CC BY
319
УДК 678.074
В. А. Кузнецов, В. Г. Бочкарев, Г. С. Дьяконов
АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОДНОЙ ДЕГАЗАЦИИ
СИНТЕТИЧЕСКИХ КАУЧУКОВ
Представлена математическая модель процесса водной дегазации синтетических каучуков. Исследовано влияние прямоточного и противоточного движения потоков на процесс. Показано, что противоток является более предпочтительным. Представлены варианты реконструкции существующей технологической схемы, позволяющие снизить удельные энергетические затраты и повысить качество получаемого продукта.
Водная дегазация синтетических каучуков представляет собой процесс отгонки не-смешивающегося с водой растворителя из раствора полимера в токе водяного пара и является неотъемлемой частью производства синтетических каучуков методом растворной полимеризации. В этом процессе раствор полимера - полимеризат - диспергируется высокоскоростным потоком водяного пара. Отгонка мономеров и растворителя осуществляется в водной среде до получения водной суспензии каучука.
Рис. 1 - Кинетика отгонки растворителя из единичной капли: 1 — изменение концентрации растворителя в каплях полимеризата; 2 — изменение температуры водной фазы
При исследовании процесса дегазации анализировалась кинетика отгонки растворителя из единичной капли полимеризата в токе водяного пара (рис. 1). Анализ показывает, что отгонку по аналогии с процессом сушки можно разделить на две стадии:
1000
80
0
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
т мин
- стадия постоянной скорости отгонки, на которой отгоняется не связанный с полимером растворитель, поэтому скорость процесса отгонки на этой стадии лимитируется конвективным переносом массы, энергии и импульса в парогазовой фазе;
- стадия падающей скорости отгонки растворителя, на которой отгоняется связанный с полимером растворитель; скорость процесса лимитируется теплопроводностью и диффузией растворителя в полимеризате и внутри крошки каучука.
Механизмы переноса и способы интенсификации отгонки растворителя на каждой из стадий процесса требуют применения различных по конструкции аппаратов.
Для снижения энергетических затрат и повышения качества получаемого продукта предложены способы модернизации существующего аппаратурного оформления процесса дегазации СК.
Как отмечалось [1, 2], на первой стадии отгонки за счет конвективного механизма переноса субстанций легко удаляется до 70^90% мас. растворителя при непосредственном контакте дисперсии полимеризата с паровой фазой. При этом при деспергировании поли-меризата высокоскоростным потоком водяного пара до частиц пылевидного размера, парогазовая фаза практически насыщается парами растворителя [1]. Поэтому первую стадию процесса рекомендуется проводить в прямоточном аппарате [1, 3] в условиях интенсивного сброса давления [4].
Поскольку в прямоточных аппаратах создаются высокоинтенсивные гидродинамические режимы взаимодействия гетерогенных фаз, то габариты этих аппаратов предельно сокращаются, что непосредственно ведет к снижению капитальных и эксплуатационных затрат и уменьшению тепловых потерь в окружающую среду.
К концу первой стадии дегазации практически весь растворитель переходит в парообразное состояние, поэтому объем парогазовой фазы предельно возрастает, что ведет к снижению удерживающей способности дегазатора по водной суспензии каучука, а это, в свою очередь, уменьшает время пребывания дегазируемой крошки каучука в системе дегазации. Поэтому целесообразно отвести парогазовую фазу после первой стадии дегазации на конденсацию, а на следующую стадию подать свежий острый водяной пар.
На основании проведенных исследований предложена новая технологическая схема линии водной дегазации каучуков растворной полимеризации [5] (рис. 2). В ней первая стадия отгонки осуществляется в крошкообразователе 1 [6], прямоточном дегазаторе 2 [7] и циклоне 3. И циклона 3 водная суспензия каучука поступает на вторую стадию дегазации в аппарат 4, а парогазовая смесь отводится на конденсацию. Вторая стадия дегазации осуществляется в многоступенчатом колонном аппарате, снабженном многорядной тарельчатой мешалкой [8], которая обеспечивает равномерное распределение крошки каучука и парогазовых пузырей по объему дисперсионной фазы, а также гидродинамическое секционирование аппарата.
Для выбора оптимальной схемы установки дегазации каучуков и направления движения потоков в непрерывно действующем дегазаторе второй стадии дегазации предложена математическая модель процесса.
Рис. 2 - Принципиальная схема линии водной дегазации синтетических каучуков: 1 -крошкообразователь; 2 - прямоточный дегазатор первой ступени; 3 - циклон; 4 -многоступенчатый колонный дегазатор второй ступени дегазации
Математическое описание прямоточного процесса отгонки растворителя представляет собой ячеечную модель:
(2о - гУЧ п Р| 20 - г + А "
ІП
Мр Мп
= |П(1 -и) + Ц+КЦ2,
2Р1 =
Рр I1 -и)
Рск и
В| = кт( г |-1 - гр |):
( \ 1 ( 1 17 ехР (- —*
2 = 2рі + (2і-1- 2р1—-ехР В1 I 1 6{
Вп-1 V і У 1 {п-1
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
I = 1,Ы, (6)
где р| - парциальное давление паров растворителя, Па; р0 - давление паров чистого растворителя, Па; z|, zк, zр| - относительная концентрация растворителя на входе в ячейку, конечная и равновесная соответственно; Мр, МП - молекулярные массы растворителя и водяного пара соответственно, кг/кмоль; П| - давление в ячейке, Па; Ч1 - удельное количество водяного пара, подаваемого в ячейку; и| - объемная доля каучука в ячейке; рр, рСК
- плотности растворителя и синтетического каучука, кг/м3; т - время пребывания частиц каучука в ячейке, с; N - количество ячеек.
По уравнению (1) определяется парциальное давление паров растворителя. Уравнение (2) представляет собой уравнение равновесия Флори-Хаггинса, по которому определяется объемная доля каучука в растворе, равновесная составу парогазовой смеси над раствором. Уравнение (3) служит для определения равновесной концентрации растворителя в полимеризате. По уравнениям (4), (5) находится концентрация растворителя в полимериза-те на выходе из ячейки с учетом кинетики дегазации, для описания которой использовалось эмпирическое уравнение
- ^Г = к • , (7)
где к, п - параметры. Оба параметра могут быть получены по опытным данным. При этом
выявлено, что константа к зависит от температуры, давления, гидродинамической обстановки. Показатель степени п зависти только от типа каучука и растворителя.
В модели предполагается, что давление изменяется равномерно и определяется из основного уравнения гидростатики. Температура процесса в каждой ячейке принимается равной температуре кипения воды.
Количество водяного пара на каждой ячейке определятся по выражению
Ч: = Р|-1 - Рр,! + Чв,|. (8)
где ^ | - удельное количество водяного пара, которое затрачивается на испарение раство-
рителя; Рв | - удельное количество воды, которое переходит в паровую фазу самоиспаре-
нием при сбросе давления.
Расчет ведется методом последовательных приближений. Для этого задаются начальные приближения Z■. Расчет ведется до совпадения Z■ на соседних итерациях. Результаты расчета по предложенной схеме показаны на рис. 3, 4 (прямоток).
си
К
3
Я \©
а ^
л
си
О
О
си
О
X
ЕГ
О
13
н
о
О
«
ч
о
н
8
а
о
И
н
о
Й
а
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
V
Л
\<
' '< ►- -
—1 1
Число ячеек
Прямоток —■—Противоток
Рис. 3 - Зависимость остаточного содержания растворителя от числа ячеек
о
8
§
*
Л
си
О
о
си
о
X
ЕГ
О
н
о
О
0х
С*
си
н
К
Л
О
со
&
Й
а
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
5 6 7 8 9 10
Удельный расход водяного пара
- Прямоток
- Противоток
0
Рис. 4 - Зависимость остаточного содержания растворителя от удельного расхода водяного пара
На следующем этапе рассмотрена противоточная схема движения потоков (суспензии крошки каучука и парогазовой смеси). Для этого была исследована противоточная ячеечная модель процесса водной дегазации. В этом случае парциальное давление паров растворителя в ячейках рассчитывается по уравнению
(г., - )/М_
= ^-1-----ц (1а)
ги - 1 v '
М М„
и математическое описание представляется в виде системы уравнений (1а) - (8).
В противоточном случае давление по ходу движения суспензии крошки каучука будет увеличиваться, поэтому последнее слагаемое в уравнении (8) будет принимать отрицательное значение.
Результаты расчета показывают (рис. 3, 4, противоток), что в этом случае можно добиться требуемой степени дегазации.
Сравнение результатов расчетов по прямоточной и противоточной моделям показывает, что противоток является более предпочтительным, а снижение конечного давления приводит к сокращению удельного расхода водяного пара на дегазацию и повышению качества получаемого каучука за счет снижения остаточного содержания растворителя.
Литература
1. Рейхсфельд В.О., Шеин В.С., Ермаков В.И. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука. Л.: Химия, 1985. 264 с.
2. Ермаков В.И., Мамедов У.А., Добужский Б.Е. // Теор. осн. хим технол. 1976. Т.10. №1
С.137-С.141.
3. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Распылители жидкостей. М.: Химия, 1979. 216 с.
4. Лыков А.В., Михайлов Ф.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. 536с.
5. Патент на полезную модель № 35630. Установка для выделения крошки каучука из углеводородных растворов.
6. Патент на полезную модель № 35631. Крошкообразователь для выделения крошки каучука из углеводородных растворов.
7. Патент на полезную модель № 35628. Прямоточный аппарат для дегазации полимерной крошки каучука.
8. Патент на полезную модель № 35602. Тарельчатая мешалка.
© В. А. Кузнецов - зав. лабораторией каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ; В. Г. Бочкарев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Г. С. Дьяконов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ.
