CN110142017B - 一种氯化高聚物一体化生产平台 - Google Patents

一种氯化高聚物一体化生产平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于氯化聚合物制备技术领域，特别涉及一种氯化高聚物一体化生产平台。该平台依次包含有氯化反应釜、多功能快速分离装置和干燥装置。该反应釜内设有的搅拌器为三层搅拌层，顶层搅拌层与中间搅拌层的间距h3为650‑1050mm；中间搅拌层与底层搅拌层的间距h2为650‑1050mm；底层搅拌层与釜底的间距h1为200‑300mm；搅拌层直径d与反应釜内径D的比值d/D为0.6±0.05；本发明提供的一体化生产平台，可在同一平台上实现CPE、CPVC、CPP等多种氯化高聚物产品的生产，以提高单台(套)设备的生产效率和利用率，提高产品调节能力和市场应变能力，大大降低了生产成本。

Description

一种氯化高聚物一体化生产平台
技术领域
本发明属于氯化聚合物制备技术领域，特别涉及一种氯化高聚物一体化生产平台。
背景技术
目前国内外生产氯化高聚物的主要方法是悬浮法，涉及的氯化高聚物主要是指氯化聚乙烯(CPE)、氯化聚氯乙烯(CPVC)以及氯化聚丙烯(CPP)等。因其使用的原料不同，生产工艺及设备等均有差异。
CPVC的生产中，氯元素质量占比(氯化度)仅提高10％左右，而CPE及CPP的生产中，因其原料PE或PP不含氯元素，而产品的氯化度都在30％以上，甚至更高，根据其所含氯元素质量占比(氯化度)的不同，还可细分为低氯化度和高氯化度。因此针对CPVC、CPE及CPP的不同氯需求量，其生产工艺及设备，以及应用领域也各有区别。
从悬浮法氯化高聚物的反应机理看，均为自由基反应，且均以水或盐酸连续相，原料树脂和氯为分散相的化学反应，涉及气液固三相化学反应传质传热过程，因原料及产品的不同，对氯的需求量及通氯速率均有其特殊要求，故氯化反应釜的设计，尤其是对搅拌、挡板的要求均有其特别要求；而反应之后的氯化液进行固液分离和干燥过程，属于不涉及反应的物理过程，因产品特性决定了，不同的热敏性物料、不同硬度的产品，对分离设备、干燥设备，以及操作工艺均有所不同，因此需要根据产品匹配相应的工艺和设备。
目前，涉及上述几种氯化高聚物的生产工艺和设备，因其产品特性不同，无法完全通用。即同一套生产装置，只能生产其中一种氯化产品，无法同时兼顾其他氯化产品的生产，必须根据产品特性要求，选用特定的或合适的工艺和设备，特别是氯化反应釜及其分离设备。
现存生产上述产品的企业，为提高生产装置的利用率，以及各个氯化高聚物的市场生产和销售情况，均希望能以同一平台上实现。目前，还没有能生产多种氯化高聚物的一体化平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种氯化高聚物一体化生产平台，可在同一平台上实现CPE、CPVC、CPP等氯化高聚物的生产，以提高单台(套)设备的生产效率和利用率，提高产品调节能力和市场应变能力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种氯化高聚物一体化生产平台，该平台依次包含有氯化反应釜、多功能快速分离装置和干燥装置；
所述搪玻璃氯化反应釜的釜型为25-50m3，该氯化反应釜的顶部设有液氯进料口1，该反应釜内设有的搅拌器4，该搅拌器4为三层搅拌，顶层搅拌层与中间搅拌层的间距h3为650-1050mm；中间搅拌层与底层搅拌层的间距h2为650-1050mm；底层搅拌层与釜底的间距h1为200-300mm；搅拌层直径d与反应釜内径D的比值d/D为0.6±0.05；该氯化反应釜的底部设有气氯进料口2和放料口3；
优选的，顶层搅拌层与中间搅拌层的间距h3为830-870mm；中间搅拌层与底层搅拌层的间距h2为830-870mm；底层搅拌层与釜底的间距h1为280-320mm。氯化釜的高径比(H/D)＝1.5～2.0。三层搅拌层的间距设计、搅拌层直径d与反应釜内径D的比值设计、底层搅拌层与釜底的间距设计等特定的比例和设计，保证了CPVC、CPE及CPP等氯化高聚物在本发明的一体化平台的生产中能满足产品的生产需求，且保证产品质量。
生产上述CPVC、CPE及CPP等时，PVC、PE、PP作为小颗粒的固相悬浮于液相中，从传质机理分析看，固相物为分散相，液相为连续相，为确保固相能尽可能地均匀分散于连续相中，搅拌起到了关键的混合作用。另一方面，作为参与氯化反应的另一种原料氯气(或液氯，液氯进入连续的液相后会迅速受热汽化为气态氯)，其反应传质机理是气氯先溶解于液相中，再通过液固相的接触进行传质发生氯化取代反应，副产物氯化氢溶解液相中脱离高分子树脂，因此其传质阻力最大的是气氯溶解于液相中的过程，为强化该传质过程，可行的方法就是利用搅拌将大气泡迅速粉碎为极微小的小气泡，以提高气液相的接触面积，有效提高传质效果，所以搅拌在此过程中同时也起到了关键的破碎作用。在反应釜放大至25m3釜及以上容积后，其高径比与小釜有较大的差别，小釜的搅拌可以单层设计，为弥补单层桨在传质传热方面的缺陷，可以提高搅拌转速，强化传质传热过程，而大容积的反应釜，一般搅拌转速均受限制，因此为提高传质传热效果，需要进行多层设计。
进一步优选的，所述气氯进料口2为偏心设计，其偏心距r＝d/3。常规采用釜底部中心通入气氯(方式一)，或是由釜顶部插入通氯管进入液相(方式二)，此两种方式均有一定的缺陷，方式一占用了出料用管口，物料出料口移位或共用该管口，因反应后物料含大量固体颗粒，出料口移位设计会造成出料不完全，共用管口会造成管路堵塞；方式二因釜大型化后，通氯管加长，其自重大且插入深度较深，受搅拌作用受力极大，尤其是釜盖该管口处受力严重易损。
为避免上述现象的发生，气氯进料口采用偏心设计，其偏心距r＝d/3；从液体力学角度分析，底部中心位置因搅拌作用，此区域为液体导入区，液体流速相对于搅拌桨叶覆盖范围要小，而桨叶外端所处区域为高度湍流区，液体径向流向是由轴中心沿桨叶方向流动，桨叶末端线速度远大于搅拌轴处，因此气体在接近桨叶末端处导入，更易被破碎，对涉及气液相反应传质控制的工艺，该偏心设计及偏心距离为最佳，加快了反应速率，提高了聚合釜的利用率。
进一步优选的，所述搅拌器的桨叶为三叶后掠式。三叶后掠式搅拌，具有高剪切力、排液量大，功率消耗较低的特点，受制于搪瓷加工制造过程的特殊要求，一些结构复杂的桨叶设计在搪玻璃加工时无法实现，因此三叶后掠式搅拌结构简单、易于加工的特点，成为搪瓷搅拌的优选。
所述多功能快速分离装置，包含脱浓酸区、脱稀酸区、pH调节区和二次清洗区，具有连续自动进料、自动加液、自动连续卸料等功能，随该分离装置的运行，固体物料依次自动进入对应的功能区，在对应的功能区域内实现固液两相的分离，分离后固体物料自动进入下一功能区，滤液进入对应的收集槽。
优选的，所述干燥装置为沸腾床气流干燥器。
优选的，所述多功能快速分离装置为圆盘结构，以电机驱动旋转，将圆盘依次分割为脱浓酸区、脱稀酸区、pH调节区和二次清洗区，并根据物料的分离难易程度，选择旋转转速，用于控制物料在分离器中的停留时间。
所述多功能快速分离装置的分离过程为；
(A)待分离物料进入脱浓酸区脱除氢离子，物料的进料速率由分离出的浓盐酸与物流的进料体积流量比控制，分离出的浓盐酸的体积流量/物料的进料体积流量比为0.7-0.9。
为实现工艺的最佳状态，该分离装置外接真空系统，真空度控制范围为0.005-0.01MPa(绝对压力)。浓盐酸体积流速由脱浓酸区的真空度控制。
优选的，浓盐酸的体积流量/物料的进料体积流量比为0.7，该体积流量比的控制下，既能使物料中残留的浓盐酸控制在较优范围内，又能确保该分离装置的处理能力。
(B)脱浓酸区的物料进入脱稀酸区，进水稀释，脱稀酸区的加水速率由分离出的稀盐酸的酸浓度控制，稀盐酸的浓度2-4％(wt％)；
(C)脱稀酸区的物料进入pH调节区，pH调节剂的添加量由分离出来的水的pH值控制；分离出来的水的pH范围值为8.0-8.2；
优选的，所述pH调节剂为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠或柠檬酸钠的任意一种或几种的组合。
(D)pH调节区的物料进入二次清洗区清洗、卸料。
优选的，待分离物料在多功能快速分离装置中的总停留时间T为2-3分钟。则脱浓酸区的物料停留时间T1为总停留时间T的30-40％；脱稀酸区的物料停留时间T2为总停留时间T的20-30％；pH调节区的物料停留时间T3为总停留时间T的20-30％；二次清洗区的物料停留时间T4为总停留时间T的5-15％。
优选的物料停留时间，决定了每个功能区内的物料的分离情况，既保证了物料的连续分离，又确保了物料在每个功能区内得到有效分离。
本发明提供的氯化高聚物一体化生产平台的氯化工艺为：原料进入氯化反应釜进行氯化反应，氯化反应温度为50-125℃，氯化反应压力为常压-0.5MPa，搅拌速度为75-100rpm；氯化反应完成后，物料由放料口3出来后进入多功能快速分离装置，物料进过脱浓酸区、脱稀酸区、pH调节区和卸料区后进入干燥装置，脱水干燥获得最终产品。本发明的氯化高聚物可以是CPVC、CPE或CPP。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的氯化高聚物一体化生产平台，可在同一平台上实现CPE、CPVC、CPP等多种氯化高聚物产品的生产，以提高单台(套)设备的生产效率和利用率，提高产品调节能力和市场应变能力，大大降低了生产成本。
2、本发明可采用一种集多种功能于一体的快速分离器，可实现浓酸、稀酸、pH值调节等多种功能的自动控制操作，节约了分离时间、提高了分离效率，减轻了操作人员的劳动强度。
3.本发明采用特制的适合搪玻璃釜的搅拌设计，混合均匀性效果非常好，可快速均匀分散。
说明书附图
图1为氯化聚合釜的结构示意图；
图2为多功能快速分离装置的工艺流程图；
其中，1为液氯进料口，2为气氯进料口，3为放料口，4为搅拌器。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
原料：PVC树脂(上海氯碱化工股份有限公司，聚合度为1000)；PP树脂(上海金山石化公司，等规度95％)。
实施例1
1、氯化反应釜设计：选用的氯化反应釜为25m3的搪玻璃釜，该氯化反应釜的顶端部设有液氯进料口1，该反应釜内设有的搅拌器4的桨叶为三叶后掠式，三层搅拌层，顶层搅拌层与中间搅拌层的间距h3为850mm；中间搅拌层与底层搅拌层的间距h2为850mm；底层搅拌层与釜底的间距h1为250mm；搅拌层直径d与反应釜内径D的比值d/D为0.6,氯化釜的高径比(H/D)＝1.87；
该氯化反应釜的底部设有气氯进料口2和放料口3。气氯进料口2为偏心设计，其偏心距r＝d/3。
2、氯化工艺：原料PVC树脂进入氯化反应釜进行氯化反应，氯化反应起始温度50℃、常压；氯化反应结束温度110℃、压力为0.25MPa，搅拌速度为94rpm；氯化反应完成后，物料由放料口3出来后进入多功能快速分离装置；
3、分离工艺：
(A)待分离CPVC物料进入脱浓酸区脱除浓盐酸，CPVC物料的进料速率由分离出的浓盐酸流量比例来控制；浓盐酸的体积流量/物料的进料体积流量比为0.7，脱浓酸区的真空度为0.005-0.01MPa(绝对压力)，浓盐酸的体积流量为200L/min；
(B)脱浓酸区的物料进入脱稀酸区，进水稀释，脱稀酸区的加水速率由分离出的稀盐酸的酸浓度控制，稀盐酸的浓度3％(wt％)；
(C)脱稀酸区的物料进入pH调节区，加入pH调节剂10％浓度的碳酸钠来调节物料酸碱度，pH调节剂的添加量由分离出来的水的pH值控制；分离出来的水的pH范围值为8.0-8.2；
(D)pH调节区的物料进入二次清洗区，清洗、卸料。
物料总停留时间为120秒，其中，脱浓酸区物料停留时间T1为45秒；脱浓酸区的物料停留时间T2为30秒；pH调节区的物料停留时间T3为30秒；二次清洗区的物料停留时间T2为15秒。
4、最后，物料进入干燥器进行脱水处理，干燥度为0.3％(wt％)时排出。本实施例中的干燥器可选用沸腾床气流干燥器。取干燥的CPVC树脂进行测试，
测试数据：
项目 控制指标 实测数据
含氯量，％ 66.5-67.5 66.9
挥发份，％ ≤0.3 0.15
维卡软化温度，℃ ≧120 125
实施例2
1、氯化反应釜设计：选用的氯化反应釜同实施例1。
2、氯化工艺：原料PP树脂进入氯化反应釜进行氯化反应，氯化反应起始温度为50℃、常压，氯化反应结束时温度为110℃压力为0.35MPa，搅拌速度为94；氯化反应完成后，物料由放料口3出来后进入多功能快速分离装置；
3、分离工艺：
(A)待分离CPP物料进入脱浓酸区脱除氢离子，CPP物料的进料速率由分离出的浓盐酸流量比例来控制；浓盐酸的体积流量/物料的进料体积流量比为0.7，脱浓酸区的真空度为0.005-0.01MPa(绝对压力)，浓盐酸的体积流量为200L/min；
(B)脱浓酸区的物料进入脱稀酸区，进水稀释，脱稀酸区的加水速率由分离出的稀盐酸的酸浓度控制，稀盐酸的浓度3％(wt％)；
(C)脱稀酸区的物料进入pH调节区，加入10％(wt％)碳酸钠pH调节剂来调节物料酸碱度，pH调节剂的添加量由分离出来的水的pH值控制；分离出来的水的pH范围值为8.0-8.2；
(D)pH调节区的物料进入二次清洗区。
物料总停留时间为130秒，其中，脱浓酸区物料停留时间T1为48秒；脱浓酸区的物料停留时间T2为35秒；pH调节区的物料停留时间T3为35秒；二次清洗区的物料停留时间T2为12秒。
4、最后，物料进入干燥器进行脱水处理，干燥度为0.3％以下时排出。本实施例中的干燥器可选用沸腾床气流干燥器。取干燥的CPP树脂进行测试，
测试数据：
项目 控制指标 实测数据
含氯量，％ 32-35 34.6
挥发份，％ ≤0.3 0.27
溶解性测试 澄清 澄清
粘度，CP·s 200-500 425
pH值 5.5-7.0 6.8
对比例1(快速均匀分散):
测试方法：三层搅拌为实施例1中的搪玻璃釜，单层搅拌为釜的体积与实施例1相同的搪玻璃釜。
水为连续相，以PVC树脂为分散相，配制成一定含固量的测试样后，启动搅拌计时，计时点为0秒、15秒、30秒、45秒、60秒、75秒、90秒；每一计时点取样，取样点分别为液面以下0.2米、液下1.2米、液下2.2米；对每一取样样品跟踪分析其粒径分布及分布宽度，与原始PVC样品的粒径及粒径分布宽度对比，数据见下表：
Figure BDA0002071268730000081
由上表数据可见，三层搅拌作用下，跟踪的不同取样点的粒径及粒径分布宽度数据在60秒后趋于稳定并接近原始数据，而单层搅拌需在90秒后基本一致，可见，三层搅拌的混合均匀性效果更好。
对比例2(对气泡的破碎性)：
测试方法：三层搅拌为实施例1中的搪玻璃釜，单层搅拌为釜的体积与实施例1相同的搪玻璃釜。釜内注入80％容积水后，启动搅拌，密闭容器后以恒定速度通入气氯，同时记录釜内压力随时间变化数据，见下表(单位：KPa)：
时间，min 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
单层搅拌 5 10 16 26 33 41 50 64 80 98
三层搅拌 3 6 10 15 22 31 42 54 68 85
由表可见，在三层搅拌作用下，氯在水中的溶解速度更快，表现为釜压上升速度更慢，说明对气泡的破碎作用更明显。
对比例3
采用实施例1中的聚合釜，对比例为底部中心通氯，相同投料配比，相同通氯量条件下，氯化时间及反应结束后的釜内压力不明显的区别：
氯化时间(小时) 氯化结束后压力(MPa)
底部中心通氯 6 0.35
实施例1 5 0.21
由表中可见，实施例1中采用气氯进料口为偏心设计，其偏心距r＝d/3，反应速率加快，反应时间缩短，聚合釜的利用率增加。

Claims (5)

1.一种氯化高聚物一体化生产平台，其特征在于：该平台依次包含有氯化反应釜、多功能快速分离装置和干燥装置；
所述氯化反应釜为搪玻璃釜，釜型为25-50m3，该氯化反应釜的顶端部设有液氯进料口(1)，该反应釜内设有的搅拌器(4)，该搅拌器(4)为三层搅拌，顶层搅拌层与中间搅拌层的间距h3为650-1050mm；中间搅拌层与底层搅拌层的间距h2为650-1050mm；底层搅拌层与釜底的间距h1为200-300mm；搅拌层直径d与反应釜内径D的比值d/D为0.6±0.05；该氯化反应釜的底部设有气氯进料口(2)和放料口(3)；
所述气氯进料口(2)为偏心设计，其偏心距r＝d/3；
所述多功能快速分离装置包含脱浓酸区、脱稀酸区、pH调节区和二次清洗区，其分离过程为；
(A)待分离物料进入脱浓酸区脱除氢离子，物料的进料速率由分离出的浓盐酸与待分离物流的进料体积流量比控制，分离出的浓盐酸的体积流量/物料的进料体积流量比为0.7-0.9；
(B)经过脱浓酸的物料进入脱稀酸区，进水洗涤，脱稀酸区的加水速率由分离出的稀盐酸的浓度控制，稀盐酸的浓度为2-4wt％；
(C)经过脱稀酸的物料进入pH调节区，加入pH调节剂来调节物料酸碱度，pH调节剂的添加量由分离出来的水的pH值控制；分离出来的水的pH范围值为8.0-8.2；
(D)经过pH调节的物料进入二次清洗区清洗、卸料；
其中，物料在多功能快速分离装置中的总停留时间T为2-3分钟。
2.根据权利要求1所述的氯化高聚物一体化生产平台，其特征在于：所述搅拌器(4)的桨叶为三叶后掠式。
3.根据权利要求1所述的氯化高聚物一体化生产平台，其特征在于：所述脱浓酸区的物料停留时间T1为总停留时间T的30-40％；
脱稀酸区的物料停留时间T2为总停留时间T的20-30％；
pH调节区的物料停留时间T3为总停留时间T的20-30％；
二次清洗区的物料停留时间T4为总停留时间T的5-15％。
4.根据权利要求1所述的氯化高聚物一体化生产平台，其特征在于：所述氯化高聚物一体化生产平台的氯化工艺为：原料进入氯化反应釜进行氯化反应，氯化反应温度为50-125℃，氯化反应压力为常压-0.5MPa，搅拌速度为75-100rpm；氯化反应完成后，物料由放料口(3)出来后进入多功能快速分离装置，物料进过脱浓酸区、脱稀酸区、pH调节区和二次清洗区后，卸料，进入干燥装置，脱水干燥获得最终产品。
5.根据权利要求1所述的氯化高聚物一体化生产平台，其特征在于：所述氯化高聚物为CPVC、CPE或CPP。
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