CN105555398B - 熔融缩聚反应器 - Google Patents

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Abstract

一种熔融缩聚反应器，包括立式壳体（7）、设置在立式壳体（7）中的管外降膜元件（16）、传热系统、布膜器、连接于立式壳体（7）上端的封头（1）、上部真空抽气口（19）、连接于立式壳体（7）下端的底壳（14），封头（1）顶部设有进料口（26），底壳（14）底部设有出料口（13），底壳（14）内安装有搅拌器（27）。该熔融缩聚反应器采用管外降膜反应和搅泮反应相结合的反应方式，缩聚效率高，反应温度均匀。

Description

熔融缩聚反应器
技术领域
本发明涉及熔融缩聚反应设备。
背景技术
缩聚反应实施方法有熔融缩聚、溶液缩聚、固相缩聚以及界面缩聚等，其中熔融缩聚不论从产品的质量、经济性、环保性以及工业化实施来看都具有明显的优势，因此绝大部分聚酯和聚酰胺等都采用熔融缩聚法生产，如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)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺、聚碳酸酯等。熔融缩聚过程的实施关键在于反应器，理想的缩聚反应器要求物料流动和混合状态好，传热传质效率高，过程满足平推流，以便获得品质均一的聚合产品，同时实现较高的缩聚效率。
目前，工业上终缩聚反应器常用卧式搅拌反应器，主要有圆盘式和笼式。这类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；受反应器结构限制，反应温度不够均匀；熔池内的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，搅拌轴产生相当绕度，进一步增黏的设备改进空间不大。特别是对于制备高黏熔体的场合，其过多的死区、夹带、有限的成膜与表面更新以及过长停留时间造成的严重降解限制了这类反应器的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种熔融缩聚反应器，采用管外降膜反应和搅拌反应相结合的反应方式，缩聚效率高，熔体品质均匀，分子量分布窄。为此，本发明采用以下技术方案：
熔融缩聚反应器，它包括立式壳体，设置在立式壳体中的管外降膜元件、连接于立式壳体上端的封头、上部真空抽气口，封头顶部设有进料口，其特征在于所述反应器还包括处在下端的底壳，底壳底部设有出料口，管外降膜元件管内有传热介质通路，管外降膜元件下方底壳内安装有搅拌器。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：
所述搅拌器为螺带搅拌器，搅拌器的动力从底壳底部传入。
所述反应器内部垂直安装1根或多根管外降膜元件；管外降膜元件采用圆管；或者波节管；或者波纹管；或者管外降膜元件的上段为波节管或者波纹管，下段为圆管，上段和下段同轴。
本发明中，熔融缩聚反应器设有传热系统，传热系统包括：传热介质进口和传热介质出口；安装在立式壳体内部的箱体，箱体由上盖板、中间隔板和底板分成两层箱体，上层箱体与传热介质进口相通，下层箱体与传热介质出口相通；连接在箱体底板上的管外降膜元件，管外降膜元件上端开口下端封闭，上端与箱体的下层箱体相通，下端悬空；连接在箱体中间隔板上的的中心管，中心管两端开口，上端与箱体的上层箱体相通，下端插入管外降膜元件之内。所述箱体的横截面轮廓形状可采用圆形、多边形等。
本发明中，熔融缩聚反应器内的箱体下方设置有布膜器，布膜器由贮料盘和导流器组成，贮料盘底板开有孔，导流器对准孔安装在贮料盘底板下方，导流器下端孔壁与降膜元件之间留有环形间隙，贮料盘底板上的孔、导流器和降膜元件三者保持同轴心。
本发明中，波节管由弧形段和直管段交替构成，波峰直径和直管直径之差与弧形段长L1之比为0.05～1.0；波纹管选择圆弧型波纹管或者缩放型波纹管或者圆弧切线型波纹管或者正弦型波纹管，波峰直径和波谷直径之差与节距L之比为0.05～1.0。上述比值的数值过小，与圆管相比效果不大，反之如果数值过大，熔体容易产生“悬崖式坠落”。
封头与立式壳体由封头连接法兰、连接螺栓连接，立式壳体与底壳由底壳连接法兰、底壳连接螺栓连接，便于拆卸检修、安装。
进料管的上端处于封头外面，下端有多个出口，穿过箱体中的隔套进入到贮料盘的上方。
立式壳体内壁设有支架环用于支撑装有管外降膜元件、贮料盘的箱体。
管外降膜元件的最大外径为8～200mm，管外降膜元件的长度为0.5～30m。
当贮料盘底板上有三个以上孔时，相邻的三个孔呈等边三角形均匀排布。
立式壳体的外围有夹套，夹套的下部和上部分别设有夹套保温介质进口和夹套保温介质出口；底壳的外围有底壳夹套，底壳夹套的下部和上部分别设有底壳保温介质进口和底壳保温介质出口。
本发明可以用于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)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺、聚碳酸酯等的熔融缩聚反应。
本发明采用管外降膜反应器，这种反应器具有结构简单、成膜面积较大，管外降膜元件管内有传热介质通路，热交换充分、反应温度均匀；同时，在管外降膜元件的下方设置了搅拌器，使得同一降膜元件以及不同降膜元件之间有可能存在性质差异的熔体进行充分混合和分散，并在搅拌条件下进行进一步反应，提高熔体的质量稳定性和均匀性。
本发明在对缩聚反应过程特性和聚合物系的流变特性充分认识的基础上，提供了不同的管外降膜元件。选择波节管或者波纹管作为管外降膜元件，可增加熔体成膜面积，控制熔体流速，强化熔体的分散与混合，提高成膜效率和表面更新频率，提高缩聚效率；选择圆管作为管外降膜元件，对于高黏熔体有利于流动，避免产生流动“死区”，防止出现结焦和色泽变黄；选择波节管或者波纹管与圆管组合作为管外降膜元件，可以适应反应过程中熔体黏度不断增加的变化，上段采用波节管或者波纹管适应较低黏度的熔体，下段采用圆管适应高黏熔体。
进一步地，本发明通过在贮料盘下方安装导流器，贮料盘底板上的孔、导流器和降膜元件三者保持同轴心，这样有利于熔体在降膜元件上布膜均匀，并且防止熔体在贮料盘底板结板。
附图说明
图1为本发明所提供的实施例1的结构示意图。
图2为本发明所提供的实施例2的结构示意图。
图3为本发明所提供的实施例3的结构示意图。
图4为波节管的结构示意图。
图5a为圆弧型波纹管的结构示意图。
图5b为缩放型波纹管的结构示意图。
图5c为圆弧切线型波纹管的结构示意图。
图5d为正弦型波纹管的结构示意图。
图6为导流器的结构示意图。
图中零部件、部位及编号：封头1、上盖板2、中间隔板3、箱体4、底板5、贮料盘6、贮料盘底板61、孔611、导流器62、导流器下端孔壁621、立式壳体7、夹套8、夹套保温介质进口9、底壳连接法兰10、底壳夹套11、底壳保温介质进口12、出料口13、底壳14、底壳保温介质出口15、管外降膜元件16、中心管17、夹套保温介质出口18、真空抽气口19、支架环20、传热介质出口21、传热介质进口22、封头连接法兰23、连接螺栓24、隔套25、进料口26、螺带搅拌器27、底壳连接螺栓28。
具体实施方式
实施例1，参照附图1、4、5a、5b、5c、5d、6。
本发明所提供的一种熔融缩聚反应器，如图1所示，它包括：多根垂直设置的管外降膜元件16、立式壳体7、连接于立式壳体7上端的封头1和下端的底壳14，封头1顶部设有进料口26，立式壳体7上部设有真空抽气口19，底壳14底部设有出料口13，底壳14内安装螺带搅拌器27，搅拌器动力从底壳底部传入。
立式壳体7内部上端通过紧固件连接安装箱体4，箱体4为柱形箱体，它由上盖板2、中间隔板3和底板5分成两层箱体，上层箱体与传热介质进口22相通，下层箱体与传热介质出口21相通，管外降膜元件16上端开口下端封闭，上端连接在箱体底板5上并与下层箱体相通，下端悬空，上部穿过贮料盘6，中心管17两端开口，插入管外降膜元件16内，上端连接在箱体中间隔板3上并与上层箱体相通。
本发明的一个重要特征是：管外降膜元件16采用结构参数优化的波节管或者波纹管。
如图4所示，波节管由弧形段和直管段交替构成，波峰直径D2和直管直径D1之差与圆弧段长L1之比(D2-D1)/L1＝0.05～1.0。波纹管中，波峰直径D2和波谷直径D1之差与节距L之比(D2-D1)/L＝0.05～1.0；所述节距为相邻波峰之间的距离。
如图5a所示，波纹管可选择圆弧型波纹管，即波纹管的纵切轮廓线为大小圆弧相切的连续波。
如图5b所示，波纹管可选择缩放型波纹管，即波纹管由扩张段和收缩段交替构成。
如图5c所示，波纹管可选择圆弧切线型波纹管，即波纹管的纵切轮廓线为圆弧和切线交替的连续波。
如图5d所示，波纹管可选择正弦型波纹管，即波纹管的纵切轮廓线为正弦波。
本发明的另一个特征在于：熔融缩聚反应器内的箱体下方设置有布膜器，布膜器由贮料盘6和导流器62组成，贮料盘底板61开有孔611，导流器62对准孔611安装在贮料盘底板61下方，导流器62下端孔壁621与降膜元件16之间留有环形间隙，贮料盘底板(61)上的孔(611)、导流器(62)和降膜元件(16)三者保持同轴心。环形间隙的大小根据进料熔体的黏度决定，黏度大则间隙大，反之则小，目的是控制熔体流量。
封头1与立式壳体7由封头连接法兰23、连接螺栓24连接，立式壳体7与底壳14由底壳连接法兰10、底壳连接螺栓28连接，便于拆卸检修、安装。
进料管26的上端处于封头1外面，下端有多个出口，穿过箱体中的隔套25进入到贮料盘6的上方。
立式壳体7内壁设有支架环20用于支撑装有管外降膜元件、贮料盘的箱体，既方便安装，又确保管外降膜元件的垂直度，提高布膜均匀性。
立式壳体7的外围有夹套8，夹套8的下部和上部分别设有夹套保温介质进口9和夹套保温介质出口18。
底壳14的外围有底壳夹套11，底壳夹套11的下部和上部分别设有底壳保温介质进口12和底壳保温介质出口15。
作为优选，管外降膜元件16的波峰直径D2为8～200mm，长度为0.5～30m。
作为优选，当贮料盘底板(61)上有三个以上孔时，相邻的三个孔呈等边三角形均匀排布。
实施例2，参照附图2、4、5a、5b、5c、5d、6。
在本实施例中，管外降膜元件16的上段为波节管或者波纹管162，下段为圆管161，上段和下段同轴，上段的长度根据进料熔体的黏度高低决定，黏度高则长度短，反之则长，下段的长度根据出料熔体的黏度高低决定，黏度高则长度长，反之则短；波节管、波纹管的结构和实施例1的相同。
本实施例的其它部分和实施例1相同，在图2中，附图标号和图1相同的代表相同的含义。
本实施例中，根据缩聚反应进程中熔体的黏度变化特点，管外降膜元件对应缩聚反应的前期和后期的部位具有不同的结构特点，上段采用波节管或者波纹管适应较低黏度的熔体，下段采用圆管适应高黏熔体。
实施例3，参照附图3、6。
在本实施例中，管外降膜元件16为圆管。作为优选，管外降膜元件16的外径为8～200mm，长度为0.5～30m。
本实施例的其它部分和实施例1相同，在图3中，附图标号和图1相同的代表相同的含义。

Claims (18)

1.熔融缩聚反应器，它包括立式壳体(7)，设置在立式壳体(7)內的管外降膜元件(16)、连接于立式壳体(7)上端的封头(1)、上部真空抽气口(19)，封头(1)顶部设有进料口(26)，其特征在于所述反应器还包括处在下端的底壳(14)，底壳(14)底部设有出料口(13)，管外降膜元件(16)管内有传热介质通路，管外降膜元件(16)下方底壳(14)内安装有搅拌器(27)；
所述搅拌器(27)为螺带搅拌器，搅拌器(27)的动力从底壳底部传入；
所述反应器内部垂直安装1根或多根管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)采用圆管。
2.如权利要求1所述的熔融缩聚反应器，其特征在于它设有传热系统，传热系统包括：传热介质进口(22)和传热介质出口(21)；安装在立式壳体(7)内部的箱体(4)，箱体(4)由上盖板(2)、中间隔板(3)和底板(5)分成两层箱体，上层箱体与传热介质进口(22)相通，下层箱体与传热介质出口(21)相通；连接在箱体底板(5)上的管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)上端开口下端封闭，上端与箱体(4)的下层箱体相通，下端悬空；连接在箱体中间隔板(3)上的中心管(17)，中心管(17)两端开口，上端与箱体(4)的上层箱体相通，下端插入管外降膜元件(16)之内。
3.根据权利要求1所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：它设置有布膜器，布膜器由贮料盘(6)和导流器(62)组成，贮料盘底板(61)开有孔(611)，导流器(62)对准孔(611)安装在贮料盘底板(61)下方，导流器(62)下端孔壁(621)与降膜元件(16)之间留有环形间隙，贮料盘底板(61)上的孔(611)、导流器(62)和降膜元件(16)三者保持同轴心。
4.根据权利要求1所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：管外降膜元件(16)的最大外径为8～200mm，管外降膜元件(16)的长度为0.5～30m。
5.根据权利要求3所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：当贮料盘底板(61)上有三个以上孔时，相邻的三个孔呈等边三角形均匀排布。
6.根据权利要求1所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：立式壳体(7)的外围有夹套(8)，夹套的下部和上部分别设有夹套保温介质进口(9)和夹套保温介质出口(18)；
底壳(14)的外围有底壳夹套(11)，底壳夹套的下部和上部分别设有底壳保温介质进口(12)和底壳保温介质出口(15)。
7.熔融缩聚反应器，它包括立式壳体(7)，设置在立式壳体(7)內的管外降膜元件(16)、连接于立式壳体(7)上端的封头(1)、上部真空抽气口(19)，封头(1)顶部设有进料口(26)，其特征在于所述反应器还包括处在下端的底壳(14)，底壳(14)底部设有出料口(13)，管外降膜元件(16)管内有传热介质通路，管外降膜元件(16)下方底壳(14)内安装有搅拌器(27)；
所述搅拌器(27)为螺带搅拌器，搅拌器(27)的动力从底壳底部传入；
所述反应器内部垂直安装1根或多根管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)采用波节管，或者波纹管。
8.如权利要求7所述的熔融缩聚反应器，其特征在于它设有传热系统，传热系统包括：传热介质进口(22)和传热介质出口(21)；安装在立式壳体(7)内部的箱体(4)，箱体(4)由上盖板(2)、中间隔板(3)和底板(5)分成两层箱体，上层箱体与传热介质进口(22)相通，下层箱体与传热介质出口(21)相通；连接在箱体底板(5)上的管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)上端开口下端封闭，上端与箱体(4)的下层箱体相通，下端悬空；连接在箱体中间隔板(3)上的中心管(17)，中心管(17)两端开口，上端与箱体(4)的上层箱体相通，下端插入管外降膜元件(16)之内。
9.根据权利要求7所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：它设置有布膜器，布膜器由贮料盘(6)和导流器(62)组成，贮料盘底板(61)开有孔(611)，导流器(62)对准孔(611)安装在贮料盘底板(61)下方，导流器(62)下端孔壁(621)与降膜元件(16)之间留有环形间隙，贮料盘底板(61)上的孔(611)、导流器(62)和降膜元件(16)三者保持同轴心。
10.根据权利要求7所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：管外降膜元件(16)的最大外径为8～200mm，管外降膜元件(16)的长度为0.5～30m；波节管由弧形段和直管段交替构成，波峰直径和直管直径之差与弧形段长(L1)之比为0.05～1.0；波纹管选择圆弧型波纹管或者缩放型波纹管或者圆弧切线型波纹管或者正弦型波纹管，波峰直径和波谷直径之差与节距(L)之比为0.05～1.0。
11.根据权利要求9所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：当贮料盘底板(61)上有三个以上孔时，相邻的三个孔呈等边三角形均匀排布。
12.根据权利要求7所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：立式壳体(7)的外围有夹套(8)，夹套的下部和上部分别设有夹套保温介质进口(9)和夹套保温介质出口(18)；
底壳(14)的外围有底壳夹套(11)，底壳夹套的下部和上部分别设有底壳保温介质进口(12)和底壳保温介质出口(15)。
13.熔融缩聚反应器，它包括立式壳体(7)，设置在立式壳体(7)內的管外降膜元件(16)、连接于立式壳体(7)上端的封头(1)、上部真空抽气口(19)，封头(1)顶部设有进料口(26)，其特征在于所述反应器还包括处在下端的底壳(14)，底壳(14)底部设有出料口(13)，管外降膜元件(16)管内有传热介质通路，管外降膜元件(16)下方底壳(14)内安装有搅拌器(27)；
所述搅拌器(27)为螺带搅拌器，搅拌器(27)的动力从底壳底部传入；
所述反应器内部垂直安装1根或多根管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)的上段为波节管或者波纹管(162)，下段为圆管(161)，上段和下段同轴。
14.如权利要求13所述的熔融缩聚反应器，其特征在于它设有传热系统，传热系统包括：传热介质进口(22)和传热介质出口(21)；安装在立式壳体(7)内部的箱体(4)，箱体(4)由上盖板(2)、中间隔板(3)和底板(5)分成两层箱体，上层箱体与传热介质进口(22)相通，下层箱体与传热介质出口(21)相通；连接在箱体底板(5)上的管外降膜元件(16)，管外降膜元件(16)上端开口下端封闭，上端与箱体(4)的下层箱体相通，下端悬空；连接在箱体中间隔板(3)上的中心管(17)，中心管(17)两端开口，上端与箱体(4)的上层箱体相通，下端插入管外降膜元件(16)之内。
15.根据权利要求13所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：它设置有布膜器，布膜器由贮料盘(6)和导流器(62)组成，贮料盘底板(61)开有孔(611)，导流器(62)对准孔(611)安装在贮料盘底板(61)下方，导流器(62)下端孔壁(621)与降膜元件(16)之间留有环形间隙，贮料盘底板(61)上的孔(611)、导流器(62)和降膜元件(16)三者保持同轴心。
16.根据权利要求13所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：管外降膜元件(16)的最大外径为8～200mm，管外降膜元件(16)的长度为0.5～30m；波节管由弧形段和直管段交替构成，波峰直径和直管直径之差与弧形段长(L1)之比为0.05～1.0；波纹管选择圆弧型波纹管或者缩放型波纹管或者圆弧切线型波纹管或者正弦型波纹管，波峰直径和波谷直径之差与节距(L)之比为0.05～1.0。
17.根据权利要求15所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：当贮料盘底板(61)上有三个以上孔时，相邻的三个孔呈等边三角形均匀排布。
18.根据权利要求1所述的熔融缩聚反应器，其特征在于：立式壳体(7)的外围有夹套(8)，夹套的下部和上部分别设有夹套保温介质进口(9)和夹套保温介质出口(18)；
底壳(14)的外围有底壳夹套(11)，底壳夹套的下部和上部分别设有底壳保温介质进口(12)和底壳保温介质出口(15)。
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