CS215263B1

CS215263B1 - Appliance for executing the exothermic reactions particularly suspension.emulsion,solution or blocking polymerations

Info

Publication number: CS215263B1
Application number: CS337178A
Authority: CS
Inventors: Jiri Docekal; Milan Svoboda
Original assignee: Jiri Docekal; Milan Svoboda
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1982-08-27
Also published as: PL215769A2; GB2022454B; JPS5518291A; HU183039B; DE2921055A1; RO78305A; SU1045907A1; DE2921055C2; PL117547B2; BG34534A1; JPS6231608B2; GB2022454A; DD157509A3

Abstract

An apparatus for carrying out exothermic reactions comprises a reaction vessel with a hollow peripheral wall structure including an inner and outer wall in the form of elongate channelling extending helically round the inner wall and forming helical tubing for throughflow of cooling medium. The elongate channelling may include a semi-circular section channel or half-tube secured to the inner wall. A particularly effective construction involves the application of several part-tubular helices to the cylindrical wall portion, one helix being a half-tube and secured to the wall portion and a second helix being a part-tube superimposed on the half-tube to bridge the inter-pitch gaps. Most advantageously the helical-tube wall construction can be divided into sections each having its own cooling- medium throughflow system.

Description

Předmětem vynálezu je zařízení к provádění exotermních reakcí, zejména suspenzních, emulzních, roztokových nebo blokových polymerací, provázených vesměs silným vývojem reakčního tepla.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for carrying out exothermic reactions, in particular suspension, emulsion, solution or block polymerizations, which are accompanied by a very large reaction heat generation.

Polymerační reakce, jako např. suspenzní polymerace vinylchlorldu, se provádějí při tlacích 0,8 až • 1,2 MPa a teplotách, 40 až 80 °C (v závislosti na požadovaném typu a charakteru polymeru) v tlakových reaktorech, opatřených chladicím pláštěm, resp. duplikátorem. Duplikátor, Jímž' protéká technologická chladicí voda, slouží к odvodu přebytečného polymeračního tepla. Účinnost chlazení pomocí duplikátoru je však závislá na geometrických rozměrech reaktorů, zejména na poměru jeho průměru a výšky. Obecně je možno konstatovat, Že odvod reakčního tepla pomocí duplikátoru postačí do objemu reaktorů 15 až 20 m³. Přitom neustále vzrůstající spotřeba polymerů typu suspenzního PVC, emulzního PVC, kaučuku, atp., tj. polymerů tzv. masové spotřeby, spolu s ekonomickými důvody přinášejí sebou požadavek na soústavné zvyšování objemu polymeračních reaktorů. Ve světě jsou v současné době provozovány reaktory až do objemu 200 m³. Při soustavném zvětšování geometrických rozměrů reaktorů překročí nicméně poměr těchto rozměrů hranici, kdy již chlazení pomocí duplikátů přestává být účinné.Polymerization reactions, such as suspension polymerization of vinyl chloride, are carried out at pressures of 0.8 to 1.2 MPa and temperatures of 40 to 80 ° C (depending on the desired type and nature of the polymer) in pressure reactors equipped with a cooling jacket or . duplicator. The duplicator through which the process cooling water flows is used to dissipate excess polymerization heat. However, the efficiency of the cooling by means of a duplicator depends on the geometrical dimensions of the reactors, in particular the ratio of its diameter and height. Generally it can be stated that the removal of reaction heat by means of a duplicator is sufficient for the reactor volume of 15 to 20 m ³ . At the same time, the ever-increasing consumption of polymers of the type of suspension PVC, emulsion PVC, rubber, etc., ie polymers of the so-called mass consumption, together with economic reasons bring with them a demand for a constant increase in the volume of polymerization reactors. Worldwide, reactors of up to 200 m ³ are currently operating. However, as the geometrical dimensions of the reactors continue to increase, the ratio of these dimensions exceeds the limit at which cooling by means of duplicates ceases to be effective.

Odvod tepla pláštěm reaktoru Je kromě toho sám o sobě limitován i hydrodynamickými podmínkami v samotném reaktoru, tj. režimem míchání, tloušťkou plátované stěny reaktoru a součinitelem přestupu tepla v duplikátoru. Omezujícím faktorem Je rovněž teplotní rozdíl chladicí vody, který bývá často limitován možnostmi účinného chlazení vody a dostupným chladicím zařízením.In addition, heat dissipation through the reactor jacket is also limited in itself by the hydrodynamic conditions in the reactor itself, i.e. the mixing mode, the thickness of the clad reactor wall and the heat transfer coefficient in the duplicator. A limiting factor is also the temperature difference of the cooling water, which is often limited by the possibilities of efficient water cooling and the available cooling equipment.

Moderní technologie, polymerace vinylchlorldu i jiných monomerů Jsou nadto založeny na použití kombinací iniciátorů reakce, které umožňují zkrátit podstatně polymerační cyklus. Tím dochází opět к intenzivnějšímu vývoji reakčního tepla a ke zvýšení nároků na Jeho odvod, resp. na velikost teplosměnných ploch.Modern technologies, polymerization of vinyl chloride and other monomers are moreover based on the use of combinations of reaction initiators which make it possible to shorten the polymerization cycle substantially. This again leads to a more intensive development of the reaction heat and to an increase in the demands on its removal, respectively. to the size of heat transfer surfaces.

U nových typů velkoobjemových reaktorů se naznačený problém řeší tím, že kromě odvodu tepla stěnou reaktoru se odvod dalšího reakčního tepla, které JIŽ není možno odvést stěnou reaktoru, docílí varem monomeru a' následující kondenzací Jeho par ve zpětném chladiči, Tento princip Je již dobře znám a využíván v průmyslovém měřítku.In the case of new types of large-volume reactors, the problem is solved by the fact that in addition to the heat removal through the reactor wall, the dissipation of additional reaction heat, which can no longer be dissipated through the reactor wall, is achieved by boiling the monomer and subsequent condensation of its vapor in the reflux condenser. and used on an industrial scale.

Kromě toho Je* zde další faktor, který Je třeba brát v úvahu, a to Je okolnost, že vývoj reakčního. tepla není zcela rovnoměrný, v určité, fázi procesu nabývá maxima a chlazení se v tomto úseku pak převážně odbývá prostřednictvím odpařování a kondenzace par monomeru ve zpětném chladiči.In addition, there is another factor that needs to be taken into account, and this is the fact that the development of the reaction. The heat is not completely uniform, at a certain stage of the process the maximum is reached and the cooling in this section then predominantly takes place via evaporation and condensation of monomer vapors in the reflux condenser.

Zkušenosti získané pří provozu velkoobjemových reaktorů, opatřených zpětným chladičem však prokázaly, že i použití zpětných chladičů přináší sebou řadu nových problémů, spojených zejména se zanášením chladiče polymerem, který zde narůstá v důsledku vynášení pěny reagujících složek, těkání iniciátoru a následné polymerace. Zapolymerováním chladiče se přitom nejen sníží účinnost odvodu reak čního tepla, což má přímý vliv na kvalitu produktu, i ale současně sé vyvolávají 1 potíže s čistěním chladiče. Jako Ideální by se tedy Jevil stav, kdy by bylo možno uchladit celý objem reaktoru bez nutnosti použití zpětného chladiče vůbec. To však při současných nárocích na výtěžnost reaktorů; dosahujících řádově stovky tun/m³ za rok, není reálné. Proto se věnuje stále větší úsilí další optimalizaci odvodu tepla z velkoobjemového reaktoru, zejména zlepšení přestupu tepla stěnou reaktoru.However, the experience gained in the operation of large-volume reactors equipped with a reflux condenser has shown that the use of reflux condensers also presents a number of new problems, in particular with polymer fouling, which increases due to foam out of reactants, initiator volatilization and subsequent polymerization. The polymerization of the cooler not only reduces the heat removal efficiency of the reaction, which has a direct effect on the quality of the product, but also causes problems in cleaning the cooler. Ideally, the entire reactor volume could be cooled without the use of a reflux condenser at all. However, this is the case with the current demands on reactor yield; reaching hundreds of tonnes / m ³ per year is not realistic. Therefore, more and more efforts are being made to further optimize heat dissipation from the bulk reactor, in particular to improve heat transfer through the reactor wall.

Podstatný pokrok v tomto směru přináší zařízení pro provádění exotermíních reakcí, zejména suspenzních, emulzních, roztokových či'blokových polymerácí, které tvoří míchaný válcový reaktor, opatřený chladicím duplikátorem a popřípadě i zpětným chladičem. Duplikátor reaktoru Je vytvořen z půltrubký, která je na vnitřní plá^ť reaktoru šroubovité navinuta а к němu přlvařena. Zařízení se vyznačuje tím, že duplikátor Jé vytvořen Jako vícechódá šroubovice, nejlépe Jako šroubovice dvouchodá, anebo obecně šroubovice se sudým počtem chodů. Půltrubký lichých Chodů jsou přivařeny к vnějšímu obvodu pláště reaktoru, zatímco půltrubký sudých chodů Jsou při vařeny v mezerném uspořádání к bočním plochám půltrubek lichých chodů.Significant progress has been made in the apparatus for carrying out exothermic reactions, in particular suspension, emulsion, solution or block polymerizations, which form a stirred cylinder reactor, equipped with a cooling duplicator and optionally a reflux condenser. The reactor duplicator is formed of a half-pipe which is helically wound onto the inner shell of the reactor and welded to it. The device is characterized in that the duplicator is designed as a multi-spiral helix, preferably a double-spiral helix, or in general an even-number helix. Half-pipe odd runs are welded to the outer perimeter of the reactor jacket, while half-pipe even runs are cooked in the gap arrangement to the side surfaces of the odd-run half-tubes.

Průtokové průřezy půltrubek všech chodů Srouboviče Jsqu stejné, tak Jako 1 stoupání všech chodů šroubovice.Flow cross-sections of half-tubes of all helix runs Jsqu Same as 1 pitch of all helix runs.

Jednotlivé Chody šroubovice mohou být napojeny za sebou nebo vedle sebe na zdroj Jednoho nebo více chladicích nebo topných médií.The individual Helix Runs may be connected one after the other or side by side to the source of one or more cooling or heating media.

Jedno i vícechodé šroubovice mohou být nadto rozděleny do více sekcí se samostatným přívodem a odvo-. dem chladicího nebo topného prostředí, přičemž tyto sekce Jsou zapojeny buď za sebou anebo vedle sebe, popřípadě zčásti za sebou a zčásti vedle sebe na zdroj Jednoho nebo více .chladicích prostředí. Tímto způsobem je možno docílit řady dalších konstrukčních obměn, jež umožňují řídit citlivě a podle místní potřeby prostup tepla stěnou reaktoru a zajistit tak optimální podmínky pro průběh procesu a pro rovnoměrné rozdělení teploty podél stěny reaktoru v axiálním směru. Zejména se takto umožní uskutečnit intenzivnější odvod tepla v těch oblastech, které to vyžadují, např. v prostoru styku kapalné a plynné fáze u hladiny reakční směsi, Čímž se opět sníží tvorba pěny a nánosů na zpětném chladiči.In addition, single- and multi-pass helixes can be divided into multiple sections with separate inlet and outlet sections. These sections are connected either sequentially or side by side, or partially sequentially and partially adjacent to the source of one or more cooling environments. In this way, a number of other design variations can be achieved which allow to control the heat transfer through the reactor wall sensitively and according to local needs, thus ensuring optimum conditions for the process and for uniform temperature distribution along the reactor wall in the axial direction. In particular, it is thus possible to carry out more intensive heat dissipation in those areas which require it, for example in the liquid-gas contact area at the level of the reaction mixture, thus again reducing the formation of foam and deposits on the reflux condenser.

Příkladné uspořádání zařízení к provádění- éxotermních reakcí podle vynálezu Je dále schematicky znázorněno na připojeném výkresu, kde obr. 1 představuje zčásti v podélném svislém řezu a zčásti v bočním pohledu celkové vytvoření polymeračního reaktoru opatřeného zpětným chladičem a duplikáťorem ve tvaru Jednoduché, Jednoduché šroubovlce, a obr. 2 v příčném řezu, v detailu část stěny reaktoru s duplikátorem vytvořeným z dvouchodé šroubovice.An exemplary arrangement of an exothermic reaction apparatus according to the invention is further illustrated schematically in the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows, partly in longitudinal vertical section and partly in side view, an overall embodiment of a polymerization reactor equipped with a reflux condenser and duplicator in a simple, simple helix shape. FIG. 2 is a cross-sectional view, in detail, of a portion of a reactor wall with a duplicator formed of a double-helix.

Polymerační reaktor podle obr. 1 sestává z vlast, ního válcového tělesa 1, opatřeného duplikátorem 2, který Je vytvořen z půltrubký vinuté do Jednoduché šroubovice. Reaktor je ve spodní části opatřen vrtulovým > míchadlem 3, jehož hřídel prochází dnemThe polymerization reactor according to FIG. 1 consists of a cylindrical body 1 itself, provided with a duplicator 2, which is formed from a half-tube wound into a single helix. The reactor is provided at the bottom with a propeller stirrer 3 whose shaft passes through the bottom

1 5 2 6 3 reaktoru. Na bočních stěnách válcového tělesa 1 reaktoru jsou umístěny nad sebou otočné stavitelné narážky 4, které slouží k usměrnění toku reakční směsi a rozrážení středového víru. V horní části reaktoru, v jeho svislé ose je · umístěn zpětný chladič 5, na · nějž bezprostředně navazuje hydrodynamické čistící zařízení 6.1 5 2 6 3 reactor. On the side walls of the cylindrical body 1 of the reactor, rotatable adjustable stops 4 are arranged one above the other, which serve to direct the flow of the reaction mixture and to expel the central vortex. In the upper part of the reactor, in its vertical axis, there is a reflux condenser 5, immediately followed by a hydrodynamic cleaning device 6.

Obr. 2 znázorňuje v detailu provedení pláště 7 reaktoru 1 k němu přivařeného duplikátoru 2. Duplikátor 2 ve znázorněném uspořádání tvoří dvouchodé šroubovice, vzniklá navinutím půltrubek 9 a 10 o stejném průtočném průřezu. Půltrubka 9 je přitom svými podélnými okraji · přivařena k plášti 7 reaktoru, zatímco půltrubka 10 druhého chodu k bočním · plochám půltrubky · 9 v · poloze · překrývající mezery mezi stoupáním půltrubky 9. Reaktor je na vnitřní stěně opatřen plátováním 8 z nerezového · materiálu.Giant. 2 shows a detail of an embodiment of the jacket 7 of the reactor 1 welded to the duplicator 2 welded thereon. The duplicator 2 in the arrangement shown is a double-helix formed by winding half-tubes 9 and 10 of the same flow cross-section. The half tube 9 is welded with its longitudinal edges to the reactor jacket 7, while the second tube half tube 10 to the side surfaces of the half tube 9 is in a position overlapping the gaps between the pitches of the half tube 9. The reactor is provided with a cladding 8 of stainless steel on the inner wall.

Použití půltrubek navinutých do jedno— nebo ví; cechodé šroubovice k vytvoření ' duplikátoru . přináší řadu výhod:The use of half-tubes wound into one — or knows; a helix to create a duplicator. brings many advantages:

— navinutá půltrubková šroubovice umožňuje snížit tloušťku stěny reaktoru, neboť materiálová pevnost a nosný účinek navinuté půltrubky je možno započítat u válcové části reaktoru do pevnosti vůči · obvodovému namáhání.- a wound half-pipe helix makes it possible to reduce the wall thickness of the reactor, since the material strength and bearing effect of the wound half-pipe can be accounted for by the cylindrical part of the reactor in the strength against circumferential stress.

— Důsledkem tohoto · opatření je úspora materiálu a celkové snížení hjnotnosti reaktoru včetně zpětného chladiče.- The consequence of this measure is material savings and overall reduction of reactor mass, including reflux condenser.

— V důsledku snížení tloušťky stěny · reaktoru se sníží i odpor stěny vůči přestupu tepla . a koeficient prostupu tepla se zvýší až · o 10 %, což umožní ·snížit výšku zpětného chladiče a zvýšit tepelné zatížení na jednotku plochy.- The reduction in wall thickness of the reactor also reduces the resistance of the wall to heat transfer. and the heat transfer coefficient increases by up to · 10%, which allows · reducing the reflux condenser height and increasing the thermal load per unit area.

— Navařená šroubovice z · půltrubky působí současně jako ožebrování válcové části reaktoru, což opět · přispívá ke zlepšení přestupu tepla.- The welded half-pipe helix acts simultaneously as a ribbing of the cylindrical part of the reactor, which again contributes to the improvement of heat transfer.

— Obecně je možno shrnout, · že použití · půltrubko- vého duplikátoru navařeného na plášť reaktoru umožní zvýšit v maximální míře součinitel přestupu tepla v chladícím okruhu. - — Podstatnou výhodu představuje rovněž okolnost, že pro docílení optimální lineární rychlosti . chladící vody v půltrubkovém· duplikátoru není třeba tak velkého objemu chladicí vody jako je tomu u tradičních duplikátorů.In general, the use of a half-pipe duplicator welded to the reactor jacket will make it possible to maximize the heat transfer coefficient in the refrigeration circuit. An important advantage is also the fact that in order to achieve an optimal linear velocity. cooling water in a half-pipe duplicator does not require as much cooling water as traditional duplicators.

— Tím, že · se · v maximální’ míře využívá chladicího účinku půltrubkového duplikátoru, omezí se kromě toho i · zanášení zpětného chladiče a s ním oo^u^is^ej^ící potíže. ,Furthermore, by making maximum use of the cooling effect of the half-pipe duplicator, clogging of the reflux condenser and the inconvenience thereof are also reduced. ,

Claims

1. Apparatus for carrying out exothermic reactions, in particular suspension, emulsion, solution or block polymerizations, which form a stirred cylindrical reactor, provided with a cooling duplicator and optionally a reflux condenser, the reactor duplicator being formed from a half-tube which is helical to the inner shell. wound and welded thereon, characterized in that the duplicator (2). Is formed as a multi-pass helix, preferably as a double-lead helix, wherein the odd-run half-tubes (9) are welded to the outer periphery of the reactor jacket (7), while the even-run half-tubes (10) are welded in the gap to the lateral surfaces of the half-tubes (9) of the odd courses.

Device according to claim 1, characterized in that the flow cross-sections of the half-tubes (9, 10) of all helix runs are the same.

YNÁLEZU.

3. Device according to items 1 and 2, characterized in that the pitches of all helix runs are the same.

4. The device according to claim 1, characterized in that at least one operation of the scrubbers extends into at least two sections with separate inlet and outlet of cooling or heating medium.

5. Device according to items 1 to 4, characterized in that it is individual. The sections are connected in series to the source of one cooling or heating medium

6. Equipment according to points · 1 to. 5, characterized in that the individual sections are connected side by side to a source of one or more cooling or heating media.

Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the individual sections are connected partly in succession and partly side by side to a source of one or more cooling or heating media.