WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

=0 при CS(1,) < CSG(t), =1 при CS(1,) CSG(t). (9)

Концентрация полимера в растворе определялась по выражению (10)

. (10)

Концентрация растворителя в полимере, соответствующая состоянию подвижного геля CSG, и в набухшем слое на поверхности гранулы CSW определяется по регрессионным соотношениям, полученным путем обработки фазовой диаграммы для системы полиэтилен низкой плотности – толуол.

Равновесная степень набухания рассчитывалась по выражениям:

, при t64 оС (11)

, при 64<t<64,7 оС (12)

Концентрация растворителя в полимере, соответствующая состоянию подвижного геля определяется соотношением:

, при 64,7t<92,7 оС (13)

, при t92,7 оС (14)

Температура системы t определяется из уравнения теплового баланса (15), левая часть которого характеризует изменение энтальпии системы, а правая – тепловой поток от теплоносителя и потери теплоты в окружающую среду QП.

. (15)

Путем решения обратной кинетической задачи, было получено уравнение для расчёта коэффициента скорости растворения:

. (16)

На рис. 5-6 представлены кинетические кривые растворения ПЭНП в толуоле при различных значениях параметров процесса. Сплошными линиями показаны расчетные данные, точками – опытные данные.

Рис. 5. Изменение концентрации полимера в растворе во времени при tт =95 0C, n=130 мин-1: - СПЭНП =5%, - СПЭНП =15%,ѕ- СПЭНП =25%

Рис.6. Изменение концентрации полимера в растворе во времени при СПЭНП =15%, tт =95 0C:- n=30 мин-1, - n=130 мин-1,ѕ- n=180 мин-1

Рис. 7. Изменение температуры системы t,оС (1), среднеобъемной концентрации растворителя в грануле СSg, кг р-ля/кг полим. (2), радиуса гранулы R.103, м (3), доли полимера, перешедшего в раствор Х, масс. (4) во времени процесса при СПЭНП=15%, tт=95 оС, n=130 мин-1

С помощью предложенной математической модели можно прогнозировать изменение температуры системы, радиуса гранулы, среднеобъемной концентрации растворителя в грануле, доли полимера, перешедшего в раствор, во времени процесса (рис. 7).

На рис. 8 показано изменение профиля концентрации растворителя в грануле с течением времени. Кривые рис. 8а соответствуют стадии набухания, а профиль концентрации на рис. 8б – стадии образовании раствора полимера.

Программная реализация решения уравнений математической модели выполнена в пакете Mathcad. Сопоставление опытных и расчетных данных (рис. 5,6) показывает их хорошее соответствие. Предложенная математическая модель процесса растворения полимера использована при расчете опытно-промышленной установки.

Рис. 8. Изменение поля концентрации растворителя в грануле во времени процесса при СПЭНП=15%, t=95оС, n=130 мин-1: а) 1- =10 с, 2- =70 с, 3- =90 с, 4-=100 с, 5- =105 с, 6- =120 с, 7- =150 с; б) 1-=3 мин, 2- =5 мин, 3- =10 мин, 4-=15 мин, 5- =20 мин, 6- =40 мин

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса удаления органического растворителя из систем насыщенный растворителем порошок полиолефина – растворитель – вода и растворитель – вода.

Рис. 9. Графическая интерпретация физической модели процесса: P – полимер, S – растворитель, W – вода, js – массовый поток растворителя из полимера в жидкую фазу

С целью прогнозирования продолжительности отгонки растворителя под вакуумом при переходе к аппаратам промышленного масштаба разработана математическая модель процесса. При синтезе математического описания технологическая стадия удаления растворителя из суспензии полимерного порошка рассматривалась как сложный совмещенный процесс, когда в гетерогенной системе происходит изменение содержания растворителя в полимерных частицах (микрокинетика), а также изменение массы и состава взаимодействующих фаз за счет межфазного переноса (макрокинетика). Таким образом, при построении модели рассматривались две ступени иерархии системы: одиночная частица полимера, содержащая растворитель и суспензия полимера в жидкой фазе в объеме аппарата.

Математическое описание микрокинетики строилось исходя из следующей предполагаемой физической картины процесса (рис.9).

Перенос растворителя, из полимерных частиц, в жидкую фазу лимитирован внутренней диффузией, поэтому на поверхности частицы практически мгновенно устанавливается равновесное значение концентрации растворителя. Это состояние динамического равновесия поддерживается в течение всего процесса отгонки.

Для частицы сферической формы краевая задача массопроводности принимает вид:

, (17)

(18)

(19)

(20)

Соотношение (18) является условием симметрии. Соотношение (19) характеризует условие на поверхности частицы. Распределение концентрации растворителя по радиусу частицы в начальный момент времени принимается равномерным (20), причем Сн=mSP/mP.

В качестве закона равновесия принималась линейная зависимость:

, (21)

При синтезе математического описания макрокинетики процесса в качестве модели гидродинамической структуры потоков в аппарате, использовалась модель идеального смешения. Предполагается, что органический растворитель и вода взаимно нерастворимы. Принималась следующая физическая картина процесса. Понижение давления газовой фазы над суспензией (путем вакуумирования) выводит систему из состояния равновесия, начинается переход растворителя и воды в паровую фазу. В начальный период затраты теплоты на испарение лишь частично компенсируются теплоподводом от теплоносителя, циркулирующего через рубашку аппарата, что приводит к понижению температуры системы полимер – растворитель – вода.

Математическое описание включает уравнения материального (22), (23); теплового (24) балансов, уравнение массоотдачи (25) и дополняющие соотношения (26),(27).

, (22)

, (23)

, (24)

, (25)

, (26)

, (27)

=1 при mp>0, =0 при mp0. (28)

Уравнение (22) характеризует изменение массы растворителя в системе, первое слагаемое правой части уравнения представляет собой массовый поток испаряющегося растворителя, второе слагаемое – массовый поток растворителя из полимерной фазы в жидкую.

Уравнение (23) характеризует изменение массы воды в системе, отношение PW(t)/P представляет собой мольную долю паров воды в паровой смеси. Мольный поток смеси паров рассчитывается по формуле (25).

Уравнение (24) представляет собой тепловой баланс системы полимер – растворитель – вода записанный в дифференциальной форме и позволяет рассчитать температуру в аппарате. Левая часть уравнения характеризует скорость изменения теплосодержания системы. Первое слагаемое в правой части – тепловой поток, подводимый от теплоносителя, циркулирующего через рубашку аппарата, второе слагаемое характеризует количество теплоты, отводимое вследствие испарения компонентов жидкой смеси. Тепловой поток рассчитывается по выражению (26). Поскольку компоненты жидкой смеси взаимно нерастворимы, давление в паровом пространстве аппарата рассчитывается как сумма парциальных давлений растворителя (РS) и воды (РW) при температуре смеси (t).

Экспериментальное исследование процесса отгонки проводилось на лабораторной установке, схема которой изображена на рисунке 10. В ходе экспериментов измерялись давление и температура в аппарате при фиксированных значениях давления в конденсаторе.

Рис.10. Схема лабораторной установки.1- реактор; 2- конденсатор; 3- сборник конденсата; 4- вакуум-насос; 5- декантатор (отстойник)

На рисунках 11 - 14 приведены некоторые результаты математического моделирования (непрерывные линии) в сопоставлении с экспериментальными данными (точки).

На первом этапе была проведена проверка адекватности математической модели без учета эффектов, обусловленных наличием полимерной фазы в разделяемой смеси. Математическое описание отгонки толуола из смеси толуол – вода включало уравнения (22) – (28), причем в уравнении (22) принималось dCSg/d=0. Решение системы уравнений математического описания осуществлялось с помощью пакета Mathcad.

Рис. 11. Зависимость температуры жидкой фазы и давления в аппарате от времени процесса для системы толуол - вода. Температура теплоносителя tт=75 0С, давление в конденсаторе Рк : - 38 мм.рт.ст; ѕ - 61 мм.рт.ст

Температурные кривые рис.11 наглядно показывают, что процесс отгонки имеет две стадии. На графиках их границей является минимум на температурных кривых. На первом этапе происходит совместное испарение толуола и воды, причем, чем ниже давление в конденсаторе, тем выше движущая сила процесса, а следовательно, и скорость испарения. Подтверждением этому является более высокий темп снижения температуры жидкой фазы при меньшем давлении. Уменьшение температуры жидкой фазы на первом этапе вызвано тем, что затраты теплоты на испарение превышают теплоту, подводимую от теплоносителя. После исчерпания толуола, давление паров над жидкой фазой (вода) уменьшается. Движущая сила процесса испарения также снижается, что приводит к тому, что теплоподвод превышает расход теплоты на испарение. Температура системы начинает возрастать. Это вызывает увеличение парциального давления паров воды, и как следствие увеличение массового потока паров и затрат теплоты на испарение. Система стремится к равновесию, температура стабилизируется.

Рис. 12. Изменение температуры и массы растворителя во времени процесса для системы полимер – растворитель – вода (1) и растворитель – вода (2): Рк=38 мм.рт.ст., tт = 750С

На втором этапе была проведена проверка адекватности общей математической модели, учитывающей присутствие полимерной фазы в разделяемой смеси. Эксперименты показали, что при наличии полимерной фазы процесс удаления растворителя занимает большее время. О снижении скорости удаления растворителя, особенно на начальном этапе свидетельствуют температурные зависимости, представленные на рис.12.

Рис.13. Зависимость температуры жидкой фазы и давления в аппарате от времени процесса для системы полимер-растворитель-вода при Рк=38 мм.рт.ст, tт=- 650С (1); ѕ - 700С (2)

Рис. 14. Изменение массы воды mw, кг (1) и массы растворителя mS, кг (4) в системе; концентрации растворителя в полимере СSP, кг р-ля/кг полим.(3); массы отогнанной смеси в сборнике конденсата mсм, кг (2) во времени процесса: tт=65 0С, Рк=38 мм.рт.ст.

На рис.13,14 представлены результаты решения математической модели удаления растворителя из системы полимер – растворитель - вода. Использование модели позволяет прогнозировать изменение во времени основных параметров процесса, материальных потоков (растворителя и воды) и длительность данной стадии в зависимости от интенсивности подвода теплоты и остаточного давления в системе.

В четвертой главе приводится описание предлагаемого аппаратурно-технологического решения процесса получения полимерного порошка (рис.15). Установка работает следующим образом. В реактор загружается гранулированный полиэтилен и растворитель – толуол. Процесс растворения ведут при включенной мешалке и подводе теплоты от теплоносителя, циркулирующего через рубашку аппарата. С целью предотвращения нарастания давления в реакторе в связи с испарением части растворителя теплообменник -

Рис.15. Схема установки

конденсатор (3) на данной стадии используется в качестве обратного холодильника. Сконденсированные пары возвращаются в реактор (1).

После окончания процесса растворения циркуляция теплоносителя через рубашку прекращается и в реактор (1) подают определенное количество холодной воды, что приводит к резкому охлаждению системы и осаждению полимера. В результате этих процессов получается суспензия порошка ПЭ, насыщенного толуолом, в воде.

Затем следует стадия отгонки растворителя из системы полимер – растворитель – вода. Процесс ведут под вакуумом при непрерывной циркуляции теплоносителя через рубашку аппарата (1). Разрежение в системе создается с помощью вакуум-насоса (7), смесь паров воды и толуола поступает в теплообменник-конденсатор (3), охлаждаемый водой. Полученный конденсат охлаждается в теплообменнике (4) с помощью хладагента, поступающего из холодильной установки (5). Охлажденный конденсат собирается в емкости (6), которая служит декантатором.

После окончания процесса отгонки вакуум-насос (7) отключается, давление сравнивают с атмосферным. В емкости (6) происходит расслоение конденсата на верхний, более легкий слой растворителя и нижний слой воды. Растворитель и воду после разделения в декантаторе используют повторно. Суспензия порошка ПЭ выгружается из аппарата (1), фильтруется на барабанном вакуум-фильтре (8). Полученный влажный порошок высушивается (обезвоживается) в сушильной камере (9).

В данной главе представлена методика расчета установки для получения порошка ПЭНП, с помощью которой определяются рациональные режимно-технологические параметры, а также конструкционные параметры оборудования установки. Приведена блок-схема разработанного алгоритма расчета технологического цикла получения суспензии порошка полимера. Выполнен расчет стадии растворения гранулированного полиэтилена в толуоле и отгонки растворителя из системы для реактора, объем которого составляет Vап=4 м3. Показано влияние различных технологических параметров на продолжительность данных стадий.

Рис.16. Изменение температуры системы t,оС (1), доли полимера, перешедшего в раствор Х, масс.(2) во времени процесса при СПЭНП=25%, tт =110 оС, n=180 мин-1: а) tн1=20 оС, б) tн1=60 оС

Рис.17. Зависимость массы раствори-теля mS, кг (1) и воды mW, кг (3) в сборнике конденсата, температуры жидкой фазы t, 0С (2), давления Р, мм.рт.ст. (4) в аппарате от времени процесса: tт=75 0С, Рк=38 мм.рт.ст.

Результаты расчета изменения параметров системы в течение процесса растворения при различных начальных температурах смеси tн1 в опытно-промышленной установке представлены на рис. 16. Повышение температуры растворителя приводит к снижению длительности индукционного периода, и как следствие к уменьшению продолжительности стадии растворения.

На рис.17 представлены кинетические кривые стадии отгонки растворителя. Анализ полученных зависимостей показывает, что время, необходимое для удаления растворителя из полимера в данных условиях, составляет 70 мин.

Основные результаты и выводы по работе

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»