《高分子合成工艺学》第二章聚合反应设备

第二章聚合反应设备齐鲁工业大学材料学院主讲：李仲伟[e-mail]2016.3主要内容第一节聚合物合成设备第二节聚合物分离过程及设备第三节聚合物干燥设备釜式管式塔式1.1釜式聚合反应器实验室大型常压反应釜1.1釜式聚合反应器1.1釜式聚合反应器1.1釜式聚合反应器1.1釜式聚合反应器在反应器中，釜式反应器(或称反应釜)使用最为广泛。反应釜分不带搅拌的和带搅拌的反应釜，其中带搅拌的反应釜使用更多。釜式聚合反应器由于设置有搅拌装置，所以釜式聚合反应器也常被称为搅拌聚合釜。聚合反应釜结构反应釜组成容器部分换热装置搅拌装置密封装置其他结构聚合反应釜结构聚合反应釜结构实验室用聚合反应釜结构聚合反应釜外观圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广）。各种接管，满足进料、出料、排气等要求。加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。1.釜体立式卧式1.釜体1.釜体搪瓷釜不锈钢釜复合钢板玻璃釉在900℃灼烧形成，表面光滑，物料不易粘釜，适用于PVC、合成橡胶等易易粘连的聚合物规格7、13.5、14、30、33m³，甚至可以达到250m³1.釜体当反应釜超过200m³后，为了减少搅拌轴的振动和提高密封性能，搅拌挪至底部。该搅拌桨外形曲线圆滑，在旋转时使物料做轴向和径向流动，而且涡流少，能耗低。1.釜体桨上搪瓷，更加光滑1.釜体为了解决物料粘壁而降低传热效率，采用带有刮片的刮壁式反应器1.釜体带有刮片的刮壁式反应器釜式反应器是最常用的反应器形式之一聚合反应是放热反应，生产过程为控制产品平均分子量，要求反应体系温度变化小。各种单体的聚合热（千卡/克分子）如何有效的排除聚合反应热，保持反应温度夹套冷却夹套+内冷管内冷管冷却物料釜外循环冷却反应介质预冷反应釜的特点可用于多种聚合物的生产（自由基、离子型、缩聚）用于不同黏度的聚合体系，及连续、间歇操作反应釜本身有多种形式，瘦长型、矮胖型等，取决于釜体的长/径比可以进行多釜串联2.搅拌器2.搅拌器2.搅拌器2.搅拌器搅拌装置结构取决于聚合体系即黏度低黏平桨、涡轮桨、螺旋桨搅拌速度3m/S搅拌速度中间搅拌速度5-15m/S2.搅拌器搅拌装置结构取决于聚合体系即黏度高黏2.搅拌器2.搅拌器2.搅拌器搅拌器与流动特征定义搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。功能提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。原理搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。流型流体循环流动的途。常用搅拌器1.桨式搅拌器☆结构最简单☆叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。主要应用也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。液-液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固-液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。常用搅拌器常用搅拌器桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。常用搅拌器2.推进式搅拌器推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。常用搅拌器2.推进式搅拌器结构标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。直径较小，d/D=1/4～1/3，叶端速度一般为7～10m/s，最高达15m/s。常用搅拌器特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。搅拌时——流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动。循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器常用搅拌器应用粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液－液系混合、使温度均匀，在低浓度固－液系中防止淤泥沉降等改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。常用搅拌器3．涡轮式搅拌器常用搅拌器涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。3．涡轮式搅拌器常用搅拌器应用涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。平直叶——剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶——指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。常用搅拌器4．锚式搅拌器结构简单。适用于粘度在100Pa·以下的流体搅拌，当流体粘度在10～100Pa·s时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。常用搅拌器5．螺带螺杆式搅拌器为慢速型搅拌器，常在层流区操作，液体沿着螺旋面上升或下降形成轴向的上下循环，适用于中高粘度液体的混合和传热等过程常用搅拌器应用由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。当搅拌粘度大于100Pa·s的流体时，应采用螺带式或螺杆式。锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。常用搅拌器搅拌器的选用选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌目的物料粘度搅拌容器容积的大小常用搅拌器推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。涡轮式搅拌器——应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过50Pa·s。桨式搅拌器——结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。搅拌器与流动特征搅拌器与流动特征(a)径向流流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。搅拌器与流动特征流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。(b)轴向流搅拌器与流动特征无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。(c)切向流3.密封轴旋转时，静环1和动环2密封面通过弹簧5，始终保持接触，使泄漏不致发生4.挡板4.挡板目的——消除打漩和提高混合效果物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。打漩4.挡板后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/12～1/10。4.挡板4.挡板5.夹套1.2管式聚合反应器1.2管式聚合反应器管式聚合反应器由单根连续管或一根以上的管于平行排列构成，它是使反应流体通过细长的管子而进行反应的装置结构简单，单位体积所具有的传热面较大，适于作高温、高压装置之用。例如高压聚乙烯的生产和尼龙66的熔融缩聚的前期就是采用这种型式的反应器。1.2管式聚合反应器全世界高压PE生产中，55%是用管式反应器生产的内径2.5-5cm，长径比250-12000组成：预热、反应、冷却反应段仅占很短一部分管式反应器结构连续操作管式反应器缺点易发生聚合物粘壁现象，造成管子堵塞物料黏度大时，压力损失大产生温度梯度、压力梯度、浓度梯度，在流动方向上产生参数分布环管式反应器优点单位体积的传热面较大，只要用冷却水夹套即可满足传热要求，故能耗较低。单位体积生产能力高。如一台66m3双环管反应器年生产能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器的生产能力。反废物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8m／s，可有效地防止聚合物在管壁的沉积，进一步强化传热，并降低聚合物凝胶含量。反应单程转化率高，可达95％以上，从而减少了单体的循环量。物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产切换。1.3塔式聚合反应器1.3塔式聚合反应器塔式聚合反应器构造简单，型式也较少，是一种长径比较大的垂直圆筒结构，可以是挡板式或固体填充式，也可以是简单的空塔。根据塔内结构的不同而具有不同的特点。在塔式反应器中，物料的流动接近平推流，返混较小。同时，根据加料速度的快慢，物料在塔内的停留时间可有较大变化，塔内物料温度可沿塔高分段控制。塔式装置多用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的情况。常用于一些缩聚反应，对于本体聚合和溶液聚合也有应用。在合成纤维工业中，塔式聚合反应器所占的比例有30％左右。1.3塔式聚合反应器预聚釜80±2℃，61h，聚合物浓度33%-35%改良为115℃-120℃，4-5h，聚合物浓度50%塔高6m，1m/节，共6节，12-15圈，20-25cm加热管（最后一节除外）从上向下由100℃至200℃，61h改良为140-200℃，3-4h，容积效率提高10倍塔底有挤出机，挤出到传送带，冷却辊冷却造粒，计量包装PS本体聚合回收苯乙烯1.3塔式聚合反应器PS本体聚合少量溶剂存在下的生产流程压力釜串联流程1.4流化床聚合反应器1.4流化床聚合反应器1.4流化床聚合反应器流化床聚合反应器是一种垂直圆筒形或圆锥形容器，内装催化剂或参与反应的细小固体颗粒，反应流体从反应器底部进入，而反应产物则从顶部引出。流体在器内的流速要控制到固体颗粒在流动中浮动而不致从系统中带出，在此状态下，颗粒床层有如液体沸腾一样。这种反应器传热好，温度均匀且容易控制，但催化剂的磨损大，床内物料返混大，对要求高转化率的反应不利。由于具有流程简单的优势，使用日益普遍。1.5聚合反应釜的选用原则聚合反应器的操作特性聚合反应及聚合过程的特性聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响经济效益连续？间歇？塔式？釜式？第二节聚合物分离过程及设备2.1脱挥发分分离过程及设备聚合物生产过程中，脱挥发分分离主要是分离未反应单体和低沸点溶剂。挥发分的脱除和回收在工业上主要有两种方法，即闪蒸法和汽提法。所谓闪蒸就是在减压的情况下除去物料中的挥发性组分过程。闪蒸法脱除单体即是将处于聚合压力的聚合物溶液(或常压下的聚合物溶液)，通过降低压力和提高温度改变体系平衡关系，使溶于溶液中的单体析出。2.1脱挥发分分离过程及设备汽提法系将聚合物胶液用专门的喷射器分散于带机械搅拌并以直接蒸汽为加热介质的内盛热水的汽提器中。胶液细流与热水接触，溶剂及低沸点单体被汽化。聚合物在搅拌下成为悬浮于水中的颗粒，或聚集为疏松碎屑。溶剂及单体蒸汽由汽提器顶部逸出，冷凝后收集。固体聚合物颗粒或絮状物借循环热水的推动由汽提器侧部或底部导出，经过滤振动筛分离，得到具有一定含水量的粗产品。2.2凝聚分离过程及设备对有些聚合物体系(如溶液聚合体系)，不仅要除去未反应单体，还需将溶剂脱除。溶剂的脱除主要可采取三种方法：一是通过脱挥发分进行浓缩的方法(类似于单体的脱除)．适用于低沸点溶剂的脱除。例如溶液丁苯胶的生产，聚合后胶液经闪蒸单元蒸出部分溶剂，使胶液浓度增高至25％；二是通过机械离心力作用，使聚合物沉淀、分层，进而与溶剂分离的物理方法；三是在聚合物胶液体系中加入凝聚刘、沉淀剂等使固体聚合物从胶液中析出的化学凝聚力法。2.3离心分离过程及设备离心分离是在液相非均匀体系中，利用离心力来达到液液分离，液固分离的方法，通称为离心分离。分为离心沉降和离心过滤。离心机是在高速旋转的转鼓中，藉惯性离心力的作用，过滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不同、互不溶解的液体分离的设备。碟片式离心机2.4旋风