Химические реакторы (стр. 2 из 3)

Часто используют каскады реакторов, например два или три последовательно соединенных РИСНД. В таком каскаде удобно проводить многоступенчатый химический процесс, подбирая оптимальные условия проведения каждой стадии.

Однако реальные реакторы отличаются от идеальных моделей. Так, в реакторах смешения существуют застойные зоны, в которых время пребывания, температура и концентрации веществ отличаются от средних. В трубчатых реакторах вытеснения профиль скоростей может быть неплоским, распределение по временам пребывания расширяется и т.д.

Остановимся несколько подробнее на трубчатых реакторах. При ламинарном течении жидкости и постоянной температуре в гладкой трубе устанавливается параболический профиль скоростей — в центре на оси реактора самая высокая скорость течения (о ламинарном и турбулентном режимах течения см. [6]). Это обстоятельство приводит к расширению распределения по временам пребывания (при турбулентном течении фронт течения становится более плоским [5]). Ситуация усугубляется при попытке провести в таком реакторе химическую реакцию получения высокомолекулярного продукта — полимера. Обычно в реакциях полимеризации выделяется большое количество тепла, которое в трубчатом реакторе должно отводиться через внешнюю стенку. Из-за высокой вязкости и низкой теплопроводности реакционной системы температура в реакторе повышается, причем в центре температура выше, у стенок ниже. Поскольку с ростом температуры молекулярная масса образующегося полимера практически всегда уменьшается (это общее свойство большинства процессов синтеза полимеров), вязкость реакционной массы в центре снижается и профиль скоростей течения еще более вытягивается, так что при определенных условиях наблюдается проскок почти непрореагировавшего вещества по центральной части реактора. Как избавиться от нежелательного эффекта? Есть разные способы. Самый простой — обеспечить перемешивание вязкой реакционной массы поперек потока, то есть приблизиться к модели реактора идеального вытеснения. Хорошее перемешивание очень вязких полимеров уже было реализовано в процессах их переработки в экструдерах (рис. 3), напоминающих мясорубку. В этом случае удается получить однородное распределение компонентов и их высокую дисперсность при смешении. Исходные реагенты в экструдер можно вводить в любой точке по длине экструдера, тем самым контролируя время их пребывание в реакторе и препятствуя протеканию побочных реакций.

Экструдеры изготавливают двух типов: одно- и двухшнековые. Одношнековый экструдер (рис. 3, а) состоит из шнека, вращающегося внутри обогреваемого цилиндрического корпуса. Материал в виде гранул или порошка поступает через бункер загрузки в цилиндр машины. Вращающийся шнек захватывает материал, поступающий из бункера, продвигает его вдоль экструдера, плавит и равномерно нагнетает гомогенный расплав в головку.

Аналогично сконструирован двухшнековый экструдер, в котором два шнека установлены параллельно в одном общем корпусе (рис. 3, б). При этом шнеки могут вращаться либо в одном, либо в противоположных направлениях. Двухшнековые экструдеры обладают преимуществами по сравнению с одношнековыми. Одношнековые экструдеры не обеспечивают однородного смешения из-за низкого уровня сдвиговых напряжений и наличия застойных зон. Двухшнековые экструдеры дают превосходное однородное смешение и позволяют контролировать времена пребывания компонентов и реакционной смеси в экструдере. Поэтому одношнековые экструдеры удобно использовать для простых операций, таких как плавление, получение пленок, труб. Двухшнековые экструдеры должны применяться для более сложных операций, таких, как гомогенизация, диспергирование различных добавок, реакционного смешения, полимеризации.

За последние 20 лет интенсивно развиваются процессы химического формования, в которых сочетаются химические реакции (синтез полимеров, их модификация) с переработкой в готовые изделия. Следовательно, химические реакции, приводящие к формированию конечной молекулярной структуры материала, во времени и пространстве совмещаются с механическими операциями придания этому материалу формы целевого изделия, обладающего требуемыми качествами. Данные процессы называются совмещенными. Такое оформление процесса дает возможность сократить число стадий, минуя производство полуфабрикатов и получая сразу готовые изделия. Уменьшение числа стадий приводит к снижению суммарной энергоемкости и продолжительности всего цикла изготовления конечного продукта благодаря устранению необходимости повторных изменений температуры (нагрева и охлаждения), а также исключению транспортных операций. Другим фактором является уменьшение объема отходов за счет упрощения изготовления изделий сложной конфигурации. Это приводит к экономии исходных материалов и улучшению экологии. Одной из важнейших проблем при синтезе полимеров или их химической модификации является высокая вязкость, вследствие чего данные процессы проводят либо в растворителях, либо в разбавителях — в суспензии или эмульсии. При проведении реакции в экструдерах можно избежать применения растворителей или разбавителей. Это экологическое преимущество экструзионной технологии, так как отсутствует необходимость удаления растворителя (разбавителя) и последующей его регенерации. Помимо решения экологической задачи сокращаются также энергетические затраты. Таким образом, энергетические, сырьевые и экологические факторы определяют экономическую целесообразность (а в некоторых областях техническую необходимость) перехода к совмещенной технологии.

В совмещенных процессах в экструдер в его определенных точках вводят исходные реагенты и другие реакционноспособные агенты, которые гомогенизируются, реагируют друг с другом и образуют требуемые соединения. Реакционная смесь продвигается вдоль шнека, и реакция протекает до желаемой степени конверсии, которая определяется временем пребывания в экструдере (см. рис. 3). Примеры типичных совмещенных процессов приведены в табл. 1.

Было установлено, что следующие типы реакций могут быть проведены в экструдере: 1) радикальная, анионная, катионная и координационная полимеризация; 2) поликонденсация, полиприсоединение; 3) направленная деструкция и сшивание полимеров с целью получения продукта с необходимым молекулярно-массовым распределением и образованием реакционных групп для последующей прививочной и других реакций; 4) образование функциональных групп на полимере; 5) модификация полимеров путем прививки мономеров или смеси мономеров на основную полимерную цепь с применением радикальных инициаторов или ионизирующего излучения; 6) межцепные реакции с получением сополимеров; 7) реакции полимера и полифункциональных агентов с получением разветвленных полимеров; 8) получение термоэластопластов методом динамической вулканизации; 9) измельчение полимерных отходов, резин и пр.

Одним из интенсивно развивающихся процессов реакционного смешения является процесс динамической вулканизации для получения термопластичных эластомеров (ТПЭ). В данном процессе при смешении термопластичных полимеров (полиолефины, полиамид и др.) и эластомеров (тройной этилен-пропилен-диеновый сополимер, полиизопреновый каучук) происходят диспергирование эластомерной фазы до частиц размером 0, 1—5 мкм и одновременно реакция вулканизации, то есть сшивка линейных макромолекул каучука в трехмерную структуру резины. При этом получается материал, который состоит из однородно распределенного завулканизованного эластомера (дисперсная фаза) и термопластичного полимера (матрица). Такие материалы обладают резиноподобными свойствами при комнатных температурах, а перерабатываются как термопластичные полимеры. Их производство и переработка являются экологически более чистыми процессами по сравнению с традиционной переработкой резин. Основной метод переработки резин в изделия — это прессование при высоких температурах в течение достаточно большого времени. Переработка ТПЭ проводится на оборудовании, которое широко применяется для переработки термопластов (литье под давлением, экструзия). Кроме того, изделия и отходы из термопластичных эластомеров могут перерабатываться многократно без ухудшения механических характеристик. Для получения ТПЭ с наилучшими свойствами необходимо создать условия для формирования оптимальной структуры эластомеров, которая существенно зависит от степени вулканизации, являющейся функцией многих параметров. Скорость сшивания определяется природой компонентов смеси, температурой и временем теплового воздействия. Особенно перспективным является вариант, когда весь процесс динамической вулканизации протекает в одном экструдере-реакторе.

Теперь еще об одном применении экструдера — высокотемпературном сдвиговом измельчении полимерных материалов, резин. Если расплав полиэтилена охлаждать в экструдере, то при определенной температуре высыпается тонкий порошок твердого полиэтилена. Что очень важно, оказались невелики затраты энергии на процесс измельчения. Заметим, что обычно для измельчения таких мягких материалов, как полимеры, их принято замораживать, после чего они становятся хрупкими, легко разбиваются и могут быть превращены в порошок под действием обычных ударных мельниц. При этом много энергии тратится на замораживание исходного материала, и процесс в экструдере оказался энергетически более выгодным. Эксперименты показали, что в экструдере или других специально сконструированных для этих целей аппаратах можно измельчать множество различных материалов: резину, старые шины, зерно, целлюлозу, терморективные и термопластичные полимеры, смеси полимеров, полимеров с металлами и пр. Этот способ особенно перспективен для вторичной переработки полимерных материалов. Исследования также показали, что в экструдере могут идти химические реакции, даже если исходные вещества и продукты находятся в твердом состоянии. Под действием давления и сдвиговых деформаций, осуществляющихся в аппаратах типа экструдера, мельниц, вещества перемешиваются на молекулярном уровне и между ними возможно химическое взаимодействие. Примеры химических реакций полимеров в таких условиях приведены в табл. 2.