CC BY
37Плотность тока металла, А/дм 5.00т
0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Пространственная координата, дм
Рис. 2. Расчетное и экспериментальное распределение катодной плотности тока. Сплошные линии - расчет, точки - эксперимент. Цифрами у кривых обозначены номера опытов.
Рис. 3. Расчетные и экспериментальные величины РС. Возле точек указаны номера электролитов.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 8.309-86. 4.
2. Иванов В.Т., Болотнов А.М. //Электрохимия. 1991. Т. 27. Вып. 3. С. 324-332. 5.
3. Cahan B.D., Scherson D., Reid M.A. //J. Electro-
chem. Soc. 1988. V. 135. № 2. P. 285-293. Василенко В.А. Сплайн-функции. Теория, алгоритмы, программы. Новосибирск: Наука. 1983. - 216с. Начинов Г.Н., Виноградов С.С., Кругликов С.С. //Электрохимия. 1983. Т. 19. № 12. С. 1641-1644.
Кафедра технологии электрохимических производств
УДК 66.023: 678.674
Ю.Г. ГОГОЛЕВ, В.Н. БЛИНИЧЕВ, Н.В. СТЕПЫЧЕВА АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА АЛКИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ
(Ивановский государственный химико-технологический университет
E-mail: rektor@isuct.ru)
Предложена оригинальная конструкция аппарата для проведения синтеза алкид-ных смол в пленочном режиме. Результаты лабораторных испытаний показали целесообразность ее использования в качестве тепломассообменного аппарата на стадии поликонденсации для синтеза смол непрерывным методом.
Традиционное аппаратурное оформление процесса синтеза алкидных олигомеров (АО) основывается на использовании периодических режимов синтеза с использованием объемных реакторов. Увеличение масштаба производства поликонденсационных смол, повышение требований к
качеству получаемой продукции привело к разработке технологических схем с полунепрерывным циклом производства.
На одном из лакокрасочных заводов Белоруссии реализована единственная в СНГ схема производства алкидного лака ПФ-060 полунепре-
рывным методом аналогичная схеме представленной в литературе [1]. По этой схеме алкоголиз подсолнечного масла пентаэритритом и получение кислого алкоголизата проводятся непрерывным методом, а полиэтерификация и растворение полученного олигомера - периодическим методом. Бесперебойная работа аппаратуры, включенной в эту схему, обеспечивается соответствующим подбором емкостей реакторов и установкой промежуточной емкости-хранилища между непрерывной и периодической частями схемы. Алкоголиз проводят в каскаде реакторов небольшой емкости (2,5 м3), синтез неполного кислого эфира - в реакторе емкостью 3,2 м3. Большой реактор емкостью 32 м3 предназначен для полиэтерификации азео-тропным способом.
Данная схема производства позволяет значительно интенсифицировать процесс синтеза АО. Наличие в производстве кислого переэтерификата дает возможность отрегулировать вторую стадию синтеза смолы в случае нарушений хода технологического процесса и выпустить лак, соответствующий требованиям стандарта.
Для производства лака ПФ-060 непрерывным методом в литературе предложены схемы с использованием каскада реакционных аппаратов, а также колонных аппаратов [1]. Однако непрерывные способы синтеза АО в настоящее время не реализованы ни на одном из лакокрасочных производств. Кроме того, в литературе практически отсутствуют сведения о проведении в настоящее время разработок в этой области.
Наиболее верным техническим решением, на наш взгляд, явилась бы модернизация уже действующего, хорошо отлаженного полунепрерывного производства лака ПФ-060 с целью перевода его на непрерывный цикл для увеличения мощности производства и улучшения качества готовой продукции. Поэтому необходимо рассмотреть возможности использования различных технических решений для организации и проведения стадии поликонденсации (ПК) по непрерывному циклу.
Как показывают исследования, проведенные рядом авторов [2-5] одним из наиболее перспективных методов, существенно ускоряющих стадию ПК и представляющих широкие возможности для организации непрерывного способа ведения процесса, является использование реакционных аппаратов, в которых процесс ПК проводится в тонком слое реакционной массы (реакционных пленочных аппаратов). Проблема, таким образом, заключается в выборе подходящего для определенной реакционной системы реакционно-
пленочного аппарата и соответствующего аппара-турно-технологического оформления процесса.
Существуют достаточно широкие классы пленочных аппаратов, из которых следует выделить такие крупные, как насадочные и роторно-пленочные аппараты. Обзор пленочных аппаратов, выполненный авторами данной статьи, приведен в литературе [6]. Рассматривая возможность использования того или иного вида оборудования при синтезе АО на стадии ПК, авторы учитывали следующие их особенности:
• АО относятся к вязкоупругим жидкостям и при высоких скоростях деформирования проявляют высокоэластичность. Следствием этого может быть нарушение сплошности потока, а значит, существуют ограничения в отношении интенсивности деформации АО;
• АО - отличные пленкообразователи и обладают хорошей адгезией к рабочей поверхности. Следует ожидать, что при сложной форме рабочей поверхности возрастает вероятность накопления полимера в застойных зонах и его окисление;
• пленочное течение реакционной смеси облегчает диффузию молекул воды из нее. Но для успешной диффузии и испарения воды с поверхности массы нужно, чтобы над ней было достаточно большое пространство, обеспечивающее малую концентрацию паров воды в газовой фазе;
• желательно совмещение процесса ПК с процессом быстрого испарения воды из реакционной массы;
• синтез АО с использованием масел, содержащих в своем составе непредельные жирные кислоты, осложняется на стадии ПК процессами термической полимеризации жирнокис-лотных остатков масел, протекающих в основном по реакциям диенового синтеза, что может привести к образованию «угаров» -сетчатого полимера, «пригоревшего» к поверхности и следовательно к нарушению сплошности потока.
Отмеченные критерии, предъявляемые к конструкциям аппаратов с пленочным течением жидкой фазы, могут быть дополнены такими, как развитость поверхности пленки, равномерность распределения пленки по поверхности, энергоемкость процесса, надежность конструкции, дополнительные приемы интенсификации физико-химических процессов, гравитационное или вынужденное течение пленки. При этом некоторые из приведенных критериев являются взаимоисключающими и применимость того или иного ап-
парата должна оцениваться на основе оптимизации конструкции по всем критериям и ограничениям.
Авторами разработана конструкция ротор-но-пленочного аппарата (РПА) для ПК [7-9], отвечающая всем описанным выше критериям. На рис.1 (а) приведена конструкция данного РПА.
а)
б)
в)
Рис. 1. Роторно-пленочный аппарат. а) поперечный разрез аппарата; б) подвижная контактная тарелка; в) неподвижная контактная тарелка; 1 - корпус; 2 - вал; 3- распределитель; 4- распределительная тарелка; 5 - подвижная контактная тарелка; 6 - опорные элементы; 7 - неподвижная контактная тарелка; 8 - кожух; 9- крышка; 10- штуцер подачи реакционной массы; 11 - штуцер выхода легких фракций; 12 - днище; 13- штуцер выхода реакционной массы; 14- концевая опора; 15 - кольцевые прорези; 16 - оболочки; 17 - кольцевые перегородки; 18 - кольцевые прорези; 19 - оболочки; 20 - кольцевые перегородки; 21 - выступы.
Аппарат состоит из корпуса 1, вала 2 с установленными на нем распределителем 3, распре-
делительной тарелкой 4, закрепленных на валу контактных тарелок 5, опорных элементов 6 для неподвижных тарелок, размещенных на корпусе 1 и самих этих тарелок 7, кожуха 8. На верхней крышке 9 установлен штуцер 10 подачи реакционной массы, штуцер 11 выхода легких фракций (паров азеотропа). На днище 12 установлены штуцер выхода реакционной массы 13 и концевая опора 14. Опорные элементы 6 контактных тарелок, установленных на корпусе размещены с внутренней стороны корпуса аппарата с угловым смещением, величина которого составляет 2п/п, где: п -число контактных тарелок, установленных на корпусе.
На рис.1 (б) показана контактная тарелка, закрепленная на валу. Она представляет собой усеченный конус, выполненный с кольцевыми прорезями 15, за которыми с нижней стороны тарелки прикреплены оболочки 16, а с верхней стороны - кольцевые перегородки 17.
На рис.1 (в) показана контактная тарелка, установленная на опорных элементах корпуса, представляющая собой усеченный конус, выполненный с кольцевыми прорезями 18, за которыми с нижней стороны тарелки прикреплены оболочки 19, а с верхней стороны перед кольцевыми прорезями кольцевые перегородки 20. Тарелка устанавливается на опорные элементы 6 выступами 21.
Аппарат работает следующим образом. Реакционная масса поступает в установленный на верхней крышке штуцер 10, через который обеспечивается ее поступление в распределитель 3, закрепленный на валу 2, а затем переток на распределительную тарелку 4, с которой жидкая фаза поступает на контактную тарелку 5, закрепленную на валу 2. За счет центробежной силы жидкость перемещается по тарелке и через кольцевые прорези 15 поступает на внутреннюю поверхность оболочек 16 и далее направляется на контактную тарелку 7, установленную на опорных элементах 6 корпуса 1. За счет силы тяжести реакционная масса течет по тарелке, через кольцевые прорези 18 поступает на оболочки 19 и далее вновь поступает на тарелку 5. Таким образом, достигается организованный переток жидкости по зигзагообразной траектории за счет перемещения жидкости с верхних тарелок на нижние. Кольцевые перегородки 17, 20 служат для надежного распределения потоков реакционной массы. Кожух 8 предотвращает попадание реакционной массы на концевую опору 14. Выход реакционной массы производится через штуцер 13, установленный на днище 12. Выход легких фракций (паров азеотропа) осуществляется через штуцер 11.
Работа РПА возможна при осуществлении надежного распределения реакционной массы на контактные тарелки. При этом распределение должно быть простым и надежным. Данным требованиям вполне удовлетворяет устройство для распределения жидкости в пленочных аппаратах.
На рис.2 представлена распределительная тарелка. Она представляет собой оболочку, выполненную в виде усеченного конуса с расположенными на ней радиально с внешней стороны дугообразными ребрами 1, дугообразными прорезями 2 и элементами стопорного устройства 3. Тарелка работает следующим образом. Реакционная масса поступает на тарелку через распределитель 3, закрепленный на валу 2. Тарелка установлена на валу с подвижной посадкой, обеспечивающей ее перемещение относительно вала 2. Относительное движение вала и распределительной тарелки способствует надежному и устойчивому поступлению реакционной массы к соответствующим частям контактных тарелок аппаратов. Переток реакционной массы с распределительной тарелки на контактные осуществляется через дугообразные прорези 2. Дугообразные ребра 1 предназначены для деления потока поступающей реакционной массы с заданным соотношением. Часть дугообразных ребер 1 заканчивается стопорными элементами 3, которые обеспечивают торможение распределительной тарелки о корпус аппарата и достижение относительного перемещения распределительной и контактной тарелок.
Рис.2. Распределительная тарелка. 1 - дугообразные ребра;
2 - дугообразные прорези; 3 - стопорное устройство.
Особенностью данной тарелки является возможность регулирования количества реакционной массы, протекающей через кольцевые прорези 2 на соответствующие участки поверхности нижерасположенной контактной тарелки. Это дос-
тигается определенным размещением дугообразных ребер 1 на вершине распределительной тарелки. При этом отношение длин дуг 11 : 12 : 13 = т1 : т2 : т3, где т1, т2, т3 - количество реакционной массы, поступающей в соответствующие сектора между дугообразными ребрами к прорезям 2.
С целью получения информации об эффективности предлагаемого решения был изучен процесс ПК алкидной смолы ПФ-060 на лабораторном РПА в комбинации с объемным реактором [10]. На рис.3 приведены экспериментальные данные по изменению кислотного числа реакционной массы от времени процесса для промышленного реактора объемом 32 м3, лабораторного реактора 5 дм3 и лабораторной установки «реактор-РПА». Как видно из приведенных зависимостей в случае дополнительной установки РПА удается существенно интенсифицировать процесс ПК. Время достижения поликонденсационной смолой кислотного числа, удовлетворяющего стандарту (не более 15...20 мг КОН/г) сокращается в 4... 6 раз, в зависимости от скорости прохождения реакционной массы через РПА. Кроме того, следует отметить, что смола на выходе из РПА имела кислотное число 5.10 мг КОН/г.
75-|
70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
—I-
100
Время, мин
Рис. 3. Изменение кислотного числа (КЧ) при синтезе основы лака ПФ-060: 1 - лабораторный реактор объемом 5 дм3; 2 -промышленный реактор на 32 м3; 3,4,5 - контур «реактор -РПА». Скорость прохождения массы через РПА, кг/час: 64,8 (3); 39,6 (4); 3,6 (5).
Результаты испытаний лабораторной установки показали целесообразность использования РПА с конусной насадкой в качестве тепломассо-обменного аппарата для синтеза поликонденсационных смол на стадии ПК с целью снижения кислотного числа смолы и получения продуктов улучшенного качества, а также значительного сокращения времени синтеза смолы.
Таким образом, полунепрерывная технологическая схема, действующая на производстве, может быть усовершенствована и модернизирова-
0
200
300
500
на до непрерывной путем замены на стадии ПК объемного реактора разработанным РПА и установкой ряда дополнительного оборудования.
В предлагаемой аппаратурно-технологи-ческой схеме (рис.4) для проведения алкоголиза непрерывным методом используется каскад из двух реакторов 1 и 2, снабженных электроиндукционным обогревом, мешалками и теплообменниками 3 и 4. В первом реакторе установлена внутренняя труба со шнеком, укрепленная на одном валу с мешалкой. Внутри аппарата труба имеет отверстия, через которые и циркулирует масло, постепенно расплавляя пентаэритрит. По трубе пентаэритрит передвигается при помощи шнека. Данное устройство позволяет равномерно подавать пентаэритрит и ускоряет процесс его расплавления. Для устранения налипания пентаэрит-рита при дозировке в реактор на конце питателя предусматривается смыв его в реактор горячим маслом. В рассматриваемом технологическом процессе твердым сырьем является пентаэритрит, который непрерывно подается в реактор 1 шнеко-вым дозатором 5 из бункера 6. В бункер пента-эритрит поступает из системы нагнетательного пневмотранспорта. Аналогичным способом подается в реактор и катализатор. Жидкое сырье (подсолнечное масло) непрерывно подается дозиро-
вочным насосом 7 из емкости хранения 8. Предварительный подогрев масла проводится в подогревателе 9 и электронагревателе 10. В реакторе 2 для алкоголиза установлена турбинная мешалка. Реакционная смесь перетекает из реактора 1 в реактор 2 самотеком по переливной трубе. Пере-этерификация проводится в среде инертного газа, который подается в каждый реактор на слой реакционной массы.
Для получения кислого алкоголизата в схеме используется аппарат 11, снабженный электроиндукционным обогревом, мешалкой и улови-тельной системой из сублимационной трубы 12 и мокрого уловителя погонов 13. Готовый алкоголи-зат непрерывно поступает в реактор 11 самотеком через секционный теплообменник 9, где, охлаждаясь от 260 до 180°С, передает свое тепло подогреваемому подсолнечному маслу. Фталевый ангидрид в расплавленном виде подается в реактор 11 дозировочным насосом 14 из емкости хранения 15. И алкоголизат, и фталевый ангидрид поступают в реактор через один и тот же штуцер в трубу, опущенную до дна. В реакторе реакционная масса выдерживается 0,5 часа при температуре не выше 170°С. Готовый кислый переэтерификат самотеком переливается в емкость-хранилище 17, оборудованную пароводяной рубашкой и двумя якорными мешалками. В ней кислый алкоголизат может храниться при температуре 120...140°С длительное время без расслаивания. Емкость для кислого переэтерификата установлена на тензометриче-ских весах.
Для проведения поли-этерификации непрерывным методом в аппаратурно-техно-логической схеме предусмотрен РПА 16. Аппарат имеет секционную рубашку для подачи паров дифенильной смеси. Для удаления реакционной воды в виде азеотропной смеси с ксилолом РПА оснащен конденсатором 20 и разделительным сосудом 21. Подпитка ксилолом производится через разделительный сосуд с помощью дозировочного агрегата 25. Кислый алкоголи-зат подается в верхнюю часть РПА погружным насосом 18 из емкости-хранилища 17 че-
Рис.4. Аппаратурно-технологическая схема производства пентафталевого олигомера ПФ-060 непрерывным методом: 1, 2 - реакторы для алкоголиза; 3, 4 - теплообменники; 5 - шнековый дозатор, 6 - бункер; 7, 14 - дозировочные насосы; 8, 15 - емкости хранения; 9 - нагреватель; 10, 19 - электронагреватель; 11 - аппарат для получения кислого алкоголизата; 12 - сублимационная труба; 13 -мокрый уловитель погонов; 16 - роторно-пленочный аппарат; 17 - хранилище кислого алкоголизата; 18 - погружной насос; 20, 23 - конденсаторы; 21 - разделительный сосуд; 22 - смеситель; 24 - холодильник; 25 - дозировочный агрегат.
рез электронагреватель 19. Реакционная масса поступает в установленный на верхней крышке РПА штуцер, через который обеспечивается ее поступление в распределитель, а затем переток на распределительную тарелку, с которой жидкая фаза поступает на контактные тарелки и в виде тонкой пленки стекает вниз. Пары ксилола движутся в обратном направлении. Для предварительного растворения готового олигомера используется промежуточный смеситель 22, снабженный гладкой рубашкой для подачи охлаждающей воды, мешалкой и конденсатором 23. Олигомер самотеком непрерывно стекает из РПА 16 в смеситель 22. Для охлаждения его имеется теплообменник 24. Растворитель непрерывно подается в смеситель дозировочным агрегатом 25 в тот же штуцер, что и олигомер. Приготовление лака, т.е. растворение полученного раствора и «постановка его на тип», а
также его очистка производятся традиционным способом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочнова З.А., Фомичева Т.Н., Сорокин М.Ф. Ап-
паратурно-технологические схемы производства пленкообразующих веществ. М.: Химия. 1978. - 92 с.
2. Лучанский Л.Н., Гельперин Н.И. ЛКМ. 1966. № 1. С. 59-62.
3. Коршак В.В., Замятина В.Н., Бекасова Н.И. Вы-
сокомол. соед. 1959. Т. 1. №1. С. 1586-1589.
4. Коршак В.В. и др. Хим. наука и пром-сть. 1959. № 4. С. 546-547.
5. А.С. 978905 СССР. Б .И. 1982. № 45.
6. А.С. 1590092 СССР. Б.И. 1990. № 33.
7. Гоголев Ю.Г. и др. ЛКМ. 1993. № 2. С. 47-50.
8. А.С. 1762956 СССР. Б.И. 1992. № 35.
9. А.С. 1733891 СССР. Б.И. 1992. № 18.
10. Гоголев Ю. Г. и др. ЛКМ. 2002. № 5. С.12-15.
Кафедра машин и аппаратов химических производств, кафедра технологии композиционных материалов и полимерных покрытий
УДК 621.926
В.Б. ЛАПШИН, И.И. КОНЫШЕВ, Н.В. БОБРОВА, М.Ю. КОЛОБОВ
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ДЕЗИНТЕГРАТОРЕ
(Ивановская государственная сельскохозяйственная академия) (E-mail: ivgsha@tpi.ru)
Получена феноменологическая модель процесса измельчения в дезинтеграторе. Выделены зоны активного измельчения и стагнации в процессе обработки материала в дезинтеграторе. Показана эффективность использования дезинтегратора при малых производительностях в разных технологиях.
Дезинтеграторы экономически выгодно использовать при максимальных производитель-ностях. Редко встречаются работы, в которых затрагиваются вопросы работы дезинтегратора (рис.1) при подаче материала на измельчение с малой производительностью.
Экспериментальное исследование работы дезинтегратора сводилось к измерению степени измельчения i кварцевого песка и мощности дезинтегратора АК представляющей собой разность между мощностью потребляемой дезинтегратором в процессе измельчения и мощностью холостого хода при разных производительностях Q и разных частотах вращения роторов п.
Результаты проведённых опытов представ-
лены на рис. 2,3 в виде функций ^,п) и АК^,п).
Сначала рассмотрим функцию ^,п). Уменьшение степени измельчения с ростом производительности дезинтегратора отмечено в литературе [1]. Эта зависимость аппроксимируется непрерывной функцией. Математическая обработка результатов опытов, проведенная нами, показывает, что при разбиении каждой кривой на два линейных участка (рис.2) достигается минимальное расхождение между результатами экспериментов и полученными уравнениями. Имея уравнения прямых, вычисляем значения степени измельчения в зависимости от частоты вращения роторов для следующих значений Q (40, 80, 120, 160, 250, 450, 700) и строим зависимость ^п) при разных значениях Q (рис.4).
