CN107442059B - 一种降膜熔融缩聚反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降膜式熔融缩聚反应器。反应器塔体上方连接封头，下方连接底壳，封头与热媒室和物料室相连，物料室的下底板为物料分配板，分配板上有成排排列的物料降膜支撑管穿过，分配板上降膜支撑管的两侧分别配置有位于同排相邻降膜支撑管之间的布膜孔；降膜支撑管为套管结构，同排相邻两根降膜支撑管的管间距为4~60 mm，降膜支撑管直径为4~100 mm；底壳内设有搅拌器、螺杆和物料出口。本熔融缩聚反应器可提供较大的成膜面积，脱挥效率高，停留时间分布窄，适用于实施聚酯等物料的熔融缩聚反应。

Description

一种降膜熔融缩聚反应器

技术领域

本发明涉及一种熔融缩聚反应器，特别涉及一种高黏物料降膜流动的熔融缩聚反应装置，属于聚合物生产设备技术领域。

背景技术

在缩聚反应制备聚酯、聚酰胺等聚合物材料过程中，熔融缩聚反应一般发生在卧式搅拌反应器内，在此类设备中物料的熔融缩聚达到一定阶段后产物分子量难以进一步提高，物料易受热不均，发生热氧化降解等副反应，停留时间分布宽；且这类设备占地面积大，投资成本高，设备的运行需要消耗大功率的外置动力，而装置产量也有限。

近年来，熔融缩聚制备高黏物料也有采用管外降膜式熔融缩聚反应器，但物料在管外的布膜均匀性通常难以保证，因而降膜支撑件上物料的熔融缩聚反应的均匀性难以实现，由此对产品的均一性等造成不良影响，亟需提供一种物料成膜流动性能与反应进程匹配且物料流动状态与停留时间受控的高效降膜熔融缩聚反应装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种降膜熔融缩聚反应器，其结构设计巧妙，可使物料反应温度均匀，成膜流动性能好，成膜面积大，脱挥效率高，最终获得高品质聚合产品，为此，提出以下技术方案；

一种降膜熔融缩聚反应器，包括塔体、与塔体上端相连的封头和与塔体下端相连的底壳，封头包括第一热媒室、第二热媒室和物料室，第一热媒室上有反应器热媒入/出口，第二热媒室上有反应器热媒出/入口，物料室的下底板为物料分配板；

所述封头顶部有进料管，进料管下方连接有若干导流管，导流管与物料室连通；

所述分配板上有成排排列的降膜支撑管穿过，每一排至少有两根；同排相邻两根降膜支撑管的管间距为4~60 mm，降膜支撑管直径为4~100 mm；

所述分配板上设有布膜孔分属于各根降膜支撑管，每根降膜支撑管所属的布膜孔处在该降膜支撑管面向同排相邻两根降膜支撑管的两侧，分属相邻两根降膜支撑管的布膜孔不连通；

所述降膜支撑管为套管结构，降膜支撑管的内管与第一热媒室相通，降膜支撑管的外管与第二热媒室相通。

进一步地，降膜支撑管的外管为一段圆管或多段相连的圆管，多段相连的圆管的直径从上到下变小。

作为本发明的进一步改进，同排相邻两根降膜支撑管之间有横向的支撑丝连接。

作为本发明的进一步改进，每根降膜支撑管所属的布膜孔的数量、大小、形状及其与该降膜支撑管的相对位置与其它降膜支撑管完全一致，但每一排最外端的降膜支撑管例外，其外侧不设布膜孔；每根降膜支撑管所属的布膜孔内壁与该降膜支撑管外壁之间的最小距离小于5mm，分属相邻两根降膜支撑管的布膜孔不连通。

进一步地，降膜支撑管所属的布膜孔紧贴于降膜支撑管管壁，相邻两根降膜支撑管所属的布膜孔不连通。

作为本发明的进一步改进，每根降膜支撑管一侧的布膜孔可为一个或多个，降膜支撑管一侧的布膜孔为一个时，布膜孔位于同排降膜支撑管的轴心的连线上；降膜支撑管一侧的布膜孔为多个时，多个布膜孔以同排降膜支撑管的轴心连线对称分布。

作为本发明的进一步改进，分配板上每根降膜支撑管一侧所属的布膜孔有效横截面积为1~200 mm²，布膜孔的有效横截面积是指在分配板厚度方向可供高黏流体流动的最小横截面积。

本发明中，布膜孔的形状可以是圆弧形、三角形、多边形等，并无特别限制；布膜孔在分配板的膜厚方向上的截面大小可以保持不变，如柱形，也可以变化，如锥形，并无特别限制。

作为本发明的进一步改进，塔体垂直安装，塔体与上端的封头由封头法兰紧固件连接，塔体与下方的底壳由底壳法兰紧固件连接，塔体上端设有真空脱气口，塔体上有塔体夹套，塔体夹套上分别设有塔体夹套热媒入口和塔体夹套热媒出口；底壳为锥形，底壳的外面装有底壳夹套，底壳夹套上分别设有底壳夹套热媒入口和底壳夹套热媒出口，底壳内部装有螺杆，底壳底部还设有物料出口。

作为本发明的进一步改进，底壳内部装有搅拌器，搅拌器可以是桨式、框式、锚式、螺带式等结构，并无特别限制。

本发明通过巧妙设计布膜孔和降膜支撑管的组合结构，熔融物料从降膜支撑管两侧的布膜孔流出后，在成排排列的降膜支撑管之间形成稳定的管间降膜流动，可有效避免管外降膜流动进行缩聚反应时管外四周分布不均匀的流动现象，熔体在管间受到两侧降膜支撑管的双向支撑，不同区域降膜流动的速度分布范围小，停留时间分布窄；由于脱挥可在管间熔体膜的两面进行，与以往的管外降膜相比，熔融缩聚效率反而更高，且降膜流动被控制在相邻两降膜支撑管形成的固定轨道上，熔融缩聚反应的进程及熔体物性的变化和降膜流动的发展相匹配，物料整体停留时间可控，容易获得高质量的聚合产品。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3a为降膜支撑管一侧为两个方形布膜孔的分布示意图。

图3b为降膜支撑管一侧为一个半圆形布膜孔的分布示意图。

图4为分配板上的布膜孔分布示意图。

图5为对照例1的管外降膜同心圆环缝式布膜孔结构示意图。

图6为对照例2的管间降膜中相通狭缝式布膜孔结构示意图。

附图标记说明：1-封头，2-第一热媒室，3-第二热媒室，4-物料室，4A-分配板，4A1-布膜孔，5-塔体夹套， 5A-塔体夹套热媒入/出口，5B-塔体夹套热媒出/入口，6-塔体，7-塔体与底壳连接法兰，8-底壳夹套，8A-底壳夹套热媒入/出口，8B-底壳夹套热媒出/入口，9-底壳，10-螺杆，11-物料出口，12-搅拌器，13-降膜支撑管，13A-降膜支撑管的外管，13B-降膜支撑管的内管，14支撑丝，15-真空脱气口，16-塔体与封头连接法兰，17热媒出/入口，18-导流管，19-热媒入口/出口，20-进料管。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的管间降膜熔融缩聚反应器，包括塔体6、与塔体6上端相连的封头1和与塔体下端相连的底壳9，封头1由第一热媒室2、第二热媒室3和物料室4组成，第一热媒室2上有反应器热媒入/出口19，第二热媒室上有反应器热媒出/入口17，物料室4的下底板为物料分配板4A。

封头顶部有进料管20，进料管20下方连接有若干导流管18，导流管18穿过第二热媒室3与物料室4连通。

分配板4A上有成排排列的降膜支撑管13穿过，降膜支撑管13为套管结构，降膜支撑管的内管13B与第一热媒室2相通，降膜支撑管的外管13A与第二热媒室3相通，工作时热媒可从第一热媒室2上的反应器热媒入口19流入，进入降膜支撑管的内管13B，再从降膜支撑管的外管13A与降膜支撑管的内管13B之间的间隙流出至第二热媒室3，经第二热媒室3上的反应器热媒出口17流通至外界加热或冷却循环运行。

降膜支撑管13成排排列，每一排至少有两根，同排相邻两根降膜支撑管13的管间距（L）为4~60 mm，降膜支撑管13直径为4~100 mm。

分配板4A上设有布膜孔4A1分属于各根降膜支撑管13，每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1处在该降膜支撑管13面向同排相邻两根降膜支撑管的两侧。

作为优选，如图1所示，降膜支撑管的外管13A可以采用直径不变的圆管。

作为优选，如图2所示，降膜支撑管的外管13A还可以采用多段相连的圆管，在降膜流动方向上，分段的圆管从上至下管径变小。

作为优选，每根降膜支撑管13所属的布膜孔的数量、大小、形状及其与该降膜支撑管的相对位置与其它降膜支撑管完全一致，但每一排最外端的降膜支撑管13例外，其外侧不设布膜孔4A1，如示意图4所示；每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1内壁与该降膜支撑管13外壁之间的最小距离小于5mm，分属相邻两根降膜支撑管的布膜孔不连通；

作为优选，物料从封头1顶部的进料管20流入，进料管20下方连接有若干等间距分布的导流管18，物料经不同导流管18到达物料室4的距离一致，物料室4各处的熔体压力相同；物料从降膜支撑管13两侧的布膜孔4A1流出，在同排相邻的两根降膜支撑管13之间相连，形成薄膜片状向下进行管间降膜流动。

进一步地，降膜支撑管的外管13A为一段圆管或多段相连的圆管，多段相连的圆管的直径从上到下变小。

作为本发明的进一步改进，成排排列的降膜支撑管与其相邻排降膜支撑管的管壁距离最小值大于20 mm。

作为优选，同排相邻两根降膜支撑管13之间有横向的支撑丝14连接，支撑丝14长度等于同排相邻两根降膜支撑管13的管间距。

图3a和图3b分别为每根降膜支撑管13所属布膜孔4A1在分配板4A上几何布局的两种示例，但并不局限于此，布膜孔4A1的形状可以是圆弧形、三角形、多边形等，并无特别限制。

作为优选，如图3a所示，每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1在降膜支撑管13两侧对称分布，每根降膜支撑管13一侧所属的布膜孔4A1为2个，这两个布膜孔以同排降膜支撑管13的轴心连线对称分布。

作为优选，如图3b所示，每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1在降膜支撑管13两侧对称分布，每根降膜支撑管13一侧所属的布膜孔4A1为1个，位于同排降膜支撑管13的轴心的连线上。

作为优选，如图3a和图3b所示，降膜支撑管13所属的布膜孔4A1紧贴于降膜支撑管13管壁，相邻两根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1不连通。

作为优选，布膜孔4A1在分配板4A的膜厚方向上的截面大小可以保持不变，如柱形，也可以变化，如锥形，并无特别限制；布膜孔4A1在分配板4A厚度方向上可供高黏流体流动的最小横截面积为有效横截面积，降膜支撑管13一侧所属的布膜孔4A1有效横截面积为1~200 mm²，

塔体6垂直安装，塔体6与上端的封头1由封头法兰紧固件16连接，塔体6与下方的底壳9由底壳法兰紧固件7连接，塔体6上端设有真空脱气口15用于脱除挥发性小分子化合物，塔体6上有塔体夹套5，塔体夹套5的上端和下端分别设有塔体夹套热媒入/出口5A和塔体夹套热媒出/入口5B。

作为优选，底壳9为锥形，底壳9的外面装有底壳夹套8，底壳夹套8的上端和下端分别设有底壳夹套热媒入/出口8A和底壳夹套热媒出/入口8B，底壳9内部装有搅拌器12，物料离开降膜支撑管13后，由搅拌器12进一步搅拌匀化反应，本发明示意图1中的桨式结构搅拌器仅作为一种具体实施方式以便说明，但本发明所述搅拌器并不局限于此，也可以采用框式、锚式、螺带式等结构的搅拌器。

作为优选，底壳9底部还安装有螺杆10用于出料，物料出口11设于底壳9底部，物料经过搅拌器12搅拌匀化后由螺杆10输送至物料出口11排出。

下面，通过以下实施例更具体地描述本发明。

实施例1

以特性黏度为0.65 dL/g分子量分布指数为1.65的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）熔体为原料生产高分子量PET，熔融缩聚反应器如示意图1所示，分配板4A上有成排排列的降膜支撑管13穿过，每排有5~7根降膜支撑管13，降膜支撑管13为直径不变的圆管，其外径为20 mm；同排相邻的两根降膜支撑管的管间距为 20 mm；每根降膜支撑管13单侧开有1个圆形布膜孔4A1，布膜孔4A1形状及分布如示意图3b 所示，其有效成膜横截面积为40 mm²；分配板4A上每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1分布于其左右两侧并紧贴其外壁对称分布，每一排两端的降膜支撑管13外侧没有布膜孔4A1，如示意图4所示；采用以上所述的降膜熔融缩聚反应器进行PET熔融缩聚反应，可获得产物特性黏度为1.07 dL/g，分子量分布指数为1.54。

实施例2

本实施例中采用的降膜支撑管的外管13A为三段相连的圆管，如示意图2所示，在降膜流动方向上，分段的圆管从上至下管径变小，三段管的管径分别是26 mm，20 mm和16mm，其余同实施例1；采用以上所述的降膜熔融缩聚反应器进行PET熔融缩聚反应，可获得产物特性黏度1.09 dL/g，分子量分布指数1.52。

对照例1

本对照例中采用降膜支撑管13为直径不变的圆管，降膜支撑管13并未成排排列，利用同心圆环缝结构的布膜孔4A1进行布膜，形成管外降膜流动，每根降膜支撑管13所属的布膜孔4A1有效成膜横截面积为80 mm²，布膜孔4A1结构如示意图5所示，其余同实施例1，采用以上所述的降膜熔融缩聚反应器进行PET的熔融缩聚反应，获得产物的特性黏度为0.86dL/g，分子量分布指数为1.67。

对照例2

本对照例中采用降膜支撑管13为直径不变的圆管，成排排列，布膜孔4A1采用采用管间相通的狭缝布膜结构，如示意图6所示，同排相邻的两根降膜支撑管13之间的狭缝相通，每个管间狭缝形的布膜孔4A1的面积是80 mm²，物料从管间狭缝流出，其余同实施例1，采用以上所述的降膜熔融缩聚反应器进行PET的熔融缩聚反应，获得产物的特性黏度为0.94 dL/g，分子量分布指数为1.59。

比较实施例和对照例可知，对于同心圆环缝布膜的管外降膜熔融缩聚反应器来说（对照例1），管外熔体包覆不完全，降膜流动的熔体膜厚不均，熔体降膜停留时间较短，反应后PET特性黏度的提升有限，且产物分子量分布明显较宽；当采用成排排列的降膜支撑管进行管间相通的狭缝布膜时，仅在一定条件下可实现管间降膜，且管间降膜流动的连续性或均匀性相对较差，实验获得的产物特性黏度仅可用于制备普通涤纶工业丝，其产物特性黏度也较宽；而本发明的反应器结构设计合理，降膜支撑管与分配板上的布膜孔分布巧妙，可充分发挥布膜与降膜结构的联动契合作用，顺利实现均匀的管间降膜流动，实现高效制备高分子量窄分布的高性能工业丝用聚酯物料。

表1实施例与对照例的实验结果比较：

项目	降膜支撑件及布膜方式	实验现象	特性黏度（dL/g）	分子量分布指数
					实施例1	降膜支撑管成排排列，降膜支撑管为直径不变的圆管，降膜支撑管两侧布膜，单侧布膜孔有效面积40 mm<sup>2</sup>	连续均匀的管间降膜流动	1.07	1.54
实施例2	降膜支撑管成排排列，降膜支撑管为多段相连的圆管，管径从上到下变小，降膜支撑管两侧布膜，单侧布膜孔有效面积40 mm<sup>2</sup>	连续均匀的管间降膜流动	1.09	1.52
					对照例1	降膜支撑管为直径不变的圆管，降膜支撑管未成排排列，同心圆环孔缝布膜，环缝面积80 mm<sup>2</sup>	管外降膜流动，局部包覆，膜厚不均	0.85	1.68
对照例2	成排排列的降膜支撑管为直径不变的圆管，管间连通的狭缝布膜，狭缝面积80 mm<sup>2</sup>	管间降膜流动	0.94	1.59

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种降膜熔融缩聚反应器，包括塔体（6）、与塔体（6）上端相连的封头（1）和与塔体（6）下端相连的底壳（9），反应器上设有进料管（20）、物料出口（11）和真空脱气口（15），其特征在于：

所述封头（1）包括第一热媒室（2）、第二热媒室（3）和物料室（4），第一热媒室（2）上有反应器热媒入/出口（19），第二热媒室（3）上有反应器热媒出/入口（17），物料室（4）的下底板为物料分配板（4A）；

所述进料管（20）与物料室（4）连通；

所述分配板（4A）上有成排排列的降膜支撑管（13）穿过，每一排至少有两根，同排相邻两根降膜支撑管（13）的管间距（L）为4~60 mm，降膜支撑管（13）直径为4~100 mm；

所述分配板（4A）上设有布膜孔（4A1）分属于各根降膜支撑管（13），每根降膜支撑管（13）所属的布膜孔（4A1）处在该降膜支撑管（13）面向同排相邻两根降膜支撑管的两侧，分属相邻两根降膜支撑管的布膜孔不连通；

所述降膜支撑管（13）为套管结构，降膜支撑管的内管（13B）与第一热媒室（2）相通，降膜支撑管的外管（13A）与第二热媒室（3）相通。

2.如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：降膜支撑管的外管（13A）为一段圆管或多段相连的圆管，多段相连的圆管的直径从上到下变小。

3.如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：同排相邻两根降膜支撑管（13）之间有横向的支撑丝（14）连接。

4. 如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：每根降膜支撑管（13）所属布膜孔的数量、大小、形状及其与该降膜支撑管的相对位置与其它降膜支撑管完全一致，但每一排最外端的降膜支撑管（13）例外，其外侧不设布膜孔（4A1）；每根降膜支撑管（13）所属的布膜孔（4A1）内壁与该降膜支撑管（13）外壁之间的最小距离小于5 mm。

5.如权利要求4所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：降膜支撑管（13）所属的布膜孔（4A1）紧贴于降膜支撑管（13）管壁。

6.如权利要求4所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：每根降膜支撑管（13）一侧所属的布膜孔（4A1）可为一个或多个，降膜支撑管（13）一侧所属的布膜孔（4A1）为一个时，布膜孔（4A1）位于同排降膜支撑管（13）的轴心的连线上；降膜支撑管（13）一侧所属的布膜孔（4A1）为多个时，多个布膜孔（4A1）以同排降膜支撑管（13）的轴心连线对称分布。

7. 如权利要求1或4所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：每根降膜支撑管（13）一侧的布膜孔（4A1）有效横截面积为1~200 mm²。

8.如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：所述塔体（6）垂直安装，塔体（6）与上端的封头（1）由第一法兰紧固件（16）连接，塔体（6）与下方的底壳（9）由第二法兰紧固件（7）连接，塔体（6）上端设有真空脱气口（15），塔体（6）上有塔体夹套（5），塔体夹套（5）的上端和下端分别设有塔体夹套热媒入/出口（5A）和塔体夹套热媒出/入口（5B）。

9.如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：所述底壳（9）为锥形，底壳（9）的外面装有底壳夹套（8），底壳夹套（8）的上端和下端分别设有底壳夹套热媒入/出口（8A）和底壳夹套热媒出/入口（8B），底壳（9）内部装有搅拌器（12）。

10.如权利要求1所述的一种降膜熔融缩聚反应器，其特征在于：底壳（9）底部设置有螺杆（10）用于出料。

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