Многозонный трубчатый реактор
Многозонный трубчатый реактор отличается тем, что в нем по длине реактора с целью повышения его производительности предусматривается несколько точек дополнительного ввода свежей реакционной смеси. От выбора числа таких вводов и мест их расположения существенно зависит производительность реактора. Варьируя длину, диаметры зон реактора и распределение реакционной смеси по вводам, можно значительно увеличить выход полиэтилена. При этом решается задача как выбора оптимального режима, так и оптимального конструирования реактора.
Математическая модель многозонного реактора аналогична рассмотренной выше модели однозонного реактора, если принять ее для одной из зон реактора и пересчитывать начальные условия при переходе от данной зоны к последующей [70].
В первый ввод (в начало реактора) подается поток Crj с концентрацией этилена [М]01, варьируемой концентрацией инициатора [І]01 и температурой реакционной смеси на входе Т01. Распределение потоков по зонам реактора характеризуется коэффициентами \j/i = Gj/G (i= 1, 2,..., п — число зон). Концентрация этилена в потоках, подаваемых в зоны, постоянна и равна 1, а после смешения основного и дополнительного бокового („подпитывающего") потоков рассчитывается следующим образом:
(5 23)
Где С,- = С/_ і + С0/.
Начальные концентрации инициатора [I],- в каждой зоне варьируются. Концентрация инициатора во вводимом потоке определяется по формуле:
И |
М і Gi-l[l]K(i-l)------------- „ х ^ • (5'24)
Начальные температуры в каждой зоне реактора — температуры смешения — задаются из технологических соображений, а затем рассчитывается требуемая для этого температура реакционной смеси в подпитывающих потоках по зонам реактора:
TiGi - ТІ-і Gi-i Тоі - г ■ (5-25>
Предполагается, что водяная рубашка имеет столько же зон, сколько и реактор. Длины зон рубашки и реактора одинаковы, причем варьируемые температуры теплоносителя 0 принимаются постоянными вдоль каждой зоны рубашки. Внутренние диаметры труб реактора для каждой из зон реактора выбирали таким образом, чтобы скорости потоков в зонах были одинаковы. Уравнения (5.18)—(5.20) вместе с (5.23)-(5.25) и уравнениями для расчета коэффициента теплопередачи в реакторе и плотности реакционной смеси представляют математическую модель реактора.
В качестве критерия оптимальности, как и ранее, принимается максимальная степень превращения этилена в полиэтилен за один проход газа через реактор, т. е. минимум концентрации этилена Мк на выходе из реактора.
При решении задачи налагаются ограничения на фазовую координату Т (температуру в реакторе), общий расход и скорость реакционной смеси, а также на температуру реакционной смеси в боковых потоках Tof - 7-<7-макс. 2 С,- = G; V4<v<vG; Т0(> 7'0Р1ИН
Моделирование показало, что конверсия быстро возрастает с повышением температуры по длине реактора, а затем после достижения максимальной температуры увеличивается незначительно. Поэтому было предложено делать дополнительные вводы газа в реактор в точки с максимальной температурой. К такому же выводу о выборе длины зоны реактора в соответствии с координатой максимума температуры приводит анализ чувствительности концентрации мономера в конце реактора [М1К к варьированию точки ввода в реактор (рис. 5.12): изменение
Рис. 5.12. Чувствительность концентрации мономера к точке ввода реакционной смеси:
1 — изменение концентрации мономера в конце реактора; 2 — кривая чувствительности
Знака чувствительности
ДМк
■И.
Происходит вблизи температурного максимума по длине реактора.
Таким образом, в исследуемом многозонном трубчатом реакторе длины зон определялись положением точек максимума температурного профиля. Результаты моделирования показывают, что наибольшее влияние на общую длину и производительность реактора оказывает количество смеси, подаваемой в первую зону.
Однозонный реактор дает всегда меньшую производительность, чем многозонный. Например, однозонный реактор при максимальной температуре (~ 300 °С) обеспечивает конверсию этилена 16%. При двухзонной конструкции и половинном потоке в каждую зону конверсия увеличивается на 6 % и достигает 22 % при той же 7м акс. При двух боковых вводах и /] =0,5; 1г =/3 =0,25 конверсия этилена достигает 25 % при более низких максимальных температурах в зонах. О конверсии, достигаемой в реакторах с одинаковой длиной и разным числом вводов можно судить по рис. 5.13.
Если принять, что температура реакционной смеси в начале каждой зоны может быть обеспечена постоянной за счет охлаждения на входе реакционной смеси, то при передаче в каждую последующую зону меньшего или равного (по сравнению с предыдущей) количества дополнительного этилена конверсия увеличивается в каждой последующей зоне. Конверсия при таких распределениях потока резко возрастет,
Рис. 5.13. Изменение концентрации мономера по длине однозонного (J), ■ двухзонного (2) И Трех - зонного (S) реакторов
(5.28)
(5.29)
(5.30)
Где р - плотность смеси в реакторе; v - скорость потока смеси в реакторе; к ~ константы скоростей элементарных реакций (Ло р и коц - константы скорости обрыва цепи рекомбинацией и диспропорционированием); [М], [I], [А] - концентрация мономера, инициатора и модификатора соответственно; 1 - текущая координата длины реактора; Т - температура смеси в реакторе; Tw - температура внутренней стенки реактора; ср - удельная теплоемкость; ДН - изменение энтальпии; а - коэффициент теплоотдачи от стенки к реакционной смеси.
Уравнения (5.26)-г(5.30) представляют собой основную часть общей модели, которая может быть использована для решения задач проектирования реактора и определения рассмотренных выше технологических параметров при критериях оптимальности, не учитывающих параметры состава и молекулярной структуры полимера.
Модуль расчета статистических моментов ММР состоит из дифференциальных уравнений, описывающих изменение по длине реактора суммарных концентраций полимерных молекул Sjj и 2к уравнений статистических моментов распределения активных радикалов Л^ и полимерных молекул Л^:
^^(^[КпаЗвМ + + + 2(k0.A+k0.p)sI]; (5.31)
-^р-=Р(р, у)[ки[м][і] SR'(I—Ar) + й0[м](1—Лр) + A[AJ(1—Ад) +
K-l
+ *п»^(1-А£) + *,>2(у)Лв[М]; k-2,3,... (5.32)
6=0
<іЯк
+ 2к0.р5п(£(£)*к~Ь-Ап)]8кЗЙ,; k-l,2,3,... (5.33)
Ь=о 0
По статистическим моментам Xfj непосредственно рассчитывают важнейшие показатели ММР: среднечисленную Мп и среднемассовую ■ М w молекулярные массы и степень полидисперсности у. В случае
96
Но при этом максимальная температура значительно повышается при одних и тех же параметрах режима. Однако для получения постоянных показателей качества полимера необходимо поддерживать максимальную температуру в реакторе по зонам на одном уровне.
При современной технологии производства температура смеси в боковых потоках не может быть ниже определенного предела. При этом условии в первую зону реактора нельзя подавать больше четверти общего потока реакционной смеси и в каждую последующую зону должно поступать такое же количество смеси или большее, чем в предыдущую.
Сравнение трех - и четырехзонного реакторов с одинаковой подачей реакционной смеси в первую зону показывает, что при значительном увеличении длины четырехзонного реактора его производительность повышается несущественно. Производительность трехзонного реактора выше, чем четырехзонного, в том случае, если в его первую зону подается большое количество смеси, т. е. влияние распределения потоков по зонам оказывается более сильным, чем выбор числа зон.
Рис. 5.15. Зависимость удельной производительности реактора от температуры теплоносителя (0), давления (р) и концентрации инициатора [I] |
При неправильном выборе параметров режима длина реактора может не полностью использоваться или, наоборот, реакция полимеризации будет обрываться при максимальной скорости образования полимера. Поэтому при моделировании определяли влияние давления, температуры теплоносителя, концентрации '
Рис. 5.14. Зависимость производительности от длины трех-(і, 2) и четырехзонного ІЗ, 4) реактора; в первую зону подается 12,5 % (1, 3) и 25 % (2,4) общего реакционного потока |
Ную производительность и длину реактора. На рис. 5.14 показана зависимость производительности от нормированной длины реактора, а на рис. 5.15 от параметров режима для первой зоны реактора (для остальных зон эта зависимость имеет аналогичный характер). Длина первых трех зон изменяется в пределах 8% нормированной длины, общая же длина реактора более чувствительна к изменению режимных параметров.
В промышленности выпускается ряд марок ПЭВД. Каждая марка требует определенного технологического режима. Оптимальная конструкция реактора для выпуска одной марки может оказаться неоптимальной для другой марки. Поэтому в конструкции боковых вводов необходимо предусмотреть несколько разветвлений на некотором расстоянии друг от друга [70].