Аппараты непрерывного процесса полиамидирования

капролактама (АНП)

В настоящее время аппараты АНП стали основным оборудованием для получения поликапроамида (ПКА, РСА, ПА6, РА6), которые применяются при всех 3-х способах производства капроновой нити: периодическом, периодически сокращенном (полунепрерывном) и непрерывном.

Основное принципиальное отличие получения ПКА в трубах непрерывной полимеризации (в трубах НП) от автоклавного способа заключается в том, что реакция проводится при атмосферном давлении. Трубы НП представляют собой аппараты вытеснительного типа, т.е. аппараты «идеального вытеснения», поэтому полимеризуемая масса непрерывно перемещается от входа к выходу из аппарата, проходя различные зоны обогрева, и по достижении требуемой молекулярной массы полимер непрерывно выводится из зоны реакции. Поскольку процесс полимеризации проводится без давления, 1-ая стадия реакции – раскрытие лактамного цикла – без добавок специальных активаторов проходит очень медленно.

Наибольшее распространение получили трубы НП вертикального исполнения. Такие аппараты просты по конструкции и надежны в эксплуатации.

Обычно при создании аппаратов НП стремятся:

- получить полимер с требуемой равномерностью свойств;

- сократить общую продолжительность процесса (включая загрузку исходных веществ и выгрузку готового полимера);

- уменьшить размеры аппарата;

- снизить начальные капиталовложения и эксплуатационные затраты.

В связи с этим предложено большое число аппаратов различных конструкций, отличающихся по форме и технологическим схемам.

По направлению движения расплава аппараты НП можно разбить на 2 группы:

- аппараты с вертикальным движением расплава сверху вниз (рисунок а), называемые прямоточными аппаратами НП;

- аппараты с измененным направлением движения расплава (рисунок б).

Обычная прямоточная труба нашла широкое применение в производственной практике предприятий по получению ПКА.

1 – верхняя секция трубы с паровым обогревом;

2 – рубашка для обогрева секций трубы;

3 – насадка трубы;

Рисунок а):

Прямоточный аппарат – наиболее простой аппарат в конструктивном исполнении и состоит из одной трубы высотой 11 м, диаметром – 0,8 м.

Труба включает 2-4 секции, расположенных по вертикали друг над другом. Каждая секция имеет собственную циркуляционную систему обогрева парами высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ) от общей котельной ВОТ или от местных электронагревателей в виде системы электронагревательных трубок, смонтированных в одном блоке – так называемого электронагревательного пакета Баккера.

Внутри трубы расположена насадка, которая регулирует относительную скорость движения реакционной массы по сечению трубы и препятствует проскоку незаполимеризовавшегося капролактама (КЛ, LC6) к выходной части аппарата, т.е. в слои готового полимера. Такая насадка представляет собой набор перегородочных дисков, укрепленных на общем стержне с интервалом 250-300 мм.

Однако недостаточная высота трубы, прямолинейность потока полимеризующейся массы, несовершенство приспособлений для удаления газов из расплавленной массы не обеспечивают получения полимера требуемого качества. Частично указанные недостатки прямоточной трубы устраняются в трубах НП с аппаратами предварительной полимеризации, т.е. с аппаратами, где происходит частичная полимеризация, называемая форполимеризацией. На этой стадии происходит тщательное перемешивание расплава и удаление газов из реакционной массы. В трубах НП соблюдается ламинарный режим потока расплава и достигается равновесное состояние полимера. Продолжительность предварительной полимеризации может меняться в зависимости от расхода полимера на формование или литье.

Прямоточные трубы НП имеют целый ряд недостатков, которые ограничивают их применение для производства высококачественного ПКА. Основные недостатки прямоточных труб следующие:

- трудно предотвратить проскоки незаполимеризовавшегося капролактама и низкомолекулярных соединений (НМС) из верхней секции в нижнюю даже при наличии внутренних насадок самой сложной конструкции. Только при очень медленном течении реакционной массы можно предотвратить проскоки, однако это обуславливает большую продолжительность процесса и малую производительность аппарата. Поэтому их чаще всего используют для получения ПКА в виде гранулята;

- удаление пузырьков воздуха и газа возможно только на начальной стадии полимеризации; в дальнейшем образовавшаяся очень вязкая масса затрудняет выход газообразной фазы, вследствие чего выходящий из трубы расплавленный полимер может содержать большое количество воздуха, затрудняющего процесс формования, и много влаги, препятствующей достижению высокой молекулярной массы.

Поэтому во всех новейших конструкциях труб НП предусмотрен более сложный путь течения расплавленной массы в зоне реакции. Схематично эти конструкции с измененным направлением движения расплава можно разделить на 5 категорий:

- трубы Z-формы (их часто в отечественной практике называют U-аппаратами (U – немецкая буква У), иногда И-аппаратами), в которых расплав движется сверху вниз, затем снизу вверх и снова сверху вниз (рисунок б), т.е. совершает путь в виде названных букв;

- трубы N-формы, в которых путь движения расплава аналогичен пути движения в трубах Z-формы, но 2-ая и 3-яя зоны не совмещены;

- трубы с направлением движения расплава снизу вверх и затем сверху вниз;

- аппараты трубчатого типа, напоминающие по конструкции трубчатые многоконтурные теплообменники, в которых расплав направляется в межтрубное пространство, где он поднимается снизу вверх, а затем стекает внутри трубок вниз, собирается в «болоте» и выходит через спускной штуцер. Примером этого типа аппаратов является трубчатый реактор «VК» германской фирмы «Циммер АГ» и трубчатый реактор фирмы «ЭМС-Инвента АГ» (Швейцария);

- аппараты лабиринтного типа, например, «АНП-10».

У-образный аппарат (U-аппарат), примером которого является «АНП-5,5» (емкость – 5,5 м³, производительность – 4,5 т ПКА/сут), используется в производстве как штапеля, так и в производстве комплексных нитей. Он состоит из 3-х вертикальных труб (рисунок б). Вследствие разности уровней в трубах реакционная масса в этом аппарате совершает сложный путь (на рисунки показан стрелками). Нормальная работа U-аппаратов обеспечивается автоматическим регулированием дозировки LC6 c добавками и разности уровней в трубах в зависимости от расхода готового полимера.

1 – отдельно вынесенная наполняющая труба;

2 – перфорированные диски (насадка трубы);

3 – труба, соединяющая две части агрегата;

4 – труба с восходящим движением расплава;

5 – внутренняя («прядильная») труба;

6 – штуцер для выпуска расплава полимера;

Рисунок б):

В отечественной промышленности наряду с устранением недостатков прямоточных труб решалась еще задача создания наиболее компактного и высокопроизводительного аппарата, в котором бы максимально использовался для основного процесса весь объем реактора. Таким аппаратом является «АНП-10». Аппарат прост в изготовлении и при малых габаритах имеет высокую производительность (10-12 т/сут ПКА).

Этот аппарат выполнен в виде многоходового лабиринта, т.к. внутри разделен цилиндрическими перегородками на секции, которые и обусловливают сложный путь движения расплава. Секции имеют 4 зоны темперирования расплава, поэтому аппарат снабжен сильно развитой системой обогрева с укрепленными для этой цели змеевиками на цилиндрических перегородках и снаружи аппарата. По центру аппарата расположена внутренняя труба, выполняющая функцию центральной зоны темперирования и дегазации расплава. Для этого расплав ПКА, переливаясь через верхний край трубы, стекает по стенке тонким слоем в ее конусную разгрузочную часть. Диаметр аппарата – 2800 мм, но ширина прохода расплава между цилиндрическими перегородками небольшая, что и обеспечивает равномерный прогрев реакционной массы и перемещение полимера без так называемых «проскоков». Выделяющиеся пары воды и НМС во внутренней трубе и в секциях аппарата непрерывно отводятся через два гидрозатвора.

«АНП – 10» (рисунок 7.3, С. 223, Зазулина, 1985)

1 – штуцер для подачи LC6;

2 – корпус;

3 – концентрические перегородки;

4 – змеевики для нагрева реакционной массы;

5 – штуцер для выхода полимера;

6 – патрубок для слива ВОТ;

7 – змеевики наружного обогрева;

Доп-но см.:

1. Фишман, 1976 – С. 55-68;

2. Роговин, 1974 – С. 42-45;

3. Браверман, 1967 – С.94; 1975 – С. 102-106;

4. Кларе, 1956 – С. 73-84; 1966 – С. 94-96; 139-157;

5. Зазулина, 1985 – С. 221-224;

6. Ряузов, 1965 – С. 407-412;

7. Фурне – С. 40,41;

8. Кудрявцев – С. 83-94;

9. Вольф «Пр-во ПКА»;

10. Ж-л «Хим. в-на», N4, 1994, С. 25-28, 64-66;

11. Проспекты Циммер».

Дата добавления: 2015-07-11