Теоретические основы химической технологии, 2019, T. 53, № 1, стр. 63-66

Макрокинетика суспензионного процесса синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе

К. А. Терещенко 1, Н. В. Улитин 1*

1 Казанский национальный исследовательский технологический университет
Казань, Россия

* E-mail: n.v.ulitin@mail.ru

Поступила в редакцию 13.01.2015
После доработки 18.07.2018
Принята к публикации 16.07.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Математически описана макрокинетика процесса синтеза бутилкаучука, протекающего в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа (катионная суспензионная сополимеризация изобутилена с изопреном, катализатор – трихлорид алюминия, растворитель – метилхлорид, температура – выше 173 K). Оценено влияние скорости движения реакционной массы и диаметра реактора на молекулярно-массовые характеристики бутилкаучука.

Ключевые слова: бутилкаучук, изобутилен, изопрен, макрокинетика, молекулярно-массовые характеристики

DOI: 10.1134/S0040357118060167

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время бутилкаучук производят в реакторах с многоярусным турбинным перемешивающим устройством в процессе катионной суспензионной сополимеризации изобутилена с изопреном (катализатор – трихлорид алюминия, растворитель – метилхлорид) при температурах выше 173 K [1]. Макрокинетика этого процесса описана нами теоретически в работах [2, 3]. Созданный в этих работах математический формализм включал в себя:

а) уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости [4];

б) уравнения сохранения импульса вдоль трех осей координат [4];

в) уравнение сохранения полной энергии сплошной среды [4];

г) уравнения неразрывности по каждому компоненту, учитывающие кинетику химического процесса (уравнения построены на основе кинетической модели процесса синтеза бутилкаучука, созданной нами в работе [3]);

д) уравнение переноса кинетической энергии турбулентности [5];

е) уравнение переноса частоты турбулентных пульсаций [5].

Однако, будучи кинетически быстрым, процесс синтеза бутилкаучука может быть проведен в трубчатом турбулентном реакторе [69]. Такой метод проведения процесса синтеза бутилкаучука предпочтителен. Он позволяет значительно увеличить удельную производительность реактора. Но способ синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе до сих пор не исследован. Поэтому в настоящее время весьма актуальны любые исследования макрокинетики процесса синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе.

В связи с этим данная работа посвящена описанию при помощи представленного в работах [2, 3] математического формализма макрокинетики процесса синтеза бутилкаучука, реализуемого в трубчатом турбулентном реакторе. Цель работы – дать ответ на вопрос: “Каково влияние начальных условий процесса синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе на молекулярно-массовые характеристики получаемого при этом продукта?”

МАКРОКИНЕТИКА ПРОЦЕССА СИНТЕЗА БУТИЛКАУЧУКА, ПРОТЕКАЮЩЕГО В ТРУБЧАТОМ ТУРБУЛЕНТНОМ РЕАКТОРЕ

В качестве объекта исследования выбрали трубчатый турбулентный реактор цилиндрического типа (рис. 1) с центральным патрубком для ввода катализатора [9].

Рис. 1.

Трубчатый турбулентный реактор цилиндрического типа: 1 – патрубок ввода мономеров; 2 – патрубок ввода катализатора.

Из-за простоты конструкции такой реактор обладает всего двумя новыми факторами, способными влиять на процесс (по сравнению с процессом синтеза бутилкаучука в объемном реакторе с перемешивающим устройством [3]): скоростью течения реакционной массы $v$ (при численных экспериментах задавали значения $v$ = 1, 3, 6, 10 м/с) и диаметром реактора d (при численных экспериментах задавали значения 0.1, 0.15, 0.2 м).

При проведении численных экспериментов с помощью математического формализма из работ [2, 3] (исходные вещества те же, описывалась макрокинетика процесса синтеза бутилкаучука, протекающего в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа), определили:

а) поля концентраций компонентов реакционной массы (рис. 2, 3);

Рис. 2.

Полученное в результате численного эксперимента на разработанном математическом формализме поле концентраций изобутилена (показан разрез реактора вдоль его оси) в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа (диаметр реактора $d{\text{ }} = {\text{ }}0.15{\text{ м }}$) для процесса синтеза бутилкаучука при различных скоростях движения реакционной массы по реактору $v$: (а) – 1; (б) – 3; (в) – 6; (г) – 10 м/c; r – радиальная координата; z – осевая координата; числа вблизи изолиний показывают концентрацию изобутилена (моль/л).

Рис. 3.

Полученное в результате численного эксперимента на разработанном математическом формализме поле концентраций активных центров (показан разрез реактора вдоль его оси) в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа для процесса синтеза бутилкаучука (скорость движения реакционной массы $v{\text{ }} = 3{\text{ }}{{\text{м }} \mathord{\left/ {\vphantom {{\text{м }} {\text{с }}}} \right. \kern-0em} {\text{с }}}$) при различных диаметрах реактора d: (а) – 0.1; (б) – 0.15; (в) – 0.2 м; r – радиальная координата; z – осевая координата; числа вблизи изолиний показывают концентрацию активных центров (ммоль/л).

б) молекулярно-массовые распределения бутилкаучука на выходе из реактора (рис. 4).

Рис. 4.

Молекулярно-массовые распределения (qw) бутилкаучука, полученного в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа; $d{\text{ }} = {\text{ }}0.15{\text{ м ;}}$ $v{\text{ }} = {\text{ }}1$ (1), 3 (2), 6 (3), 10 (4) м/c.

Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1.  

Результаты численных экспериментов на математическом формализме макрокинетики процесса синтеза бутилкаучука, протекающего в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа

d, м $v{\text{,}}$ м/с ${{M}_{{\text{n}}}}$ ${{M}_{{\text{w}}}}$ PD
0.1 1 1360 149 000 110
3 14 500 134 000 9.3
6 36 500 174 000 4.8
10 62 900 224 000 3.6
0.15 1 2060 137 000 67
3 22 400 145 000 6.5
6 50 800 200 000 3.9
10 82 900 252 000 3.0
0.2 1 2740 142 000 52
3 26 300 161 000 6.2
6 59 800 212 000 3.5
10 91 700 257 000 2.8

Из табл. 1 видно, что с увеличением $v$ и d происходит рост среднечисленной ${{M}_{{\text{n}}}}$ и среднемассовой ${{M}_{{\text{w}}}}$ молекулярных масс бутилкаучука. В то же время с увеличением $v$ и d наблюдается асимптотическое уменьшение коэффициента полидисперсности PD бутилкаучука до значения 2. Это свидетельствует об увеличении скорости смешения компонентов реакционной массы и улучшении равномерности поля ее температур. На основе данных из табл. 1 можно сделать заключение, что бутилкаучук, получаемый в трубчатом турбулентном реакторе, имеет меньшие значения ${{M}_{{\text{n}}}}$ и ${{M}_{{\text{w}}}}$ и большие значения PD, чем бутилкаучук, получаемый в реакторе с перемешивающими устройствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе показано, что бутилкаучук, получаемый в трубчатом турбулентном реакторе, обладает меньшими значениями ${{M}_{{\text{n}}}}$ и ${{M}_{{\text{w}}}},$ чем его промышленный аналог, т.е. бутилкаучук, получаемый в трубчатом турбулентном реакторе, целесообразно использовать как нетвердеющий герметик. В случае разработки технологического процесса получения бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе в основу технологии может лечь представленный в работах [2, 3] и апробированный в настоящей работе математический формализм макрокинетики процесса синтеза бутилкаучука, протекающего в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа. Это придает полученным результатам высокую практическую значимость.

Однако технологически перспективным для реализации процесса синтеза бутилкаучука является трубчатый турбулентный реактор диффузор-конфузорного типа [9], в котором развитая турбулентность образуется в результате резкого изменения геометрии реактора, а не высокой скорости потока. В связи с этим в дальнейших исследованиях планируется также исследовать макрокинетику процесса синтеза бутилкаучука, реализуемого в данном типе реактора.

Работа выполнена в рамках государственного задания на 2017–2019 гг. (инициативный научный проект № 10.5548.2017/8.9).

ОБОЗНАЧЕНИЯ

d диаметр трубчатого турбулентного реактора
M молекулярная масса бутилкаучука
$PD$ коэффициент полидисперсности бутилкаучука
q массовая доля
$v$ скорость течения реакционной массы, м/c

ИНДЕКСЫ

n среднечисленный
w среднемассовый (в случае долей – массовый)

Список литературы

  1. Sangalov Yu.A., Minsker K.S., Zaikov G.E. Polymers derived from isobutylene. Synthesis, properties, application. Utrecht: VSP, 2001.

  2. Терещенко К.А., Улитин Н.В. Прямая и обратная кинетические задачи для процесса синтеза бутилкаучука // Теорет. основы хим. технологии. 2016. Т. 50. № 6. С. 637.

  3. Терещенко К.А., Улитин Н.В. Расчет взаимосвязанных процессов химического превращения и теплообмена с учетом гидродинамики для процесса синтеза бутилкаучука // Каучук и резина. 2015. № 6. С. 40.

  4. Pletcher R.H., Tannehill J.C., Anderson D. Computational fluid mechanics and heat transfer. Boca Raton: CRC Press, 2014.

  5. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // Am. Inst. of Aeronautics and Astronautics Journal. 1994. V. 32. № 8. P. 1598.

  6. Berlin A.A., Minsker K.S., Prochukhan Yu.A., Yenikolopyan N.S. // Polymer-Plast. Tech. and Eng. 1991. V. 30. № 2–3. P. 253.

  7. Minsker K.S., Zakharov V.P., Berlin A.A. // Russ. Pol. News. 2000. V. 5. № 3. P. 18.

  8. Zakharov V.P., Minsker K.S., Shevlyakov F.B., Berlin A.A., Aleksanyan G.G., Rytov B.L., Konoplev A.A. // Russ. J. Appl. Chem. 2004. V. 77. № 3. P. 1822.

  9. Deberdeev R.Ya., Berlin A.A., Dyakonov G.S., Zak-harov V.P., Monakov Yu.B. Fast Chemical Reaction in Turbulent Flows: Theory and Practice. Shawbury: Smithers Rapra Technology Ltd, 2013.

Дополнительные материалы отсутствуют.