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1、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
2、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500一5000Pas，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
3、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
4、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/D1/4-1/3。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
5、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10Pas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103Pas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/d1，螺带叶宽b与釜径D之比为b/
6、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，
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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用联苯锅炉循环加热。 4出料装置 卧式反应器的料位控制十分重要，料位的上下波动除影响反应时间外，还会产生“凝胶粒子”，直接影响高聚物的质量。生产中通常控制出料量以稳定卧式反应器中的料位，反应器中物料粘度高，有时反应器内还呈真空状，故必须采取持殊方法才能将料排出。 出料方式常见有两种，当反应器内物料粘度不太大、真空度不高时，可利用位差及压差将物料排出； 当体系中物料粘度大、真空度高时，一般采用螺杆排料。出料螺杆与挤出机螺杆结构相似，只是没有加料段，而有伸进釜内的引料螺旋带。,