聚合物合成工程第3章聚合物生产设备

§3.1聚合物合成设备

聚合物合成设备是关键设备,其种类很多。按结构划分:釜式聚合反应器管式聚合反应器板框式聚合装置塔式聚合反应器履带式聚合装置流化床聚合反应器其他特殊型聚合反应器聚合物合成设备卧式聚合釜捏合机式聚合装置挤出型反应器当前第1页\共有35页\编于星期三\10点3.3.1釜式聚合反应器由容器部分(釜体)、热交换装置、搅拌装置、密封装置及其他部分(如挡板、接管、人孔和支座等)组成,如图3-1所示。图3-1搅拌聚合釜的结构图当前第2页\共有35页\编于星期三\10点1.釜体釜体由圆形简体和上下封头组成,其作用是为物料提供反应空间,所用材质多为搪玻璃、不锈钢和复合钢板,规格有7m3、13.5m3、14m3、30m3、33m3等,最大可达250m3。2.热交换装置

热交换装置的结构有夹套传热、内冷件传热和釜外循环传热等,其作用是供给或带走热量保证反应顺利进行。其中,夹套传热是聚合釜的主要传热方式。当前第3页\共有35页\编于星期三\10点3.搅拌装置搅拌装置由搅拌器(包括搅拌轴、搅拌浆叶和联结件)和传动装置组成,其作用是提高釜内物料的流动性,保证物料混合均匀、传热和传质等。搅拌器材质一般采用不锈钢或搪玻璃。搅拌器的搅拌作用是由运动着的搅拌浆叶产生的,其搅拌特性和效果主要取决于浆叶型式和尺寸。

根据桨叶结构型式及尺寸大小,不同搅拌器适用于不同的搅拌体系。当前第4页\共有35页\编于星期三\10点当前第5页\共有35页\编于星期三\10点当前第6页\共有35页\编于星期三\10点

搅拌器的搅拌参数主要包括搅拌转速N、搅拌功率P和搅拌混合时间t等，有关搅拌器作用原理、搅拌参数的计算、搅拌器操作特性和搅拌器选型即将在《聚合反应工程基础》深入学习。

实际上,搅拌装置一般还包括挡板、导流筒、内盘管等附件,其作用主要是改变釜内物料流型,增大物料湍动程度,增强搅拌效果,提高桨叶的剪切性能,增大传热面积等。此将在《高分子工程设计》深入学习。当前第7页\共有35页\编于星期三\10点4.密封装置密封装置分为动密封或轴封(搅拌轴与简体间)和静密封(釜体法兰与各接管处法兰间)两种。其作用是保证釜内处于一定的正压或真空及防止反应物逸出或杂质渗入。密封的好坏直接影响聚合釜的运行和聚合物的生产及产品的质量等。其中,动密封包括填料密封和机械密封两种型式。

釜式反应器对各种反应体系适应性强、操作弹性大、适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作(生产灵活性大、更换品种方便、适应市场需求能力强)，又可用于连续操作(反应器操作过程稳定、产品质量均一、多釜串联连操作产量大)。当前第8页\共有35页\编于星期三\10点3.1.2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子平行排列构成,它是使反应流体通过细长的管子而进行的反应装置,结构简单,单位体积所具有的传热面较大,适用于高温、高压装置,例如高压聚乙烯生产和尼龙66的熔融缩聚的前期就采用此聚合装置,如图3-2所示。图3-2管式聚合反应器的结构示意图A加热段；B反应段；C冷却段当前第9页\共有35页\编于星期三\10点

采用连续操作方式，物料组成沿管程递变，但某一截面上物料组成在时间进程中变化较小，物料的流动接近于平推流，物料返混很小，物料停留时间分布窄，反应器比传热面积大，物料温度可管长分段控制。反应慢时，要求管子长，压力降大，不适合粘度大体系的生产，一般处理粘度较低的均相反应物料。3.1.3塔式聚合反应器

与釜式聚合反应器相比,塔式聚合反应器构造简单,型式较少,是一种长径比较大的垂直圆筒结构,是挡板式或固体填充式,也可以是简单的空塔,见图3-3。当前第10页\共有35页\编于星期三\10点

物料的流动接近于平推流，物料返混很小，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，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比例有30%左右，管式、塔式反应器约占聚合反应器的10-20%不适合粘度大体系的生产。当前第11页\共有35页\编于星期三\10点3.1.4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流出,如图3-4所示。图3-4流化床聚合反应器的结构示意图流体在反应器中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,颗粒床层犹如液体沸腾一样,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。当前第12页\共有35页\编于星期三\10点3.1.5其他特殊型聚合反应器

板框式聚合装置(有机玻璃和聚苯乙烯)、卧式聚合釜(聚氯乙烯)、捏合机式聚合装置(芳香族聚酰亚胺)、挤出型反应器(尼龙66)和履带式聚合装置(聚异丁烯橡胶)。3.1.6聚合反应器选用依据

包括聚合反应器的稳定性和传热效能、反应器的有效利用率和生产能力、物料在反应器中的停留时间和停留时间分布、物料在反应器中的混合状况以及最终的反应结果(如聚合转化率、残余单体的含量、聚合物分子量及分布、聚合物组成、聚合物颗粒形态、颗粒直径及其分布)等。1.聚合反应器的操作特性当前第13页\共有35页\编于星期三\10点

同一种聚合物可以用不同的聚合方法生产,而不同的聚合方法对聚合反应器的要求不同,例如悬浮聚合、乳液聚合等低黏度体系一般采用釜式聚合反应器;而本体聚合和熔融缩聚等黏度较高体系常采用特殊型式的聚合反应器。2.聚合反应及聚合过程的特点3.聚合反应器的操作特性对聚合物结构与性能的影响4.经济效益当前第14页\共有35页\编于星期三\10点§3.2聚合物分离设备

聚合物分离设备也是关键设备,主要包括脱挥发分分离设备、化学凝聚分离设备和离心分离设备三种。3.2.1脱挥发分分离设备

1.脱挥发分

未反应的低沸点单体和溶剂。2.脱挥发分的脱除和回收方法

工业上,主要有闪蒸法和汽提法两种。闪蒸法是在带搅拌的闪蒸器中减压除去物料中挥发性组分的分离方法;汽提法是用专门的喷射器将聚合物胶液分散于以蒸汽为加热介质且带机械搅拌的汽提器中使溶剂及低沸点单体被汽化的分离方法。

当前第15页\共有35页\编于星期三\10点3.脱挥发分设备

①闪蒸釜

闪蒸釜(或闪蒸器)一般是带搅拌的釜式结构,它是一种传质和传热设备,如图3-5所示。图3-5闪蒸釜

闪蒸釜的材质一般采用不锈钢或碳钢内涂防腐层,闪蒸釜的热量供给可通过夹套和内部直接过热溶剂蒸汽加热来实现。一般由釜体、搅拌器、挡板和热交换装置组成。当前第16页\共有35页\编于星期三\10点

其中,图3-6为无溢流管筛板式结构。②汽提器图3-6氯乙烯汽提塔结构1-回流冷凝器；2-喷嘴；3-塔节；4-筛板；5-视镜；6-裙座

釜式汽提器又可分为单台和多台两种形式。当前第17页\共有35页\编于星期三\10点③蒸发器

薄膜蒸发器、流下液滴、液柱型蒸发器和表面更新型蒸发装置。当前第18页\共有35页\编于星期三\10点3.2.2化学凝聚分离设备

1.脱除物质——溶剂

2.脱除方法

通过在聚合物胶液体系中加入凝聚剂、沉淀剂等，使固体聚合物从胶液中析出的化学凝聚方法。3.凝聚方法及过程

①对于溶液聚合体系，主要通过加入沉淀剂，使聚合物呈粉状或絮状固体析出，再过滤将聚合物与溶剂分离，即凝聚法。

凝聚方法——干法和湿法当前第19页\共有35页\编于星期三\10点

干法,即聚合物溶液闪蒸法,是将溶液中的溶剂及未反应单体通过间接加热脱除，得到无水分的聚合物半成品，溶剂蒸汽经冷凝后直接使用；

凝聚过程湿法则是将聚合物溶液注入热水中，用水蒸气汽提，即利用高于溶剂沸点的热水或过热蒸汽直接加热溶液，使溶剂及未反应单体蒸发，聚合物溶液则凝聚成小颗粒，得到含水的聚合物粗产品，溶剂经冷凝、精制后循环使用。例如：乙丙橡胶的生产过程中，胶液中的溶剂是采用凝聚法进行的。

当前第20页\共有35页\编于星期三\10点

凝聚釜,一般由釜体、喷嘴、折流板和搅拌器组成,如图3-7所示。折流板的作用是使按一个方向运动的水经受折流板的阻力，改变水流的流动状态，改善凝聚效果。

凝聚分离设备图3-7凝聚釜当前第21页\共有35页\编于星期三\10点②对于乳液聚合体系，聚合物胶粒因表面皂分子层保护作用而稳定，对这类聚合物体系的凝聚过程是破坏皂类保护层的过程，即通过加入酸、碱、盐等，使这些酸、碱或盐与胶乳中某些组分作用，破坏原有的混合状态，使聚合物与水分离(破乳)。

絮凝箱,是胶乳与凝聚剂的混合设备,有圆筒式和箱式两种结构,内设辅助箱和挡板,如图3-8所示。图3-8絮凝箱当前第22页\共有35页\编于星期三\10点3.2.3离心分离设备

将聚合物从液体介质中分离一般采用化学破坏（凝聚）分离方法和离心分离方法,与前述化学凝聚分离不同，离心分离是一种物理方法,适用于悬浮聚合和乳液聚合体系。

离心力作用下,利用固体颗粒（分散相）在液体介质（连续相）中的沉降作用将固液分离或利用非均相体系各组分的比重不同将其分离的方法。1.分离过程

沉降离心分离法

适用于分离含固量较少，固体颗粒较小且固、液两相比重差较大的悬浮物料，也适用于液—液系统，用以分离两种互不相溶且比重不同的液体组成的乳浊液。

当前第23页\共有35页\编于星期三\10点

离心力作用下,使液体介质从固体颗粒中分离出来。

离心过滤法

适用于分离含固量较多，固体颗粒较大的悬浮液物料，是工业上使用最多的一种分离方法。2.离心分离设备

离心分离过程所用设备是离心机。根据操作方式，离心机分为间歇式离心机和连续式离心机两种；根据离心机的结构分为卧式刮刀卸料离心机和螺旋沉降式离心机等。当前第24页\共有35页\编于星期三\10点

卧式刮刀卸料离心机

卧式刮刀卸料离心机是周期性循环操作，每个周期分加料、洗涤、分离、刮料、洗网五个程序。适用于分离含固相颗粒大于0.01mm的悬浮液，固相物料可得到较好的脱水和洗涤，处理量大，分离效果较好，对悬浮液浓度变化适应性强。

螺旋沉降式离心机

螺旋沉降式离心机由分为卧式离心机和立式离心机两类,适用于分离含固相颗粒大于0.005mm的悬浮液，也可用于澄清含少量固相的液体，特别适用于分离浓度和固相粒度变化范围较大的悬浮液。但不适用于液相比重大于固相比重，或固、液比重差很小的悬浮液的分离。这类离心机具有连续操作、处理量较大、单位产量耗电量较少、机器精构紧凑等优点。当前第25页\共有35页\编于星期三\10点1.明确分离目的

3.2.4聚合物分离设备的选择原则

2.明确被分离体系的性状

3.明确各种分离过程特点及分离设备的操作特性

4.在满足分离过程要求的前提下，所选择的分离设备费用应尽量少

3.2.5聚合物洗涤

经脱挥、凝聚或离心分离后的聚合物一般还含有一定量可溶性杂质如引发剂、乳化剂等，必须通过洗涤（水洗或碱洗）将其净化。

当前第26页\共有35页\编于星期三\10点§3.3聚合物脱水及干燥设备

经分离、水洗的聚合物粗产品中一般含有一定量（如40-70％）水分和少量其他有机挥发分，必须除去。

工业上，将水分从初始含量脱除到5-15%的过程称为脱水，进一步将剩余水分和少量其他挥发分脱除至0.5%以下的过程称为干燥。脱水和干燥可单独为两步，也可联合成一个连续的过程。3.3.1脱水设备

对于不同类型聚合物,可采用不同的脱水设备。1.离心脱水机

适用于粉状、块状的树脂产品,脱水设备类似离心分离设备。当前第27页\共有35页\编于星期三\10点

适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如热敏性较大的氯丁橡胶等。2.长网机3.脱水振动筛

适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如乳液丁苯胶等。4.挤压脱水机

适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如热敏性较小的顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶和SBS弹性体等。当前第28页\共有35页\编于星期三\10点3.3.2干燥设备

平衡水分(平衡湿度)指固体物料与一定温度和湿度的空气接触时，排出水分或吸收水分使含水量达一定值。当含水量大于平衡水分的固体物料与干燥介质（如热空气）接触时，湿物料表面水分汽化，物料中水分的平衡状态被打破，逐步形成物料内部与表面间的湿度差，物料内部水分借扩散作用逐渐向其表面移动并汽化,汽化水分被干燥介质连续不断地带走。1.干燥原理2.干燥过程——扩散与表面汽化当前第29页\共有35页\编于星期三\10点3.干燥技术及设备

它是一种常压下进行的连续急剧的干燥过程，干燥介质对湿物料起干燥和输送作用,干燥介质与湿物料间并流,具有干燥强度大、干燥时间短、热效率高、设备简单等特点。为了提高干燥效率,一般采用两个气流干燥器串联或一个气流干燥器和一个沸腾床干燥器串联,含水量可控制在0.1%左右。PP、PVC等干燥均可采用此干燥方式。

气流干燥和气流干燥器当前第30页\共有35页\编于星期三\10点

流化床干燥的物料主要是粉状料,凡能使物料聚集成团的湿组分必须先部分除去或掺入半干物料使物料在床层的气流中一粒一粒地分散开;对于干燥期长的物料，可采取气流管或喷雾床先恒速干燥，然后在流化床中进行降速干燥。流化床干燥器有立式和卧式两类，每一类又有单层床和多层床的区别。流化床是核心设备,适用干燥易流动、粒度范围在0.05-15mm的粉料,如PS等。

流态化干燥和流化床干燥器当前第31页\共有35页\编于星期三\10点

喷雾干燥是将悬浮液、溶液、乳浊液或水分散糊状物料雾化成极细小的雾状液滴，