聚合反应器的分类介绍.ppt

聚合反应特点 反应机理复杂 聚合方法多样 且大多数反应体系随着聚合反应的进行 体系中的粘度急剧上升 物料粘壁等现象给聚合反应器的选型和设计带来一定的难度 聚合反应器的定义 完成聚合反应过程的设备称为聚合反应器 聚合反应器的型式及特点 1 釜式反应器也称搅拌釜反应器 它的适应性强 操作弹性大 适用的温度和压力范围广 既可用于间歇 分批 操作 亦可用于连续操作 用于连续操作时 釜内的温度 浓度均一 容易控制 所得产品质量均一 因而广泛应用于高分子合成工业中 此外在聚合物的生产过程中 除聚合反应器外 还有许多带搅拌装置的容器 如原料配制槽 溶解槽 浆料配制槽 沉析槽等 2 管式 塔式 反应器管式 塔式 聚合反应器的构造比较简单 这种反应器一般用于处理粘度较高的均相反应物料 它属于连续流动反应器 原料从管的一端连续送入 在管内完成升温 反应等 而产物和未反应的单体从另一端连续排出 3 特种反应器对处理高粘度的聚合体系 如本体聚合或缩聚反应后期 反应物料的粘度可达500一5000Pa s 故需采用特殊型式反应器 该反应器一般采用卧式 主要型式有螺杆型反应器 如尼龙66的后缩聚反应采用双螺杆 和表面更新型反应器 如聚酯生产中的后缩聚采用单轴或双轴的表面更新型圆盘式反应器 搅拌釜式反应器 搅拌反应器由釜体 搅拌装置 传热装置 密封装置和传动装置等组成 通过搅拌可使互溶液体的各部分均相混合成均质状态 以增大分散相的有效接触面积 降低分散相周围浓膜阻力 提高传热速度等 一 搅拌器型式搅拌器的型式很多 按桨叶的构形可分为桨式 锚式 或框式 推进式 涡轮式及螺杆式 螺带式搅拌器等 1 桨式搅拌器平叶桨和折叶桨 斜桨 平叶桨面与运动方向垂直 当桨叶低速运转时 液体主要为环向流动 当桨叶转速增大时 液体径向流逐渐增大 转速愈高 径向流愈强 由于液体仅以切线方向离开桨叶 主要是水平液流 造成的轴向流很弱 不利于轴向混合 为增加轴间流 可将平叶桨倾斜一定角度 一般为45度 即为折叶桨 这样可以产生较大的轴向流动 有利于搅拌混合 2 锚式 框式 搅拌器对于粘度较大的液体搅拌 可把桨叶形状做成与反应釜底部的形状相似 且桨叶与釜壁的隔隙小 锚式搅拌器的转速比较低 故剪切作用较小 但搅动范围大 不易产生死区 对高粘度流体的搅拌 可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞流层 利于促进传热和去除釜壁沉积物 当锚式搅拌器中间加设横梁或竖梁时 即称为框式搅拌器 3 推进式搅拌器推进式 也称螺旋桨式 搅拌器的结构简单 其直径较小 d D 1 4 1 3 以整体铸造的叶轮最为常见 适合于液体粘度较低 液量较大的搅拌 其转速较高 一般为300 600r min 叶端线速度为5 15m s 利用较小的搅拌功率通过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果 4 涡轮式搅拌器又称透平搅拌器 是应用较广泛的一种搅拌器 能处理粘度范围较宽的液体 桨叶有开式及闭式两大类 根据桨叶叶片的形状和位置 又有平直叶片 弯曲叶片 倾斜叶片 圆盘平直叶片 圆盘弯叶 圆盘斜叶等 5 螺杆式搅拌器当液体的粘度大于10Pa s时 常采用螺杆式搅拌器 它是将螺距一定的螺旋叶片固定在搅拌轴上 也称螺轴式搅拌器 为提高釜内液体的搅拌强度 并造成一定的循环流型 通常可在釜内增设离壁挡板或导流筒 6 螺带式搅拌器螺带式搅拌器适合于粘度较高的场合 如达103Pa s以上 具体构形有单螺带 双螺带 凹螺带和螺杆 螺带式等 通常螺带式搅拌器其螺距s与搅拌器直径d之比为s d 1 螺带叶宽b与釜径D之比为b D 0 1 d D 0 95 由于外螺带可以与釜内壁很好地吻合 直接刮扫釜壁上的液体 有利于夹套式搅拌釜的传热与去除釜壁处的沉积物 二 搅拌器的选型搅拌过程涉及流体的流动 传热和传质 其影响因素极其复杂 在选型设计时 既要考虑达到搅拌效果 保证物料的混合 有利于传热 传质 也应考虑动力消耗问题 另外还要考虑搅拌器的结构要便于操作和维修 1 以液体粘度和反应釜体积为依据选型右图为在较合理搅拌功率消耗下 物料粘度与反应体积的关系图 图中表示各种叶轮适用范围 2 以流动状态 搅拌目的为依据选型下表就列出了根据流动状态和搅拌目的来选择搅拌器 三 传热装置化学反应过程伴有放热或吸热 对聚合反应而言 往往要求严格控制反应温度 使其恒定或按一定的温度曲线进行 同时由于聚合反应器内物料粘度高 易结垢 因而要求传热速率高 结构简单 避免易挂料的粗糙面及导致结垢的死角并易于清洗 聚合反应器常用的传热装置型式有夹套传热 釜内传热件及釜外传热等 1 夹套 根据工艺要求 夹套内可通入传热介质 水 水蒸气或热载体等 为了提高夹套的传热系数 可通过提高夹套传热介质的流速来实现 为此 常在夹套内安装导流挡板 当反应器直径较大或采 用传热介质的压力较高时 也可采用捍接半管式夹套 型钢夹套等 这不但能提高传热介质的流速 改善传热效果 而且能提高简体承受外压的强度和刚度 2 釜内传热件当聚合釜壁采用导热性不良的材质或较大型的聚合釜 单靠夹套传热不能满足工艺要求时 需在反应器内增设传热件 如加传热挡板 蛇形管等 3 釜外传热釜外传热可分为两种情况 一种是把釜内产生的气体导出至釜外回流冷凝器 然后使冷凝液返回反应釜 因为是蒸汽冷凝传热 其传热系数高 且传热面积不受反应器容积的限制 釜外传热的另一种方法是将反应釜内液相导出 进行釜外循环传热 反应器中的部分反应物料由泵抽出 经外部冷却后再进入反应器 如丙烯的溶液聚合就可以采用此种传热装置 1 偏心式搅拌反应器偏心式搅拌反应器是搅拌器中心偏离容器中心 由于其搅拌轴偏离容器的中心轴线 使流体在各点所受的压力不同 因而液层间的相对运动加强 增加液层的湍动 明显提高搅拌效果 但容易引起振动 故一般多用于较小型设备 其他型式的搅拌反应器 2 底部传动搅拌反应器该型式反应器的搅拌装置设在反应器的底部 优点 当设备较大时 搅拌轴可做成短而细 稳定性好 且可降低安装高度 同时由于把笨重的传动装置安装在地面基础上 从而改善了釜体上封头的受力状态 也便于维护与检修 缺点 轴密封较困难 而且搅拌器下部至轴封处常有固体物料粘积 影响产品的质量 检修时需将釜内物料全部排净 该型式较常用于大型搅拌设备 3 卧式搅拌反应器该型式可设置多个搅拌器 每个搅拌器之间用隔板分开 使物料在反应器内流动状况类似于多级串联搅拌反应器 从而减少设备台数 降低安装高度 管式反应器 管式反应器是一种连续式反应器 物料从管道的一端连续输入 产物从管道的另一端连续输出 直达到某一转化率 并在流动中完成化学反应 随着管道中物料的移动 浓度逐渐降低 反应速率逐渐减小 在管式反应器中物料呈平推流运动 沿管轴方向每一微积单元 其物料的组成 浓度 温度不随时间而改变属稳态操作 这和连续操作搅拌釜式反应器相同 而无数的微积单元又可视为无数个连续操作搅拌釜式反应器的串联 因此管式反应器兼具间歇操作和连续操作搅拌釜式反应器的特点 有利于大型化 连续化生产 设备结构简单 单位体积所具有的传热面积大 适用于高温高压的聚合反应器 设计中的要点有两个 其一 保证物料在管式反应器中呈平推流运动 其二 尽量减小管式反应器管内的径向温差 保证反应条件一致 管式反应器的结构 管式反应器由管体 挡夜板和加热装置组成 见下图 1 管体是带有夹套的长直圆管 为便于制造安装 常制成若干段 每段3一5m 各段间用法兰联接 管体顶部可采用凸形或平板封头 为便于高粘度物料流出 底部多采用锥形封头 管外装有夹套 内通载热体 管体多采用不锈钢 夹套可采用普通钢 管体直径是影响聚合过程的重要因素 在同样聚合温度和聚合时间下 管径愈小 愈易制取质量均匀 相对粘度较高的聚合物 这是因为当管径较大时 反应物量增多 引发剂加入量增多 温度相应增加 低分子物排除困难 并且随管径增加 径向温差增大 管内物料加热不均匀所致 故管式反应器直径通常小寸 800mm 2 挡液板由于聚合管内物料停留时间长 流速低 粘度大 呈层流状流动 必然存在径向速度梯度 在管中心处流速大 停留时间短 而靠近管壁处流速低 停留时间长 造成聚合体质量不均匀 为改变这种状况 使物料流动状态尽量接近平推流 可在管内沿轴向设置若干挡液板 使物料在管内流速趋于一致 c 中间孔径大 周边孔径小的挡液板 b 所示则中间孔径小 周边孔径大 生产中将此两种板交替排列则可使管内物料的流态近似于平推流 a 孔径相等的挡液板 将相邻挡液板上的孔眼呈交措状安装 亦可达到平推流的效果 3 加热装置管式反应器多采用联苯混合物作为热载体 加热方式有两种 一种采用联苯锅炉产生联苯蒸汽进入夹套 冷凝后返回联苯锅炉 加热气化后循环使用 该种加热方式具有传热均匀的优点 但设备管线较复杂 另一种是将电热棒直接安装在夹套内 加热夹套内的联苯混合物 此种加热方式结构简单 费用低 操作简便 联苯渗漏及热损失小 卧式反应器 一 卧式反应器的工作原理在聚合过程中 有时前后不同阶段物料的特性差异很大 对反应条件的要求亦不尽相同如聚合前期物料体系粘度低 放热多 流动较容易 而在聚合后期则往往相反 且希望在反应进行的同时能去除生成的低分子物 此时在生产中往往采用卧式反应器 卧式反应器除需满足一般反应器的要求外 还有以下特殊要求 1 物料在反应器内能沿径向充分返混 轴向无返混 尽量接近平推流 2 根据聚合动力学理论 为达到预定的聚合度 要尽量去除体系中生成的小分子 故应在反应器内将反应物料尽可能展开 形成大面积的薄膜 增加蒸发表面积 且蒸发表面积能不断更新 二 卧式反应器的结构卧式反应器有单轴和双轴之分 主要由筒体 搅拌装置 加热装置和出料装置等组成 1 筒体卧式反应器的筒体呈卧式圆柱形 多为不锈钢制 筒体外侧及两端均设置碳钢制加热夹套 联苯汽上进下出 作为热载体进行热交换 在筒体上端开有进料口和抽气口 物料从进料口连续进入 反应器中生成的小分子蒸汽由抽气口抽出 反应完毕的物料从简体下部的出料口排出 2 搅拌装置可单轴搅拌 也可双轴搅拌 单轴搅拌结构简单 但对料液的剪切作用难以达到轴附近 聚合物易粘附在轴上 适用于制备体系中粘度不太高的聚合物 双轴搅拌结构较复杂 但聚合物在轴上粘附现象减少 且能将料液撕裂成薄膜 有助于增大蒸发面积相促进自由表面更新 适用于高粘度物料的聚合 单轴式搅拌装置其轴心相对筒体有一定的偏心距 以使轴的振动稳定性提高 装有双轴搅拌装置的反应器 其筒体内底呈马鞍形 以避免料液聚积在釜底形成死角 搅拌翼的主要作用是加强物料在卧式反应器内的径向混合 防止物料粘壁 生产中根据物料在卧式反应器中的粘度变化 常将多种搅拌翼组合使用 3 加热装置通常采用夹套式加热 以联苯作为热载体 由电热棒封闭式加热或采