CN113164895B - 提供均匀的含颗粒浆料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提供均匀的含颗粒浆料的方法，其包括以下步骤：(a)提供一种容器，该容器包括至少一个绕所述容器的竖直轴旋转的叶轮，其中，根据等式(1)，所述至少一个叶轮的转速n1大于nmin，所述容器还包括入口和出口；(b)将含颗粒浆料引入所述容器中或将形成所述含颗粒浆料的组分引入所述容器中；(c)至少围绕所述竖直轴旋转所述至少一个叶轮，以使所述浆料内的颗粒分布均匀化和/或保持均匀；(d)通过所述出口排出均匀的含颗粒浆料；(e)将所述至少一个叶轮的转速n1减小到减小的转速nred，而根据等式(1)，nred小于n1且大于或等于nmin：
Figure DDA0003043106610000011

Description

提供均匀的含颗粒浆料的方法
技术领域
本发明涉及一种在搅拌槽容器中提供均匀的含颗粒浆料的方法。
背景技术
浆料反应器广泛用于聚合物的生产中，特别是用于烯烃基聚合物的生产中。这种反应器的优选实施方式是连续搅拌槽反应器(CSTR)。这种反应器配备具有可旋转的竖直轴的混合器，在该竖直轴上安装了一个或多个叶轮。在这些反应器中，叶轮保持旋转以防止或最小化浆料中颗粒的沉降。
EP 1133350A1涉及的问题在于，这种反应器使用隔板会导致栓塞或堵塞的形成。堵塞的存在可能导致随后在浆料中形成团块或在反应器容器内形成热点。而且，隔板的存在会导致更宽的停留时间分布模式。EP 1133350A1提供了一种反应器作为解决方案，该反应器由单个未分区的反应室形成，该反应室纵向排列有挡板，以帮助混合。
EP 0446059A1使用连续搅拌槽反应器来制备催化剂浆料，该浆料以在预聚合区中制备的预聚物悬浮液的形式引入到反应器中，以防止引入到反应器中的催化剂和所形成的聚合物含有过细颗粒，这些过细颗粒会被气流夹带并堵塞循环气管道。
但是，这样的反应器仍然具有缺点。例如，如果浆料的液位超过叶轮，例如在将浆料从容器中排出的过程中，会导致浆料溅到容器壁上。因此，催化剂泥浆/糊状物积聚在容器壁上。这种积聚的团块可能掉落并阻塞优选位于容器底部的出口。
解决这种问题的一种可能的解决方案是将向下和/或向上泵送的水翼叶轮用于向下泵送配置，例如“Handbook of Industrial Mixing:Science and Practice”，由Paul,E.,Atiemo-Obeng,V.,Kresta,S.John Wiley和Sons编辑，2004，第345-390页，以及“UnitOperations of Chemical Engineering”，McCabe,W.,Smith,J.,Harriott,P.和Mcgraw-Hill，1993中所述。这样的叶轮通常增强了容器内部的混合并减少了浆料向容器壁的飞溅。但是，当浆料液位在叶轮高度时，仍然会发生飞溅。
本发明的目的
因此，鉴于现有技术中的上述问题，本发明的目的是一种在连续搅拌槽反应器中提供具有减少的飞溅的均匀的含颗粒浆料的方法，特别是当所述浆料的液位接近叶轮的高度时。
目前，本发明人已经惊奇地发现，由于当浆料的液位接近于叶轮的上层或下层时减小了叶轮的转速，因此可以显著降低在连续搅拌槽反应器中浆料的飞溅效应。
然而，显著减小叶轮的转速可能会导致浆料相中浆料的颗粒沉降。另一方面，应防止沉降，因为这会阻塞容器的出口，降低反应器的产量，或进一步阻塞反应器的搅拌从而导致系统完全失效。
发明内容
目前，发明人已经惊奇地发现，如果将叶轮的转速减小到预定的速度来防止当所述浆料的液位接近叶轮的上层或下层时的沉降，则可以显著降低连续搅拌槽反应器中的飞溅效应，同时可以防止浆料中颗粒的沉降。
因此，本发明提供一种提供均匀的含颗粒浆料的方法，其包括以下步骤:
(a)提供一种容器，该容器包括至少一个绕所述容器的竖直轴旋转的叶轮，其中，根据等式(1)，所述至少一个叶轮的转速n1大于nmin，所述容器还包括入口和出口；
(b)将含颗粒浆料引入所述容器中或将形成所述含颗粒浆料的组分引入所述容器中；
(c)至少围绕所述竖直轴旋转所述至少一个叶轮，以使所述浆料内的颗粒分布均匀化和/或保持均匀；
(d)通过所述出口排出均匀的含颗粒浆料；
(e)将所述至少一个叶轮的转速n1减小至减小的转速nred，而根据等式(1)，nred小于n1且大于或等于nmin：
Figure BDA0003043106590000031
定义
如本文所使用的术语“飞溅”必须被理解为通过叶轮不受控制地分配浆料的一部分的过程，由此浆料被分配到容器的壁上。飞溅主要发生叶轮接近浆料液位的情况下。因此，叶轮旋转至接近浆料的液体载体和气相之间的相界，从而将浆料的一部分在气相中向上抛到容器壁上。
如本文所使用的“沉降”描述了浆料中的颗粒从液体中沉淀出来并停留在容器底部的趋势。造成该效果的力是重力，该力将颗粒从整个浆料中拖到底部。因此，如果没有其他力作用在颗粒上，它们将在一定时间内沉淀下来，该时间称为沉降时间。在本文中，术语“沉降时间”应理解为实现使浆料失去均匀性的沉降量所需的时间。如本文所使用的“沉降时间”必须被理解为颗粒移动预定距离所需的时间，该预定距离是由基于容器的尺寸(例如，容器的高度)在垂直于容器底部的方向上确定的。
如本文所用的术语“容器”描述了具有入口和出口的容器，出口优选位于容器的底部(在重力方向上)。此外，容器具有可旋转的竖直轴，该竖直轴相对于重力的方向竖直地行进。至少有一个叶轮附接到这个轴上。所述容器通常可以具有任何形状。竖直轴平行于圆柱壁行进的圆柱形状是优选的。
如本文所使用的术语“叶轮”必须被理解为转子，其影响容器中液体的流动。由此，转子通常可以具有任何形状，只要如果叶轮旋转就引起至少部分的液体径向流动即可。这里优选还引起部分的液体轴向流动的叶轮，例如水翼叶轮。
叶轮绕容器的竖直轴的转速应理解为叶轮的转数除以时间，规定为每分钟转数(rpm)。
降低的叶轮转速表示叶轮观察到飞溅减少或没有飞溅的转速。此外，最小的叶轮转速是不会发生沉降但仍可避免飞溅的速度。
术语“浆料的液位”表示浆料的液体与容器中浆料上方的气相层之间的相界。
具体实施方式
发明人发现了一种提供均匀的含颗粒浆料的方法，其包括以下步骤：
(a)提供一种容器，该容器包括至少一个绕所述容器的竖直轴旋转的叶轮，其中，根据等式(1)，所述至少一个叶轮的转速n1大于nmin，所述容器还包括入口和出口；
(b)将含颗粒浆料引入所述容器中或将形成所述含颗粒浆料的组分引入所述容器中；
(c)至少围绕所述竖直轴旋转所述至少一个叶轮，以使所述浆料内的颗粒分布均匀化和/或保持均匀；
(d)通过所述出口排出均匀的含颗粒浆料；
(e)将所述至少一个叶轮的转速n1减小至减小的转速nred，而根据等式(1)，nred小于n1且大于或等于nmin：
Figure BDA0003043106590000041
其中
nmin＝叶轮的最小转速，
S＝叶轮的形状系数，
ν＝运动粘度，
Dp＝浆料中的平均粒径，
g＝引力常数，
Δρ＝料浆中颗粒密度ρp与液体密度ρf之差(ρp-ρf)，
ρf＝浆料的液相密度，
B＝100*固体重量/液体重量，
Da＝叶轮直径。
叶轮形状系数S的定义可以参见“Comparing Impeller Performance for Solid-Suspension in the Transitional Flow Regime with Newtonian Fluids”，Chem.Eng.Res.Des.,卷77(8)，1999年11月，第721-727页。
优选地，当在排出期间浆料的液位接近叶轮的竖直上端直到叶轮的下端相对于竖直轴高于浆料的液位时，所述减小有效果。
为简单起见，叶轮也可以直接停下来。但是，考虑到从容器中泵出浆料的速度通常很慢，因此需要停止叶轮让浆料的液位通过的时间相当长。因此，增加了在叶轮停止期间颗粒沉降的可能性。如果存在可能意外形成的特别大的颗粒，则这尤其相关。
此外，可以使用Zwietering相关性(等式(1))来确定确保不发生沉降的最小转速，该相关性(等式(1))例如在“Unit Operations of Chemical Engineering”，McCabe,W.,Smith,J.,Harriott,P.和Mcgraw-Hill，1993，第265页中进行了描述。
本发明公开了一种操作连续搅拌槽反应器的方法，例如进料容器，从而使浆料到容器壁上的飞溅最小或甚至消除。这是通过如上所述的方法实现的，其中，将叶轮的转速减小到最小值。这样的方法的优点是确保材料在壁上的最小积聚，从而避免了容器出口的堵塞或整个工艺的失败。而且，该方法确保了浆料的质量不会由于颗粒的分离和沉降而劣化。特别地，该方法进一步适合于需要在延长的时间段内排出浆料的操作策略。
特别优选的是，当浆料的液位相对于叶轮的竖直轴接近叶轮的竖直上端时，减小叶轮的转速。这确保了在将会发生飞溅时减小叶轮的转速。这样的方法还允许在降低飞溅的情况下改善均匀化。
甚至更优选地，在根据本发明的方法中，当在排出期间浆料的液位相对于叶轮的竖直轴在叶轮的竖直上端上方0.5*Da(叶轮的直径)的范围内时，减小叶轮转速有效果。此外，优选的是，当浆料的液位相对于叶轮的竖直轴在叶轮的竖直下端下方0.05*Da时，停止减速。
本发明的方法通常适用于具有任何尺寸的容器。
包括在根据本发明的容器中的叶轮优选地至少部分地延伸于与所述竖直轴正交的水平面，并且进一步地至少部分地延伸于所述竖直轴的方向。因此，取决于水平面沿竖直轴的方向的定位，可以实现向上泵送或向下泵送的效果。如果该平面沿着竖直轴的方向朝向容器的上部定位，则将提供一个向上泵送的叶轮。另一方面，如果该平面沿着竖直轴的方向朝向容器的下部定位，则将提供一个向下泵送的叶轮。在根据本发明的方法中，向下泵送的叶轮是优选的。
在根据本发明的方法中的容器可以仅包括一个叶轮，或者优选地，可以在相对于容器的竖直轴的不同高度水平上包括一个以上的叶轮。
如果所述容器包括一个以上的叶轮，则这些叶轮可以以所有连接的叶轮具有相同转速的方式连接到可旋转的竖直轴上。这是可以实现的，例如，在容器中仅包括一个可旋转的轴。在这样的实施方式中，如果一个叶轮具有减小的转速以避免浆料飞溅，则所有叶轮将具有减小的转速。
在另一个甚至更优选的实施方式中，在容器中可以存在一个以上的叶轮，所有叶轮都可以通过其自身的转速彼此独立地驱动。它们的每个轴可以由单独的发动机驱动，以允许单独的叶轮转速。在这样的实施方式中，只有一个叶轮可以具有减小的转速以避免浆料的飞溅，而其他叶轮仍保持其原始转速。优选地，在这样的实施方式中，当在排出期间，浆料的液位在相对于所述叶轮的竖直轴在所述叶轮的竖直上端上方0.5*Da(叶轮的直径)至所述叶轮的竖直下端下方0.05*Da的范围内时，仅减小一个叶轮转速是有效的。
在根据本发明的方法中，在步骤(e)中，根据等式(1)将叶轮的转速减小到最小转速nmin。该方法对于较低的浆料排出速度特别有用。这确保了可以任意选择浆料表面通过叶轮高度的时间。因此，也可以处理浆料排出非常缓慢的实施方式。此外，在某些实施方式中，浆料可能还会再次上升或在不可预测的较长时间内停留在叶轮高度上。同样在这些情况下，第二个方法确保显著降低飞溅的发生。
实施例
实施例1
该实施例实现了最小转速nmin，而不会导致容器中颗粒的沉降。使用Zwietering相关性(等式(1))估算最小转速。在这种情况下，已针对不同粒径计算了最小转速，如下表1中所示。
表1：针对不同粒径计算出最小转速，形状系数S为6.13，运动粘度ν为2.1×10-5m2/s，浆料液相的密度ρf为907kg/m3，浆料颗粒的密度ρp为1300kg/m3，固体重量/液体重量比B为30％，叶轮的直径Da为0.5m。
D<sub>p</sub>[μm] n<sub>min</sub>[rpm]
70 62
80 63
90 65
100 65
考虑例如浆料中的平均粒径为90μm，防止沉降所需的最小转速为65rpm。如图2所示，在第一操作模式下，可以在浆料液位在竖直方向上达到第一叶轮的上位之前的时间调整各自的最小转速。保持该最小转速，直到浆料液位在竖直方向上通过最后一个叶轮的下位为止。
如果难以观察浆料的液位和/或通常该方法应该以非常简单的方式进行，则这种操作模式是特别有利的。
图3显示了一种操作模式，其中如果浆料的液位在两个叶轮之间，则逆转转速的减小。该图进一步显示了在以缓慢的速度排出进料容器期间，容器内的浆料液位降低了。在这样的操作模式下，当从反应器中排出浆料时，均匀化进一步得到改善。此外，进一步降低了沉降的风险。因此，当液位接近叶轮时，此操作模式同时确保了最小的沉降和最小的飞溅。
如果当浆料的液位在叶轮的竖直上端上方0.5*Da(叶轮的直径)且在叶轮的竖直下端下方(below above)0.05*Da的情况下减小转速，则可实现最佳运行模式。如果在叶轮竖直上端上方<0.5*Da的浆料液位处减小转速和/或在叶轮竖直下端下方(below above)<0.05Da的浆料液位处再次升高转速，则不能完全避免飞溅。另一方面，如果在叶轮竖直上端上方>0.5*Da的浆料液位处减小转速和/或在叶轮竖直下端下方(below above)>0.05Da的浆料液位处再次升高转速，则整个操作会大大减慢，甚至可能导致颗粒沉降。
在容器具有一个以上的叶轮的情况下，这种操作模式是特别有利的，所有这些叶轮都连接到竖直轴上，因此不能以不同的转速来驱动。在每个叶轮能够以其自身的转速驱动的情况下，这也是在所述间隔内实现每个叶轮的转速减小的最佳模式。
实施例2
所提出方法的手动操作可能会对方法效率产生负面影响。这种负面影响可能来自于例如浆料排出速度的变化，甚至是排出意外停止。在这种情况下，必须采用叶轮转速的减小。因此，优选采用受控方法，以提供均匀的含颗粒浆料。
图4描绘了这种受控方法，包括一个控制系统，该系统包括：(a)液位传感器，例如超声波液位传感器；(b)推论控制系统，用于估计控制器的设定值；以及(c)控制器，例如比例积分微分控制器(PID)，用于调节叶轮的转速。
由系统特性(例如平均粒径、粘度、密度和搅拌器设计参数)，使用Zwietering相关性(等式(1))确定最小转速，并将其作为电动机转速的设定值发送到控制器。在容器的操作过程中，容器中浆料的液位由液位传感器进行测量，并发送到控制器。
如果浆料通过液位传感器监控的某个预定触发点，则控制器会自动减小与浆料液位接近的叶轮的转速。因此，在正常操作下，该过程遵循如图3所示的预定义模式。
但是，如果有干扰影响进程，则控制算法会基于传感器提供给控制系统的数据来调整减小叶轮转速的触发时间。在图5中描述了一种情况，其中突然停止了浆料的排出(45至60分钟之间)。控制系统做出反应，并通过重新建立正常排出速率所需的时间延迟来顺延(shift)叶轮转速的减小。
大部分例如聚合催化剂的制备是长时间的过程。因此，手动运行这些进程将耗费大量成本并且容易出错。自动改变转速修正对于确保长时间有效运行至关重要。此外，自动化可以进一步有利地用于收集关于系统的可操作性的信息。此类信息可用于进一步优化进程。

Claims (6)

1.一种提供均匀的含颗粒浆料的方法，其包括以下步骤：
(a)提供一种容器，该容器包括至少一个绕所述容器的竖直轴旋转的叶轮，其中，根据等式(1)，所述至少一个叶轮的转速n1大于nmin，所述容器还包括入口和出口；
(b)将含颗粒浆料引入所述容器中或将形成所述含颗粒浆料的组分引入所述容器中；
(c)至少围绕所述竖直轴旋转所述至少一个叶轮，以使所述浆料内的颗粒分布均匀化和/或保持均匀；
(d)通过所述出口排出均匀的含颗粒浆料；
(e)将所述至少一个叶轮的转速n1减小到减小的转速nred，而根据等式(1)，nred小于n1且大于或等于nmin：
Figure FDA0003884084110000011
其中
nmin＝叶轮的最小转速，
S＝叶轮的形状系数，
ν＝运动粘度，
Dp＝浆料中的平均粒径，
g＝引力常数，
Δρ＝料浆中颗粒密度ρp与液体密度ρf之差(ρp-ρf)，
ρf＝浆料的液相密度，
B＝100*固体重量/液体重量，
Da＝叶轮直径，
其中，所述至少一个叶轮具有相对于所述至少一个叶轮的竖直轴的竖直上端以及相对于所述容器的竖直轴的竖直下端，以及
其中，当在排出期间浆料的液位在所述至少一个叶轮的竖直上端上方0.5*Da至0.1*Da的范围内，减小叶轮的转速有效，并持续有效直至浆料的液位在所述至少一个叶轮的竖直下端下方0.1*Da至0.05*Da的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器包括在相对于所述容器的竖直轴处于不同高度水平的一个以上的叶轮，并且其中根据步骤(e)减小一个或多个所述叶轮的转速n1。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，能够独立于其余叶轮来减小每个叶轮的转速。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个叶轮至少部分地延伸于与所述竖直轴正交的水平面，并且至少部分地延伸于所述竖直轴的方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法是自动受控的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法包括控制系统，所述控制系统包括控制器、液位传感器和推断控制系统。
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