聚合物合成工艺设备讲解

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1、本章主要内容本章主要内容 第一节 聚合物合成设备第一节 聚合物合成设备 第二节 聚合物分离过程及设备第二节 聚合物分离过程及设备 2 1 3 第三节 聚合物干燥设备第三节 聚合物干燥设备 第一节 聚合物合成设备第一节 聚合物合成设备 1.11.1、釜式釜式聚合反应器 在反应器中，釜式反应器(或称作反应釜) 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 聚合反应釜结构聚合反应釜结构 容器部分容器

2、部分 换热装置换热装置 搅拌装置搅拌装置 聚合反应聚合反应 釜结构釜结构 密封装置密封装置 其他结构其他结构 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。 为使釜式聚合反应器中的传质、传热过程正常进行，聚合釜中必 须安装搅拌器。 搅拌器 螺带式螺轴式桨式 涡轮式 推进器式 锚式 涡轮式 平桨式和锚式 螺带式 粘度 1.21.2、管式聚合反应器

3、、管式聚合反应器 管式聚合反应器由单根连续管或一根以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，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温、高压装置之用。例如高压聚乙烯的生产 和尼龙和尼龙6666的熔融缩聚的前期就是采用这种型的熔融缩聚的前期就是采用这种型 式的反应器。式的反应器。 管式聚合反应器结构管式聚合反应器结构 环管式反应器结构环管式反应器结构 丙烯於浆聚合实例丙烯

4、於浆聚合实例 环管式反应器优点环管式反应器优点 (1)(1)单位体积的传热面较大，只要用冷却水夹套即可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。满足传热要求，故能耗较低。 (2)(2)单位体积生产能力高。如一台单位体积生产能力高。如一台66m66m 3 3 双环管反应器双环管反应器 年生产能力可达年生产能力可达4.54.5万吨左右，高于釜式反应器的生万吨左右，高于釜式反应器的生 产能力。产能力。 (3)(3)反废物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速反废物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速 度可达度可达8m8ms s，可有效地防止聚合物在管壁的沉积，可有效地防止聚

5、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。进一步强化传热，并降低聚合物凝胶含量。 (4)(4)反应单程转化率高，可达反应单程转化率高，可达9595以上，从而减少了以上，从而减少了 单体的循环量。单体的循环量。 (5)(5)物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚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。合物的生产切换。 1.31.3、塔式聚合反应器、塔式聚合反应器 与釜式聚合反应器相比，塔式聚合反与釜式聚合反应器相比，塔式聚合反 应器构造简单型式也较少，是一种长应器构造简单型式也较少，是一种长 径比较大的垂直圆筒结构，可以是挡板径比较大的垂直圆筒结构，可以是

6、挡板 式或固体填充式，也可以是简单的空塔式或固体填充式，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。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

7、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式聚合反应器所占的比例有3030左右。左右。 第一节 连锁聚合反应的工业实施方法第一节 连锁聚合反应的工业实施方法 苯乙烯塔式反应器苯乙烯塔式反应器 110 130 OC 130 180 OC 180 225 OC 塔式反应器 原料原料 聚苯乙烯 冷却、切粒、包装 80 OC80 OC 预聚釜 1.41.4流化床聚合反应器流化床聚合反应器 流化床聚合反应器是一种垂直圆筒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形或圆锥形容器，内装催化剂或参与

8、反 应的细小固体颗粒，反应流体从反应器应的细小固体颗粒，反应流体从反应器 底部进入，而反应产物则从顶部引出。底部进入，而反应产物则从顶部引出。 流体在器内的流速要控制到固体颗粒在流体在器内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。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。具

9、有流程简单的优势，使用日益普遍。 结构及实例结构及实例 1.51.5聚合反应釜的选用原聚合反应釜的选用原 则则 1 1聚合反应器的操作特性聚合反应器的操作特性 2. 2. 聚合反应及聚合过程的特性聚合反应及聚合过程的特性 3 3聚合反应器操作特性对聚合物结聚合反应器操作特性对聚合物结 构构 和性能的影响和性能的影响 4 4经济效益经济效益 第二节 聚合物分离过程及设备第二节 聚合物分离过程及设备 2.12.1、脱挥发分分离过程及设备、脱挥发分分离过程及设备 聚合物生产过程中，脱挥发分分离主要是分聚合物生产过程中，脱挥发分分离主要是分 离未反应单体和低沸点溶剂。挥发分的脱除和回离未反应单体和低沸

10、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。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 压力的聚合物溶液压力的聚合物溶液( (或常压下的聚合物溶液或常压下的聚合物溶液) )，通，通 过降低压力和提高温度改变体系平衡关系，使溶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。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

11、汽为加热介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，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器侧部或底部导循环热水的推动由汽提器侧部或底部导 出出 ，经过滤振动筛分离，得到具有一定含水量，经过滤振动筛分离，得到具有一定含水量 的粗产

12、品。的粗产品。 2.22.2、凝聚分离过程及设备、凝聚分离过程及设备 对有些聚合物体系对有些聚合物体系( (如溶液聚合体系如溶液聚合体系) )，不仅，不仅 要除去未反应单体，还需将溶剂脱除。溶剂的脱要除去未反应单体，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 浓缩的方法浓缩的方法( (类似于单体的脱除类似于单体的脱除) )适用于低沸点适用于低沸点 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，使胶液浓度增高至液经闪蒸单元蒸出部分溶剂，使胶液浓度增高至 2525；

13、二是通过机械离心力作用，使聚合物沉淀；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、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。聚合物从胶液中析出的化学凝聚力法。 2.32.3、离心分离过程及设备、离心分离过程及设备 离心离心分离是在液相非均匀体系中，利用分离是在液相非均匀体系中，利用 离心力来达到液液分离，液固分离的方离心力来达到液液分离，液固分离的方 法，通称为离心分离。分为离心沉降和法，通称为离心分离。分为离心沉降和 离心过滤。离心过滤。

14、离心机是在高速旋转的转鼓中，藉惯性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将两种轻重不同、互不溶解的液体分离 的设备。的设备。 碟片式离心机碟片式离心机 第三节 聚合物干燥设备第三节 聚合物干燥设备 3.1 3.1 干燥要求干燥要求 适应被干燥物料的多样性和不同产品规格适应被干燥物料的多样性和不同产品规格 要求；要求； 能耗的经济性； 还应便于操作、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。

15、 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。 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

16、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： 气流干燥器适宜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。 加料 单层圆筒沸腾床干燥器 至分离器 出料 热空