聚合反应设备.ppt

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1、聚合反应过程设备,本章主要内容,第一节聚合物合成设备,第二节聚合物分离过程及设备,第三节聚合物干燥设备,第一节聚合物合成设备,1.1、釜式聚合反应器,在反应器中，釜式反应器(或称反应釜)使用最为广泛。反应釜分不带搅拌的和带搅拌的反应釜，其中带搅拌的反应釜使用更多。釜式聚合反应器即为带搅拌的反应釜，由于设置有搅拌装置，所以釜式聚合反应器也常被称为搅拌聚合釜。釜式聚合反应器的总体结构内以下五部分组成。,搅拌聚合釜的结构示意图,聚合反应釜结构,容器部分,换热装置,搅拌装置,密封装置,其他结构,圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广）。各种接管，满足进料、出料、排气等要求。加热、冷却装置

2、：设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。,装料系数（对容积而言），通常取0.60.85。有泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取0.80.85。,容积,直立式搅拌容器,卧式搅拌容器,筒体和下封头两部分容积之和,筒体和左右两封头容积之和,几种搅拌设备筒体的高径比,釜式反应器是最常用的反应器形式之一,聚合反应是放热反应，生产过程为控制产品平均分子量，要求反应体系温度变化小。,各种单体的聚合热（千卡/克分子）,如何有效的排除聚合反应热，保持反应温度,釜式聚合反应器的排热方

3、式主要有：夹套冷却；夹套附加内冷管冷却，内冷管冷却；反应物料釜外循环冷却，回流冷凝器冷却；反应物料部分闪蒸，反应介质预冷。,夹套冷却；夹套附加内冷管冷却，内冷管冷却；反应物料釜外循环冷却，回流冷凝器冷却；反应物料部分闪蒸，反应介质预冷。,釜式聚合反应器的排热方式主要有：,优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。内冷管浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。,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于平行排列构成，它是使反应流体通过细长的管子而进行反应的装置结构简单，单位体积所具有的传热面较大，适于作高温、高压装置之用。例如高压聚乙烯的生产和尼龙6

4、6的熔融缩聚的前期就是采用这种型式的反应器。,管式聚合反应器结构,环管式反应器结构,丙烯於浆聚合实例,环管式反应器优点,单位体积的传热面较大，只要用冷却水夹套即可满足传热要求，故能耗较低。单位体积生产能力高。如一台66m3双环管反应器年生产能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器的生产能力。反废物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8ms，可有效地防止聚合物在管壁的沉积，进一步强化传热，并降低聚合物凝胶含量。反应单程转化率高，可达95以上，从而减少了单体的循环量。物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产切换。,1.3、塔式聚合反应器,塔式聚合反应器构造简单，型式也较少，是一种长

5、径比较大的垂直圆筒结构，可以是挡板式或固体填充式，也可以是简单的空塔。根据塔内结构的不同而具有不同的特点。在塔式反应器中，物料的流动接近平推流，返混较小。同时，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。塔式装置多用于连续生产且对物料的停留时间有一定要求的情况。常用于一些缩聚反应，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的比例有30左右。,苯乙烯塔式反应器,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引出。流体在器内的流速

6、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，颗粒床层有如液体沸腾一样。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。由于具有流程简单的优势，使用日益普遍。,结构及实例,1.5聚合反应釜的选用原则,聚合反应器的操作特性聚合反应及聚合过程的特性聚合反应器操作特性对聚合物结构 和性能的影响经济效益,机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器),适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业,1.6 机械搅拌反应器,应用,化学反应、生

7、物反应、混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。,结构,组成搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成,由筒体、换热元件及内构件组成,1电动机；2减速机；3机架；4人孔；5密封装置；6进料口；7上封头；8筒体：9联轴器；10搅拌轴；,11夹套；12载热介质出口；13挡板；14螺旋导流板；15轴向流搅拌器；16径向流搅拌器；17气体分布器；18下封头；19出料口；20载热介质进口；21气体进口,通气式搅拌反应器典型结构,搅拌器与流动特征,定义,功能,搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。,提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。,原理,搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在

8、搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。,流型,流体循环流动的途径。,一、流型,流型与搅拌的关系,流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。,流型决定因素,取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征，以及流体性质、搅拌器转速等因素。,搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型,径向流,轴向流,切向流,流型,流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。,(a)径向流,搅拌器与流型,流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使

9、流体向下流动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。,(b)轴向流,搅拌器与流型,无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。,(c)切向流,搅拌器与流型,上述三种流型通常同时存在,轴向流与径向流对混合起主要作用,切向流应加以抑制,采用挡板可削弱切向流，增强轴向流和径向流,除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。,搅拌器在容器内的安装方式,(a)垂直偏心式,(b)底插式,(c)侧插式,(d)斜插式,(e)卧式,挡板与导流筒,(1)挡板,目的消除

10、打漩和提高混合效果,物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。,打漩,后果,随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。,一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/121/10。,挡板,(2)导流筒,作用上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。,涡轮式或桨式搅拌器，导流筒置于桨叶的上方,(b)推进式搅拌器 导流筒套在桨 叶外面，或略 高于桨叶,导流筒,流动特性,搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用

11、。,剪切作用与液液搅拌体系中液滴的细化、固液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气液搅拌体系中气泡的细微化有关。当输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。,流动特性,搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。,循环作用与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环作用时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶轮。,二、搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性,一、搅拌器分类,按流体流动形态,轴向流搅拌器,径向流搅拌器,按结构分为,平叶,折叶,螺旋面叶,桨式、

12、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构,推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶,混合流搅拌器,轴向流搅拌器,按搅拌用途分为,低粘流体用搅拌器,高粘流体用搅拌器,低粘流体搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等。,高粘流体搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋螺带式等。,搅拌器流型分类图谱,桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛。统计约占搅拌器总数的7580。,二、几种常用搅拌器：,1.桨式搅拌器,结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数

13、是2、3或4 片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。,桨式搅拌器,主要应用,也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。,液-液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固-液系中多用于防止固体沉降。,主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。,桨式搅拌器的转速一般为20100r/min，最高粘度为20Pas。,缺点,不能用于以保持气体和以细微化为目的的气液分散操作中。,桨式搅拌器常用参数,注：n转速；v叶端线速度；Bn叶片数；d搅拌器直径；D容器内径：折叶角。,2.推进式搅拌器,推进式搅拌器（又称船用推进器

14、）常用于低粘流体中。,结构,标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。直径较小，d/D=1/41/3，叶端速度一般为 710 m/s，最高达15 m/s。,推进式搅拌器,特点 搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构 简单，制造方便。,搅拌时流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排 出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形 成轴向流动。,循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器,应用,粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度固液系中防止淤泥沉降等,改进,容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。,推进式搅拌

15、器常用参数,涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。,3涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器分为,开式,盘式,开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为2叶和4叶,盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常为6叶。,为改善流动状况，有时把桨叶制成凹形或箭形,应用,涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液液分散、液固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。,平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体

16、搅拌。,涡轮式搅拌器常用参数,4锚式搅拌器,结构简单。适用于粘度在100Pa以下的流体搅拌，当流体粘度在10100Pas时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。,锚式搅拌器,应用,锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。,由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。当搅拌粘度大于100Pas 的流体时，应采用螺带式或螺杆式。,锚式搅拌器常用参数,搅拌器的选用,选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。,搅拌器选型一般

17、从三个方面考虑,搅拌目的,物料粘度,搅拌容器容积的大小,仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见下表,一、按搅拌目的选型,常用的搅拌器选用方法：,搅拌目的与推荐的搅拌器形式,搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）,二、按搅拌器型式和适用条件选型,推进式搅拌器用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过50Pas。桨式搅拌器 结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。,搅拌器型式和适用条件,第二节聚合物分离过程及设备,2.1、脱挥发分分离过程及

18、设备,聚合物生产过程中，脱挥发分分离主要是分离未反应单体和低沸点溶剂。挥发分的脱除和回收在工业上主要有两种方法，即闪蒸法和汽提法。所谓闪蒸就是在减压的情况下除去物料中的挥发性组分过程。闪蒸法脱除单体即是将处于聚合压力的聚合物溶液(或常压下的聚合物溶液)，通过降低压力和提高温度改变体系平衡关系，使溶于溶液中的单体析出。,汽提法系将聚合物胶液用专门的喷射器分散于带机械搅拌并以直接蒸汽为加热介质的内盛热水的汽提器中。胶液细流与热水接触，溶剂及低沸点单体被汽化。聚合物在搅拌下成为悬浮于水中的颗粒，或聚集为琉松碎屑。溶剂及单体蒸汽由汽提器顶部逸出，冷凝后收集。固体聚合物颗粒或絮状物借循环热水的推动由汽提

19、器侧部或底部导 出，经过滤振动筛分离，得到具有一定含水量的粗产品。,2.2、凝聚分离过程及设备,对有些聚合物体系(如溶液聚合体系)，不仅要除去未反应单体，还需将溶剂脱除。溶剂的脱除主要可采取三种方法：一是通过脱挥发分进行浓缩的方法(类似于单体的脱除)适用于低沸点溶剂的脱除。例如溶液丁苯胶的生产，聚合后胶液经闪蒸单元蒸出部分溶剂，使胶液浓度增高至25；二是通过机械离心力作用，使聚合物沉淀、分层，进而与溶剂分离的物理方法；三是在聚合物胶液体系中加入凝聚刘、沉淀剂等使固体聚合物从胶液中析出的化学凝聚力法。,2.3、离心分离过程及设备,离心分离是在液相非均匀体系中，利用离心力来达到液液分离，液固分离的

20、方法，通称为离心分离。分为离心沉降和离心过滤。离心机是在高速旋转的转鼓中，藉惯性离心力的作用，过滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不同、互不溶解的液体分离的设备。,碟片式离心机,第三节聚合物干燥设备,3.1 干燥要求,适应被干燥物料的多样性和不同产品规格要求；,能耗的经济性；,应便于操作、控制等。,设备的生产能力要高；,3.2、工业上常用干燥器,（1）厢式干燥器（盘架式干燥器）,原理：主要是以热风通过湿物料的表面，达到干燥的目的。,厢式干燥器中的加热方式有两种：,单级加热,多级加热,厢式干燥器的优点：构造简单，设备投资少；适应性强，物料损失小，盘易清洗。尤其适用于需要经常更换产品、小批量物料的干燥。

21、,物料得不到分散，干燥时间长；若物料量大，所需的设备容积也大；工人劳动强度大；热利用率低；产品质量不均匀。,厢式干燥器的主要缺点：,（2）气流式干燥器,结构：,优点：气、固间传递表面积很大，体积传质系数很高，干燥速率大；接触时间短，热效率高，气、固并流操作，可以采用高温介质，对热敏性物料的干燥尤为适宜；由于干燥伴随着气力输送，减少了产品的输送装置；气流干燥器的结构相对简单，占地面积小，运动部件少，易于维修，成本费用低。,缺点：必须有高效能的粉尘收集装置，否则尾气携带的粉尘将造成很大的浪费，也会对形成对环境的污染；对有毒物质，不易采用这种干燥方法。但如果必须使用时，可利用过热蒸汽作为干燥介质；对

22、结块、不易分散的物料，需要性能好的加料装置，有时还需附加粉碎过程；气流干燥系统的流动阻力降较大，动力消耗较大。,应用：气流干燥器适于处理含非结合水及结块不严重又不怕磨损的粒状物料，尤其适宜于干燥热敏性物料或临界含水量低的细粒或粉末物料。对粘性和膏状物料，采用干料返混方法和适宜的加料装置，如螺旋加料器等也可正常操作。,（3）流化床干燥器（沸腾床干燥器）,原理：流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用，流态化原理已在上册中叙述。在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。,优点与其它干燥器相比，传热、传质速率高；由于传递速率高，气体离开床层时几乎

23、等于或略高于床层温度，因而热效率高；由于气体可迅速降温，所以与其他干燥器比，可采用更高的气体入口温度；设备简单，无运动部件，成本费用低；操作控制容易。,（4）喷雾干燥器,原理：在喷雾干燥器中，将液态物料通过喷雾器分散成细小的液滴，在热气流中自由沉降并迅速蒸发，最后被干燥为固体颗粒与气流分离。,优点在高温介质中，干燥过程极快，适宜于处理热敏性物料；处理物料种类广泛，如溶液、悬浮液、浆状物料等皆可；喷雾干燥可直接获得干燥产品，因而可省去蒸发、结晶、过滤、粉碎等工序；能得到速溶的粉末或空心细颗粒；过程易于连续化、自动化。,缺点：热效率低；设备占地面积大、设备成本费高；粉尘回收麻烦，回收设备投资大。,