Оптимальные режимы реакторов для блочной полимеризации изопрена

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Наряду с типовыми процессами химической технологии известен класс процессов промышленности полимерных материалов, осуществление которых в аппаратах с перемешиванием оказывается невозможным. К их числу относятся полимеризация в массе (блоке), а также процессы отверждения и вулканизации [1–4]. При блочной полимеризации вязкость реакционной среды увеличивается на 4–5 порядков, что исключает возможность применения каких-либо перемешивающих устройств уже при низких конверсиях. Существенную проблему составляет и теплоотвод из объема аппарата. Из-за затрудненного теплоотвода температура реакционной смеси неоднородна, в силу чего неоднородны и свойства полимера.

Как следствие, процесс ведут с невысокой скоростью в реакторах периодического действия небольших размеров (полимеризационных формах) с неподвижным тонким слоем реакционной смеси. Этот тип аппаратов ограниченно применяется при производстве полимеров линейного строения (поливинилхлорид, стирол, полиметакрилат) и сополимеров акриловых мономеров [1, 3, 5–8]. При блочной полимеризации отсутствует посторонняя среда, конечным продуктом является готовый полимер. При полимеризации мономера в водной среде или в растворителе полимер необходимо выделить из среды и очистить от примесей [9–12], что требует дополнительных затрат. Например, следующие за растворной полимеризацией цис-1.4-полиизопрена стадии (введение стоппера и антиоксиданта, выделение, отмывка и сушка полимера, регенерация растворителя) и их аппаратурное оформление составляют до 80% энергоемкости и 70% металлоемкости всей технологической цепочки. При блочной полимеризации нет необходимости в рецикле растворителя, готовый продукт получается свободным от примесей. Определенным преимуществом блочной технологии является и высокая скорость химических превращений, обусловленная возможностью использования максимальной концентрации мономера.

В работах [13–18] показана эффективность синтеза цис-1.4-полиизопрена методом блочной полимеризации изопрена в присутствии редкоземельных катализаторов. В работах [16, 19–26] в качестве аппаратурного оформления процесса предложено использовать реакторы с неподвижным тонким (высотой 3–4 мм) слоем реакционной смеси в различных температурных режимах. Реакторы открытого типа выполнены внутри охлаждаемой технологической платформы. Технологическая платформа с реакторами заключалась в металлический корпус, в котором создавалось давление, превышающее давление насыщенных паров изопрена при температуре полимеризации (при нормальном давлении температура кипения изопрена T_b = 34.1°С). Заданная производительность оборудования по полиизопрену обеспечивается размещением в технологической платформе необходимого числа реакторов. В ряде случаев полиизопрен требуемого качества удавалось синтезировать при увеличении высоты неподвижного слоя в реакторах до 6 мм [22, 25, 26], а также при осуществлении процесса в две стадии, в каскаде реакторов форполимеризатор (аппарат с перемешиванием) – реактор с неподвижным слоем [26].

Настоящая работа ставит своей целью обобщение полученных результатов и определение оптимальных режимов реакторов для блочной полимеризации изопрена, сочетающих высокую интенсивность процесса с характеристиками, обеспечивающими требуемое качество синтезируемого полимера.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

В качестве примера аппаратурного оформления процесса блочной полимеризации изопрена, протекающего в присутствии каталитической системы на основе бис-(2-этилгексил) фосфата неодима [17], в работах [19–21] использовали реактор периодического действия в виде цилиндра большого диаметра (D = 0.3 м) и малой высоты (диска), выполненный внутри (в теле) охлаждаемой технологической платформы [16]. Содержание этого цикла работ составляло исследование профилей температур и конверсий в реакторе в слоях различной высоты.

Уравнения, описывающие изменение во времени и по вертикальной координате температуры реакционной смеси и конверсии в условиях протекающей экзотермической реакции, имеют вид [19, 22, 26]:

${с}_{\text{р}}\rho \frac{\partial T}{\partial \tau }=\lambda \frac{{\partial }^{2}T}{\partial {õ}^2}+Qz\text{exp}\left(-\frac{E}{RT}\right)\left(1-U\right)C_{\text{0}},$ (1)

$\frac{\partial U}{\partial \tau }=z\text{\hspace{0.17em}exp}\left(-\frac{E}{RT}\right)\left(1-U\right)$ (2)

с начальными и граничными условиями:

${\left.T\right|}_{\tau =\text{0}}=T_{\text{0}}$, ${\left.U\right|}_{\tau =\text{0}}=0$, ${\left.-\lambda \frac{\partial T}{\partial õ}\right|}_{õ=h}=\alpha \text{(}{\left.T\right|}_{x=h}-T_{\text{R}}\text{)}$, ${\left.\frac{\partial T}{\partial õ}\right|}_{õ=0}=\mathrm{0,}$ (3)

где T, T₀ – соответственно локальная и начальная температуры реакционной смеси (мономера и катализатора); x – текущая по высоте слоя координата; Q – удельная теплота полимеризации; c_p, ρ, λ – соответственно удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности мономера; Е – энергия активации процесса полимеризации; z – предэкспоненциальный множитель уравнения Аррениуса; R – универсальная газовая постоянная; U – конверсия (степень превращения мономера в полимер): $U=\frac{C_0-C}{C_0}$, С₀, С – начальная и текущая концентрации мономера в смеси; ${\left.T\right|}_{x=h}=T_{\text{W}}$, T_R – соответственно температура стенки реактора и температура хладагента в рубашке реактора; α – коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке реактора; h – высота слоя реакционной смеси.

Расчеты выполнены при следующих значениях физических свойств изопрена (количество катализатора в смеси ничтожно мало) и кинетических параметров стереоспецифической полимеризации изопрена в массе [19, 20]: c_p = 2.25 кДж/(кг·К), ρ = 680 кг/м³, λ = 0.13 Вт/(м·К), Q = 74.8 кДж/моль, [C₅H₈] = C₀ = 10 моль/л, R = 8.314 Дж/(моль·К), z = 1.209 1/c; E = 20.67 кДж/моль; [Nd] = 2.0×10^–4 моль/л [17]. Коэффициент теплоотдачи, вычисленный при скорости движения воды в рубашке реактора w = 0.175 м/с и объемном расходе V_R = 0.26 м³/с, составил [22, 26]: α = 1500 Вт/(м²·К). Чтобы исключить полимеризацию на стадии перемешивания мономера и катализатора, начальная температура реакционной смеси выбрана отрицательной: T₀ = –40°C. Максимальная температура полимеризации ограничивалась значением T_max = 130°C [18].

Экспериментально, а затем теоретическим путем [20–22] установлено, что близкое к однородному распределение температуры по вертикальной координате обеспечивается при высоте слоя в реакторе h = 3 мм и низкой температуре хладагента в рубашке реактора (T_R ≈ T_W = 20–30°C). Достигаемая в этом режиме за время 20–30 мин конверсия составляет U_av = 0.3–0.45. Для полимеризации до конечной конверсии U_U = 0.9 в этом режиме требуется не менее 1.5–2 ч. Увеличить скорость процесса можно путем увеличения температуры хладагента. На рис. 1 приведены полученные численным решением уравнений (1)–(3) зависимости от времени температуры верха слоя T_T (T_T = ) и средней конверсии мономера U_av при T_R = 86°C (T_W = 87°C); на рис. 2 построены профили температуры и конверсии в реакторе в этом режиме [20, 22].

 

Рис. 1. Зависимости от времени температуры T_T (а) и средней конверсии мономера U_av (б) в процессе блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем (h = 3 мм): T₀ = –40°C, T_R = 86°C.

 

Рис. 2. Профили температуры T и конверсии U по вертикальной координате в процессе блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем (h = 3 мм) в различные моменты времени (T₀ = –40°C, T_R = 86°C): 1 – τ = 0.5 мин, 2 – τ = 1 мин, 3 – τ = 2.5 мин, 4 – τ = 5 мин, 5 – τ = 5 мин, 6 – τ = 15 мин, 7 – τ = 20 мин.

 

Повышение интенсивности процесса отрицательно сказывается на однородности температурного и концентрационного распределения: профили температуры становятся неоднородными в начальной стадии и выравниваются лишь начиная со второй половины процесса (рис. 2). В работах [22–26] исследовалась возможность повышения эффективности процесса (увеличения производительности оборудования) путем увеличения высоты слоя в реакторе до 6 мм. На рис. 3 и 4 приведены расчетные зависимости от времени температуры верха слоя T_T и средней конверсии мономера U_av при h = 6 мм, T_R = 34°C (T_W = 35°C); на рис. 4 построены профили температуры и конверсии в реакторе в этом же режиме. Точками на рис. 3 отмечены экспериментальные данные. Методика эксперимента описана в работе [22].

 

Рис. 3. Зависимости от времени температуры Т_Т (а) и средней конверсии мономера U_av (б) в процессе блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм): Т₀ = –40°С, T_R = 34°C (T_W = 35°C).

 

Рис. 4. Профили температуры T и конверсии U по вертикальной координате в процессе блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм) в различные моменты времени (Т₀ = –40°С, Т_R = 34°С): 1 – τ = 2 мин, 2 – τ = 5 мин, 3 – τ = 10 мин, 4 – τ = 15 мин, 5 – τ = 25 мин, 6 – τ = 30 мин, 7 – τ = 68 мин.

 

В работах [22, 23, 26] предложено использовать ступенчатый температурный режим реактора при высоте слоя h = 6 мм. В первой половине процесса, аналогично режиму на рис. 3 и 4, температура хладагента устанавливается равной T_R = T_R1 = 34°C. Начиная от момента, обусловленного экзотермическим эффектом спада температурного максимума, температура хладагента увеличивается: T_R2 = 45°C. Численное значение температуры T_R2 найдено из условия непревышения максимально допустимой температуры полимеризации: T_max = 130°C. На рис. 5 и 6 приведены соответственно зависимости от времени температуры верха слоя T_T и средней конверсии мономера U_av, а также профили температуры T(x) и конверсии U(x) в обсуждаемом режиме [26].

 

Рис. 5. Зависимости от времени температуры Т_Т (а) и средней конверсии мономера U_av (б) в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм) в процессе блочной полимеризации изопрена при ступенчатом изменении температуры хладагента: Т₀ = –40°С, Т_R1 = 34°С при τ₁ = 0, Т_R2 = 45°С при τ₂ = 18 мин.

 

Рис. 6. Профили температуры Т (а) и конверсии U (б) по вертикальной координате в процессе блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм) при ступенчатом изменении температуры хладагента в различные моменты времени (Т₀ = –40°С, Т_R1 = 34°С при τ₁ = 0, Т_R2 = 45°С при τ₂ = 18 мин): 1 – τ = 5 мин, 2 – τ = 10 мин, 3 – τ = 15 мин, 4 – τ = 20 мин, 5 – τ = 25 мин, 6 – τ = 30 мин, 7 – τ = 40 мин, 8 – τ = 55 мин.

 

При переходе от температурного режима реактора с постоянной температурой хладагента T_R1 = 34°C (рис. 3) к ступенчатому температурному режиму T_R1 = 34°C, T_R2 = 45°C (рис. 5) общее время полимеризации существенно сокращается. В первом случае τ_gen = 69.1 мин, во втором τ_gen = 55.4 мин.

Чтобы облегчить отвод тепла реакции, полимеризацию часто разделяют на две стадии: форполимеризацию и окончательную полимеризацию [2, 6–8]. В работе [26] исследована возможность блочной полимеризации изопрена в каскаде реакторов форполимеризатор (аппарат с мешалкой скребкового типа) – реактор с неподвижным слоем. При конверсиях U_av = 0.1–0.15 полупродукт перегружается из форполимеризатора в малообъемные реакторы с неподвижным слоем высотой h₂ = 6 мм [15, 16]. Для расчета зависимостей от времени средней температуры T_av и средней конверсии U_av в первой стадии процесса использовали уравнения:

$\begin{array}{c}{с}_{\text{р}}\rho \frac{d{T}_{\text{av}}}{d\tau }=-K_{\text{v}}\left(T_{\text{av}}-T_{\text{R}}\right)+\\ +\text{Q}z\text{exp}\left(-\frac{E}{R{T}_{\text{av}}}\right)\left(1-U_{\text{av}}\right)C_0\end{array}$, (4)

$\frac{d{U}_{\text{av}}}{d\tau }=z\text{\hspace{0.17em}exp}\left(-\frac{E}{R{T}_{\text{av}}}\right)\left(1-U_{\text{av}}\right)$, (5)

${\left.T_{\text{av}}\right|}_{\tau =\text{0}}=T_{\text{0}}$, ${\left.U_{\text{av}}\right|}_{\tau =\text{0}}=0$, (6)

где $K_{\text{v}}=K\frac{F}{V}$ – приведенный коэффициент теплопередачи; K – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности теплообмена; V – объем слоя.

Коэффициент теплопередачи K определяли по формуле:

$K=\frac{1}{\frac{1}{{\alpha }_{\text{1}}}+\frac{\delta }{{\lambda }_{\text{W}}}+\frac{1}{{\alpha }_{\text{2}}}}$, (7)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке реактора; α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к реагирующей среде; δ – толщина стенки реактора; λ_W – коэффициент теплопроводности материала стенки реактора.

Высоту слоя в реакторе с интенсивным перемешиванием h₁ определяли исходя из заданной стандартной производительности оборудования по изопрену (G = 20 кг/ч). При D = 0.3 м и h₁ = 0.26 м. Режимные параметры блочной полимеризации изопрена до конечной конверсии U_U = 0.9 в каскаде реакторов, найденные численным решением совмещенной задачи (4)–(6) и (1)–(3), составили (при T₀ = –40°C, K = 1360 Вт/(м²·К), T_max = 130°C, h₂ = 6 мм): T_R1 = 34°C, U₁ = 0.15, τ₁ = 7.8 мин, T_R2 = 35°C, τ₂ = 59.3 мин, τ_gen = 67.1 мин. Индексами 1 и 2 обозначены соответственно первая и вторая стадии процесса. Профили температуры и конверсии во второй стадии процесса близки к кривым, наблюдавшимся в реакторе для блочной полимеризации изопрена в режиме ступенчатого изменения температуры хладагента (рис. 6).

Обратимся далее к анализу полученных результатов.

Повышение интенсивности процесса увеличивает неоднородность температурного и концентрационного распределения по высоте, что может явиться причиной снижения качества готового продукта.

В табл. 1 приведены физико-химические свойства лабораторных образцов полиизопрена, синтезированных методом блочной полимеризации изопрена в реакторах с тонким (h = 3 мм) и “толстым” (h = 6 мм) слоем.

 

Таблица 1. Физико-химические свойства лабораторных образцов цис-1.4-полиизопрена, синтезированных методом блочной полимеризации в различных режимах

Свойства	Условия полимеризации: Т0 = –40°С, UU = 0.9
	h = 3 мм, ТR = 86°С τgen = 26.7 мин,	h = 6 мм, ТR1 = 34°С при τ1 = 0, ТR2 = 45°С при τ2 = 18 мин, τgen = 55.4 мин (режим 1)	h = 6 мм, ТR1 = 34°С при τ1 = 0, ТR2 = 39°С при τ2 = 14.8 мин (режим 2)
P1.4, мас. % P3.4, мас. % Pg, мас. % Mn ×10–3 Mw ×10–3 Pa, мас. % Pb, мас. % [η], дл/г	97.8–98.1 1.9–2.2 0 650 1600–1750 0.9 65.7 11.0	96.8–97.6 1.9–2.5 0.54–0.7 580–654 1850–1980 1.2–2.0 64.1 9.5–10.0	97.5–98 1.8–2.2 0.5–0.7 580–620 1780–1920 1.2–2.0 62.1 9.5–10.0

 

Характеристическую вязкость растворов образцов полимера в толуоле [η] оценивали с помощью вискозиметра Уббелоде при 25°C. Анализ микроструктуры полиизопрена проводили методом ИК-спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре PerkinElmer Spectrum 100, параметры молекулярно-массового распределения определяли на гель-хроматографе Waters системы Breeze.

Видно, что свойства образцов полиизопрена, синтезированных в реакторе с “толстым” слоем (h = 6 мм) в режиме ступенчатого изменения температуры хладагента, обозначенном в табл. 1 как режим 1, практически не отличаются от свойств образцов, синтезированных в реакторе с тонким слоем (h = 3 мм). Образующиеся в обоих режимах полимеры характеризуются близкими значениями молекулярных масс и содержания 3.4-звеньев. Максимальный перепад температур по высоте в реакторе с “толстым” слоем во второй половине процесса (рис. 6) составляет 15 К (ΔT ≤ 15 К). Можно полагать, что достигнутый перепад температур не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на молекулярно-массовые характеристики полиизопрена.

Обозначим символом τ₁₅ продолжительность периода времени, в течение которого перепад температур по высоте слоя составляет величину 15 К. Оптимальным режимом процесса блочной полимеризации изопрена будет режим, временная продолжительность которого минимальна при ограничении на допустимую неоднородность температур по высоте слоя:

${\tau }_{\text{gen}}=f\left(T_{\text{R1}}\text{,}{T}_{\text{R2}}\right)\stackrel{}{\to }\text{min}$, (8)

$\frac{{\tau }_{15}}{{\tau }_{\text{gen}}}\ge 0.5$. (9)

Ограничение (9) является дополнительным к ограничению T_max = 130°С и означает, что отношение временного периода, в течение которого перепад температур по высоте слоя не превышает 15 К к общей продолжительности процесса полимеризации, должно быть не менее 0.5. Другими словами, величина ΔT = 15 К характеризует допустимую неоднородность температур во второй половине процесса.

Рассмотрим далее результаты проведенного вычислительного эксперимента.

На рис. 7 приведены зависимости от времени температуры T_T и средней конверсии мономера U_av в оптимальном режиме процесса, полученные численным решением уравнений (1)–(3), удовлетворяющие целевой функции (8) с ограничением (9).

 

Рис. 7. Зависимости от времени температуры Т_Т (а) и средней конверсии мономера U_av (б) в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм) в оптимальном режиме процесса блочной полимеризации изопрена: Т₀ = –40°С, Т_R1 = 34°С при τ₁ = 0, Т_R2 = 39°С при τ₂ = 14.8 мин.

 

Общая продолжительность процесса в оптимальном режиме (рис. 7) несколько превышает аналогичный показатель в режиме 1, найденном эмпирически только исходя из условия T ≤ T_max (рис. 5). Действительно, требование улучшения однородности температур (ограничение (9)) влечет за собой снижение температуры хладагента T_R2 и увеличивает время полимеризации. Температурный режим 1, иллюстрированный зависимостями на рис. 5 и 6, не удовлетворяет ограничению (9). Это следует из сопоставления кривых на рис. 6 и 8. На рис. 8 построены профили температуры и конверсии в оптимальном режиме блочной полимеризации изопрена в реакторе с неподвижным слоем – режиме 2.

 

Рис. 8. Профили температуры Т (а) и конверсии U (б) по вертикальной координате в реакторе с неподвижным слоем (h = 6 мм) в оптимальном режиме процесса блочной полимеризации изопрена в различные моменты времени (Т₀ = –40°С, Т_R1 = 34°С при τ₁ = 0, Т_R2 = 39°С при τ₂ = 14.8 мин): 1 – τ = 5 мин, 2 – τ = 10 мин, 3 – τ = 15 мин, 4 – τ = 20 мин, 5 – τ = 30 мин, 6 – τ = 61 мин.

 

Видно, что кривые на рис. 8 отличаются большей однородностью температурного и концентрационного распределения.

Большой интерес представлял анализ процесса полимеризации в каскаде реакторов. На рис. 9 приведены совмещенные по стадиям зависимости от времени температуры T_T и средней конверсии мономера U_av в каскаде реактор с перемешиванием – реактор с неподвижным слоем в оптимальном режиме (далее режим 3).

 

Рис. 9. Совмещенные по стадиям зависимости от времени температуры Т_Т (а) и средней конверсии мономера U_av (б) в оптимальном режиме процесса блочной полимеризации изопрена в каскаде реакторов: I стадия – реактор с перемешиванием (h₁ = 0.26 м, Т₀ = –40°С, K = 1360 Вт/(м²·К), Т_R1 = 28°С, τ₁ = 8.6 мин, U₁ = 0.15), II стадия – реактор с неподвижным слоем (h₂ = 6 мм, α = 1500 Вт/(м²·К), Т_R2 = 38°С, τ₂ = 54.6 мин), τ_gen = 63.2 мин.

 

Эти зависимости, а также профили температур и конверсий в различные моменты времени (рис. 10) получены численным решением оптимизационной задачи (4)–(6), (1)–(3), (8), (9).

 

Рис. 10. Профили температуры Т (а) и конверсии U (б) по вертикальной координате в процессе блочной полимеризации изопрена в каскаде реакторов: I стадия – реактор с перемешиванием (h₁ = 0.26 м, Т₀ = –40°С, K = 1360 Вт/(м²·К), Т_R1 = 28°С, τ₁ = 8.6 мин, U₁ = 0.15), II стадия – реактор с неподвижным слоем (h₂ = 6 мм, α = 1500 Вт/(м²·К), Т_R2 = 38°С, τ₂ = 54.6 мин) в оптимальном режиме в различные моменты времени: 1 – τ = 10 мин, 2 – τ = 15 мин, 3 – τ = 20 мин, 4 – τ = 30 мин, 5 – τ = 63 мин.

 

Общая временная продолжительность процесса в каскаде реакторов в оптимальном режиме (режиме 3) оказалась больше, чем продолжительность полимеризации в реакторе с неподвижным слоем. При этом не учитывалось время, которое необходимо затратить на перемещение полупродукта из реактора с перемешиванием в малообъемные реакторы с неподвижным слоем, а также затраты на дополнительное технологическое оборудование. Основные показатели процесса блочной полимеризации изопрена в найденных оптимальных режимах систематизированы в табл. 2.

 

Таблица 2. Показатели реакторов для блочной полимеризации изопрена в оптимальных температурных режимах (T₀ = –40°C, T_max = 130°C, U_U = 0.9)

Показатели	Температурный режим
	Реактор с неподвижным слоем: режим 2 по рис. 7 и 8	Каскад реакторов: режим 3 по рис. 9 и 10
τ1, мин τ2, мин τ15, мин τgen, мин	– 14.8 30.2 61.4 0.51	8.6 54.6 31.2 63.2 0.51

 

Можно заключить, что полимеризация изопрена в каскаде реакторов менее эффективна, чем блочная полимеризация в реакторах с неподвижным слоем.

Физико-химические свойства лабораторных образцов цис-1.4-полиизопрена, синтезированных в оптимальном режиме блочной полимеризации – режиме 2, приведены в табл. 1. Как и следовало ожидать, эти образцы характеризуются хорошими качественными показателями – высокими значениями молекулярных масс и низким содержанием 3.4-звеньев. Приближение режима полимеризации к более равномерному по температуре обеспечивает некоторое снижение содержания в полимере 3.4-звеньев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оптимальными режимами реакторов для блочной полимеризации изопрена, протекающей в присутствии каталитической системы на основе бис-(2-этилгексил) фосфата неодима, являются температурные параметры реактора с неподвижным слоем, а также каскада форполимеризатор – реактор с неподвижным слоем, обеспечивающие минимальное время полимеризации при ограничении на допустимый перепад температур по высоте слоя. В качестве показателя, характеризующего допустимую неоднородность температур слоя, принят перепад температур по высоте слоя во второй половине полимеризационного процесса, равный ΔT = 15 К.

Оптимальный режим блочной полимеризации изопрена до конечной конверсии U_U = 0.9 в реакторе с неподвижным слоем высотой 6 мм предусматривает ступенчатое увеличение температуры хладагента в определенные моменты времени: Т₀ = –40°С, Т_R1 = 34°С, Т_R2 = 39°С; общее время процесса τ_gen = 61.4 мин. Оптимальный режим блочной полимеризации изопрена до конечной конверсии U_U = 0.9 в каскаде реакторов предусматривает проведение процесса в две стадии: I стадия – полимеризация в реакторе с перемешиванием до конверсии U₁ = 0.15 (h₁ = 0.26 м, Т₀ = –40°С, Т_R1 = 28°С), II стадия – полимеризация в реакторах с неподвижным слоем при постоянной температуре хладагента (h₂ = 6 мм, Т_R2 = 38°С); общее время процесса τ_gen = 63.2 мин.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

C концентрация мономера, моль/л

c_p удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)

D диаметр реактора, м

Е энергия активации процесса полимеризации, Дж/моль

F площадь поверхности, м²

G производительность, кг/ч

h высота слоя, м

K коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К)

K_v приведенный коэффициент теплопередачи, Вт/(м³·К)

M_n среднечисловая молекулярная масса

M_w среднемассовая молекулярная масса

P_a массовая доля фракций в полимере с молекулярной массой M_n ≤ 3×10⁴, мас. %

P_b массовая доля фракций в полимере с молекулярной массой M_n ≥ 10⁶, мас. %

P_g массовая доля гель-фракции в полимере, мас. %

P_1.4 массовая доля цис-1.4-звеньев в полимере, мас. %

P_3.4 массовая доля 3.4-звеньев в полимере, мас. %

Q удельная теплота полимеризации, Дж/моль

R универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К)

T температура, K, °C

T_R температура хладагента в рубашке реактора, К, °C

T_W температура стенки реактора, К, °C

U конверсия (степень превращения мономера в полимер)

V объем слоя, м³

V_R объемный расход, м³/с

w скорость движения воды в рубашке реактора, м/с

x текущая по высоте слоя координата, м

z предэкспоненциальный множитель уравнения Аррениуса, 1/с

α коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К)

α₁ коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке реактора, Вт/(м²·К)

α₂ коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к реагирующей среде, Вт/(м²·К)

δ толщина стенки реактора, м

[η] характеристическая вязкость, дл/г

λ коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

ρ плотность, кг/м³

τ время, с

Об авторах

Ю. П. Юленец

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: yyp2807@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Марков

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: yyp2807@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы