高分子加工设备

第二章、聚合反应器第一节、搅拌釜式反应器一、概述1、反应器基本组成及功能（播放搅拌釜式反应器动画和视频）（1）容器部分－由筒身、顶盖、底盖组成，作用是储存反应物料（2）加热（冷却）部分－由夹套、蛇行管组成，作用是使物料与外界进行热交换（3）搅拌装置－由搅拌器、传动装置组成，作用是加速反应、匀化物料（4）密封装置－由动密封、静密封组成，作用是使系统无渗漏（5）其它附件－由接口、人孔、手孔、视镜、法兰、支座、仪表组成，作用是使反应器正常工作2、工作方式（1）间歇式－适应性大，便于调换品种，但产量低（2）连续式－生产能力高，自动化程度高（3）半连续式－控制反应进程3、设计要求z满足工艺要求：产量、长径比z不与反应物料起反应z足够的机械强度与刚度：耐压、耐高温z操作安全，密封可靠z结构简单，价格低廉二、反应器的主要尺寸（V、D、L)1、反应器容积V（1）间歇式（2）连续式2、反应器直径D（1）直径公式的导出（2）内径标准化－JB1153-73z0.4-1.0m之间－0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0z1.0-3.0m之间－1.0,1.2,1.4,,,,,,2.6,2.8,3.03、反应器高度Li=L/Dn解释问题：反应器封头为什么要加直边？答：避开应力集中区（见下图）。4、反应器长径比选择原则（1）工艺要求－根据工艺的要求决定采用长径比的大小。（2）操作压力－在充分考虑了工艺要求后，可根据操作压力考虑长径比（参见下图）。（3）节省材料－若无上述限制，可采用优化设计，即长径比i＝15、反应器封头的选择半球形受压能力大，制造困难，只用于大型储存筒。椭圆形受力状况好（曲线过渡平滑），冲压制作容易，为常用封头。碟形常用于手工单件制作。锥形作底盖，易于出料。平板形制造方便，但受压能力较小。6、反应器尺寸制定步骤z根据年产量和工艺条件→Vz根据已定的长径比i→Dn→圆整z选择封头形式，查表得→L封、V封z根据V、V封、Dn计算→L筒zL筒＋2L封→L总三、材料选择1、选用材料的原则（1）耐腐蚀性能－釜体常用1Crl8Ni9Ti不锈钢制造。常用的不锈钢还有0Crl8Ni9Ti、0Crl8Ni12Mo2Ti、1Cr12Mo2Ti等。（2）物理机械性能①强度－σb,σs要求大（σb－强度应力；σs－屈服应力）②塑性－要求好，铸铁不能用。③重度－要求比重小。④传热性－对工作温度高的反应器要求传热性好。（3）制造工艺性－主要考虑焊接性能，冲压性能。焊接含碳量要低，35＃钢（含碳0.35%）以上就不行了。（4）经济性－来源广，成本低。2、常用材料（1）不锈钢－常用的不锈钢有1Crl8Ni9Ti、0Crl8Ni9Ti、0Crl8Ni12Mo2Ti、1Cr12Mo2Ti、ICrl8Nil2Mo2Ti等。1Crl8Ni9Ti不锈钢（要求记住）1Crl8Ni9Ti*含碳量小于0.14%含Cr17-19%含Ni平均9%含Ti小于1%Ti*－主要是用来在焊接时起作用的。在焊接高温时，Cr、Ni易和C结合而丧失防腐蚀作用，而Ti更易和C作用，抢在Cr、Ni之前反应，保护了Cr、Ni，如不考虑焊接，可用不含Ti的不锈钢。（2）复合钢板－由于不锈钢成本很高，有时为了节省设备费用，可采用复合钢板和非金属防腐蚀材料代替。复合钢板是以碳钢为基体，不锈钢薄层为防腐蚀层，以达到节约不锈钢材的目的。复合钢板的缺点是焊接加工较复杂，碳钢和不锈钢的热膨胀系数不同，受热后容易造成内应力而脱壳。（3）普通低碳钢－价格低、焊接方便，是非直接接触化纤物料的设备常用的材料，但耐腐蚀性能差。常用的有A3钢、20#钢、A3F沸腾钢等。（4）低合金钢－机械强度比低碳钢高，其它性能相似。如16Mn，40Mn等。（5）铜－低温时用。-40C以下绝对不能用钢，钢在低温下呈脆性，易碎。（6）铅－耐稀硫酸，但太重太软，要用衬架。（7）镍－耐高温、高浓度NaOH。（8）钛－耐Cl-的王牌。（9）合金铝－轻。（10）化工搪瓷－常用的非金属防腐蚀材料有化工搪瓷。它是一种含硅量很高的瓷釉，在400℃左右的高温下缎烧，使瓷釉密着于金属胎的表面。搪瓷的表面十分光滑、致密，有隔离金属离子的作用，且具有良好的耐蚀、耐磨和电绝缘性，机械强度亦很高。但搪瓷的主要缺点是传热性能差（只有碳钢的1／50），经不起振动和硬物的冲击，以及温度的骤变，所以应用受到限制。（11）玻璃钢－除化工搪瓷外，还可采用玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。它具有良好的耐腐蚀性和电绝缘性，但导热性较差。（12）硬聚氯乙烯－象玻璃钢一样，硬聚氯乙烯塑料衬里具有良好的耐腐蚀性和电绝缘性，但导热性较差，而且硬聚氯乙烯衬里的使用温度较低（-10C---+50C），不宜工作在温度高的场合。（13）涂料－是种合成漆，防腐蚀，但薄层易开裂剥落，一般用作料桶。注释：非金属衬里材料有一共同缺点：传热性差、强度不高。对于脆性材料，如碎一点，在该处会形成很大的腐蚀电流，很易烂穿，因此衬里材料用得不多。四、反应器壁厚1、预备知识（1）容器分类（2）受力分析①厚壁容器－三相应力状态－有力矩理论②薄壁容器－二相应力状态－无力矩理论（3）无力矩理论①对于承受气体压力的圆柱体壳体②根据σ2＝2σ1，在容器设计中规定了以下两点：z开椭圆形人孔，应将短轴放在Z轴（回转轴）方向；z纵向焊缝（Z轴方向）的强度应高于横向焊缝。2、受内压薄壁容器壁厚计算（1）应力分析①容器内部压力－流体介质的静压力与自重等引起的轴向应力和环向应力。②残余焊缝应力－由焊接时局部加热所引起的。③附加载荷－自重、风载荷和附属设备等。④热应力－温度所引起的应力（包括材料膨胀系数不同所引起的应力）。⑤其它应力－由于连接管道所引起的局部应力，在运输、吊装时产生的应力以及卧式容器的弯曲应力等。（2）壁厚理论计算公式（3）壁厚理论公式修正①焊缝系数ϕ－由于焊缝降低了许用应力，应计入焊缝系数ϕ，[σ]→[σ]ϕ②壁厚附加量C－抵消腐蚀影响、钢板厚度负偏差和加工减薄量。S=S0+C③直径修改－把平均直径D改为容器内径Dn。D=Dn+S-C④温度校正－[σ]应取工作时出现的最高温度时的数值[σ]t。⑤内压取值－设计压力（kg/cm2)应取最大工作压力Pmax。（4）壁厚圆整-壁厚设计值应圆整到材料规格，并且不能小于最小壁厚。最小壁厚：z对碳钢和低碳钢：S≥3mm；z对不锈钢：S≥2mm。3、受外压薄壁容器的稳定性（略）4、壁厚设计标准化z为了简化容器的设计和制造，增加容器部件的互换性，第一机械工业部颁布了圆筒壳体、常用的封头和某些容器附件的标准。z容器标准化的最基本参数是公称容积Vg、公称直径Dg和公称压力Pg。z公称直径规定为容器的内径。z对于一般钢制内压薄壁圆筒形容器，根据其公称直径和公称压力，可以从已经编制的标准中直接查出壁厚。五、搅拌器1、搅拌器作用z加速物理与化学反应－溶解物料，分散、匀化液体。z加速热交换z去除结晶物z特种作用－如涤纶缩聚釜的搅拌器还兼有抽取乙二醇的作用。2、常用的搅拌器类型（1）平桨式搅拌器①直叶桨式－主要产生切向搅动。②折叶桨式－搅拌器的倾斜角一般取45°，这样可以产生较大的轴向搅动。平桨式搅拌器使用转速低于100r／min，适于粘度较大的物料。优点是结构简单、制造方便。当物料粘度较高或料位较高时，常在同一根搅拌轴上装几层桨叶，相邻两层桨叶交叉呈90°安装。如丙烯睛聚合釜采用三排四桨叶搅拌器。（2）锚式搅拌器－由桨式搅拌器发展而来，它增加了垂直方向的搅动。搅拌器的形状可以制成与釜底盖相似，并可以装得和底盖很接近，对传热和去除器壁沉积物有利。其适用范围与平桨式相同。（3）涡轮式搅拌器－常用的是圆盘平直叶式。这种搅拌器直径小、转速高，搅拌作用比较剧烈，当需要有轴向搅动时可将平直叶改成弯叶。（4）推进式搅拌器－它的工作表面是一螺旋面，故又称螺旋桨式搅拌器，它能使液体上下翻腾，产生剧烈的湍流。（5）带式搅拌器－它的搅拌叶是单根或双根螺距一定的螺旋带。工作时，液体被螺旋带推动而流动，轴向搅拌效果较好，适用于搅拌高粘度液体。（6）螺旋式搅拌器－是将具有一定螺距的螺旋片焊在搅拌轴上。这类搅拌器除了能使高粘度物料具有轴向混合外，还有输送物料的作用。3、搅拌器功率的设计（略）4、搅拌器的传动装置（1）电动机功率ND的计算（2）搅拌器的传动装置－电动机→减速器→搅拌器六、转轴密封z搅拌釜的轴是将电机变速器的扭矩传递给搅拌器的部件。z搅拌釜式反应器容积或直径越大，轴的转速越快，传递的扭矩就越大，轴的直径也就越大。z搅拌轴是从搅拌釜式反应器的上封头伸入釜内的。为了保证正常生产和安全操作，防止釜内介质向外泄漏，必须在搅拌轴与上封头间安装密封装置，常称为轴封。z轴封分为填料箱密封和机械密封两大类。1、填料密封（1）结构与原理－填料箱对轴的密封是通过填料与搅拌轴之间的径向压力来达到密封效果的。（2）特点－简单，便宜，功耗大，磨轴，寿命短。（3）泄漏量公式（4）填料选择z在低压（≤19.6×104Pa）、介质无毒和非易燃易爆场合:可选用石棉绳或油浸石棉盘根；z在压力较高、介质有毒、易燃易爆场合:则可选用石墨石棉盘根、橡胶螺旋形盘根、石棉绳浸渍聚四氟乙烯填料、橡胶密封圈、聚四氟乙烯密封圈等。2、机械密封（1）结构与原理z机械密封又称端面密封。由动环、静环、弹簧和密封圈等几种基本零件组成。z动环由固定在转轴上的弹簧座传动，同时由弹簧通过压紧环压向静环。静环由静环压盖固定在法兰上。z动环随轴转动，并与静环紧密贴合，组成一对摩擦副，达到动密封的作用，以保证被密封的介质不致沿搅拌轴产生轴向泄漏。（2）特点z优点---泄漏量少，使用寿命长，摩擦消耗功率小，轴不易磨损；z缺点---结构复杂，加工困难，成本高，拆装不便。（3）密封圈材料z静环—通常用石墨环制成。z动环—大多采用纯氧化铝陶瓷，亦有采用锡磷青铜或碳化钨硬质合金制成的。z密封圈----常用合成橡胶或聚四氟乙烯制的O形圈或V形圈。（4）应用场合－常用于密封要求高，被密封介质是易燃、易爆、强腐蚀性和高真空、高压等场合。七、反应器传热装置1、对传热装置的要求（1）严格控制聚合温度；（2）反应物纯净不被污染；（3）能处理高粘度、易结垢的物料；（4）传热速率高；（5）结构简单；（6）避免容易使高聚物粘附的粗糙表面，以及导致结垢的死角，并便于清洗；因此传热的方法大多采用间接传热方式，以免高聚物与传热介质相混，导致产品恶化。目前普遍采用的传热装置有夹套传热装置、蛇形管传热装置、混合型传热装置和釜外传热装置几种。2、传热原理（1）传热基本方程z传热面积A意味着设备的投资费用，温差Δt意味着操作过程的能量消耗。z在传热量Q一定的条件下，如能提高传热系数k的数值，就可降低A或Δt的数值。z聚合反应釜中最主要的传热阻力是粘附在釜内壁上的树脂垢层。（2）提高k值的方法z提高釜内壁光滑度z合理选取搅拌器型式z及时清洗聚合釜z夹套中安装螺旋导流板－－提高传热介质在夹套内的流速，从而提高夹套内传热介质的薄膜给热系数。3、传热装置类型（1）夹套传热装置z是搅拌釜式反应器中应用最广泛的一种；z结构简单，工作安全可靠；z在处理高粘度物料时，传热系数不高，能量损失较大；z当蒸汽作为热载体时，通常蒸汽是从夹套上端引入，冷凝液从底部排出（上进下出）；z如果用液体作为热载体时，则应从底部引入，上端排出（下进上出）。z要使夹套所包容的釜体壁表面积大于工艺计算所确定的传热表面积；z夹套顶部超过釜内所能盛装的液面最大高度；z如果釜体与顶部封头用法兰连接时，夹套顶部应保持与法兰至少有150-200mm的距离。（图）（2）蛇形管传热装置z当所需传热面积较大、而夹套传热又不能满足要求时，可改为在釜体内设置蛇形管传热装置；z蛇形管可浸没在料液中，有较大的传热系数，传热效果好，而且热量损失小；z蛇形管传热装置结构复杂，制造和安装较困难；z根据传热面积的大小，蛇形管可以制成单组或双组。如传热面积大，单组蛇形管过长，载热体在管内流通阻力加大，动力消耗增加，这时可采用双组蛇形管结构；z蛇形管直径过大时，弯制有困难，故其直径最大不宜