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

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 [6–9]. 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 (q_w) 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.

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

ИНДЕКСЫ