流场结构化的新型降膜缩聚反应器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种流场结构化的新型降膜缩聚反应器及其应用。新型缩聚反应器采用整体立式紧凑结构，包括设有加热夹套的外塔和塔芯，外塔由设置物料进口以及挥发份出口的塔顶、塔体和设有物料出口的塔底组成，塔芯嵌套于外塔内，其塔芯为多层开有环缝或直缝的降膜内构件及溢流持液器组成，且从上至下各层内构件结构参数逐渐变化，使之与过程体系物性变化相适应，构造结构化流场。该反应器有内部结构简单紧凑，流动阻力小无死区；成膜性好、表面更新速率快；通量大、停留时间均一可控；抗干扰强，放大效应小，可满足柔性化生产需求；无需外动力，节省能耗等一系列优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种流场结构化的新型降膜缩聚反应器及其应用，特别涉及一种高比界面，短停留时间的多层自由栅缝式降膜熔融缩聚反应器及其应用。
技术介绍
缩聚反应一般为可逆平衡反应，通过端基官能团之间的反应，逐步缩去小分子而 使聚合物分子链逐步加长，分子量不断提高。包括聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚 对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等)、聚酰胺、聚碳酸酯、聚硅氧 烷等在内的多种聚合物均通过缩聚反应制得。这类聚合物的缩聚过程具有相似的反应脱挥 工艺要求，特别是缩聚反应后期，随着聚合物分子量的提高，物系粘度迅速上升，甚至有级 数变化，熔体非牛顿性越来越显著，脱除小分子变得越来越困难。因此，高粘熔体的缩聚过 程是一个涉及反应和传质、高粘基础上的变粘过程，过程往往受传质控制。缩聚过程的传递 性能主要取决于反应器内熔体的流动、成膜以及更新等特性，特别是高粘条件下，不同内构 件的传质界面的形成和界面更新通常是一对矛盾体，当聚合物系粘度低时，过程一般不易 成膜、易流动更新，成膜效率低；但随着物系粘度的提高，流体流动性变差，越来越易成膜但 更新却相当困难。此时，采用单一的内构件一般已无法满足不同阶段缩聚过程对流动、混 合、传质、传热不断变化的要求，反应的工程特性和反应器的传递特性不能匹配的现象相当 严重。因此，需要对熔融缩聚过程的特点以及熔体的流动特性有充分认识，在此基础上， 采用变化的内构件设计，获得可控的流场，一方面形成所需非牛顿流体流动模型，促进过程 流动与混合；另一方面，改善相态分布，增加相际接触面积和传递系数，强化传质、传热，在 不同粘弹性范围内实现聚合物流体均能形成薄层液膜和快速更新的结合，始终满足过程缩 聚反应对流动、混合和传质的需求，适应不断变化的聚合反应环境。为获得质量均一的高分 子量聚合物，要求反应器中熔体停留时间要均一，因此平推流反应器是缩聚过程最理想的 反应器。此外，在不影响聚合物品质的前提下，反应器需要在高温高真空下操作。熔融缩聚反应装置的形式，是配合聚合过程的要求而定的。同一类聚合装置有其 独有的规律和特性，但可以服务于多种反应对象。现有熔融缩聚反应主要设备类型有带不 同搅拌器的立式反应釜、卧式反应釜、各类捏合挤出设备以及不带搅拌的垂直下落型立式 反应器等。缩聚开始时，物系粘度较低，一般小于数十毫帕秒，而缩聚后期则粘度可升至数 千至数万、甚至数十万毫帕秒。通常在如此宽的粘度范围内能使混合和传热均保持高效的 反应器则很少，而目前工业应用缩聚反应器形式优化以及所开发的新型缩聚反应器都是与 改进流体流动的情况，提高传质传热性能，满足柔性化生产要求分不开的。不同结构形式的 高粘缩聚反应器均有自身的优缺点，特别是在流体动力学以及传质特性上的差异，决定了 反应器的不同应用场合，现以最具代表性的PET缩聚过程为例进行说明。目前，在工业上成功应用的PET缩聚反应器主要有两种基本类型即圆盘式和笼 式，两类均为卧式带搅拌的盘环反应器，可用于纤维级聚酯产品及瓶级聚酯的生产。这类卧式搅拌缩聚反应器受熔体网架桥限制，圆盘或网片必须保持较大距离，致使单位体积熔体拥有的表面积有限；反应器都是依靠下部沉浸于熔体层内的盘或网旋转时将熔体带起成 膜，超过50 %的熔体处于反应器底部熔池内，熔池液位通常在1/3半径处，池内熔体停留时 间长且受静压头影响，对缩聚过程不利；反应器内部依靠熔池液位差流动，釜壁处流动状况 不佳，存在较多死区；且受大量熔体粘附，搅拌轴产生相当挠度，进一步增粘的设备改进空 间不大。特别是在应用于更高粘度(大于300000Cp)的场合，其过多的死区、夹带、有限的 成膜与表面更新以及过大停留时间造成的严重降解都限制了这两类反应器的应用。而新 近开发的几类特殊形式的共转双轴式反应器虽能获得较高的成膜面积，但往往内部结构复 杂，对设备加工要求高，仍需较高能耗才能实现有效成膜，且对反应器内流动状态无本质改 变，始终存在较多死区及轴封等问题。近年来，随着聚酯包装业和聚酯工程塑料的迅速发展，世界各国对高分子量PET 聚酯的需求将越来越大，非纤维用途的聚酯已占聚酯总产量的1/3以上。为了适应高粘聚 酯迅速膨胀的需求空间，迫切需要开发适合于生产更高粘度的大型高能效缩聚反应器。新 型高能效缩聚反应器的一大发展方向为传递性能优良的立式降膜缩聚反应器。该类型反应 器无需外置动力，能耗低，无轴封问题；可依靠特殊的内构件设计以及组合实现反应器内熔 体形成薄层液膜和快速更新的有效结合，从而满足过程缩聚反应对流动、混合和传递的需 求，实现高效缩聚。
技术实现思路
本专利技术在流场结构化的设计理念下，公开了一种适合于熔融缩聚生产高分子量聚 合物的流场结构化的多层栅缝式降膜缩聚反应器。流场结构化的本质正是在整体结构紧凑的立式反应器内采用特殊的内构件设计， 通过与熔体物性相匹配的变化的内构件设置及其组合，使聚合物流体在重力作用下形成稳 定降膜流动，获得可控的流场，始终实现较大成膜面积和较快表面更新的结合，满足缩聚过 程强化传质的需求；同时设置多级溢流持液器，强化过程流体分散与混合，实现过程停留时 间可控，并使反应器内整体流动趋于平推流，以形成熔融缩聚过程组合强化新技术。本专利技术的技术方案为一种新型的多层栅缝式降膜缩聚反应器，包括设有加热夹套的外塔和塔芯，其中 外塔由设置物料进口以及挥发份出口的塔顶、多对视窗的塔体和设有物料出口的塔底组 成，塔芯嵌套于外塔内，其特征在于塔芯为开有环缝或直缝的多层塔板及溢流持液器组 成，且各层结构参数的设计均以构造合理的液膜流场为依据。流场结构化的新型降膜缩聚反应器，包括设有加热夹套的外塔和塔芯，外塔由设 置物料进口以及挥发份出口的塔顶、塔体和设有物料出口的塔底组成，塔芯嵌套于外塔内， 塔芯为开有环形或直形栅缝的多层降膜内构件组成。所述塔顶物料进口接有多孔分布器，顶部设有捕沫器。所述塔芯内构件包括多层设有栅缝降膜通道的塔板，每层塔板的边缘统一用以持 液的溢流持液器环绕连接，塔板置于环形溢流持液器底面内部。所述相邻塔板上所开栅缝互相交错。塔芯各层内构件截面为圆形或方形圆形截面内构件的塔板上所开栅缝为环形栅缝；方形截面内构件的塔板上所开栅缝为直条形栅缝。所述塔板可设置一定锥度，且相邻两层锥角方向相反；所述圆形截面内构件，其正锥塔板中心设置一圆形孔；所述方形截面内构件，其正锥塔板中心设置直条形开缝；倒锥 塔板内构件设置为边缘开缝，与持液器间为多点焊接。所述溢流持液器为设有高度可调的溢流堰。所述多层塔板，由塔顶至塔底方向，板间距逐渐增大，塔板上所开栅缝的缝宽逐渐 增大且塔板间栅缝面积各异。所述多层塔板上所开栅缝设置一定倒角，倒角角度根据板厚及缝宽相应变化，塔 板所设置锥度绝对值小于30°。所述多层塔板中的相邻塔板锥角方向相反。塔板与溢流堰间连接方式为多点焊接。塔内保持高温、高真空操作环境。所述的缩聚反应设备中任何一种，其应用场合包括聚合物缩聚过程、溶剂脱挥、 需要脱除低分子生成物的化学反应、真空蒸发或解吸操作过程。本专利技术的有益效果为新型栅缝降膜缩聚反应器采用整体立式紧凑结构，无需搅 拌设备，避免轴封等问题；通过设置与体系物性变化相适应的不同栅缝尺寸的内构件，即栅 缝降膜元件，使过程聚合物熔本文档来自技高网...

【技术保护点】
流场结构化的新型降膜缩聚反应器，包括设有加热夹套的外塔和塔芯，外塔由设置物料进口以及挥发份出口的塔顶、塔体和设有物料出口的塔底组成，塔芯嵌套于外塔内，其特征在于：塔芯为开有环形或直形栅缝的多层降膜内构件组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：奚桢浩，赵玲，孙伟振，刘兆彦，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]