действия, содержащего уплотняющую среду, которая прежде всего в условиях полимеризации является инертной. Между двумя поверхностями скольжения контактного уплотнительного кольца может находиться пространство в виде кольцевой камеры, которое может быть заполнено уплотняющей жидкостью. При этом уплотняющая жидкость, в частности, находящаяся под давлением, может смазывать обе поверхности контактного уплотнительного кольца. Тем самым избегают возможного отложения эдуктов и/или продуктов на поверхности скольжения и обусловленного этим нарушения герметичности. В случае получения синтетических каучуков можно избежать проникания внутрь корпуса реактора воды, например, влаги из окружающего воздуха. Благодаря этому можно избежать замедления полимеризации вследствие проникания воды внутрь корпуса реактора и в некоторых случаях обусловленного этим деактивирования катализатора. В качестве уплотняющей среды можно использовать, например, растворитель, аналогичный используемому для полимеризации.
Нож скребка или, соответственно, очистителя, предпочтительно обладает поверхностью, коэффициент трения которой ниже, чем у стали, причем нож скребка или, соответственно, очистителя, выполнен, например, из фторсодержащих полимеров и/или подобных им материалов, например, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK), содержит эти материалы или покрыт ими, предпочтительно выполнен из фторсодержащих полимеров или покрыт ими. Предпочтительными фторсодержащими полимерами являются политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF)) и сополимер этилена с тетрафторэтиленом (ETFE)).
То же относится к статорам, используемым для удаления отложений с поверхности центрального вала.
Благодаря малому трению между ножом скребка или, соответственно, очистителя, и внутренней поверхностью корпуса реактора при эксплуатации скребка или, соответственно, очистителя, могут быть уменьшены потери на трение. Одновременно может быть сокращено количество тепла, выделяющегося на внутренней поверхности корпуса реактора в результате трения, в частности при эксплуатации скребка или
очистителя при повышенной частоте вращения. В частности, поверхность ножа скребка или, соответственно, очистителя, может быть выполнена таким образом, чтобы удаленный с нее гель предпочтительно не оседал на ней, а быстро отделялся от нее. Удаленный гель можно легко вернуть в поток реакционной среды, в котором затем происходит его суспендирование.
Нож скребка или, соответственно, очистителя, предпочтительно наклонен и/или изогнут относительно пересекающей геометрическую центральную ось радиальной линии и снабжен радиально ориентированной вовнутрь крепежной головкой, причем на нож скребка или, соответственно, очистителя, в частности, на крепежную головку, может воздействовать направленная во внешнюю сторону радиальная сила. Угол наклона ножей скребков или, соответственно, очистителей, относительно указанной радиальной линии может составлять, например, от более 0 до 90°, предпочтительно от 20 до 60°, особенно предпочтительно от 30 до 50° в каждом направлении. На нож скребка, соответственно очистителя, может воздействовать, например, сила пружины, гидравлические силы, упругие силы, центробежные силы или совокупность нескольких указанных сил. Наклон, соответственно изгиб ножа скребка или, соответственно, очистителя, позволяет избежать закупоривания или заклеивания зазора между ножом и внутренней поверхностью корпуса реактора полимеризованным продуктом в зоне контакта ножа с указанной поверхностью. В свою очередь, это позволяет исключить воздействие на скребок или очиститель чрезмерно высоких крутящих моментов. Усилие прижима ножа скребка или, соответственно, очистителя, к корпусу реактора, достигаемое благодаря направленной во внешнюю сторону радиальной силе, может быть достаточно высоким для удаления с внутренней поверхности корпуса реактора напластований, в частности, геля. Вместе с тем нож скребка, соответственно очистителя, способен смещаться в радиальном направлении внутрь корпуса реактора, что позволяет избежать блокирования вращения скребка или очистителя, обусловленного неровностями и/или слишком твердыми отложениями на внутренней поверхности корпуса реактора. Благодаря изгибу, соответственно наклону ножа скребка или, соответственно, очистителя, может быть предусмотрено, в частности, его перемещение с отклонением, согласно которому нож скребка или, соответственно, очистителя, лишь частично перемещается в радиальном направление и одновременно перемещается в направлении, поперечном радиальному. Дополнительно или в качестве альтернативы с ножа скребка, соответственно очистителя, можно снимать фаску. Благодаря этому можно избежать блокирования ножа скребка или, соответственно, очистителя, обусловленного его упором в твердое отложение, поскольку снабженный
фаской нож скребка или, соответственно, очистителя, может приподниматься над подобным твердым отложением вопреки действующему на нож радиально направленному наружу усилию.
В осевом направлении расположены, в частности, по меньшей мере два ножа скребка или, соответственно, очистителя, которые смещены относительно друг друга в направлении окружности на угол а, который, в частности, составляет 30°≤α≤150°, предпочтительно 45°≤α≤135°, более предпочтительно 60°≤α≤120°, особенно предпочтительно 90°±2°. Результатом подобного смещения ножей скребков или, соответственно, очистителей, является наличие на внутренней поверхности корпуса реактора нескольких точек опоры для скребков, соответственно очистителей, что позволяет избежать прогиба и/или вибрации приводного вала скребка или очистителя.
В направлении окружности на одинаковом расстоянии друг от друга предпочтительно расположены по меньшей мере два, предпочтительно по меньшей мере три или по меньшей мере четыре ножа скребка или, соответственно, очистителя. В случае двух ножей скребков или, соответственно, очистителей, угол их смещения относительно друг друга в направлении окружности (угол (3) составляет 180°±5°, в случае трех ножей скребков, соответственно очистителей, угол р составляет 120°±5°, в случае четырех ножей скребков, соответственно очистителей, угол Р составляет 90°±5° и так далее. Это способствует дополнительному центрированию приводного вала скребка или очистителя.
В другом варианте конструктивного исполнения скребки или очистители распределены в осевом и тангенциальном направлениях таким образом, чтобы также было обеспечено осевое центрирование вала. Осевое центрирование вала удается обеспечить также, если в направлении окружности расположен только один скребок или очиститель. Следующий за ним в осевом направлении скребок может быть расположен относительно первого скребка под углом Р в тангенциальном направлении, предпочтительно составляющим более 90°, следующий за этим скребком в осевом направлении скребок расположен по отношению к двум предыдущим скребкам аналогичным образом, и так далее. Благодаря этому можно обеспечить центрирование участка вала между двумя сцеплениями.
В другом варианте конструктивного исполнения трубчатый реактор в начале потока соединен по меньшей мере с одной смесительной камерой, которая снабжена
окружающим ее кожухом и по меньшей мере одним находящимся внутри нее смесительным элементом.
Пригодными смесительньми элементами, хорошо известными специалистам, являются статические или подвижные, предпочтительно подвижные смесительные элементы. Смесительная камера особенно предпочтительно снабжена вращающейся мешалкой. Особое преимущество использования предварительной смесительной камеры состоит в возможности высокоэффективного перемешивания эдуктов перед входом в предлагаемый в изобретении трубчатый реактор, что позволяет в максимальной степени избежать образования так называемых шлиров, происходящего в случае вязких реакционных смесей при типичных низких температурах. Образование шлиров часто приводит к нежелательным эффектам в виде возникновения локальных «горячих точек», неравномерного протекания полимеризации или интенсивных побочных реакций. При расчете смесительной камеры и смесительных элементов их параметры приводят во взаимное соответствие предпочтительно таким образом, чтобы среднее время пребывания в смесительной камере составляло от 1 до 120 секунд, предпочтительно от 2 до 60 секунд, особенно предпочтительно от 2 до 20 секунд, а также чтобы могла быть достигнута, по возможности, максимально высокая степень гомогенизации при реакционных условиях. Необходимая для этого типичная мощность перемешивания (потребляемая смесительным элементом мощность в расчете на литр объема смесительной камеры) может составлять, например, от 0,001 до 100 кВт/л или от 0,001 до 1 кВт/л.
В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения в осевом направлении окружающего смесительную камеру кожуха упорядочен по меньшей мере один другой теплообменник, предназначенный для установки температуры потока реакционной среды внутри смесительной камеры, причем указанный теплообменник может обладать конструктивным исполнением, аналогичным указанным выше особым вариантам.
Окружающий смесительную камеру кожух предпочтительно соединен с корпусом реактора посредством промежуточной плиты, снабженной сквозными отверстиями для пропускания реакционной среды.
Кроме того, изобретение относится к применению описанного выше трубчатого реактора, который может быть сконструирован и усовершенствован, как указано выше, для
получения синтетических каучуков, осуществляемого путем полимеризации пригодных для полимеризации мономеров внутри корпуса реактора.
В соответствии с изобретением под синтетическими каучуками подразумевают эластомеры неприродного происхождения. К предпочтительньм синтетическим каучукам относятся бутилкаучук, бутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, каучук на, основе тройного сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, бутадиен-нитрильный каучук, гидрированнный бутадиен-нитрильный каучук, фторкаучуки, хлоропреновый каучук и сополимеры этилена с винилацетатом, причем молекулярная масса указанных синтетических каучуков может составлять, например, от 5000 до 5000000 г/моль.
К особенно предпочтительным синтетическим каучукам относятся бутилкаучук и бутадиеновый каучук, еще более предпочтительно бутилкаучук с молекулярной массой в интервале от 300000 до 1000000 г/моль и бутадиеновый каучук с молекулярной массой в интервале от 5000 до 1000000 г/моль, причем еще более предпочтительным является бутилкаучук с молекулярной массой в интервале от 300000 до 1000000 г/моль.
Бутилкаучук представляет собой сополимер изобутилена (2-метил-пропена) с изопреном (2-метилбута-1,3-диеном). Содержание мономерных звеньев изопрена в бутилкаучуке составляет, например, от >0 до 5 %, предпочтительно от 1,8 до 2,3 моль %.
В типичных случаях полимеризацию осуществляют в виде сополимеризации изобутилена с изопреном при температурах от -100 до -30°С, предпочтительно от -100 до -40°С, особенно предпочтительно от -100 до -60°С в присутствии катализатора. В качестве растворителей можно использовать, например, хлорметан (для суспензионного метода) или углеводороды (для растворного метода), в частности, нециклические или циклические, разветвленные или неразветвленные пентаны, гексаны и гептаны или их смеси, причем предпочтительными растворителями являются пентаны и гексаны указанного типа или их смеси.
В зависимости от метода осуществления полимеризации в качестве катализаторов можно использовать известные соединения, такие как хлорид алюминия или алкилалюминийгалогениды, например, диэтилалюминийхлорид, этилалюминийдихлорид, диметилалюминийхлорид, метилалюминийдихлорид или их смеси. Катализатор или катализаторы активируют, например, небольшими количествами протонных
растворителей, например, таких как вода, соляная кислота, хлороводород или алифатические спирты, в частности, метанол, и добавляют к подлежащим полимеризации мономерам в виде суспензии или раствора в растворителе, в качестве которого предпочтительно используют растворитель, в котором осуществляют полимеризацию.
Конструктивное исполнение предлагаемого в изобретении трубчатого реактора позволяет эффективно прогнозировать реакционные условия внутри реактора вдоль его длины и, соответственно, легко воздействовать на них и осуществлять их контроль. В частности, в начале полимеризации поток реакционной среды внутри трубчатого реактора содержит сравнительно много эдуктов и мало продуктов полимеризации, в связи с чем он обладает особенно низкой вязкостью, которая в типичных случаях составляет ≤1мПа·с. В отсутствие иных указаний вязкость определяют методом капиллярной вискозиметрии согласно ISO 1628 при температуре 23°С или относят к этой температуре. При этом в связи с большим числом реагентов выделяется особенно большое количество теплоты реакции, которую можно отводить через корпус реактора. Поскольку удается исключить обратный поток продуктов полимеризации, вязкость в зоне реактора, в которой необходимо осуществлять особенно эффективный теплоотвод, может находиться на особенно низком уровне. Низкая вязкость реакционной среды в указанной зоне реактора позволяет особенно просто реализовать теплопередачу в радиальном направлении, причем в случае одновременного использования скребков коэффициент теплопередачи (k) может достигать нескольких сот Вт/м2K. В частности, в результате этого при охлаждении потока в зоне корпуса реактора, в которой происходит наибольшее выделение тепла, может возникать температурный градиент, достигающий 30K, или, в другом варианте осуществления изобретения, 20K. К выходу трубчатого реактора вязкость потока существенно возрастает и может достигать нескольких сотен мПа·с, что обусловливает более низкий коэффициент теплопередачи по сравнению со входом трубчатого реактора. Однако более низкий коэффициент теплопередачи характерен для той зоны трубчатого реактора, в которой процесс полимеризации протекает преимущественно с более низкой интенсивностью и сопровождается выделением гораздо меньшего количества тепла, которое подлежит отводу. В связи с меньшими количествами подлежащего отводу тепла уменьшение коэффициента теплопередачи, обусловленное более высокой вязкостью, не оказывает существенного негативного влияния на охлаждение потока.
В варианте исполнения с петлевым течением, средняя вязкость содержимого реактора находится в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен мПа·с. Удаление
отложений или, соответственно, обновление пограничного слоя, находящегося на внутренних стенках реактора или, соответственно, на поверхности ротора, посредством скребков, очистителей и/или статоров, несмотря на высокую вязкость обусловливает значительное увеличение коэффициента теплопередачи на стороне продуктов полимеризации, что позволяет отводить большие количества тепла и в этом варианте.
Изобретение относится также к способу непрерывного получения полимеров, предпочтительно синтетических каучуков, предусматривающему применение реактора, который может быть сконструирован и усовершенствован, как описано выше. Кроме того, изобретение относится к применению указанного реактора для получения полимеров, предпочтительно синтетических каучуков.
В одном варианте осуществления указанного способа с целью непрерывного получения полимеров, предпочтительно синтетических каучуков, на поршневой поток эдуктов и продуктов, перемещающихся в основном вдоль геометрической центральной оси корпуса реактора либо в вертикальном, либо в горизонтальном направлении, в реакторе, в частности, трубчатом реакторе, на процесс оказывают соответствующее воздействие. Твердые вещества или гели, в некоторых случаях осаждающиеся в процессе полимеризации на внутренней поверхности корпуса трубчатого реактора, удаляют благодаря ротационному движению скребков и ножей скребков. Благодаря удалению геля с внутренней поверхности корпуса реактора и поверхности вала избегают происходящего со временем уменьшения коэффициента теплопередачи от внутреннего потока реактора к его корпусу. Вместе с тем статоры, при необходимости используемые для очистки охлаждаемого вала, могут оказывать на поток разрушающее воздействие, а, следовательно, усиливать редиспергирующее действие вращающихся скребков или очистителей. Это озволяет обеспечить постоянство пограничных условий, которое является предпочтительным для функционирования трубчатого реактора в непрерывном режиме. Благодаря удалению отложений посредством скребков или очистителей одновременно обеспечивают высокую теплопередачу между потоком и корпусом реактора. Благодаря поршневому течению и воздействию, оказываемому при необходимости используемыми статорами, можно в максимальной степени исключить гравитационные эффекты, возникающие в потоке, например, при петлевом характере течения, поскольку обусловленная скребками радиальная составляющая потока существенно превалирует над гравитационными эффектами. Это способствует прогнозируемому и регулируемому протеканию реакции вдоль трубчатого реактора в
направлении потока, которое можно заранее целенаправленно контролировать в определенных точках реактора и оказывать на нее соответствующее воздействие. В частности, это позволяет достичь желаемой молекулярной массы и сравнительно узкого молекулярно-массового распределения. В отсутствие иных указаний для оценки молекулярной массы полимера используют значения средневесовой молекулярной массы Mw, определяемые методом гель-проникающей хроматографии (GPC). Молекулярно-массовое распределение (положение, ширину и форму пиков на кривой ММР) прежде всего можно регулировать и модифицировать благодаря охлаждению трубчатого реактора, индивидуально устанавливаемому для каждой из его зон.
Особенно предпочтительным для установления заданной молекулярной массы является варьирование температуры теплообменников в направлении потока с учетом характерного для полимеризации теплового баланса, времени пребывания и концентрации. В частности, можно выполнять расчет теплоты полимеризации вдоль трубчатого реактора с учетом кинетики полимеризации, что, прежде всего, позволяет устанавливать постоянную температуру потока. Посредством различных температур теплообменников в направлении потока в любой зоне трубчатого реактора в осевом направлении, возможно осуществлять' отвод теплоты реакции (в случае экзотермической реакции) или, соответственно, подвод тепла (в случае эндотермической реакции). В случае эндотермической реакции в результате расчета теплового баланса получают отрицательную теплоту реакции, в то время как в случае экзотермической реакции в результате расчета теплового баланса получают положительную теплоту реакции.
Особенно предпочтительно достигают удаление геля при скорости v вдоль внутренней поверхности, составляющей 0,05 м/c≤v≤ 10 м/с, предпочтительно 0,5 м/c≤v≤ 6 м/с, особенно предпочтительно 1 м/c≤v≤ 4 м/с, еще более предпочтительно 2 м/c≤v≤ 3 м/с. Перемещение ножа скребка или, соответственно, очистителя, вдоль внутренней поверхности корпуса реактора с указанными выше скоростями (v) позволяет избежать образования на указанной поверхности отложений твердых веществ или геля, которые обладают значительной толщиной. Вместе с тем при указанных скоростях перемещения ножа скребка или, соответственно, очистителя, в направлении окружности можно обеспечить достаточно интенсивный транспорт реакционной среды в радиальном направлении, что, в свою очередь, позволяет достигать эфективного гомогенного перемешивания потока в радиальном направлении и оптимизировать теплопередачу между потоком и корпусом реактора.
В случае использования предварительной смесительной камеры среднее время пребывания в ней составляет, например, от 1 до 120 секунд, предпочтительно от 2 до 60 секунд, особенно предпочтительно от 2 до 20 секунд.
В случае использования предварительной смесительной камеры среднее потребление энергии перемешивания составляет, например, от 0,001 до 120 Дж/л.
Типичная мощность перемешивания реакционной среды в предварительной смесительной камере (потребляемая мешалкой энергия) составляет, например, от 0,001 до 100 кВт/л.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к чертежи, на которых схематически показано:
на фиг. 1 - вид трубчатого реактора сбоку,
на фиг. 2 - сечение трубчатого реактора, показанного на фиг. 1,
на фиг. 3 - деталировка трубчатого реактора, показанного на фиг. 2,
на фиг. 4 - деталировка скребка трубчатого реактора, показанного на фиг. 1,
на фиг. 5 - сечение ножа скребка, показанного на фиг. 4,
на фиг. 6 - вид сбоку другого трубчатого реактора без центрального вала,
на фиг. 7 - вид сбоку другого трубчатого реактора с предварительной смесительной камерой,
на фиг. 8 - вид сбоку другого трубчатого реактора с предварительной смесительной камерой и вторым внутренним пространством реактора,
на фиг. 9 - поперечное сечение трубчатого реактора (вариант со скребками),
21 на фиг. 10 - поперечное сечение трубчатого реактора (вариант с очистителями),
на фиг. 11 - продольное и поперечное сечение внутреннего пространства реактора с тремя статорами и тремя скребками или очистителями,
на фиг. 12 - продольное и поперечное сечение внутреннего пространства реактора с двумя статорами и двумя скребками или очистителями.
На фиг. 1 показан реактор 10 с геометрической центральной осью 12, которая ориентирована перпендикулярно направлению действия силы тяжести 14, то есть горизонтально. Реактор 10 снабжен трубообразным корпусом 16, торец которого закрыт прифланцованной к нему торцевой плитой 18. В трубообразный корпус 16 реактора по меньшей мере через одно впускное отверстие 20 можно вводить эдукты, причем полимеризация протекает вдоль направления потока 22. Образующийся продукт полимеризации можно выводить из реактора 10 через выпускное отверстие 24. Внутри корпуса 16 формируется поршневое течение, вектор скорости которого в радиальном направлении в основном такой же, как в направлении потока 22. Таким образом, при осуществлении непрерывной полимеризации реактор 10 функционирует в непрерывном режиме.
Возникшую при полимеризации теплоту реакции можно отводить посредством первого теплообменника 26 и упорядоченного в осевом направлении около первого теплообменника 26 второго теплообменника 28. Поскольку в начале корпуса 16 реактора (в начале потока) реакция протекает с большей интенсивностью, чем в конце корпуса 16 (в конце потока), в начале корпуса 16 в расчете на единицу длины в направлении потока 22 образуется более интенсивный тепловой поток, чем в его конце. В соответствии с этим первый теплообменник 26 обладает более высокой производительностью. В дополнение к этому или в качестве альтернативы первый теплообменник 26 может обладать более короткой зоной охлаждения в осевом направлении по сравнению со вторым теплообменником 28. Благодаря возможности установки внутри корпуса 16 в направлении потока 22 поршневого течения производительность теплообменников, их осевую протяженность, используемый теплоноситель, а также давление и температуру теплоносителя можно приводить в индивидуальное соответствие с изменяющимися в направлении потока 22 реакционными условиями, что позволяет устанавливать надлежащий теплосъем для каждой части реактора в направлении потока 22. В частности,
это позволяет устанавливать внутри трубчатого реактора 10 в основном постоянную температуру, что обусловливает возможность получения продукта полимеризации, который обладает требуемым молекулярно-массовым распределением.
Как показано на фиг. 2, теплообменники 26, 28, снабжены наружным кожухом 30, который вместе с корпусом 16 реактора ограничивает объем теплообменников 26, 28. Между наружным кожухом 30 и корпусом 16 предусмотрен спиралеобразный разделитель 32 в виде скрученной трубки, который служит ограничителем спиралеобразного канала 34 теплообменников. В случае использования теплоносителя, который в процессе эксплуатации реактора изменяет свое фазовое состояние (например, испаряющегося этилена), необходимость в использовании разделителя 32 может отпасть. Кроме того, реактор 10 снабжен скребком или, соответственно, очистителем 36, с приводом 38, приводимым во вращение электродвигателем 40. С приводом 38 соединены несколько ножей 42 скребков или, соответственно, очистителей, которые в соответствии с показанным на фиг. 2 примером конструктивного исполнения расположены попарно друг против друга. Кроме того, возможен вариант исполнения, в соответствии с которым несколько ножей 42 скребков или, соответственно, очистителей, в частности, три ножа 42 скребков или, соответственно, очистителей, последовательно упорядочены в направлении окружности на равных расстояниях друг от друга. В соответствии с показанным на фиг. 2 примером расположенные по соседству (в осевом направлении) пары ножей 42 скребков или, соответственно, очистителей, смещены относительно друг друга в направлении окружности на угол 90°. В показанном на фиг. 2 примере ножи 42 скребков или, соответственно, очистителей, контактируют с внутренней поверхностью 44 корпуса 16 реактора, что прежде всего позволяет осуществлять очистку внутренней поверхности 44 от отложений или полимера в виде геля.
Как показано на фиг. 3, ножи 42 скребков или, соответственно, очистителей, снабжены крепежной головкой 46, которая крепится к приводу 38 посредством пружины 48. Благодаря этому осевое упругое усилие от ножей скребков или, соответственно, очистителей 42, можно передавать к внутренней поверхности 44 корпуса 16 реактора. При этом крепежная головка 46 вставлена в отверстие 50 и с торцевой стороны надежно зафиксирована посредством привинчивающейся крышки 52.
Как показано на фиг. 4, скребок или, соответственно, очиститель 36, может состоять из нескольких частей 54, которые могут быть соединены друг с другом прежде всего
шарнирно, в частности, посредством трехточечной опоры 56, часть которой показана на чертеже. Благодаря подобному шарнирному соединению скребок или, соответственно, очиститель 36, может изменять конфигурацию в соответствии с изменением формы корпуса 16, обусловленным, например, его изгибом вследствие теплового расширения, и обеспечивать в основном параллельный контакт ножа 42 скребка, соответственно очистителя, с внутренней поверхностью 44 корпуса 16 реактора.
Как показано на фиг. 5, радиально ориентированный наружу край ножа 42 скребка, соответственно очистителя, может обладать наклоном и/или изгибом. Результатом этого является линейная форма кромки 58 скребка, соответственно очистителя, которая может перемещаться вдоль внутренней поверхности 44 корпуса 16 реактора, то есть скользить вдоль нее. В частности, нож 42 скребка или, соответственно, очистителя, снабжен покрытым политетрафторэтиленом изогнутым элементом 60, который закреплен в удерживающем элементе 62 из благородной стали и соединен с крепежной головкой 46 посредством стопорного штифта 64.
Как показано на фиг. 6, несколько скребков или очистителей 36 соединены с приводом 38 таким образом, чтобы усилие к скребкам или очистителям 36 можно было передавать в отсутствие центрального вала. Поверхность центрального вала представляет собой неочищаемую поверхность, с меньшей скорость вращения по сравнению со скоростью вращения скребка или, соответственно, очистителя. Преимуществом отсутствия подобной поверхности является меньшее совокупное налипание нежелательных гелей или твердых веществ. С целью механической стабилизации скребки, соответственно очистители, могут быть соединены друг с другом посредством одного или нескольких соединительных элементов 37. При этом конструктивное исполнение определяется, в частности, выбранными геометрическими параметрами реактора, а также скоростью вращения скребков, и может быть легко оптимизировано известными специалистам методами.
Как показано на фиг. 7, реактор 10 в начале потока снабжен заключенной в соответствующий кожух предварительной смесительной камерой 72, внутри которой находится смесительный элемент 70 (в данном случае лопастная мешалка), приводимый во вращение посредством двигателя 41. Смесительная камера снабжена также кожухом, который ограничивает объем теплообменника, причем через впускное отверстие 66 в теплообменник можно вводить теплоноситель, который может выходить из него через выпускное отверстие 68, что позволят автономно охлаждать или нагревать смесительную
камеру. В случае получения синтетических каучуков типичным является охлаждение смесительной камеры до температуры в диапазоне от -100 до -30°C. Смесительная камера в направлении потока ограничена торцевой плитой 19, причем перенос вещества из смесительной камеры 72 во внутреннее пространство трубчатого реактора может происходить через одно или несколько (в данном случае два) сквозных отверстия 74.
Как показано на фиг. 8, трубчатый реактор 10 может быть разделен на две или более (в данном случае две) отдельные реакционные камеры, которые отделены друг от друга промежуточной плитой 19, причем вещество может перемещаться в направлении потока через сквозные отверстия 74. Как в торцевой плите 18, расположенной между смесительной камерой 72 и первым пространством реактора, так и в промежуточной плите 19 находятся соответствующие впускные отверстия 20А, предназначенные для подачи других эдуктов, например, таких как растворитель, катализаторы или мономеры. Другие впускные отверстия 20 находятся в начальной зоне (относительно направления потока) соответствующего пространства реактора. Преимуществом наличия впускных отверстий 20А и 20 в данном случае является возможность оказания необходимого воздействия на реакцию путем варьирования ее параметров. Так, например, добавление растворителя позволяет уменьшить вязкость реакционной среды, в то время как путем добавления дополнительных количеств мономера, других мономеров или катализатора можно варьировать длину цепей и/или структуру полимера.
Как следует из поперечного сечения на фиг. 9, кромки 58 элементов 60 скребков, которые соединены с приводом 38 посредством крепежных головок 46, очищают внутреннюю поверхность 44 корпуса реактора, перемещаясь в направлении вращения. Подачу эдуктов осуществляют через впускное отверстие 20. Внутренний объем теплообменника 26 ограничен наружным кожухом 30 и корпусом 16 реактора. Спиралеобразный разделитель 32 (в данном случае скрученная в спираль трубка) служит ограничителем спиралеобразного канала 34 теплообменника, в который через впускное отверстие 66 можно подавать теплоноситель.
Поперечное сечение на фиг. 10 в основном идентично показанному на фиг. 9. Разница в том, что элементы 60 представляют собой очистители. При этом кромки 58 элементов 60 очистителей, которые соединены с приводом 38 посредством крепежных головок 46, очищают внутреннюю поверхность 44 корпуса реактора, перемещаясь в направлении вращения.
Как показано на фиг. 11, к внутренней поверхности 44 корпуса 16 трубообразного реактора присоединены три статора 75, которые в зависимости от направления вращения снабжены скребковыми или, соответственно, очищающими элементами 76 для очистки привода 38, в данном случае выполненного в виде центрального вала, в процессе эксплуатации реактора. Кроме того, привод 38 в зависимости от направления вращения снабжен тремя скребками или, соответственно, очистителями 36, которые в соответствии с приведенным на фиг. 11 примером расположены со смещением относительно друг друга, угол которого составляет соответственно 120°.
Показанный на фиг. 12 пример конструктивного исполнения аналогичен примеру, приведенному на фиг. 11, однако внутреннее пространство реактора снабжено только двумя статорами 75 и двумя скребками или, соответственно, очистителями 36, которые расположены со смещением относительно друг от друга, составляющим соответственно 180°.
Перечень обозначений на чертежах:
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| РЕАКТОР И СПОСОБ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ | 2011 |
|
RU2619273C2 |
| РЕАКТОР И СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ | 2018 |
|
RU2761057C2 |
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГАЛОБУТИЛОВЫХ КАУЧУКОВ, НЕ СОДЕРЖАЩИХ ВОДУ И РАСТВОРИТЕЛЬ | 2011 |
|
RU2596824C2 |
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ, НЕ СОДЕРЖАЩИХ ВОДУ И РАСТВОРИТЕЛЬ | 2011 |
|
RU2596235C2 |
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ, НЕ СОДЕРЖАЩИХ ВОДУ И РАСТВОРИТЕЛЬ | 2011 |
|
RU2584998C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ | 2009 |
|
RU2498974C2 |
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КАУЧУКОВЫХ ИОНОМЕРОВ И ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ | 2011 |
|
RU2601756C2 |
| УСТРОЙСТВО ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ОБРАБОТКИ | 2020 |
|
RU2813823C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИИЗОЦИАНАТОВ | 2004 |
|
RU2361856C2 |
| УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫЙ РЕАКТОР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БУТИЛКАУЧУКА | 2011 |
|
RU2561092C2 |
Изобретение относится к реактору и способу непрерывной полимеризации для получения синтетических каучуков. Реактор (10) содержит трубчатый корпус (16), снабженный приводом (38), соединенным со скребком или очистителем. Корпус (16) реактора имеет проходящий вдоль геометрической центральной оси (12) центральный вал. Скребок или очиститель (36) имеет нож (42) и перемещается по внутренней поверхности (44) корпуса (16) и обеспечивает радиальное перемешивание потока внутри корпуса (16) реактора. Реактор имеет статор (75), выполненный с обеспечением зазора между ним и центральным валом. Изобретение позволяет повысить эффективность непрерывной полимеризации и регулировать необходимое молекулярно-массовое распределение. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 12 ил.
1. Реактор для непрерывного получения синтетических каучуков, содержащий в основном трубчатый корпус (16), снабженный приводом (38), соединенным по меньшей мере с одним скребком или очистителем (36), расположенным с возможностью вращения внутри корпуса (16), и центральный вал, расположенный в основном вдоль геометрической центральной оси (12), причем скребок или очиститель (36) снабжен по меньшей мере одним ножом (42) для перемещения по внутренней поверхности (44) корпуса (16), отличающийся тем, что он дополнительно имеет по меньшей мере один статор (75), выполненный с обеспечением зазора между ним и центральным валом, составляющего от 0 или более 0 до 1% от радиального диаметра корпуса (16).
2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что его геометрическая центральная ось (12) расположена в основном горизонтально или в основном вертикально.
3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что центральный вал выполнен с возможностью пропускания через него термостатирующей среды.
4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что скребки или, соответственно, очистители выполнены с обеспечением зазора между ними и корпусом реактора, составляющего от 0 или более 0 до 1% от радиального диаметра корпуса реактора.
5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что корпус (16) соединен с системой транспорта для подачи эдуктов в корпус (16) и/или отвода продуктов из корпуса (16).
6. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что отношение площади внутренней поверхности (А) трубчатого корпуса (16) к объему (V) трубчатого корпуса (16) составляет 0,1 м2/м3≤А/V≤100 м2/м3.
7. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что скребок или очиститель (36) состоит по меньшей мере из двух частей (54), соединенных друг с другом шарнирно в осевом направлении.
8. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что скребок или очиститель (36) выполнен с возможностью приведения в движение от привода (38), уплотненного посредством контактного уплотнительного кольца двойного действия, которое установлено между приводом (38) и корпусом (16), причем контактное уплотнительное кольцо содержит, в частности, уплотняющую среду, инертную в условиях полимеризации.
9. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что нож (42) имеет поверхность с коэффициентом трения, меньшим коэффициента трения стали.
10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что нож (42) имеет наклон и/или изгиб по отношению к радиально направленной линии, пересекающей геометрическую центральную ось (12) и ориентированную в радиальном направлении вовнутрь крепежную головку (46), а на нож (42), в частности на крепежную головку (46), может действовать радиально направленная наружу сила, в частности упругая сила.
11. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что в осевом направлении расположены по меньшей мере два ножа (42), смещенные друг относительно друга в направлении окружности на угол α, составляющий, в частности, 30°≤α≤150°, предпочтительно 45°≤α≤135°, более предпочтительно 60°≤α≤120° и особенно предпочтительно 90°±2°.
12. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что со стороны входа потока он соединен по меньшей мере с одной смесительной камерой (72),
снабженной окружающим ее кожухом и по меньшей мере одним расположенным внутри нее смесительным элементом (70).
13. Реактор по п. 12, отличающийся тем, что смесительный элемент (70) выполнен в качестве лопастной мешалки.
14. Реактор по одному из пп. 1-13, отличающийся тем, что скребки или, соответственно, очистители (36) и статоры (75) выполнены с обеспечением содействия редиспергированию счищаемого ими материала.
15. Способ непрерывного получения синтетических каучуков путем полимеризации способных к полимеризации мономеров, отличающийся тем, что полимеризацию осуществляют в реакторе по одному из пп. 1-14.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в реакторе
- создают в основном поршневое течение эдуктов и продуктов в осевом направлении, или
- создают в основном циркуляционное течение или петлевое течение эдуктов и продуктов,
причем в процессе полимеризации механически удаляют твердые вещества или гели, которые при необходимости осаждаются на внутренней поверхности корпуса трубчатого реактора.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что механическое удаление производят путем очистки скребками или очистителями.
18. Способ по п. 16, в котором, с целью получения заданной молекулярной массы, на отличающиеся в направлении потока температуры теплообменников оказывают воздействие с учетом теплового баланса полимеризации, времени пребывания и концентрации.
19. Способ по п. 16, в котором механическое удаление образующихся при необходимости отложений твердых веществ или гелей осуществляют при скорости (v) вдоль внутренней поверхности корпуса реактора, составляющей 0,05 м/с≤v≤10 м/с.
20. Способ по п. 16, отличающийся тем, что эдукты перед введением в реактор перемешивают в смесительной камере посредством смесительного элемента с энергией, составляющей от 0,001 до 120 Дж/л.
21. Способ по одному из пп. 16-20, отличающийся тем, что эдукты перед введением в реактор перемешивают в смесительной камере посредством смесительного элемента, потребляемая мощность которого составляет от 0,001 до 100 кВт/л.
| US 3820960 A,28.06.1974 | |||
| US 3354136 A,21.11.1967 | |||
| US 4282925 A,11.08.1981 | |||
| Устройство для добычи водных организмов | 1972 |
|
SU483093A1 |
| US 3261391 A,19.07.1966 | |||
| РЕАКТОР ПОЛИМЕРИЗАЦИИ | 1999 |
|
RU2151637C1 |
| СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ РАСТВОРНОЙ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ И РЕАКТОР-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1998 |
|
RU2144843C1 |
