CN116753750B - 一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置及预热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置及预热方法，涉及换热器技术领域。包括：本体，本体内具有一安装空间；若干换热管组，设于安装空间内并位于本体的边缘处；若干换热管组将安装空间分割成聚合物容纳空间和沿轴向包裹在聚合物容纳空间外的换热空间；其中，换热空间具有依次从内至外设置的换热内区和换热外区；上管箱，设于本体的入口端；上管箱上设置有与聚合物容纳空间连通的聚合物入口、与换热外区连通的第一热介质入口，以及与换热内区连通的第一热介质出口。本发明的有益效果为提高换热效率，减少能量消耗。

Description

一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置及预热方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，特别是一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置及预热方法。

背景技术

连续本体聚合工艺是目前生产苯乙烯系列树脂较先进的技术。该工艺几乎不添加其他助剂，不用大量水作为聚合介质，与传统的悬浮聚合和乳液聚合工艺相比，有产率高、产品质量好、能耗低、后处理简单和环境污染小等优点。然而，本体聚合工艺中的高温、高粘流体在高真空下操作带来的工程问题难度颇大，在脱挥工序表现的尤为典型和集中。目前，本体聚合工艺生产苯乙烯系列树脂的转化率为50%~80%之间，有20%~50%的单体或易挥发组分需要在脱挥工序中脱出。该体系的残留挥发成分主要为苯乙烯，由于苯乙烯沸点较高，与聚苯乙烯相容性良好，亨利系数不大，因此脱挥过程通常在高温、高真空下操作。在物料进入脱挥器之前，需要在预热器中对物料进行预热，以此降低聚合物体系粘度，增加扩散系数。

管壳式换热器常用来在脱挥期间用作预热器。一般聚合物在管程内传输。然而对于高固含量、高粘性层流流体，需要大的传热面积来满足要求的传热效率。大幅度增加管壳式换热器的换热面积，需要显著增加换热管数量及壳体尺寸，由此导致设备尺寸和成本明显提高。另外还存在高径向温度梯度的问题，这时管壁侧与中心部位脱挥效果迥异，这些不利于脱挥效率和脱挥质量的控制。当管道较长时还容易发生结垢、积垢、堵塞等打断聚合物生产并增加维护成本。如果聚合物在壳程传输，在设备内设旋转部件，强制高粘物料流动与混合，来增加换热效率，这种方案存在结构复杂、制造和维护成本高、能耗高等缺点，同时用一般搅拌方法在高粘度物料中脱出小分子物质十分困难。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，不仅占用空间较小，而且能够降低温度梯度，降低维护成本，减少能量消耗。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其包括，本体，所述本体内具有一安装空间；

若干换热管组件，设于所述安装空间内并位于所述本体的边缘处；若干所述换热管组件将安装空间分割成聚合物容纳空间和沿轴向包裹在聚合物容纳空间外的换热空间；其中，所述换热空间具有依次从内至外设置的换热内区和换热外区；

上管箱，设于所述本体的入口端；所述上管箱上设置有与聚合物容纳空间连通的聚合物入口、与换热外区连通的第一热介质入口，以及与换热内区连通的第一热介质出口；

传热介质从第一热介质入口进入本体沿着换热外区自上而下流至换热内区，再沿着换热内区自下而上从第一热介质出口流出；聚合物从聚合物入口流入至聚合物容纳空间内，在压力作用下依次流入换热内区和换热外区进行热传递。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：所述本体包括：与所述上管箱固定连接的上管板、与所述上管板相对设置的下管板，以及与所述下管板连接的第一封头；所述上管板与下管板之间预设一定的距离形成安装空间。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：若干所述换热管组设置于所述上管板和所述下管板之间并沿二者周向均匀分布；沿所述换热管长度方向设有若干翅片，所述翅片之间设有流动通道。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：所述翅片在垂直方向上与水平方向上间隔设置；每个所述翅片与相邻的垂直方向的翅片，以及相邻的水平方向的翅片之间都具有流动通道；所述聚合物流经所述流动通道并与所述翅片换热。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：所述翅片的四周设置为倒斜边；所述流动通道由两端的聚合物容纳段和中间段构成，所述中间段的流动通道的宽度沿着聚合物流向方向逐渐增大。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：所述下管板中部开设有通口；所述通口内设置有第二封头；所述第一封头设置为弧形状；所述第一封头的弧形顶点处设置排污口。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：所述聚合物容纳空间内设置有分配器，所述分配器位于聚合物入口下方；所述分配器的直径靠近所述聚合物入口的一端沿其长度方向逐渐增大，形成上细下粗的锥形。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：还包括设置于所述上管箱内的分流隔板；所述分流隔板设置为锥形且两端分别所述上管板与上管箱连接；分流隔板将上管箱分割为所述第一热介质入口连通的进入区和与所述第一热介质出口连通的回流区；换热外区与进入区连通，换热内区与回流区连通；

所述分流隔板的直径沿着靠近上管箱的一端向着靠近上管板的一端逐渐增大；

所述分流隔板靠近所述第一热介质出口处设置有弧形隔板，所述弧形隔板、分流隔板，以及上管箱形成阻隔空间并与所述第一热介质出口连通；所述分流隔板靠近所述弧形隔板处开设流出口，所述流出口与所述第一热介质出口连通。

作为本发明所述适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的一种优选方案，其中：还包括与所述聚合物入口法兰连接的夹套，所述夹套的两端分别设置第二热介质入口以及第二热介质出口。

一种如上述所述的其中适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的预热方法，其中：具体包括以下步骤：

步骤一、传热介质从第一热介质入口进入到上管箱内，顺着分流隔板传热介质进入到进入区沿着换热管组的换热外区自上而下流入换热内区，再沿着换热内区自下而上流入出口区再从第一热介质出口流出；

步骤二、翅片与换热管组进行热交换；

步骤三、传热介质从第二热介质入口进入，聚合物入口进行加热，传热介质从第二热介质出口排出；当聚合物通过时能够进行热传递；

步骤四、聚合物从聚合物入口进入到聚合物容纳空间内，在分配器的作用下向两侧挤压，进入到由翅片构成的流动通道内，实现换热与切割；

步骤五、被切割和换热的聚合物进入到脱挥器中。

本发明的有益效果：本发明通过换热管组与上、下管片隔离出聚合物容纳空间与换热空间，并在换热管组上布置翅片形成通道，使聚合物通过此通道得以预热，该通道两端具有聚合物容纳段和中间段，而中间段内窄外宽，减小了结垢、积垢、堵塞等风险，提高换热效率，降低维护成本；并且在聚合物容纳空间内设置了上窄下宽的锥形分配器，聚合物与锥形分配器斜面正压力的水平分量可以作为聚合物进入通道的推动力分量，减少能耗。

附图说明

图1为适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的剖视图。

图2为适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的翅片与换热管组的平面图。

图3为适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的翅片与换热管组的侧视图。

图中各个标注为：上管箱1、上管板2、下管板3、换热管组4、翅片5、分流隔板6、第一封头7、第二封头8、分配器9、弧形隔板10、夹套11、定位圈12、换热内区401、换热外区402、流动通道501、聚合物容纳段501a、中间段501b、进入区601、回流区602、第一热介质入口N1、第一热介质出口N2、聚合物入口N3、排污口N4、第二热介质入口N5、第二热介质出口N6。

实施方式

参照图1~3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，该装置一般置于脱挥器内部，脱挥器非属本发明。可以实现高粘度聚合物料的高效、高质、低投入、低能耗脱挥。本发明包括本体，本体内具有一安装空间，其中安装空间内并位于本体边缘处设置有若干换热管组4，若干换热管组4将容置腔室分割成聚合物容纳空间和沿轴向包裹在聚合物容纳空间外的换热空间；其中，所述换热空间具有依次从内至外设置的换热内区401和换热外区402；在本体的入口端设置有上管箱1，上管箱1设置有与聚合物容纳空间连通的聚合物入口N3、与换热外区402连通的第一热介质入口N1，以及与换热内区401连通的第一热介质出口N2；第一热介质入口N1与第一热介质出口N2分别位于聚合物入口N3的两侧，传热介质从第一热介质入口N1沿着换热外区402自上而下流至换热内区401，再自下而上从第一热介质出口N2流出；聚合物从聚合物入口N3流入至聚合物容纳空间内，在压力作用下依次流入换热内区401和换热外区402进行换热。

进一步的，所述本体包括：与所述上管箱1固定连接的上管板2、与所述上管板2相对设置的下管板3，以及与所述下管板3连接的第一封头7；所述上管板2与下管板3之间预设一定的距离形成安装空间。

进一步的，在安装空间内设置有若干换热管组4，若干换热管组4沿所述上管板2与所述下管3板周向均匀分布；其中若干换热管组4从内到外分为换热内区401和换热外区402。沿换热管组4长度方向从上到下依次设置有若干组翅片5，每个翅片5套设于换热管组4外侧，所述翅片5之间具有流动通道501，翅片5增加了换热管组4的表面积，促进了热传递。

需要说明的是，换热管组4是贯穿于上管板2与下管板3，上管板2与下管板3不仅仅是用于固定换热管组4，还用于将管程和壳程隔离开。此处为现有技术不做赘述。

较佳的，上管板2与下管板3以及换热管组4之间形成柱形聚合物的容纳空间，位于换热管组4上的翅片5与翅片5之间形成聚合物流通通道，则在本装置外侧设置的脱挥器则为脱挥空间。

较佳的，换热管组4是由多根换热管组成。如图2所示翅片5沿着柱形聚合物容纳空间径向排布。本发明优选的，换热管组4沿径向每一列有六根换热管，与其相邻列组成十二根，相对应的，翅片5每片布置12个管孔，具体为每个翅片5的长度方向设置为六个换热管孔，宽度方向设置为两个换热管孔，翅片5套设在换热管组4上。

在使用时，首先传热介质从第一热介质入口N1进入，从上而下进入到换热管组4的换热外区402，接着传热介质，再经过第一封头7从下而上进入到换热管组4的换热内区401,接着从第一热介质出口N2流出。在此过程中，换热管组4与换热管组4外部的翅片5进行了热传递。与此同时，聚合物从聚合物入口N3进入，受到外力作用聚合物从翅片5与相邻翅片5之间形成的流动通道501进行热交换，最后流入到脱挥器内。

进一步的，翅片5以换热管组4为定位轴，在垂直方向上与水平方向上间隔设置；每个所述翅片5与垂直方向相邻的翅片5，以及水平方向相邻的翅片5之间都具有流动通道501；聚合物流经流动通道501并与所述翅片5换热，翅片5既是换热元件也是成膜元件，聚合物通过流动通道501进行切割，在聚合物与翅片5间形成界膜，在进入脱挥区域前给被脱挥聚合物创造大量与气相空间接触面积，尽量增加聚合物在单位时间内暴露于空间的表面积。

进一步的，所述翅片5的四周设置为倒斜边；所述流动通道501由两端的聚合物容纳段501a和中间段501b构成；所述中间段501b的流动通道501的宽度沿着聚合物流向方向逐渐增大。

需要说明的是，由上述描述中可知，传热介质从第一热介质入口N1进入到换热外区402的换热管组4中，并接着进入到换热内区401的换热管组4中。由于传热介质流动过程中热量传递至聚合物上，因此，换热外区402的换热管组4的温度比换热内区401换热管组4的温度高。对应的换热外区402相对于聚合物为出口侧，而换热内区401相对于聚合物为入口侧，也就是聚合物出口侧的温度比聚合物入口侧的温度高。一般来说，聚合物受热膨胀，压力增加，进而阻力增大。而本发明的流动通道501中间段501b的宽度逐渐增大。当聚合物从流动通道501内流动时，使得聚合物窄侧流入，宽侧流出，通道逐渐截面增加，聚合物膨胀阻力减小，物料不易累积、堵塞。

较佳的，聚合物容纳段501a其作用是平滑地将从翅片5引导到中间段501b的流动通道501中。聚合物容纳段501a的倒斜边设计有助于聚合物在通道进出口处的流动阻力和压力损失。通过缓和流体的流动，聚合物容纳段帮助确保流体在进入和离开流动通道时的平稳传递，减少涡流和湍流的发生，从而提高整体的换热效率。

进一步的，所述下管板3中部开设有通口；所述通口内设置有第二封头8；所述第一封头7设置为弧形状并与所述第二封头8形成封闭空间；所述第一封头7的弧形顶点处设置排污口N4。

需要说明的是，下管板3开孔后可减少整体设备整体重量，节省材料。进一步的，所述聚合物容纳空间内设置有分配器9，所述分配器9位于聚合物入口N3下方；所述分配器9的直径靠近所述聚合物入口N3的一端沿其长度方向逐渐增大，形成上细下粗的锥形。

使用时，聚合物进入到聚合物容纳空间后，经过分配器9的分配使得聚合物与分配器9斜面正压力的水平分量可以作为聚合物进入通道的推动力分量，减少能耗。

较佳的，第二封头8与进料分配器9所围成一个空间，由于第二封头8的阻隔作用，传热介质不能进入这个空间，增加传热介质利用率。

进一步的，上管板2与上管箱1之间构成一个容置腔室，设置于上管箱1内相当于设置于容置腔室内的分流隔板6；分流隔板6设置为锥形且两端分别所述上管板2上端面与上管箱1下端面连接；分流隔板6将上管箱1分割为第一热介质入口N1连通的进入区601和与第一热介质出口N2连通的回流区602；换热外区402与进入区601连通，换热内区401与回流区602连通；分流隔板6靠近所述第一热介质出口N2处设置有弧形隔板10，其中弧形隔板10、分流隔板6，以及上管箱1形成阻隔空间并与所述第一热介质出口N2连通；所述分流隔板6靠近所述弧形隔板10处开设流出口，所述流出口与所述第一热介质出口N2连通。

需要说明的是，当传热介质从进入区601经过换热管组4的换热外区402，流入换热管组的换热内区401，回流到回流区602后，传热介质通过分流隔板6流出口进入到弧形隔板10与上管箱1形成的阻隔空间内，通过第一热介质出口N2流出。可以实现传热介质在换热管组4内的停留，降低能耗。

进一步的，还包括与所述聚合物入口N3法兰连接的夹套11，所述夹套11的两端分别设置第二热介质入口N5以及第二热介质出口N6。

需要说明的是，与聚合物入口N3管道法兰连接了一段接管，夹套11是对超出上管箱1的这段接管部分加热，温度通过圆管传递至聚合物料，因此被脱挥聚合物的整个流动路径上被夹套、换热器等非热源直接接触式换热媒介裹围，有效利用能源并使被脱挥聚合物免受污染。

进一步的，所述上管箱1的靠近所述上管板2的端面设置有定位圈12；所述定位圈12用于定位分流隔板6。

需要说明的是，定位圈12可以便于分流隔板6定位，降低制造难度。

进一步的，一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的预热方法，具体包括以下步骤：

步骤一、传热介质从第一热介质入口N1进入到上管箱1内，顺着分流隔板6传热介质进入到进入区601沿着换热管组4的换热外区402自上而下流入换热内区401，再沿着换热内区401自下而上流入回流区602再从第一热介质出口N2流出；

步骤二、翅片5与换热管组4进行热交换；

步骤三、传热介质从第二热介质入口N5进入，聚合物入口N3进行加热，传热介质从第二热介质出口N6排出；当聚合物通过时能够进行热传递；

步骤四、聚合物从聚合物入口N3进入到聚合物容纳空间内，在分配器9的作用下向两侧挤压，进入到由翅片5构成的流动通道501内，实现换热与切割；

步骤五、被切割和换热的聚合物进入到脱挥器中。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其特征在于：包括，

本体，所述本体内具有一安装空间；

若干换热管组，设于所述安装空间内并位于所述本体的边缘处；若干所述换热管组将安装空间分割成聚合物容纳空间和沿轴向包裹在聚合物容纳空间外的换热空间；其中，所述换热空间具有依次从内至外设置的换热内区和换热外区；

上管箱，设于所述本体的入口端；所述上管箱上设置有与聚合物容纳空间连通的聚合物入口、与换热外区连通的第一热介质入口，以及与换热内区连通的第一热介质出口；

传热介质从第一热介质入口进入本体沿着换热外区自上而下流至换热内区，再沿着换热内区自下而上从第一热介质出口流出；聚合物从聚合物入口流入至聚合物容纳空间内，在压力作用下依次流入换热内区和换热外区进行热传递；

所述本体包括：与所述上管箱固定连接的上管板、与所述上管板相对设置的下管板，以及与所述下管板连接的第一封头；所述上管板与下管板之间预设一定的距离形成安装空间；

若干所述换热管组设置于所述上管板和所述下管板之间并沿二者周向均匀分布；沿所述换热管组长度方向设有若干翅片，所述翅片之间设有流动通道；

所述翅片在垂直方向上与水平方向上间隔设置；每个所述翅片与相邻的垂直方向的翅片，以及相邻的水平方向的翅片之间都具有流动通道；所述聚合物流经所述流动通道并与所述翅片换热；

所述聚合物容纳空间内设置有分配器，所述分配器位于聚合物入口下方；所述分配器的直径靠近所述聚合物入口的一端沿其长度方向逐渐增大，形成上细下粗的锥形。

2.如权利要求1所述的适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其特征在于：所述翅片的四周设置为倒斜边；所述流动通道由两端的聚合物容纳段和中间段构成，所述中间段的流动通道的宽度沿着聚合物流向方向逐渐增大。

3.如权利要求1所述的适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其特征在于：所述下管板中部开设有通口；所述通口内设置有第二封头；所述第一封头设置为弧形状；所述第一封头的弧形顶点处设置排污口。

4.如权利要求1所述的适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其特征在于：还包括设置于所述上管箱内的分流隔板；所述分流隔板设置为锥形且两端分别所述上管板与上管箱连接；分流隔板将上管箱分割为所述第一热介质入口连通的进入区和与所述第一热介质出口连通的回流区；换热外区与进入区连通，换热内区与回流区连通；

所述分流隔板的直径沿着靠近上管箱的一端向着靠近上管板的一端逐渐增大；

所述分流隔板靠近所述第一热介质出口处设置有弧形隔板，所述弧形隔板、分流隔板，以及上管箱形成阻隔空间并与所述第一热介质出口连通；所述分流隔板靠近所述弧形隔板处开设流出口，所述流出口与所述第一热介质出口连通。

5.如权利要求1所述的适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置，其特征在于：还包括与所述聚合物入口法兰连接的夹套，所述夹套的两端分别设置第二热介质入口以及第二热介质出口。

6.一种如权利要求1~5任一所述的适用于高粘度多聚物的脱挥预热装置的预热方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、传热介质从第一热介质入口进入到上管箱内，顺着分流隔板，传热介质进入到进入区沿着换热管组的换热外区自上而下流入换热内区，再沿着换热内区自下而上流入出口区再从第一热介质出口流出；

步骤二、翅片与换热管组进行热交换；

步骤三、传热介质从第二热介质入口进入，聚合物入口进行加热，传热介质从第二热介质出口排出；当聚合物通过时能够进行热传递；

步骤四、聚合物从聚合物入口进入到聚合物容纳空间内，在分配器的作用下向两侧挤压，进入到由翅片构成的流动通道内，实现换热与切割；

步骤五、被切割和换热的聚合物进入到脱挥器中。