CN112871104A - 一种降膜脱挥器及其降膜元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产高黏物料的降膜式脱挥器及其降膜元件，包括立式塔体、及其上端相连的封头和下端相连的底壳，脱挥器内设有物料箱体和交错排列的降膜元件，降膜元件为多个凹槽组成的倾斜波纹板结构，物料箱体底部有布料板，布料板上为其下方对应降膜元件上凹槽分配有布膜结构，降膜元件下方有管件相连。本发明具有物料流动形态可控、流量调节范围宽、物料停留时间分布窄等优点，适用于聚合物生产、纺丝液脱泡和溶液浓缩等物料脱挥增黏过程。

Description

一种降膜脱挥器及其降膜元件
技术领域
本发明涉及高黏物料生产中的一种降膜脱挥器及其降膜元件。
背景技术
熔融缩聚、溶液浓缩、纺丝液脱泡、真空解吸等生产过程中需要在有利于物料小分子类及时排除的脱挥过程。在一定条件下(如减压和加热)，小分子以气泡等形式从物料主体中脱除，物料体系黏度升高。就熔融缩聚制备高黏聚合物熔体而言，缩聚反应是一个可逆平衡反应，随着缩聚反应的进行，需要及时有效的排出反应体系，从而使聚合物分子量不断提高，包括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(PA)和聚碳酸酯(PC)等在内的聚合物均通过缩聚反应制得。缩聚反应的实施方法主要有熔融缩聚、固相缩聚、溶液缩聚等，其中熔融缩聚有反应效率高、流程短、节能环保以及满足柔性化大规模生产等优势。随着反应的进行，反应体系黏度急剧增加，生成的小分子排除越来越困难，传质成为过程的控制因素，因此采用能提供大的传质比表面积的高效脱挥设备是实施高效缩聚的关键。
脱挥器内构件的设计既需要保证提供一个大的传质比表面积，又要保证物料流动的同时得到不断混合以尽可能增强物料膜的界面更新；此外，物料在脱挥器内的停留时间要求均一可控以此得到所需脱挥效果一致的物料。因此，理想的脱挥器应满足物料流动为平推流，无死区，单位时间内所获得的传质面积与物料体积之比(成膜效率)最大化、表面更新快与小分子扩散途径短的要求。目前公开的高黏物料脱挥设备包括圆盘式和笼框式两种，这两种均为卧式搅拌器，这两类设备均是由下部浸泡于物料层的转动设备在旋转时将熔体物料池中的熔体带起成膜脱挥，这种方式熔体成膜效率低，表面更新受限，特别是当黏度很大时，难以脱落，使得物料长时间依附于旋转内构件上使得脱挥效果大大的减弱；此外由于其带搅拌器，当黏度很大时，所需的能耗急剧上升。因此急需提供一个成膜面积大、成膜形态可控、无死区、表面更新快，降膜过程停留时间均一可控，流量范围适应性大且能耗低的脱挥器。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于高黏物料生产的降膜脱挥器，能使物料流动均匀可控，扩大物料有效成膜面积，提高物料成膜效率以及物料的表面更新，增强物料流动成膜均匀性和停留时间的均一性，提高脱挥效率和高黏物料的产品品质。为此，本发明采用以下技术方案：
一种降膜脱挥器，所述脱挥器包括塔体，与塔体上端相连的封头及与塔体下端相连的底壳，其特征在于所述封头设有进料口、夹套热媒以及设置在封头上的物料进料箱，高黏物料由进料口通至物料进料箱，物料进料箱的底板为布料板，布料板固定在封头塔体上，与塔体呈一定的角度，有布膜结构，布膜结构包括对应倾斜板式降膜元件凹槽区域的布膜孔，布膜孔孔壁和封头壁面之间的空隙用于物料从物料箱体中进入其下方的降膜元件。
一种降膜脱挥器，所述脱挥器立式塔体，其特征在于所述脱挥器还包括上下交叉排列的倾斜板式降膜元件，倾斜板式降膜元件是上下交叉的，与塔体呈一定的角度，使高黏物料在向下流动时，延长停留时间，扩大物料的脱挥面积，提高脱挥效果。最后一个降膜元件下方在塔体两侧对称位置设有一个倾斜向下的波纹板导流件，两导流件不相连且导流件顶端不超过脱挥器中轴线，导流件的波纹凹槽结构与降膜元件一致，通过导流件可收集两侧的物料，使其集中在塔体中部降落至底壳内。
立式塔体上部设有真空抽气口，底壳内设有搅拌器，其动力由底部传入，底壳底部设有物料出口。
脱挥器设传热系统和保温系统，包括封头、立式塔体和底壳及其外围分别设置的封头夹套、塔体夹套和底壳夹套，封头夹套的上部和下部分别设有塔体夹套热媒进口和塔体夹套热媒出口，塔体夹套的上部和下部分别设有塔体夹套热媒进口和塔体夹套热媒出口，底壳夹套的上部和下部分别设有底壳夹套热媒进口和底壳夹套热媒出口，传热系统和保温系统的热媒介质流通到外部经过加热或冷却后循环运行。
所述倾斜板式降膜元件采用热媒循环回流结构，降膜元件与塔体夹套相连，热媒从降膜元件通入，再从降膜元件的支撑件流出形成完整回流。
本发明能适用于聚酯、聚酰胺、聚乳酸等聚合物熔融缩聚反应以及纺丝原液脱泡、溶液浓缩等制备物料脱挥增黏过程。
本发明另一个目的是针对现有技术的不足，提供一种生产高黏物料的降膜元件，能使反应温度均匀可控，有效扩大成膜面积，提高物料成膜效率以及物料的表面更新，增强物料流动成膜均匀性和停留时间的均一性，提高脱挥效果和高黏物料的产品品质。为此，提出以下技术方案；
一种降膜脱挥器的降膜元件，其特征在于：所述降膜元件凹槽流道的深度5～100mm，长10～1000mm，两凹槽间距离10～500mm，凹槽个数为1～20个，夹角为30～90°，两边倾斜板式降膜元件个数各为3～20个，使高黏物料在向下流动时，延长停留时间，扩大物料的脱挥面积，提高脱挥效果。
本发明是在对脱挥过程的传质特点和高黏物料流体动力学充分认识的基础上，根据高黏物料成膜流动特性控制降膜流动速度及其速度分布和强化物料界面传质作为技术解决方案的设计思路，以此提高成膜面积，增强物料的表面更新和停留时间均一性，最终提高产品品质。
本发明采用上下交叉排列的倾斜板式降膜元件，利用脱挥过程中物料黏性及动力黏度不断增高和降膜元件上下交叉排布等特点，能始终维持较大的物料成膜面积，形成凹槽内降膜流动，流速趋于一致，膜面在重力作用及带有流道的倾斜板式降膜元件的承托下更容易保持平推流运动，因此保证了物料停留时间分布窄，可实现连续生产性能优良而稳定的产品，且单位体积脱挥器的生产效率相比传统的卧式搅拌脱挥器大大增加，物料流动停留时间相比现有立式降膜脱挥器更加均匀与调控。本发明所述反应方法简易行，具有物料流动成膜面积大、表面更新速率快、停留时间均一可控，以及能耗低、易清洗等一系列优点，在涉及热质传递与化学反应耦合的场所可实现高效能脱挥。
附图说明
图1为本发明所提供的实施例1的一种降膜脱挥器结构示意图。
图2为倾斜波纹板式降膜元件示意图。
图3为布料板俯视图。
图中零部件、部位及编号：反应器进料口1，封头夹套热媒进口2，封头3，封头夹套4，布料板5，布膜孔51，塔体夹套热媒进口6，降膜元件7，降膜元件上的沟槽流道70，支撑件8，，底壳螺栓9，底壳法兰10，底壳11，底壳夹套12，底壳夹套热媒出口13，出料口14，搅拌器15，底壳夹套热媒进口16，塔体夹套热媒出口17，导流件18，塔体夹套19，塔体20，真空抽气孔21，塔体法兰22，塔体螺栓23，封头夹套热媒出口24，物料箱体25。
具体实施方式
实施例1，参照附图1、图2、图3。
在本实施例中，采用脱挥器立式塔体20上部的真空抽气口21抽挥分进行高黏物料熔融缩聚的脱挥过程。
本实施例所提供的一种降膜脱挥器，如图1所示，它包括立式塔体20，连接于立式塔体20上端的封头3和下端的底壳11，封头3上设有物料箱体25、封头夹套4，夹套4上设有热媒进口2，热媒出口24，高黏熔体从进料口1穿过，通至物料箱体25；物料箱体25的底板为布料板5，布料板5上有布膜结构，立式塔体20上部设有真空抽气口21，倾斜板式降膜元件7分布于立式塔体20的两边，连接塔体夹套热媒19。最后一个倾斜板式降膜元件7下方在塔体20两侧对称位置设有一个倾斜向下的波纹板导流件18，波纹板导流件18下方安装有搅拌器15，其动力由底部传入，底壳11底部设有物料出口14。
所述脱挥器包括上下交叉的倾斜板式降膜元件7，如图2所示，倾斜板式降膜元件7上有并列排列成波纹形的多个沟槽流道70，熔融物料在沿凹槽流道形成降膜流动，提高换热面积及扩大物料的脱挥面积，提高脱挥效果，并进行熔融缩聚反应，从所述凹槽降膜流动中小分子物质挥发，提高物料熔体品质。
如图1所示，倾斜板式降膜元件7上下交叉排列，分列塔体20两侧整齐排布，每一侧的降膜元件7的排间距相等，且与塔体夹套相通，最后一个降膜元件7下方在塔体20两侧对称位置设有一个倾斜向下的波纹板导流件18，两侧的两个导流件18之间不相连，导流件18与塔体夹套19相通，两侧顶部的降膜元件7内的凹槽流道70对应于布料板5上的布膜孔缝。
所述的倾斜板式降膜元件7、支撑件8和塔体夹套19三者两两相通，热媒从倾斜板式降膜元件7进入，再从支撑件8流出至塔体夹套19形成完整回流，热媒回流管道宽20～50mm。
作为优选，倾斜板式降膜元件7元件凹槽深L1为30～00mm，长100～1000mm，两凹槽间距离L2为30～100mm，夹角为30～45°，两侧的倾斜板式降膜元件7个数各为3～20个。
作为优选，同侧上下相邻的两个降膜元件7的垂直距离为50～200mm，位于立式塔体20的两侧的降膜元件7的端部分别越过脱挥器的中轴线。
布料板5与封头3相接，向下倾斜或垂直于塔体轴线，与塔体轴线的夹角为10～90°。如图3所示，布料板5固定在物料箱体25底部，两侧各有对应于降膜元件7内凹槽的布膜结构，高黏物料从倾斜的布料板5滑落，通过布膜孔51形成降膜。
布膜结构有1个以上的布膜孔隙单元51。作为优选，布膜孔隙为整齐排列的长条形孔缝，孔缝与倾斜板式降膜件的沟槽对应，物料从长条形孔缝进入沟槽中形成降膜流动，完成脱挥。
脱挥器有传热和保温系统，包括封头3、立式塔体20和底壳11及其外围分别设置的封头夹套4、塔体夹套19和底壳夹套12，封头夹套4的上部和下部分别设有封头夹套热煤进口2和热煤出口24，塔体夹套19的上部和下部分别设有塔体夹套热媒进口6和塔体夹套热媒出口17，底壳夹套12，的上部和下部分别设有底壳夹套热媒进口16和底壳夹套热媒出口13，降膜元件7和导流件18都与塔体夹套19互通。
传热和保温系统的热媒介质流通到外部经过加热或冷却后循环运行。
由物料箱体25和封头夹套4组成的反应器上部与立式塔体20通过塔体法兰22和塔体螺栓23连接，立式塔体20与底壳11由底壳法兰10和底壳螺栓9相连，便于拆卸检修与安装。
采用上述脱挥器的熔融缩聚过程为：
脱挥器工作时，热媒从夹套热煤进口6流进，同时可以流入降膜元件7中，再从降膜元件的支撑件8流出，最后从热煤出口17流出，在缩聚反应器外部经过加热或冷却后循环流通。
物料进口1位于封头3顶部中间正上方，熔融单体共混物或预聚物从物料进口1不断注入，流入物料箱体中，并处于封头热媒的加热和保温中。
熔体经布料板5上的孔隙分配后进入交叉排列的倾斜板式降膜元件7，在降膜元件7的凹槽中流动，进行熔融缩聚反应，反应生成的小分子从真空抽气口21抽出，扩大物料的脱挥面积，提高脱挥效率和产品品质。
熔体从降膜元件7末端滑落后，落在塔体20两侧的导流件18上，通过导流件18将熔体集中在脱挥器中间，最终汇聚到脱挥器底部，经过搅拌器15进一步搅拌反应且匀化物料，完成反应后的熔体从脱挥器底部的物料出口14排出。
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)

1.一种降膜脱挥器，包括立式塔体(20)、连接于立式塔体(20)上端的封头(3)和下端的底壳(13)、物料进口(1)、物料出口(14)，塔体(20)上设有真空抽气口(21)，其特征在于：封头(3)上部设有物料进口(1)，封头(3)内有物料箱体(25)，物料箱体(25)底板为布料板(5)，塔体(20)上设有至少两个倾斜波纹板降膜元件(7)，按照熔体流动方向的相邻两个降膜元件(7)间隔交错排列于立式塔体(20)对侧，布料板(5)上为塔体(20)最上部的相向的降膜元件(7)分配有布膜结构，最后一个降膜元件(7)下方在塔体(20)两侧分别设有一个倾斜向下的波纹板导流件(18)，底壳(11)底部设有物料出口(14)。
2.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：降膜元件(7)倾斜朝下，一端与立式塔体(20)壁面相连，另一端顶点越过塔体(20)中轴线，降膜元件(7)与其上方相连的塔体(20)壁面形成的夹角为10～80°。
3.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：降膜元件(7)凹槽下方有相连的支撑件(8)，降膜元件(7)与其相连的塔体(20)壁面和支撑件(8)形成一个锐角三角形或直角三角形结构。
4.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：相向两侧的降膜元件(7)上的波纹结构一一对应，同侧相邻两个降膜元件(7)垂直间距为50～3000mm，倾斜板式降膜元件(7)的水平方向的投影高度20～1500mm。
5.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：所述降膜元件(7)为至少有两个凹槽流道70的倾斜波纹板结构，两凹槽的间距10～500mm，凹槽深度为5～100mm，每个降膜元件(7)上的凹槽流道70个数为2～100个。
6.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：布料板(5)与封头(3)壁面相接的夹角为10～90°，布料板(5)上为下方对应的降膜元件(7)凹槽设有1～20个布膜孔(51)，布膜孔(51)宽为2～50mm，布膜孔(51)孔缝和下方降膜元件的沟槽型流道(70)对应，用于物料从物料箱体(25)中进入其下方的降膜元件(7)中的沟槽，以此开始降膜流动脱挥过程。
7.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：两侧的导流件(18)不相连，且导流件(18)上的波纹凹槽结构与降膜元件(7)一致了，顶端不超过降膜脱挥器中轴线。
8.如权利要求1所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：反应器设传热系统和保温系统，封头(3)上有封头夹套(4)、封头夹套热媒进口(2)和封头夹套热媒出口(24)；塔体(20)上有塔体夹套(19)、塔体夹套热媒进口(6)和塔体夹套热媒出口(17)，底壳(11)有底壳夹套(12)、底壳热媒进口(16)和底壳热媒出口(13)，底壳(11)内还设有搅拌桨(15)。
9.如权利要求3和所述的一种降膜脱挥器，其特征在于：塔体(20)上设有塔体夹套(19)，所述降膜元件(7)和支撑件(8)均为空心结构，所述降膜元件(7)和支撑件(8)的空心结构彼此连通并和塔体夹套连通，形成热媒流动通道。
10.一种降膜脱挥器的降膜元件，其特征在于：所述降膜元件(7)为至少有两个凹槽流道的倾斜波纹板结构，两凹槽的间距L1为10～500mm，凹槽深度L2为5～100mm，每个降膜元件(7)上的凹槽个数为2～100个。
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