聚合攪拌

聚合攪拌：聚合反應(yīng)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(yīng)工藝，還受制于聚合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式。攪拌釜式反應(yīng)器作為重要的聚合反應(yīng)設(shè)備，需要專業(yè)的選型與設(shè)計(jì)，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(yīng)器的設(shè)計(jì)與工程放大幾乎集中了所有攪拌反應(yīng)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(xué)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(fù)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(fù)雜性。例如三維流動的隨機(jī)性、攪拌器形狀復(fù)雜、邊界條件難定等；

　　(4) 聚合過程熱效應(yīng)大，反應(yīng)溫度要求苛刻，傳熱元件與攪拌器往往需特殊設(shè)計(jì)。

　　(5) 聚合設(shè)備大型化。

　原正公司與浙江大學(xué)進(jìn)行了多年的產(chǎn)學(xué)研合作，在聚合反應(yīng)技術(shù)與裝備方面吸取了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo)，相繼開發(fā)了多種聚合過程的攪拌設(shè)備，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

　　◇ 間歇溶液聚合反應(yīng)器

　　間歇溶液聚合反應(yīng)器設(shè)計(jì)的難易程度取決于聚合反應(yīng)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(jì)比較簡單。但大多數(shù)間歇溶液聚合反應(yīng)開始時單體粘度很低，隨聚合進(jìn)行，粘度急速增高，而一般的攪拌器很難適應(yīng)粘度大范圍的變化，某些半連續(xù)聚合工藝在反應(yīng)過程中不斷滴加單體導(dǎo)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(yīng)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(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)更寬的粘度域。內(nèi)層為高速多層渦輪槳，適合聚合初期，當(dāng)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(qiáng)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(jì)。

　　(3) 采用螺桿攪拌器，在導(dǎo)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(yīng)器內(nèi)上下濃度和溫度的不均勻性，導(dǎo)流筒的壁還可以設(shè)計(jì)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(dǎo)流筒具有循環(huán)能力強(qiáng)、適應(yīng)粘度范圍大、傳熱效率高等三個特點(diǎn)，使其成為間歇溶液聚合的典型攪拌器，成功的應(yīng)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?jǐn)嚢杵骺稍O(shè)計(jì)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(yùn)動狀態(tài)，其傳熱系數(shù)比內(nèi)置盤管大5倍?？招臄嚢杵饕部捎糜诠毯枯^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(yīng)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(bǔ)充傳熱面，或用低沸點(diǎn)溶劑或單體蒸發(fā)撤熱。

 聚合攪拌：聚合反應(yīng)攪拌裝置

　　◇ 連續(xù)溶液聚合反應(yīng)器

　　連續(xù)溶液聚合反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(yīng)器以減少反應(yīng)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(jì)時需權(quán)衡各因素。每個反應(yīng)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(jìn)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(yīng)后期體系粘度更高，進(jìn)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(jì)或帶刮板設(shè)計(jì)。

　　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(jì)成長徑比較大的形狀，攪拌器設(shè)計(jì)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(jì)成全混釜。

　◇ 間歇乳液聚合反應(yīng)器

　　乳液聚合反應(yīng)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(yīng)器的設(shè)計(jì)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(qiáng)度必須達(dá)到液液分散的臨界點(diǎn)，若攪拌強(qiáng)度過低，則會使單體與水相發(fā)生相分離，導(dǎo)致乳液聚合反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器

　　◇ 聚酯聚合反應(yīng)器

　　聚酯聚合反應(yīng)器一般由酯化釜、預(yù)縮聚釜、終縮聚釜串聯(lián)組成，其中終縮聚釜為平推流反應(yīng)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(yù)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(dǎo)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(yīng)的控制因素。為了提高聚合度，連續(xù)縮聚釜的設(shè)計(jì)不僅要避免返混，還要提供大的傳質(zhì)表面和短的擴(kuò)散路徑。臥式單軸圓盤反應(yīng)器是典型的縮聚設(shè)備，具有較強(qiáng)的表面更新能力，在許多PET裝置中的得到應(yīng)用。然而，某些聚酯的粘度遠(yuǎn)超PET，例如PBT，如果仍采用臥式單軸圓盤反應(yīng)器，物料在圓盤上無法形成均勻的液膜，成團(tuán)的物料阻止小分子的擴(kuò)散，也影響傳熱。

　　原正根據(jù)超高粘聚酯的工藝特點(diǎn)，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(qiáng)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(yīng)用。

STC-6000型PBS縮聚釜

部分業(yè)績