CN102784613B - 一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置，包括搅拌釜，搅拌釜内设有搅拌器，搅拌器包括转轴以及设置在转轴上的桨叶；所述桨叶具有三个旋转弯曲角度，分别是后弯角、上翘角以及桨叶掰角；所述后弯角指桨叶沿以转轴为圆心的水平圆周方向上弯曲角度；所述上翘角指桨叶沿竖直方向上弯曲角度；所述桨叶掰角指桨叶以一半径为中心轴的旋转角度，所述半径为以转轴为圆心的水平圆周内的半径。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌反应系统，特别是一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置。
背景技术
高吸水性树脂就是一种新型的功能高分子材料，它具有优异的吸水、保水功能，可吸收自身重量几百倍、上千倍，最高可以达到5300倍的水，即使挤压也很难脱水，被冠予“超级吸附剂”的桂冠。高吸水性树脂的种类很多，所用原料及工艺方法也各不相同。主要类型有聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、聚环氧乙烷类、淀粉接校共聚物类等，此外还有与橡胶共混的复合性吸水材料。在上述各种类型中，研究开发较多的为聚丙烯酸酯类。反相悬浮聚合工艺是最早工业化生产高吸水性树脂的工艺之一。在该工艺中，亲水单体(丙烯酸)的水溶液借助油包水分散剂悬浮在疏水脂肪烃(如庚烷)溶液中，聚合通过水溶性引发剂引发并在悬浮的每个液滴中进行，形成不溶于水的聚合物，悬浮液通过机械搅拌和加入稳定剂（分散剂）维持，以防单体凝聚。
搅拌反应釜是生产高吸水性树脂的工艺过程中的核心装置，主要由搅拌器和搅拌容器组成，搅拌反应釜的性能在很大程度上是由搅拌过程决定的。搅拌过程是通过搅拌器的旋转向釜内流体输入机械能，从而使流体获得适宜的流动场，并在流动场内进行动量、热量和质量的传递或者进行化学反成的过程。不同的操作目的需要不同的流动场和能量输入。用适当形状的搅拌桨叶在釜内提供最适合的流动场，必然成为反应釜研究的重要课题。此外，反应釜的温度控制对生产过程也非常重要，必须及时撤走反应热保证生产过程。
目前传统的反应釜搅拌器多为Rushton涡轮桨和三叶PTU桨，这种形式的桨叶在聚合反应中容易造成挂壁，物料粘附桨叶的现象，最终阻碍了生产高效地进行，降低成品率，影响了企业的经济效益。
因此，有必要针对上述传统搅拌装置进行改进，克服上述技术问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置，包括搅拌釜，搅拌釜内设有搅拌器，搅拌器包括转轴以及设置在转轴上的桨叶；所述桨叶具有三个旋转弯曲角度，分别是后弯角、上翘角以及桨叶掰角；所述后弯角指桨叶沿以转轴为圆心的水平圆周方向上弯曲角度；所述上翘角指桨叶沿竖直方向上弯曲角度；所述桨叶掰角指桨叶以一半径为中心轴的旋转角度，所述半径为以转轴为圆心的水平圆周内的半径。
本发明中，所述桨叶分为两层以上。
本发明中，每层桨叶为2个以上，且相互之间间隔角度相同，均匀分布。
本发明中，所述最底层的桨叶后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是21°~41°、5°~15°、以及9°~24°。
本发明中，所述最底层以外的桨叶的后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是22°~42°、5°~15°以及9°~24°。
本发明中，最底层桨叶与搅拌釜的直径比为0.4~0.6，其余层的桨叶与搅拌釜的直径比为0.25~0.45。
本发明中，所述搅拌釜内壁设有中部架空的第一扰流板，第一扰流板可以设置为两个以上，关于转轴对称均匀分布在搅拌釜内壁，第一扰流板与搅拌釜内壁间距与搅拌釜直径比为0.065。
本发明中，第一扰流板内侧设有梯形扰流板，梯形扰流板的内顶角为120°~130°。
本发明中，第一扰流板下端设有扰流弯管，扰流弯管弯曲部的圆心角为55°~60°。
有益效果：本发明的特点在于：采用的后弯桨叶搅拌物料，近桨区流场均匀、剧烈，大大减少了物料粘附桨叶现象；主体区液体由上层桨叶吸入，往下流动，到底层桨叶后，后弯桨的掰角使物料往上翻动，整个釜内产生较大的循环流量，物料交换迅速；第一扰流板以及梯形扰流板与三叶后弯桨很好地配合，在近壁区流动剧烈，有效地防止了物料挂壁现象，扰流弯管部分有效地加强了釜底物料的流动，避免了釜底物料堆积；使整个反应过程高效、稳定进行，成品率高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明提供的搅拌反应装置结构示意图。
图2是本发明提供的搅拌器示意图。
图3是本发明提供的第一扰流板部分结构示意图。
图4a~图4c是本发明中桨叶结构示意图。
图5是传统的反应釜搅拌器Rushton涡轮桨示意图。
图6是传统的反应釜搅拌器三叶PTU桨示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置，包括搅拌釜1，搅拌釜1内设有搅拌器，搅拌器包括转轴2以及设置在转轴上的桨叶3；所述桨叶3具有三个旋转弯曲角度，分别是后弯角、上翘角以及桨叶掰角。
如图4b所示，所述后弯角指桨叶沿以转轴为圆心的水平圆周方向上弯曲角度，即桨叶在X轴和Y轴组成的平面上以转轴2为圆心的圆周C的方向上弯曲，后弯角具体指以桨叶根部点O与桨叶前端点A的圆弧，其经过点O的切线与经过点O和点A的直线的夹角α。
如图4a所示，所述上翘角指桨叶沿竖直方向上弯曲角度，即在垂直于X轴和Y轴组成的平面的Z轴方向上向上弯曲，桨叶根部点O与端部下方点A构成的斜线与X轴和Y轴组成的平面的夹角为上翘角β。
如图4b和图4c所示，图4c中所示的是以桨叶的前端面AB的视图，所述桨叶掰角指桨叶以一半径为中心轴的旋转角度，所述半径为以转轴为圆心的水平圆周内的半径，即以直线OA为旋转轴旋转，所述的桨叶掰角指在以点A为原点以转轴为Z轴与X组成的平面坐标系上，前端面上点AB间的直线与Z轴的夹角γ。
如图2所示，本发明中，所述桨叶分为两层以上，优选为三层。每层桨叶为2个以上，且相互之间间隔角度相同，优选为3个。桨叶可以直接设置在转轴上，也可以设置在一个套筒上，转轴穿过套筒设计。
本发明中，所述最底层的桨叶后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是21°~41°、5°~15°、以及9°~24°。
本发明中，所述最底层以外的桨叶的后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是22°~42°、5°~15°以及9°~24°。
本发明中，最底层桨叶与搅拌釜的直径比为0.4~0.6，其余层的桨叶与搅拌釜的直径比为0.25~0.45。
本发明中，所述搅拌釜内壁设有中部架空的第一扰流板4，第一扰流板与搅拌釜内壁间距与搅拌釜直径比为0.065。
如图3所示，本发明中，第一扰流板4内侧设有梯形扰流板5，梯形扰流板的内顶角θ1为120°~130°。
如图3所示，本发明中，第一扰流板4下端设有扰流弯管6，扰流弯管弯曲部的圆心角θ2为55°~60°。
本发明提供合适、均匀的流场，克服了现有技术搅拌反应中物料粘附在釜壁及搅拌桨叶上的问题，特别是对于釜底物料的搅拌有明显的改善；搅拌反应高效稳定地进行，提高了成品率。
实施例1
如图1~图4所示，本发明提供的搅拌反应装置，包括搅拌釜1、转轴2、桨叶3、第一扰流板4、梯形扰流板5以及扰流弯管6；转轴2上设有三层式桨叶，分别为顶层、中间层及底层，每层有三个桨叶，在圆周上相互之间间隔120度设计。搅拌釜1外围设有传热半管夹套7。
本实施例中搅拌釜的直径为1200mm，搅拌釜底层的桨叶后弯角、上翘角以及桨叶掰角分别是31°、10°、以及14°，桨叶直径为600mm；最底层以外的中间层和顶层桨叶的后弯角、上翘角以及桨叶掰角分别是32°、10°、以及14°，桨叶直径为450mm；第一扰流板与搅拌釜内壁间距为78mm，梯形扰流板的内顶角为128°，扰流弯管弯曲部的圆心角为60°。
在本实施例中加入813ml的正己烷（或者正庚烷）、1.26g的分散剂（表面活性剂），在搅拌状态下加热到70~80度，使之溶解；继续降温到40度左右；加入中和液（由114g的丙烯酸，177g、25%的氢氧化钠，82g水组成，中和液中水含量为60%左右，并且中和液中含有少量由过硫酸钠，过硫酸钾，过硫酸铵其中的一种或多种组成的引发剂及交联剂）。中和液质量占到体系总质量的41%左右；在40度左右的情况下利用氮气对休系内进行置换后升温到70度（聚合开始后温度可能会升高）进行第一阶段的反相悬浮聚合；第一阶段的反相悬浮聚合完成后，将聚合浆液冷却到45度左右，加入1.4倍第一阶段加入的中和液，此时中和液质量占到体系总质量的63%左右；使反应釜保持在45度左右的情况下边搅拌30分钟（转速为120r/min）边用氮气对体系内进行置换，然后升温到70度（聚合开始后温度可能会升高）进行第二阶段的反相悬浮聚合；聚合完成后恒沸脱水，得到颗粒状树脂。
以下通过对照例与实施例1的搅拌反应装置在生产高吸水性树脂方面进行比较。
对照例1：
采用如图5所示传统的Rushton涡轮桨搅拌桨叶进行搅拌反应，搅拌桨叶三层相同设计，其余结构和工艺同实施例1。
对照例2：
采用如图6所示传统的三叶PTU桨搅拌桨叶进行搅拌反应，搅拌桨叶三层相同设计，其余结构和工艺同实施例1。
对照例3：
不采用第一扰流板、扰流弯管以及梯形扰流板的设计进行搅拌反应，其余结构和工艺同实施例1。
对照例4：
不采用第一扰流板、扰流弯管以及梯形扰流板的设计，以及采用如图5所示传统的Rushton涡轮桨搅拌桨叶进行搅拌反应外，搅拌桨叶三层相同设计，其余结构和工艺同实施例1。
对照例5：
不采用第一扰流板、扰流弯管以及梯形扰流板的设计，以及采用如图6所示传统的三叶PTU桨搅拌桨叶进行搅拌反应外，搅拌桨叶三层相同设计，其余结构和工艺同实施例1。
实验对照结果如下表所示。
结果发现，由于本发明搅拌器形式和扰流板形式提供的流场均匀、剧烈，循环流量大，特别是近桨叶区和釜底的搅拌强度高，大大减少了物料挂壁现象，也避免了釜底物料堆积现象；本发明装置内搅拌反应高效稳定地进行，提高了成品率。
本发明提供了一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种用于合成高吸水性树脂的搅拌反应装置，包括搅拌釜，搅拌釜内设有搅拌器，搅拌器包括转轴以及设置在转轴上的桨叶；其特征在于，所述桨叶具有三个旋转弯曲角度，分别是后弯角、上翘角以及桨叶掰角；
所述后弯角指桨叶沿以转轴为圆心的水平圆周方向上弯曲角度；
所述上翘角指桨叶沿竖直方向上弯曲角度；
所述桨叶掰角指桨叶以一半径为中心轴的旋转角度，所述半径为以转轴为圆心的水平圆周内的半径；
所述桨叶分为两层以上；
每层桨叶为2个以上，且相互之间均匀分布；
所述最底层的桨叶后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是21°～41°、5°～15°、以及9°～24°；
所述最底层以外的桨叶的后弯角、上翘角以及桨叶掰角范围分别是22°～42°、5°～15°以及9°～24°；
最底层桨叶与搅拌釜的直径比为0.4～0.6，其余层的桨叶与搅拌釜的直径比为0.25～0.45；
所述搅拌釜内壁设有中部架空的第一扰流板，第一扰流板与搅拌釜内壁间距与搅拌釜直径比为0.065；
第一扰流板内侧设有梯形扰流板，梯形扰流板的内顶角为120°～130°；
第一扰流板下端设有扰流弯管，扰流弯管弯曲部的圆心角为55°～60°。
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