聚合攪拌:聚合反應攪拌裝置
對工業(yè)聚合生產(chǎn)而言,聚合物質(zhì)量與生產(chǎn)成本的高低,不僅取決于聚合反應工藝,還受制于聚合反應器的結(jié)構(gòu)型式。攪拌釜式反應器作為重要的聚合反應設(shè)備,需要專業(yè)的選型與設(shè)計,以解決質(zhì)量與能量傳遞的問題,使產(chǎn)品性能均一、生產(chǎn)成本下降。
攪拌釜式聚合反應器的設(shè)計與工程放大幾乎集中了所有攪拌反應器的難度,主要有:
(1) 產(chǎn)品的質(zhì)量要求高。例如產(chǎn)品分子量、分子量分布、力學性能、耐熱性、平均粒徑、粒徑分布、顆粒形態(tài)等均有很高的要求;
(2) 聚合物體系的復雜多變性。例如非均相體系、高粘非牛頓體系、變粘度體系等;
(3) 攪拌釜中流動的復雜性。例如三維流動的隨機性、攪拌器形狀復雜、邊界條件難定等;
(4) 聚合過程熱效應大,反應溫度要求苛刻,傳熱元件與攪拌器往往需特殊設(shè)計。
(5) 聚合設(shè)備大型化。
原正公司與浙江大學進行了多年的產(chǎn)學研合作,在聚合反應技術(shù)與裝備方面吸取了許多寶貴的經(jīng)驗與理論指導,相繼開發(fā)了多種聚合過程的攪拌設(shè)備,并成功應用于工業(yè)生產(chǎn)。
◇ 間歇溶液聚合反應器
間歇溶液聚合反應器設(shè)計的難易程度取決于聚合反應后期的體系粘度高低,聚合過程中如果體系粘度變化不大,攪拌器設(shè)計比較簡單。但大多數(shù)間歇溶液聚合反應開始時單體粘度很低,隨聚合進行,粘度急速增高,而一般的攪拌器很難適應粘度大范圍的變化,某些半連續(xù)聚合工藝在反應過程中不斷滴加單體導致液面變化也很大,若采用多層葉輪,能量輸入有突變,且液面物料飛濺。此外,一些反應到后期產(chǎn)生粘釜物,傳熱系數(shù)大幅度下降。
對針對此類聚合,原正已積累了豐富的設(shè)計與制造經(jīng)驗,可根據(jù)不同工藝采取有效措施:
(1) 開發(fā)了寬粘度域攪拌器—SP304大葉片槳,能適合物料粘度大幅度變化的工藝,聚合初期低粘狀態(tài)時為軸流槳,粘度增加時,流型逐漸趨向徑流,利于提高內(nèi)置換熱元件與夾套的傳熱系數(shù)。
(2) 采用共軸攪拌技術(shù),可適應更寬的粘度域。內(nèi)層為高速多層渦輪槳,適合聚合初期,當粘度增加時,啟動外層低速框式攪拌器,適合高粘度體系的混合,框式攪拌器上還可以安裝各種刮板以清除粘釜物,強化傳熱,刮板結(jié)構(gòu)需根據(jù)物性及粘釜程度專門選型設(shè)計。
(3) 采用螺桿攪拌器,在導流筒的配合下,從0.5~100000mPa.s的粘度范圍都能保持較高的循環(huán)能力與混合效率,有效地消除了攪拌反應器內(nèi)上下濃度和溫度的不均勻性,導流筒的壁還可以設(shè)計成空心結(jié)構(gòu),內(nèi)通冷卻介質(zhì),雙面?zhèn)鳠峋哂休^高的傳熱效率。由于螺桿導流筒具有循環(huán)能力強、適應粘度范圍大、傳熱效率高等三個特點,使其成為間歇溶液聚合的典型攪拌器,成功的應用包括用于生產(chǎn)碳纖維的丙烯腈溶液聚合、DMC開環(huán)聚合生產(chǎn)硅橡膠等。
(4) 部分攪拌器可設(shè)計成空心結(jié)構(gòu),攪拌器的與攪拌軸都是中空的,冷卻介質(zhì)在空心通道內(nèi)流動,由于攪拌器處于運動狀態(tài),其傳熱系數(shù)比內(nèi)置盤管大5倍。空心攪拌器也可用于固含量較高的於漿加熱或冷卻過程,在難以設(shè)置擋板和盤管的搪玻璃設(shè)備內(nèi)也較為適用。
(5) 攪拌器及容器內(nèi)壁鏡面拋光,可減少粘釜物的生成。
(6) 沒有粘釜物產(chǎn)生時,選用近壁型攪拌器可提高傳熱系數(shù);
(7) 對于大型聚合反應器,僅靠夾套傳熱面不夠時,用各種內(nèi)構(gòu)件增加傳熱面,或用外循環(huán)換熱補充傳熱面,或用低沸點溶劑或單體蒸發(fā)撤熱。
聚合攪拌:聚合反應攪拌裝置
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PPC聚合反應器 | 帶刮板的共軸攪拌設(shè)備 | 經(jīng)過鏡面拋光的聚合反應器 |
◇ 連續(xù)溶液聚合反應器
連續(xù)溶液聚合反應器設(shè)計除考慮混合與傳熱外,還需特別考慮停留時間分布,為了得到更窄的停留時間分布,采用多個全混釜串聯(lián)是一種方法,也可采用平推流反應器以減少反應器數(shù)量、降低設(shè)備投資。
采用多個全混釜串聯(lián)時,釜的數(shù)量一般從3個到8個不等,數(shù)量越多,停留時間分布越窄,投資越大,設(shè)計時需權(quán)衡各因素。每個反應器的攪拌器型式可以各不相同,聚合首釜為低粘體系,采用渦輪或葉片式攪拌器在湍流狀態(tài)下與擋板配合都能獲得良好的混合,使催化劑與單體混合充分。粘度逐步增加,進入過渡流域操作時,攪拌器可采用多段逆流槳、寬葉曲面軸流槳、開啟渦輪槳等。反應后期體系粘度更高,進入層流域操作,攪拌器采用螺帶、斷螺帶等型式,攪拌器根據(jù)粘釜物情況采用近壁設(shè)計或帶刮板設(shè)計。
為了使停留時間分布更窄,流動更接近平推流,抑制軸向返混,設(shè)備可以設(shè)計成長徑比較大的形狀,攪拌器設(shè)計成徑向混合好而軸向返混弱的結(jié)構(gòu),例如框式攪拌器或偏框攪拌器,但首釜由于粘度低,一般仍設(shè)計成全混釜。
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年產(chǎn)5萬噸異戊橡膠聚合反應器 | 年產(chǎn)5萬噸異戊橡膠攪拌器 | 內(nèi)外單螺帶攪拌器 |
◇ 間歇乳液聚合反應器
乳液聚合反應器多為間歇生產(chǎn),由于體系粘度低,攪拌器一般采用葉輪式、三葉后掠式、布魯馬金式等,攪拌反應器的設(shè)計與放大主要考慮攪拌混合對聚合過程的影響:
(1) 液液臨界分散。對乳液聚合,其主要組分是單體(油相)和連續(xù)相(水相),聚合釜內(nèi)的攪拌強度必須達到液液分散的臨界點,若攪拌強度過低,則會使單體與水相發(fā)生相分離,導致乳液聚合反應速率降低。
(2) 溫度和濃度分布。為穩(wěn)定聚合物產(chǎn)品質(zhì)量,攪拌必須使聚合釜內(nèi)物料有足夠的翻轉(zhuǎn)次數(shù),從而使釜內(nèi)溫度和濃度分布均一。
(3) 剪切速率及剪切速率分布對聚合物乳液穩(wěn)定性與產(chǎn)品質(zhì)量的一致性產(chǎn)生重要影響。
(4) 聚合熱的撤離。聚合釜的傳熱能力必須滿足反應高峰時的撤熱要求。傳熱主要依靠夾套和內(nèi)冷管,內(nèi)冷管的設(shè)置必須考慮對釜內(nèi)物料流動混合和傳熱的影響,攪拌器的流型也應該盡量提高內(nèi)冷管外壁流體的湍流程度,并消除密集內(nèi)冷管之間的混合死區(qū)。
PVDF聚合反應器
◇ 聚酯聚合反應器
聚酯聚合反應器一般由酯化釜、預縮聚釜、終縮聚釜串聯(lián)組成,其中終縮聚釜為平推流反應器,其余為全混釜。
酯化釜為低粘非均相體系,可采用渦輪槳與軸流槳的組合,多元酸的溶出速率與渦輪槳剪切力有關(guān),熱量的輸入又與攪拌器的循環(huán)能力及加熱面積相關(guān)。
預縮聚釜為均相中粘體系,傳熱是攪拌的主要目的,軸流槳在導流筒的配合下提供了更大的排量,大面積加熱管也是傳熱的必要條件。
聚酯聚合的關(guān)鍵在后期縮聚,傳質(zhì)成了反應的控制因素。為了提高聚合度,連續(xù)縮聚釜的設(shè)計不僅要避免返混,還要提供大的傳質(zhì)表面和短的擴散路徑。臥式單軸圓盤反應器是典型的縮聚設(shè)備,具有較強的表面更新能力,在許多PET裝置中的得到應用。然而,某些聚酯的粘度遠超PET,例如PBT,如果仍采用臥式單軸圓盤反應器,物料在圓盤上無法形成均勻的液膜,成團的物料阻止小分子的擴散,也影響傳熱。
原正根據(jù)超高粘聚酯的工藝特點,終縮聚釜采用了帶刮板的單軸圓盤設(shè)備或雙軸自清潔攪拌設(shè)備,提供了強大的表面更新能力與傳熱能力,為高聚合度、超高粘度的聚酯生產(chǎn)提供可靠裝置。目前,原正的雙軸自清潔攪拌設(shè)備已在PBS、PBAT等裝置中得到成功應用。
STC-6000型PBS縮聚釜
部分業(yè)績
聚合物名稱 | 主要客戶 |
異戊橡膠 | 茂名魯華、魯華泓錦化工、中石油 |
PAN基碳纖維 | 中簡科技、中石油 |
聚氨酯(PU) | 禾欣股份、禾欣可樂麗、傳化股份、大日精化 |
聚硅氧烷 | 之江有機硅、梅蘭集團、傳化股份、廣州天賜、平湖聯(lián)合化學 |
環(huán)氧樹脂 | 大日本油墨、京瓷化學、元邦化工、建滔化工、江山化工、 |
聚丁二酸丁二醇酯(PBS) | 鑫富藥業(yè) |
己二酸-對苯二甲酸-丁二酯共聚物(PBAT) | 鑫富藥業(yè) |
CO2與PO共聚生成可降解塑料(PPC) | 天冠集團 |
聚苯硫醚(PPS) | 伊騰高科 |
聚己二酸乙二醇酯(PEA) | 禾欣股份 |
不飽和聚酯樹脂(UP) | 華科樹脂 |
聚酰亞胺(PI) | 吉林高琦 |
氟硅橡膠 | 富路達 |
聚偏氟乙烯(PVDF) | 中化集團 |
酚醛樹脂 | 藍星化工、江山化工 |
醇酸樹脂 | 元邦化工 |
聚乙烯基吡咯烷酮(PVP) | 南杭化工 |
聚丙烯酸酯 | 傳化股份、廣州天賜、南京華獅 |
聚丙烯酰胺 | 傳化股份 |
醋酸乙烯酯和乙烯共聚乳液(VAE) | 上海石化 |
甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS) | 齊魯石化、吉化集團 |
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