CN102600749B - 混合釜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合釜，包括：沿纵向设置在混合釜内的可旋转的中心轴；安装在中心轴上的至少两个径流式搅拌桨；以及位于相邻两个径流式搅拌桨之间的环状盘，其中中心轴从环状盘中穿过，并且环状盘在其外周部分处连接到混合釜的内壁上。搅拌桨可产生高剪切分散作用，用于待混合的物料打碎，而环状盘能促使待混合物料形成整体大循环，使物料在短时间内就能够达到高度的微观混匀。这有利于后续聚合反应的进行。

Description

混合釜

技术领域

本发明涉及一种用于混合不同物料的混合釜，尤其是用于制备稀土异戊橡胶的原料预混釜。

背景技术

稀土异戊橡胶是异戊二烯单体在稀土催化剂作用下经溶液聚合生成的以顺-1，4结构单元为主的聚合物。由于物理性能和机械性能均与天然橡胶相似，稀土异戊橡胶也被称为“合成天然橡胶”。具体地说，稀土异戊橡胶具有优良的弹性、密封性、耐蠕变性、耐磨性、耐热性和抗撕裂性，并且抗张强度和伸长率也接近天然橡胶。因此，在一些情况下稀土异戊橡胶可用作天然橡胶的替代物，或者与天然橡胶或其它合成橡胶组合使用。因此，稀土异戊橡胶广泛应用于轮胎、胶带、胶管等橡胶加工领域。

在制备稀土异戊橡胶的溶液聚合过程中，聚合反应物料(包括异戊二烯单体、溶剂和催化剂)的预混状态将直接影响后续聚合反应的速率、催化剂用量，以及所得橡胶产品的顺式构型含量、分子量和分子量分布。因此，在进行异戊二烯单体的溶液聚合反应之前需要使聚合反应物料充分混合，形成高度均匀的混合物。

在现有技术中，对于制备稀土异戊橡胶的溶液聚合过程来说，常规的原料预混过程多采用静态混合器进行。然而，由于静态混合器在出口处通常存在流体滞流区，因此物料的流速分布不均匀，扰动效果较差，致使混合效果不够理想。

目前，通常还采用结构相对复杂的搅拌釜式混合器作为原料预混器。其中，在搅拌桨的作用下，物料的湍流程度加大，致使混合效果加强。然而，由于搅拌桨的特性导致釜内的流场分布不均匀，并且容易存在体积较大的混合死区，致使最终的混合效果也不够理想。另外，搅拌釜的结构设计是影响预混效果的一项重要因素。在预混过程中，既要求催化剂在原料体系中高度均匀分散，又要求整个搅拌釜内的上、下混合尽可能地均匀。传统的搅拌釜往往不能达到这一要求。

也有将静混器和搅拌釜串联起来进行原料预混的预混工艺。CN201415984Y就公开了这样一种稀土异戊橡胶生产用预混合装置，其中包括相串联的管道高速混合器和预混釜。在进入聚合釜之前，聚合反应物料在这种预混合装置中进行预混，可达到高度的微观均匀混合，从而提高了催化剂的催化效率，减少了产品的支化度，使分子量的分布更加均匀，最终提高了异戊橡胶的产品质量。然而这种预混合装置的缺点在于，物料在预混釜内的平均停留时间较长(例如为20-30min)，然后经多台串联的聚合反应釜反应后，最终转化率只能达到85-90wt％。因此，采用这种预混合装置的生产能力比较低。

因此，对于制备稀土异戊橡胶的溶液聚合过程来说，需要对聚合反应物料的预混装置进行改进，从而进一步提高所得稀土异戊橡胶产品的质量，同时提高生产能力。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种混合釜，它尤其是可用于制备稀土异戊橡胶的原料预混。

根据本发明提供了一种混合釜，包括：沿纵向设置在混合釜内的可旋转的中心轴；安装在中心轴上的至少两个径流式搅拌桨；以及位于相邻两个径流式搅拌桨之间的环状盘，其中中心轴从环状盘中穿过，并且环状盘在其外周部分处连接到混合釜的内壁上。

在根据本发明的混合釜中，一方面通过设于中心轴上的径流式搅拌桨所产生的高剪切分散作用将待混合的物料打碎，另一方面利用设于搅拌桨之间的环状盘促使待混合物料形成整体大循环，从而使物料在短时间内就能够达到高度的微观混匀。这有利于后续聚合反应的进行。

在一个实施例中，环状盘的外径与混合釜的内径相匹配，并且在外周部分上的至少两个圆周对称的连接部位处连接到混合釜的内壁上。环状盘与釜内壁的连接方式可以为本领域常用的合适连接方式，例如在釜内壁上设置支架来支撑环状盘。连接部位的数量可以根据具体情况的需要加以选择，例如为2-8个，优选为3-6个，更优选为4个。

在一个实施例中，环状盘设有中心孔，中心轴从该中心孔中穿过。中心孔的直径例如可为搅拌桨直径的1-1.5倍。

在一个实施例中，环状盘在两个连接部位之间设有径向向内的凹槽。这样，物料不仅能穿过由环状盘的中心孔所形成的通道而流动，同时也能穿过由凹槽和混合釜的内壁所形成的通道而流动。因此，待混合物料在混合釜内的流动性得到进一步的增强，有利于物料的充分混合。

在设有两个或更多环状盘的情况下，优选的是相邻两个环状盘的相应凹槽在周向上彼此间错开一个角度。更优选地是，一个环状盘的凹槽相对于其它环状盘中的相应凹槽在周向上彼此错开间均错开一个角度。这样，由凹槽和混合釜的内壁所形成的通道在纵向上完全为非线性的，从而进一步增强物料的混合效果。

凹槽的数量例如可为2-8个，优选为3-6个，更优选为4个。凹槽的面积例如为环状盘在相应两个连接部位之间所占扇环区域的面积的1/4到1/2，优选为1/3。在一个优选实施例中，凹槽的底部曲线关于穿过连接相应两个连接部位的连线的中点的半径轴线对称。

根据本发明的混合釜，其高径比例如选择为1-4，优选为2-3。径流式搅拌桨的数量例如为所述高径比的1-3倍，优选为1.5-2倍。搅拌桨的直径例如为混合釜直径的1/4-2/3，优选为1/3-1/2。上述尺寸、例如高径比应选择为使得反应物料在混合釜内的平均停留时间为1.0-10min，优选为3-8min，更优选为4-6min。

根据本发明的混合釜，搅拌桨之间的间距例如为搅拌桨直径的0.5-2倍。在一个优选实施例中，所述间距沿纵向方向自下而上地逐渐增大。这种自下而上从密到疏地逐层设置搅拌桨，能够更好地发挥搅拌桨的剪切分散作用，有利于物料的充分混合。

此外，在一个优选实施例中，环状盘可自下而上地从疏到密地设置，即位于混合釜下部区域内的相邻两个搅拌桨之间的环状盘的数量少于位于混合釜上部区域内的相邻两个搅拌桨之间的环状盘的数量。例如，在混合釜的下部区域中，在相邻两个搅拌桨之间仅设置一个环状盘，而在混合釜的上部区域中，在相邻两个搅拌桨之间设置两个或更多个环状盘。这样可在整个混合釜内形成强有力的整体大循环，从宏观上更加有利于分散后的物料进入充分混合。

根据本发明，在混合釜的下部设有进口，用于引入待混合的物料，而在混合釜的上部设有出口，用于排出混合后的物料。待混合的各物料优选单独地引入所述预混釜。对于制备稀土异戊橡胶的预混来说，异戊二烯单体和催化剂需要从不同的进口进入混合釜，溶剂则可以单独进入，也可以与前两者之中的任何一种一起进入混合釜。这样能够更好地避免预聚反应的发生，从而有利于后续的混合操作以及溶液聚合反应。

因此，在一个用于制备稀土异戊橡胶的具体实施例中，本发明的混合釜可在下部设有三个进口，以分别引入异戊二烯单体、催化剂和溶剂。备选地，也可以只设有两个进口以分别引入异戊二烯单体和催化剂。此时考虑到在溶液聚合反应过程中异戊二烯单体和溶剂的进料量均远高于催化剂的进料量，因此优选将溶剂与催化剂一起引入。

根据本发明的混合釜，由于组合了径流式搅拌桨的高剪切分散作用和环状盘对釜内物料的整体大循环的促进作用，使得物料能够在釜内被打碎、分散和进行大循环，因此可在短时间内达到高度的微观混匀，从而得到非常好的混合效果。

利用根据本发明的混合釜作为稀土异戊橡胶的制备工艺中的预混釜，所得稀土异戊橡胶的顺式-1，4-构型含量可以达到99wt％，数均分子量可以达到45万，分子量分布系数可以达到3以下(例如为2.6-2.9)。因此，能得到高质量的稀土异戊橡胶。

附图说明

下面将参照附图来进一步描述本发明。容易理解，这些附图仅是对本发明的示例性说明，并不构成任何限制性作用。在图中：

图1显示了根据本发明的预混釜，其中设有多个径流式搅拌桨和设在每两个相邻搅拌桨之间的环状盘；

图2显示了图1所示环状盘的俯视图；和

图3显示了用于制备稀土异戊橡胶的异戊二烯单体溶液聚合反应的流程示意图，其中采用根据本发明的混合釜作为原料预混釜。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的混合釜10包括沿纵向设置在釜内的中心轴8，其可由电机M带动旋转。在中心轴8上安装有至少两个径流式搅拌桨1。搅拌桨的数量可根据实际情况加以选择，例如2-10个，在图1的例子中显示了四个搅拌桨。径流式搅拌桨1可采用本领域常用的类型，其转速可以为200-800rpm，优选为300-700rpm，更优选350-600rpm。

在混合过程中，待混合的物料例如反应单体和催化剂等经设于混合釜10的底部处的两个物料进口3、4进入到混合釜10中，在由中心轴8带动旋转的搅拌桨1的作用下进行混合，之后从设于混合釜10上方的物料出口5中排出以用于进一步的处理。这些结构和/或工艺过程均是本领域的技术人员所熟知的，因此具体的介绍在此略去。

根据本发明，在混合釜10内还设置有位于相邻两个径流式搅拌桨1之间的环状盘2。环状盘2优选设置在相邻两个搅拌桨1的轴向中点位置处。如图2所示，环状盘2包括有中心孔11，其内径大于中心轴8的直径，以便使中心轴8能够从环状盘2的中心孔11中穿过。环状盘2通过其外周部分连接到混合釜10的内壁上。这样，在根据本发明的混合釜10中，一方面通过设于中心轴8上的径流式搅拌桨1产生的高剪切分散作用将待混合的物料打碎，另一方面利用设于搅拌桨1之间的环状盘2促使待混合的物料形成整体大循环，从而使物料在短时间内就能够达到高度的微观混匀。这有利地促进了后续聚合反应的进行。

在一个典型实施例中，环状盘2的外径与混合釜10的内径相匹配，并且在外周部分上的至少两个圆周对称的连接部位处连接到混合釜的内壁上。连接部位的数量可以根据实际情况加以选择，例如为2-8个，优选为3-6个，更优选为4个。这些连接部位优选处于圆周上对称的位置处。

如图2所示，在一个优选实施例中，环状盘2在其外周上的周向对称的四个连接部位处连接到混合釜10的内壁上。同时，在相邻两个连接部位之间的扇形部分处设有径向向内的凹槽12。这样，物料不仅能穿过由环状盘2的中心孔11所形成的通道而流动，同时也能穿过由凹槽12和混合釜10的内壁所形成的通道而流动。因此，待混合物料在混合釜10内的流动性得到进一步的增强，有利于物料的充分混合。

在一个未示出的实施例中，混合釜10设有两个或更多个环状盘，其中各个环状盘中的相应凹槽在周向上彼此间均错开一个角度。因此，由凹槽12和混合釜10的内壁所形成的通道在混合釜10的纵向上是非线性的，这样可以进一步增强物料的混合效果。

凹槽12的面积应在不破坏整个环状盘2的强度的前提下尽可能地保证最大的物料流通面积。凹槽12的面积例如可为环状盘2上相邻两个连接部位之间的扇形区面积的1/4-1/2，优选为1/3。凹槽12的底部形状可以为直线或曲线，该底部形状优选相对于经过连接相邻两个连接部位的线段中点处的半径轴线对称。

下面将以用于制备稀土异戊橡胶的原料预混釜为例来具体说明根据本发明的混合釜。然而可以理解，根据本发明的混合釜可用于任何需要对反应物料进行混合的场合。

[实施例1]

在常温常压下，首先在传统的换热器中对用于制备稀土异戊橡胶的聚合反应物料中的异戊二烯单体(14.6kg/h，聚合级，商购获得)、溶剂(95kg/h，环己烷，商购获得)和钕系催化剂(2.9kg/h，浓度为6×10-6molNd/ml)进行预冷，预冷温度为-5℃。这里使用的钕系催化剂的具体组成按各组分的摩尔比计为异戊二烯∶新癸酸钕∶三异丁基铝∶一氯二乙基铝＝50∶1∶10∶3。其中，催化剂和溶剂预先混合后再经换热器预冷，异戊二烯单体则在单独的换热器中预冷。在此，所使用的冷却介质为3wt％的氯化钠冷冻盐水。

然后，将预冷后的聚合反应物料的各组分分别引入到本发明的混合釜10中进行预混，其中催化剂和溶剂经釜底中心进口3引入混合釜中，异戊二烯单体经釜底侧边进口4引入混合釜中。

在此所使用的混合釜的体积为5L，其柱体部分的直径为150mm，高度为300mm。在混合釜中设有四个搅拌桨，搅拌桨的直径为混合釜直径的1/2，转速为400rpm，底部搅拌桨离釜底的距离为30mm，各搅拌桨之间的轴向间距自下而上依次为56mm、70mm、98mm。在混合釜中设有三个环状盘，其设在每两个搅拌桨之间的轴向中间位置处。环状盘的中心孔直径为搅拌桨直径的1.15倍。环状盘在其外周部分上的周向对称的4个连接部位处与混合釜的内壁相连，并且包括有4个凹槽，各凹槽的面积为相应扇环面积的1/3。

在搅拌桨和环状盘的作用下，聚合反应物料在混合釜内进行充分混合，釜内的平均停留时间为2.0min，从而获得预混后的均匀的聚合反应物料。

接下来，按照图3所示流程进行聚合阶段的操作。从混合釜10的出口5中排出的物料依次流经第一反应釜20、第二反应釜30和第三反应釜40，在各反应釜中的平均停留时间均为20min，各反应釜内部的反应温度依次控制在30℃、40℃和50℃。聚合产物从出口45中排出。

按照该实施例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为60wt％，在末釜出口处的最终转化率为96wt％。

最后，分析确定所得稀土异戊橡胶产品的顺式-1，4-构型含量、数均分子量和分子量分布系数，结果列于下表1中。

[实施例2]

实施例2与实施例1大致相同，不同之处仅在于环状盘的中心孔直径为搅拌桨直径的1.3倍。

按照该实施例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为60.5wt％，在末釜出口处的最终转化率为96.2wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

[实施例3]

实施例3与实施例1大致相同，不同之处在于：减少聚合反应物料的总进料量，且保持与实施例1相同的异戊二烯单体、催化剂和溶剂的质量比，使聚合反应物料在混合釜内的平均停留时间为5min。

按照该实施例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为65wt％，在末釜出口处的最终转化率为98.3wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

[实施例4]

实施例4与实施例1大致相同，不同之处在于：搅拌桨的直径为预混釜直径的2/3；同时减少聚合反应物料的总进料量，且保持与实施例1相同的异戊二烯单体、催化剂和溶剂的质量比，使聚合反应物料在混合釜内的平均停留时间为5min。

按照该实施例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为66wt％，在末釜出口处的最终转化率为98.3wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

[对比例1]

对比例1与实施例1大致相同，不同之处在于仅保留混合釜内的从下数起的第二个搅拌桨，拆除其它的搅拌桨和所有的环状盘。

按照该对比例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为40wt％，在末釜出口处的最终转化率为80wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

[对比例2]

对比例2与对比例1大致相同，不同之处在于：减少聚合反应物料的总进料量，且保持与对比例1相同的异戊二烯单体、催化剂和溶剂的质量比，使聚合反应物料在所述预混釜内的平均停留时间为5min。

按照该对比例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为43wt％，在末釜出口处的最终转化率为84wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

[对比例3]

对比例3与对比例1大致相同，不同之处仅在于将其中催化剂的用量提高为原来的4倍。

按照该对比例，异戊二烯单体在第一反应釜出口处的转化率为55wt％，在末釜出口处的最终转化率为93wt％。

所得稀土异戊橡胶产品的质量分析结果列于下表1中。

表1

由表1所列数据可以看出，当在稀土异戊橡胶的生产过程中利用根据本发明的混合釜作为原料预混釜对预冷后的聚合反应物料进行预混时，由于能够获得高度均匀的聚合反应物料，使得所得到的异戊橡胶产品的顺式-1，4-构型含量明显更高，数均分子量更大，并且分子量分布系数更小。因此，所得到的异戊橡胶产品质量更好。另外，利用本发明的预混釜还明显减少了催化剂用量。

虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (22)

1.一种混合釜，包括：

沿纵向设置在混合釜内的可旋转的中心轴；

安装在所述中心轴上的至少两个径流式搅拌桨；和

位于相邻两个径流式搅拌桨之间的环状盘，其中所述中心轴从所述环状盘中穿过，并且所述环状盘在其外周部分处连接到混合釜的内壁上，所述环状盘的外径与混合釜的内径相匹配，并且在外周部分上的至少两个圆周对称的连接部位处连接到混合釜的内壁上，所述环状盘在两个连接部位之间设有径向向内的凹槽。

2.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述连接部位为2-8个。

3.根据权利要求2所述的混合釜，其特征在于，所述连接部位为3-6个。

4.根据权利要求3所述的混合釜，其特征在于，所述连接部位为4个。

5.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述凹槽的底部曲线关于穿过连接所述两个连接部位的连线的中点的半径轴线对称。

6.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述凹槽的面积为所述环状盘在所述两个连接部位之间的扇形区域的面积的1/4到1/2。

7.根据权利要求6所述的混合釜，其特征在于，所述凹槽的面积为所述环状盘在所述两个连接部位之间的扇形区域的面积的1/3。

8.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜包括至少两个环状盘，其中一个环状盘中的凹槽相对于其它环状盘中的对应凹槽在周向上彼此错开。

9.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，设置在所述混合釜的下部区域中相邻两个搅拌桨之间的环状盘的数量少于设置在所述混合釜的上部区域中相邻两个搅拌桨之间的环状盘的数量。

10.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述环状盘的内径为所述搅拌桨直径的1-1.5倍。

11.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述环状盘位于相邻两个径流式搅拌桨之间的轴向中点位置。

12.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，相邻两个搅拌桨之间的间距为所述搅拌桨的直径的0.5-2倍。

13.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，相邻两个径流式搅拌桨之间的间距沿纵向自下而上地逐渐增大。

14.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，在所述混合釜的下部设有待混合物料的进口，在所述混合釜的上部设有待混合物料的出口。

15.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜用于在制备稀土异戊橡胶中对聚合反应物料进行预混。

16.根据权利要求15所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜在下部设有两个物料进口，其中一个用于引入聚合反应物料中的异戊二烯单体，另一个用于引入聚合反应物料中的催化剂和溶剂，并且所述混合釜在上部设有出口，用于排出混合后的物料。

17.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜的高径比为1-4。

18.根据权利要求17所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜的高径比为2-3。

19.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述径流式搅拌桨的数量为所述混合釜的高径比的1-3倍。

20.根据权利要求19所述的混合釜，其特征在于，所述径流式搅拌桨的数量为所述混合釜的高径比的1.5-2倍。

21.根据权利要求1所述的混合釜，其特征在于，所述搅拌桨的直径为所述混合釜的直径的1/4-2/3。

22.根据权利要求21所述的混合釜，其特征在于，所述搅拌桨的直径为所述混合釜的直径的1/3-1/2。

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