第8章 聚合反应工程基础

《第8章 聚合反应工程基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章 聚合反应工程基础（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1第八章聚合物反应工程聚合反应设备1张高文材料科学与工程学院聚合物反应设备核心1 聚合反应器聚合反应器的种类及特点按 反应器结构 分类 釜式反应 器（应用最广，在聚合物生产中占 70%以上 )2 管式反应器 塔式反应器 特种反应器 从操作方 式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。反应釜一般带搅拌装置，且形式多样。1.1 釜式聚合反应器（聚合釜）3（ 1）釜体（ 2）搅拌装置基本结构4（ 3）密封装置（ 4）传动装置封头（ 1）釜体端部法兰式结构：开式结构、釜盖重量较轻 ， 适用压力包括：上下封头、直立圆筒、接管、法兰、支座等5，较低、容积较小的反应釜选用。闭

2、式、留人孔式结构：闭式结构、无法兰、结构简单、造价较低，适用容积大的反应釜。62几种搅拌设备筒体的高径比 H1/D1种类 罐内物料类型 高径比一般搅拌罐液 -固相、液液相 1 1.3气 液相 1 2筒体7气 聚合釜 悬浮液、乳化液 2.08 3.85发酵罐类 发酵液 1.7 2.5高径比较大？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89 9 10 10反应釜材质：不锈钢、搪瓷11各种接管 ：满足进料、上下出料、排气等要求。其它辅助装置进料管：原料类型、聚合方式 （ 间隙 、 连续 ）、 颜12（ 、 颜色标识3管道颜色标识原料：灰色空气：蓝色氮气：黑色水

3、 ： 绿色13 13水 ：热介质进出管 ：红色产物放料管：灰色14 1415 15传感器 ：测量反应物的温度、压力或其它参数。1617视镜184支座 ：小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。19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）传热装置20如何有效 的排除聚合反应热，保持反应温度？ 目的： 依聚合反应放热或吸热特点，严格控制反应温度，使恒定或严格按温度曲线进行。 要求 ：传热效率高、结构简单、避免易挂料的粗糙表面及结垢死角，易清洗。21 方法： 夹套、内冷件、回流冷凝、体外循环冷却器等。夹套冷却夹套传热：饱和

4、水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。22蒸汽加热和液体加热的方向？夹套冷却夹套传热：饱和水蒸汽、热水、冷水、冷冻盐水、热导油等。压力MPa温度压力MPa温度0 010 102 0 0 200 133 523. . . .0.050 111.0 0.300 143.50.100 120.0 0.400 151.50.150 127.0 0.520 160.0 夹套附加内冷管冷却 大型聚合釜或要求低温操作245内冷管 蛇管25 回流冷凝器冷却 反应温度较高，单体沸腾回流移去反应热26 回流冷凝器冷却27传热装置 电加热28釜体的保温 高温或低温聚合295适用于各 种物性（如粘度、密度）和各种操

5、作条件（温度、 压力）的反应过程5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（ 2）搅拌装置）搅拌装置305组成 搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成61电动机；2减速机；3机架；5密封装置；9 联轴器 ；搅拌反应器典型结构31 ；10搅拌轴；15轴向流搅拌器；16径向流搅拌器；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。搅拌器旋转时把机械能传递给流体 ， 在搅拌器附近形32原理，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

6、的途径。33流型流型与搅拌的关系9流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切 。流型决定因素9取决于搅拌器的形式9搅拌容器和内构件几何特征34。9搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。9流体性质9搅拌器转速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流型35切向流切向流与搅拌器桨式搅拌器（ 平直叶式 ）： 结构简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是 2、 3或 4 片。367流型： 切向流无挡板的容器内， 流体绕轴作旋转运动 ，流速高时液体表面会形成漩涡 ， 流体从桨叶周围向桨叶区的切向流与搅拌器37，流量很小。混合效果很差。轴向流与搅拌器桨式搅拌器（ 折叶式 ）

7、： 结构简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是 2、 3或 4 片。38流型： 轴向流流体流动方向 平行于搅拌轴 ，流体由桨叶推动，使流体向下流动 ， 遇到容器底面再向上翻 ， 形轴向流与搅拌器39动 ， ， 形成上下循环流。轴向流与搅拌器推进搅拌器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=1/4 1/3，叶端速度一般为 7 10 m/s，最高达 15 m/s。40轴向流与搅拌器推进搅拌器轴向流：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41，面返至桨叶上方粘度低、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

8、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轴向搅拌器的应用42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。8径向流与搅拌器涡轮式搅拌器开式：斜叶、弯叶等，叶片数为 2叶和 4叶；盘式有：直叶、弧叶、斜叶、弯叶圆盘等；叶片数常为 6叶。43径向流与搅拌器涡轮式搅拌器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44， ，上、下二个循环流动。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。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

9、45采用挡板可 削弱切向流，增强轴向流 和径向流其它搅拌器与流型4647 47流动特性9搅拌器从电 动机获得机械能，推动物料（流体）运动。9搅拌器对流 体产生二种作用， 剪切作用 和循环作用。剪切作用与液液搅拌体系中液滴的细化、48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。9流动特性9搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。9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49、 、等相关。当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环

10、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。搅拌器的选用搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌目的物料粘度搅拌容器容积的大小50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。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。51。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525

11、3 53 搅拌器的选用1）保证物料的混合；2）消耗最少的功率；3）所需费用最低；4） 操作方便 ， 易于制造和维修 。54 54） ， 。给定搅拌任务，搅拌装置和操作条件的选择和设计没有成熟方法。10挡板与导流筒物料粘度小 ， 搅拌转速高 ， 液体随打漩流型： 切向流55， ，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。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 。56， 。一般在容器内壁面均匀安装 4块挡板；消除打漩，增大被搅拌液体的湍流程度 ， 将切向流改为轴向流和改善措施一：设置挡板57

12、，径向流，强化液体对流和扩散；宽度为容器直径的 1/12 1/10。58 58改善措施一：设置导流筒a.上下 开口圆筒 ，安装于 容器内 。b.导流筒 上端低于静液面 ，筒身开 孔 或 槽 ，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。c.导流筒将搅拌容器截面分成 面59涡轮式或桨式搅拌器导流筒置于桨叶的 上方推进式搅拌器导流筒套在桨叶 外面 ，或略 高于桨叶积相等 的 两部分 。d.当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的 下端直径应缩小 ，使下部开口小于搅拌器的直径。a.导流，可以为流体 限定 一个 流动路线 ， 防止短路b.使筒内液体 搅拌程度 混合效率c.迫使流体高速流过加热面

13、 利于传热作用 (Function):60 6011传动装置61 61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1.2 管式聚合反应器62、高压装置之用。例如高压聚乙烯的生产和尼龙 66的熔融缩聚的前期就是采用这种型式的反应器。管式反应器63管式聚合反应器64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

14、线速度可达 8m s，可65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。66 6612塔式聚合反应器构造简单，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 。， 塔内物料温度可沿塔高分段控制 。1.2 塔式聚合反应器67， 塔内物料温度可沿塔高分段控制 。， 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。左右。塔式反应器68 68苯乙烯塔式反应器原料80 OC 80 OC预聚釜69110 130 OC130 180 OC180 225 OC塔式反应器聚苯乙烯冷却、切粒、包装分离过程及设备2 聚合物分离过程及设备70 7071 71 72 721373 73 74 7475 75 76 7677 77 78 781479 79 80 80Thank 81 81you !