聚合物合成工程-第3 章 聚合物生产设备分析

3.1.2 管式聚合反应器
管式聚合反应器由单根连续管 或一根以上的管子平行排列构成, 它是使反应流体通过细长的管子而 进行的反应装置,结构简单,单位体 积所具有的传热面较大,适用于高 温、高压装置,例如高压聚乙烯生 产和尼龙66的熔融缩聚的前期就采 用此聚合装置,如图3-2所示。
图3-2 管式聚合反应器的结构示意图 A 加热段；B 反应段；C 冷却段
第3章 聚合物生产设备
3.1 聚合物合成设备 3.2 聚合物分离设备 3.3 聚合物脱水及干燥设备
§3.1 聚合物合成设备
聚合物合成设备是关键设备,其种类很多。按结构划分:
聚合物合成设备
釜式聚合反应器 管式聚合反应器 塔式聚合反应器 流化床聚合反应器 其他特殊型聚合反应器
板框式聚合装置 卧式聚合釜 捏合机式聚合装置 挤出型反应器 履带式聚合装置
与釜式聚合反应器相比,塔式聚合反应器构造简单,型式较少,是一 种长径比较大的垂直圆筒结构,是挡板式或固体填充式,也可以是简单 的空塔,见图3-3。
物料的流动接近于平推流，物料返混很小， 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，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 比例有30%左右，管式、塔式反应器约占聚合反应 器的10-20%不适合粘度大体系的生产。
3. 聚合反应器的操作特性对聚合物结构与性能的影响
4. 经济效益
§3.2 聚合物分离设备
聚合物分离设备也是关键设备,主要包括脱挥发分分离设备、化学凝 聚分离设备和离心分离设备三种。
3.2.1 脱挥发分分离设备
1. 脱挥发分 未反应的低沸点单体和溶剂。
2. 脱挥发分的脱除和回收方法 工业上,主要有闪蒸法和汽提法两种。闪蒸法是在带搅拌的闪蒸器
离心力作用下,使液体介质从固体颗粒中分离出来。 适用于分离含固量较多，固体颗粒较大的悬浮液物料，是工业上使 用最多的一种分离方法。
2. 离心分离设备 离心分离过程所用设备是离心机。根据操作方式，离心机分为间歇
式离心机和连续式离心机两种；根据离心机的结构分为卧式刮刀卸料离 心机和螺旋沉降式离心机等。
➢ 卧式刮刀卸料离心机 卧式刮刀卸料离心机是周期性循环操作，每个周期分加料、洗涤、
加热脱除，得到无水分的聚合物半成品，溶剂蒸汽经冷凝后直接使用；
湿法则是将聚合物溶液注入热水中，用水蒸气汽提，即利用高于溶 剂沸点的热水或过热蒸汽直接加热溶液，使溶剂及未反应单体蒸发，聚 合物溶液则凝聚成小颗粒，得到含水的聚合物粗产品，溶剂经冷凝、精 制后循环使用。
例如：乙丙橡胶的生产过程中，胶液中的溶剂是采用凝聚法进行的。
根据桨叶结 构型式及尺寸大 小,不同搅拌器适 用于不同的搅拌 体系。
搅拌器的搅拌参数主要包括搅拌转速N、搅拌功率P和搅拌混合时间t 等，有关搅拌器作用原理、搅拌参数的计算、搅拌器操作特性和搅拌器 选型即将在《聚合反应工程基础》深入学习。
实际上,搅拌装置一般还包括挡板、导流筒、内盘管等附件,其作用主 要是改变釜内物料流型,增大物料湍动程度,增强搅拌效果,提高桨叶的剪 切性能, 增大传热面积等。此将在《高分子工程设计》深入学习。
§3.3 聚合物脱水及干燥设备
经分离、水洗的聚合物粗产品中一般含有一定量（如40 -70％） 水分和少量其他有机挥发分，必须除去。
工业上，将水分从初始含量脱除到5-15%的过程称为脱水，进一步 将剩余水分和少量其他挥发分脱除至0.5%以下的过程称为干燥。脱水和 干燥可单独为两步，也可联合成一个连续的过程。
絮凝箱,是胶乳与凝聚剂的混合设备,有 圆筒式和箱式两种结构,内设辅助箱和挡板, 如图3-8所示。
图3-8 絮凝箱
3.2.3 离心分离设备
将聚合物从液体介质中分离一般采用化学破坏（凝聚）分离方法和 离心分离方法,与前述化学凝聚分离不同，离心分离是一种物理方法,适 用于悬浮聚合和乳液聚合体系。
1. 分离过程
采用连续操作方式，物料组成沿管程递变，但某一截面上物料 组成在时间进程中变化较小，物料的流动接近于平推流，物料返混 很小，物料停留时间分布窄，反应器比传热面积大，物料温度可管 长分段控制。反应慢时，要求管子长，压力降大，不适合粘度大体 系的生产，一般处理粘度较低的均相反应物料。
3.1.3 塔式聚合反应器
中减压除去物料中挥发性组分的分离方法;汽提法是用专门的喷射器将 聚合物胶液分散于以蒸汽为加热介质且带机械搅拌的汽提器中使溶剂及 低沸点单体被汽化的分离方法。
3. 脱挥发分设备 ① 闪蒸釜
闪蒸釜(或闪蒸器)一般是带搅拌的釜式结构,它是一种传质和传热设 备,如图3-5所示。
闪蒸釜的材质一般采用不锈钢或碳钢内涂 防腐层,闪蒸釜的热量供给可通过夹套和内部直 接过热溶剂蒸汽加热来实现。一般由釜体、搅 拌器、挡板和热交换装置组成。
能力、物料在反应器中的停留时间和停留时间分布、物料在反应器中的 混合状况以及最终的反应结果(如聚合转化率、 残余单体的含量、聚合 物分子量及分布、聚合物组成、聚合物颗粒形态、颗粒直径及其分布) 等。
2. 聚合反应及聚合过程的特点 同一种聚合物可以用不同的聚合方法生产,而不同的聚合方法对聚合
反应器的要求不同,例如悬浮聚合、乳液聚合等低黏度体系一般采用釜式 聚合反应器;而本体聚合和熔融缩聚等黏度较高体系常采用特殊型式的聚 合反应器。
橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶和SBS弹性体等。
3.3.2 干燥设备
1. 干燥原理
平衡水分(平衡湿度)指固体物料与一定温度和湿度的空气接触时， 排出水分或吸收水分使含水量达一定值。当含水量大于平衡水分的固体 物料与干燥介质（如热空气）接触时，湿物料表面水分汽化，物料中水 分的平衡状态被打破，逐步形成物料内部与表面间的湿度差，物料内部 水分借扩散作用逐渐向其表面移动并汽化, 汽化水分被干燥介质连续不 断地带走。
➢ 凝聚分离设备 凝聚釜,一般由釜体、喷嘴、折流板和搅
拌器组成,如图3-7所示。折流板的作用是使按 一个方向运动的水经受折流板的阻力，改变水 流的流动状态，改善凝聚效果。
图3-7 凝聚釜
② 对于乳液聚合体系，聚合物胶粒因表面皂分子层保护作用而稳定，对 这类聚合物体系的凝聚过程是破坏皂类保护层的过程，即通过加入酸、 碱、盐等，使这些酸、碱或盐与胶乳中某些组分作用，破坏原有的混合 状态，使聚合物与水分离(破乳)。
图3-4 流化床聚合反应器的 结构示意图
3.1.5 其他特殊型聚合反应器
板框式聚合装置(有机玻璃和聚苯乙烯)、卧式聚合釜(聚氯乙烯)、 捏合机式聚合装置(芳香族聚酰亚胺)、挤出型反应器(尼龙66)和履带式 聚合装置(聚异丁烯橡胶) 。
3.1.6 聚合反应器选用依据
1. 聚合反应器的操作特性 包括聚合反应器的稳定性和传热效能、反应器的有效利用率和生产
4. 密封装置
密封装置分为动密封或轴封(搅拌轴与简体间)和静密封(釜体法兰与 各接管处法兰间)两种。其作用是保证釜内处于一定的正压或真空及防 止反应物逸出或杂质渗入。密封的好坏直接影响聚合釜的运行和聚合物 的生产及产品的质量等。其中,动密封包括填料密封和机械密封两种型 式。
釜式反应器对各种反应体系适应性强、操作弹性大、适用温度和压 力范围广，既可用于间歇操作(生产灵活性大、更换品种方便、适应市场 需求能力强)，又可用于连续操作(反应器操作过程稳定、产品质量均 一、多釜串联连操作产量大)。
3.1.4 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流出,如图3-4 所示。
流体在反应器中的流速要控制到固 体颗粒在流动中浮动而不致从系统中带 出,在此状态下,颗粒床层犹如液体沸腾一 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。
图3-5 闪蒸釜
② 汽提器 其中,图3-6为无溢流管筛板式结构。 釜式汽提器又可分为单台和多台两种形式。
图3-6 氯乙烯汽提塔结构 1-回流冷凝器；2-喷嘴； 3-塔节；4-筛板；5-视镜； 6-裙座
③ 蒸发器 薄膜蒸发器、流下液滴、液柱型蒸发器和表面更新型蒸发装置。
3.2.2 化学凝聚分离设备
➢ 沉降离心分离法 离心力作用下,利用固体颗粒（分散相）在液体介质（连续相）中的
沉降作用将固液分离或利用非均相体系各组分的比重不同将其分离的方 法。
适用于分离含固量较少，固体颗粒较小且固、液两相比重差较大的 悬浮物料，也适用于液—液系统，用以分离两种互不相溶且比重不同的 液体组成的乳浊液。
➢ 离心过滤法
3.3.1 脱水设备 对于不同类型聚合物,可采用不同的脱水设备。
1. 离心脱水机 适用于粉状、块状的树脂产品,脱水设备类似离心分离设备。
2. 长网机 适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如热敏性较大的氯丁橡胶
等。
3. 脱水振动筛
适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如乳液丁苯胶等。Leabharlann Baidu
4. 挤压脱水机 适用于自身粘附性较强的橡胶类产品,如热敏性较小的顺丁橡胶、异戊
3.3.1 釜式聚合反应器 由容器部分(釜体) 、热交换
装置、搅拌装置、密封装置及其 他部分 (如挡板、接管、人孔和支 座等) 组成,如图3-1所示。
图3-1 搅拌聚合釜的结构图
1. 釜体 釜体由圆形简体和上下封头组成,其作用是为物料提供反应空间,所
用材质多为搪玻璃、不锈钢和复合钢板,规格有7m3、13.5m3 、14m3 、 30m3 、 33m3等,最大可达250m3。
3.2.4 聚合物分离设备的选择原则 1. 明确分离目的 2. 明确被分离体系的性状 3. 明确各种分离过程特点及分离设备的操作特性 4. 在满足分离过程要求的前提下，所选择的分离设备费用应尽量少
3.2.5 聚合物洗涤 经脱挥、凝聚或离心分离后的聚合物一般还含有一定量可溶性杂质
如引发剂、乳化剂等，必须通过洗涤（水洗或碱洗）将其净化。
1. 脱除物质——溶剂
2. 脱除方法 通过在聚合物胶液体系中加入凝聚剂、沉淀剂等，使固体聚合物从
胶液中析出的化学凝聚方法。
3. 凝聚方法及过程 ① 对于溶液聚合体系，主要通过加入沉淀剂，使聚合物呈粉状或絮状 固体析出，再过滤将聚合物与溶剂分离，即凝聚法。 ➢ 凝聚方法——干法和湿法
➢ 凝聚过程 干法,即聚合物溶液闪蒸法,是将溶液中的溶剂及未反应单体通过间接
2. 干燥过程——扩散与表面汽化
3. 干燥技术及设备
➢ 气流干燥和气流干燥器
它是一种常压下进行的连续急剧的 干燥过程，干燥介质对湿物料起干燥和 输送作用,干燥介质与湿物料间并流,具有 干燥强度大、干燥时间短、热效率高、 设备简单等特点。为了提高干燥效率,一 般采用两个气流干燥器串联或一个气流 干燥器和一个沸腾床干燥器串联,含水量 可控制在0.1%左右。PP、PVC等干燥均 可采用此干燥方式。
分离、刮料、洗网五个程序。适用于分离含固相颗粒大于0.01mm的悬浮 液，固相物料可得到较好的脱水和洗涤，处理量大，分离效果较好，对 悬浮液浓度变化适应性强。
➢ 螺旋沉降式离心机
螺旋沉降式离心机由分为卧式离心机和立式离心机两类,适用于分离 含固相颗粒大于0.005mm的悬浮液，也可用于澄清含少量固相的液体， 特别适用于分离浓度和固相粒度变化范围较大的悬浮液。但不适用于液 相比重大于固相比重，或固、液比重差很小的悬浮液的分离。这类离心 机具有连续操作、处理量较大、单位产量耗电量较少、机器精构紧凑等 优点。
2. 热交换装置 热交换装置的结构有夹套传热、内冷件传热和釜外循环传热等,其
作用是供给或带走热量保证反应顺利进行。其中,夹套传热是聚合釜的主 要传热方式。
3. 搅拌装置
搅拌装置由搅拌器(包括搅拌轴、搅拌浆叶和联结件)和传动装置组 成,其作用是提高釜内物料的流动性,保证物料混合均匀、传热和传质 等。搅拌器材质一般采用不锈钢或搪玻璃。搅拌器的搅拌作用是由运动 着的搅拌浆叶产生的,其搅拌特性和效果主要取决于浆叶型式和尺寸。
➢ 流态化干燥和流化床干燥器
流化床干燥的物料主要是粉状料,凡 能使物料聚集成团的湿组分必须先部分 除去或掺入半干物料使物料在床层的气 流中一粒一粒地分散开; 对于干燥期长 的物料，可采取气流管或喷雾床先恒速 干燥，然后在流化床中进行降速干燥。 流化床干燥器有立式和卧式两类，每一 类又有单层床和多层床的区别。流化床 是核心设备,适用干燥易流动、粒度范围 在0.05-15mm的粉料,如PS等。