CC BY
9
УДК 667.6
Капитонов Д.Д., Апанович Н.А., Зеленская А.Д., Максимова Е.Ю., Алексеенко А.В., Павлов А.В.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ХОДЕ СИНТЕЗА ОЛИГОЭФИРОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНСЕРВНОЙ ТАРЫ
Капитонов Денис Дмитриевич, магистрант 1 курса кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; Апанович Николай Алексеевич, к.х.н., доцент, главный специалист кафедры ЛКМ;
Зеленская Александра Дмитриевна, магистрант 1 курса кафедры ЛКМ, техник 1 категории кафедры ЛКМ; Максимова Елена Юрьевна, зав. лабораторией кафедры ЛКМ, e-mail: maksimovalkm@yandex.ru
Алексеенко Антон Владимирович, аспирант 1 года обучения кафедры ЛКМ; инженер кафедры ЛКМ; Павлов Александр Валерьевич, ассистент кафедры ЛКМ; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
В работе изучается влияние гидродинамики на интенсификацию тепло-и массообменных процессов при синтезе олигоэфиров, предназначенных для защиты консервной тары. Осуществлен выбор типа и параметров перемешивающего устройства, получены исходные данные для масштабирования процесса синтеза в промышленных аппаратах.
Ключевые слова: олигоэфиры, лаки для консервной тары, покрытие.
STUDYING THE EFFECT OF HYDRODYNAMIC FLOWS ON THE INTENSIFICATION OF HEAT AND MASS-EXCHANGE PROCESSES IN THE PROCESS OF OLIGOESTER SYNTHESIS FOR PROTECTION OF PRESERVE TARE
Kapitonov D.D., Apanovich N.A., Zelenskaya A.D., Maksimova E.Yu., Alekseenko A.V., Pavlov A.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper studies the effect of hydrodynamics on the intensification of heat and mass transfer processes in the synthesis of oligoesters intended for the protection of canning containers. The selection of the type and parameters of the mixing device was carried out, the initial data were obtained for scaling the synthesis process in industrial devices.
Key words: oligoesters, varnishes for canning containers, can coating.
Гидродинамические параметры, такие как распределение скорости жидкости в аппарате, насосный эффект мешалки, время циркуляции и время перемешивания системы (время гомогенизации) могут служить основой для оценки работы различных типов аппаратов с мешалками [1-4]. Другие параметры, такие как условия создания многофазных систем, межфазная поверхность, диаметр капель (пузырьков), нужны для расчета массообмена в аппаратах с мешалками.
Для процессов, осуществляемых в аппаратах для перемешивания жидкостей, трудно определить критерии, в состав которых входит скорость. Распределение скоростей в аппаратах с мешалками носит очень сложный характер, и в этом случае применять среднюю скорость (как при течении жидкости в трубе) не представляется возможным. Поэтому чаще всего пользуются условной скоростью, равной окружной скорости конца лопастей мешалки. Полученные таким образом критерии действительны для процессов перемешивания. Определение других критериев, в состав которых скорость не входит, не представляет трудности, и их трактовка не отличается от традиционной.
Поэтому для описания гидродинамических потоков, а также тепло- и массообменных процессов важнейшими параметрами являются критерии гидродинамического подобия и коэффициент насосного эффекта.
Кроме влияния на массообмен, который происходит при перемешивании,
гидродинамические потоки влияют и на теплообменные процессы. Однако практическое значение имеют средние величины коэффициентов теплоотдачи, так как с их помощью можно рассчитать интенсивность теплообмена во всем аппарате.
Исследование влияния гидродинамических потоков на интенсификацию тепло-и массообменных процессов рассматривали на примере синтеза полиэфирных олигомеров на основе неопентилгликоля, терефталевой кислоты, фталевого и малеинового ангидридов, получаемого последовательной конденсацией неопентилгликоля с соответствующим ангидридом и последующей соконденсацией этих аддуктов между собой в присутствии терефталевой кислоты.
Изучение процессов проводили в_лабораторном реакторе, оснащенным шлейфовой колонной с
рубашкой, сменными мешалками и электрическим обогревом. Основная задача исследования заключалась в оценке количества потерь исходных мономеров, за счет процессов возгонки и испарения при проведении синтеза тримеров из неопентилгликоля и ангидридов, определения влияния насосного эффекта мешалки (типоразмера мешалки и числа оборотов) на эти потери.
Также проводилась оценка коэффициентов теплоотдачи при протекании этих процессов синтеза, для выдачи практических рекомендаций для масштабирования данного процесса на промышленных установках.
При изучении процесса конденсации неопентилгликоля с ангидридами использовали якорную и лопастную мешалки с угловой скоростью от 0,5 до 1,5 м/с, внутренний диаметр реакционного аппарата составил 200 мм, высота насадочной колонны составляла 250 мм, диаметр насадочной колонны - 45 мм. Температура исследований составляла последовательную выдержку, вначале при 150-1700С, для оценки преимущественной возгонки ангидридов, а затем при 180-2000С, для оценки преимущественных потерь неопентилгликоля, поддержание заданной температуры осуществлялось в пределе +5 0С. Количество потерь исходных мономеров в шлейфовой трубе определяли весовым методом.
В результате исследований процесса конденсации неопентилгликоля с ангидридами оказалось, что с ростом температур и увеличением скорости перемешивания, количество возгоняемых мономеров увеличивается. Однако, необходимо
отметить, что доля возгоняемых ангидридов значительно больше, чем неопентилгликоля. В случае использования лопастной мешалки потери мономеров достигают до 7,0% от исходной массы, в то время, как при использовании якорной потери оказались несколько меньше - не более 3,5 и 5,0% при конденсации неопентилгликоля с фталевым и малеиновым ангидридами, соответственно. Таким образом, с точки зрения минимизации потери исходных мономеров оптимальными условиями являются: использование якорной мешалки со скоростью вращения 0,5-1,0 м/с. При таком гидродинамическом режиме потери исходных мономеров при конденсации неопентилгликоля с фталевым ангидридом не превышают 3,5% от исходной массы, а в случае конденсации неопентилгликоля с малеиновым ангидридом - не более 5,0%.
Для выбранных систем, для выдачи исходных данных по масштабированию разработанного процесса на промышленной установке были рассчитаны критерии гидродинамического подобия и критерий насосного эффекта перемешивающего устройства. Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Необходимо отметить, что 3,5% потерь в случае промышленной установки, является достаточно высоким процентом, поэтому нами были определены параметры теплообменных процессов, происходящих в ходе конденсации
неопентилгликоля с ангидридами, результаты расчетов представлены в таблице 2.
внутренний диаметр аппарата, О, м плотность среды, г. кг/мЗ вязкость среды, ш, Па*с постоянная насосного эффекта мешалки, жорь(рама)-0,35 лодасть-0,30 отношение : якорь-0,8; до пасть-0,95 мощность на валу мешалки, N. кВт диаметр мешалки. (1, м окружная скорость, V.', м/с насосный эффек, Ур, мЗ/с критерий йе критерии Рг критерии Ей
конденсацня неопентилгликоля с флдлевым шгндрндом
0,2 907 0,028 0,35 0.8 0,3 0,16 0.50 0,08561 1 0,0041 25,2
ОД 907 0,028 0,35 0,8 0,3 0,16 0,60 0,10173 2 0,0059 14,6
0,2 907 0,028 0,35 0.8 0,3 0,16 0.70 0,11985 2 0,0080 9,2
0,2 907 0,028 0,35 0.8 0,3 0,16 0,80 0,13697 2 0,0104 6,2
0,2 907 0,028 0,35 0.8 0,3 0,16 0,90 0,15409 3 0,0132 4,3
0,2 907 0,028 0,35 0,8 0,3 0,16 1,00 0,17121 3 0,0163 3,2
конденсация неопентилгликоля с малеиновым ангидридом
0,2 931 0,018 0^3 0.8 0,3 0,16 0,50 0,08561 2 0,0041 24,6
0,2 931 0,018 0^5 0.8 0,3 0,16 0,60 0,10273 3 0,0059 14,2
0,2 931 0,018 0^5 0.8 0,3 0,16 0,70 0,11985 3 0,0080 9,0
0,2 931 0,018 0,35 0.8 0,3 0,16 0,80 0,13697 4 0,0104 6,0
0,2 931 0,018 0^5 0.8 0,3 0,16 0,90 0,15409 4 0,0132 4.2
0,2 931 0.018 0^5 0.8 0,3 0,16 1,00 0,17121 4 0.0163 3,1
Таблица 1. Критерии гидродинамических критериев подобия и критерий насосного эффекта для якорной мешалки со скоростью вращения 0,5-1,0 м/с при конденсации неопентилгликоля с ангидридами
Таблица 2. Основные параметры теплоотдачи с при конденсации неопентилгликоля с ангидридами, с использованием якорной мешалки со скоростью вращения 0,5-1,0 м/с
внутренний диаметр аппарата, м 3 1 3 е 1 - Е •о числа оборотов мешалки, п, Об/мИН 8.« ¡1 И о й вязкость среды, р, Па*с И . Й | й й оУ ? 3 й Н <у & 3 ^ 3 £ 8 V ФЛ Ч1 а ц окружная скорость, V,', м/с 1 Дч В « 3 Н 5 6 я К X « Я г 2 & 5 н Г.. и критерий Ыи для смеси коэффициент теплоотдачи смеси. &1,Вт/м2К к § ¿5 я 11 - а & критерий Ке для парон критерий N11 для паров 1 1 3 я ч £ 3 ч я Т 8 ^ Э с о м С „
конденсация неопентнлглнколя с фгалевым ангидридом
0,2 018 53 907 0,028 820 1 1 0,50 20,9 193 55,7 306,5 12,5 3.4 7 32 155,22
0,2 018 64 907 0,028 820 1 1 0,60 20,9 231 62.4 343.2 12.5 4.1 8,19 155,22
0,2 0,18 74 907 0,028 820 1,1 0,70 20,9 270 68,7 377,6 12.5 4,7 9,02 155,22
0,2 0 18 85 907 0,028 820 1 1 0,80 20,9 309 74.8 410,2 12,5 5.4 9,79 155,22
0,2 0.18 96 907 0,028 820 1,1 0,90 20,9 347 80,2 441,3 12.5 6.1 10,54 155,22
конденсация неопентнлглнколя с маленнозым ангидридом
0,2 0,18 53 931 0,018 973 0,95 050 18.4 300 70.3 334,1 14,1 3,5 7,77 149,1
0.2 0,18 64 931 0,018 973 0,95 0 60 18.4 360 78.8 374,1 14.1 4.2 8,71 149,1
ОД 0,18 74 931 0,018 973 0,95 0,70 18,4 420 86,7 411.7 14,1 4,9 9,58 149,1
од 0,18 85 931 0,018 973 0,95 0,80 18,4 480 94,1 447,2 14,1 5,6 10,40 149,1
0.2 0,18 96 931 0,018 973 0,95 0,90 18.4 540 101.3 481.1 14,1 6,3 11.19 149,1
Таким образом в результате изучения влияния гидродинамических потоков на интенсификацию тепло-и массообменных процессов в ходе синтеза олигоэфиров для защиты консервной тары были подобраны оптимальные режимы перемешивания и теплообмена и полученные основные показатели для масштабирования процесса на промышленных установках.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, Соглашение о предоставлении субсидии № 14.574.21.0180, уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57417X0180.
Список литературы
1. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971. Пер. с польск.под ред. И.А. Щупляка, Л., "Химия", 1975. 384 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: ООО ТИД "Альянс", 2004. — 753 с., перепеч. с изд. 1973 г.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. — 10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.
4. Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. — 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: Химия, 1991. — 496 с.
