CN219377104U - 带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，包括反应器本体和预混装置(2)，所述的反应器本体包括反应器壳体(1)和多组带有超声波辅助的刀片式反应单元，所述的反应器壳体(1)两侧呈多组折叠式弧状，构成多个弧状通道；所述带有超声波辅助的刀片式反应单元包括由换热板束组成的控温元件(8)和单元式超声波辅助装置(9)。与现有技术相比，本实用新型综合了传统反应器可工业化生产以及微反应器可以精准控制反应温度的优点，可适用于大量放热且转化率要求较高的聚合反应，是处于介观尺度的聚合反应器，具有良好的应用前景。

Description

带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器

技术领域

本实用新型涉及反应器，具体涉及一种在超声波辅助下的处于临界尺度的用于聚合反应的刀片反应器。

背景技术

由低分子单体形成高聚物的反应过程称为聚合反应，按照元素组成和结构变化可分为加聚和缩聚反应两大类型。不管是哪种反应类型，在单体聚合过程中会伴随放出大量的热量，如何将反应热及时移走是保证生产和质量的关键因素。

现有技术通常采用釜式反应器进行聚合反应。传统的反应器会通过在反应器壁上设置夹套或者在器内设置换热面进行换热，应用在工业化大规模生产时，随着反应的进行，釜内体系粘度增加，可能会出现高粘度物料粘黏在反应器内壁使反应不均匀、反应时间过长或副产物增加使后处理困难等不良后果；同时，反应器的反应热受结构限制，随着反应进程，反应转化率增大，体系黏度增加，散热变得困难。尤其是产生凝胶现象后，放热速率加快，散热更难，不但会造成局部过热，相对分子量分布变宽，而且会影响机械搅拌，严重时，甚至会产生爆聚。同时，搅拌式反应釜很难实现连续生产，多采用间歇式的操作方式，严重影响生产效率。

与传统反应器相比，微反应器技术在微观角度上进行反应可以克服一些弊端，在反应过程中具有传质传热效率高，反应时间短，无放大效应，安全可靠，集成度高.生产流程绿色化等诸多优点。微反应器的主要应用领域包括精细化工、医药行业、遗传工程等领域。但是，微反应器本身也存在一些不足，在反应物料中有固体物质参与时，通道中的沉淀、生长或架桥现象会限制微反应器中液体的流动速度，影响液体的混合，增加压力，最终导致反应失败。同时，微反应器在应对大规模生产时，其昂贵的价格，复杂的结构和冗余的系统，都会给工业生产带来很多不确定的因素。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，该反应器可以兼顾传统搅拌反应釜的较大规模生产需求以及微反应器生产产物的高选择性，可以使用工业化生产、反应过程中会大量放热且对反应产物转化率要求较高的聚合反应，以及高粘流体状态下高分子聚合反应。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，包括反应器本体和预混装置，所述的反应器本体包括反应器壳体和多组带有超声波辅助的刀片式反应单元，所述的反应器壳体两侧呈多组折叠式弧状，构成多个弧状通道；

所述带有超声波辅助的刀片式反应单元包括由换热板束组成的控温元件和单元式超声波辅助装置；多组控温元件在反应器壳体内相互平行排布，每组控温元件与对应壳体构成弧状反应腔；每个弧状反应腔内均设有单元式超声波辅助装置；

反应物料在预混装置混合后首先进入第一弧状反应腔和第一弧状通道，在超声波辅助装置下发生聚合反应，随后进入之后若干组串联的弧状反应腔和弧状通道，最终在反应器本体底部得到产物。

反应器壳体符合多组刀片单元折叠式的特点，两侧侧壁呈大小不同的弧形状，其一侧侧壁相邻弧形壁面连接处连接控温元件，与控温元件相对的另一侧壁面弧状通道中线附近，构成折叠式结构。

具体地，所述的控温元件由换热板束组成，换热板束若干换热板对组成，每组换热板对的其中两侧与反应器壳体内壁相连接。相邻控温元件与两侧反应器壳体的弧形侧壁(即弧状通道)之间构成一个弧状反应腔，第一控温元件与反应器壳体的上盖板之间构成第一弧状反应腔，反应器壳体底部最后一个控温元件与下盖板之间构成末端弧状反应腔。

通过上述结构将反应区域切分成刀片单元(每个刀片单元处于介观尺度，大于分子对应的微观尺度，小于设备对应的宏观尺度)。每组反应腔体存在独立的控温元件，多组刀片单元采用折叠式连接，在满足连续生产的前提下，即适应了工业化大规模生产的需求，也解决了常规搅拌釜反应器在聚合反应后期的痛点。

进一步地，每组换热板对间换热腔都对应一组换热介质的分配支管和收集支管。换热介质的分配支管和收集支管相对独立，可以根据具体的反应对不同组控温元件换热腔内的换热介质的品类、流量、温度等条件进行设定，使每组控温元件的所对应的反应腔的平均温度和温差都可以准确控制，避免反应过程中的局部过热现象的发生。

换热板对在反应器轴向上多段分别设置，换热板对之间间距是相互独立且可调节的，反应腔内换热板对间间距可以根据具体的聚合反应过程所需换热量而定，有利于反应过程中稳定控制温度。反应腔内组件垂直方向排列的换热板对间间距根据反应进程可相同也可不同。反应物料从反应器上方反应介质进料口进入，开始时反应转化率较小，所需换热量较低；随着反应的进行，转化率增大，体系粘度增加，散热变得困难，此时会需要高换热量降低温度以防止出现凝胶现象，保证反应的顺利进行。所以在反应最初换热量要求小，接近反应器进口处的板对间距大；随着反应介质沿着反应器通道流通，换热量要求逐渐升高，换热板对间距会调小以增加流体湍流程度，强化传热效果。

换热板对的平均间距为10-15mm。

所述的单元式超声波辅助装置为插入各弧状反应腔的超声波振动棒，超声波振动棒的发射头前端深入到弧状反应腔内，并与控温元件平行放置。

所述的单元式超声波辅助装置为超声波贴片振子，将反应器壳体内部的反应腔壁面均匀间隔安装超声波贴片振子。

超声波振动棒和超声波贴片振子在超声波发生器的作用下辅助聚合反应高效进行。

所述的弧状通道和弧状反应腔的数量根据具体的聚合反应特性进行调节。

所述预混装置包括反应介质进料管和与其连接的混合喷嘴，混合喷嘴穿过所述反应器壳体壁延伸到反应器本体的第一弧状反应腔内，以使反应物在充分混合后进入到反应器中发生聚合反应。

所述反应器壳体还包括反应介质进口和反应介质出口、上盖板、下盖板和排气孔。

刀片反应器壳体符合多组刀片单元折叠式的特点，为高粘聚合反应提供反应空间，多组控温元件在壳体内相互平行排布，每组控温元件都对应壳体提供的弧状反应腔。反应器内的弧状反应腔为刀片单元串联结构，反应物料进入反应器之后在壳程发生聚合反应。反应物料在预混装置混合后首先进入第一刀片单元对应的第一反应腔和第一弧状通道，在超声波辅助下发生聚合反应。随后进入之后若干组串联刀片单元对应的反应腔和弧状通道，最终在反应器底部的反应介质出口管得到产物。反应流体流经控温元件和弧状壳体组成的刀片式单元反应通道，在自上而下的流动过程中，破坏了流体流动的周期性，并且流体-流体边界的压缩、拉伸、变形、堆叠增加了发生扩散的界面面积，提高了混合效率。流体流经弧状的壳程通道可以有效避免反应介质经过反应器拐角时可能产生的流动死区，加强传热效率，减少结垢现象，可以有效延长反应器使用寿命。

为了同时从宏观和微观角度克服现有聚合反应器的种种不足，可以从介观尺度出发进行聚合反应。介观尺度是指介于宏观和微观之间的过渡尺度，反应器在介观尺度上进行研究即具有宏观上的流体尺寸，可以扩大反应器规模，也会有微观尺度上的灵活控制优势。同时本实用新型也引用了刀片单元模块的概念，可以根据不同聚合反应的特点灵活的叠加反应区域，对于反应器，超声波可以使反应物在反应腔内作剧烈运动以使充分混合，强化物质的传递扩散，使反应能够高效进行。在反应器中引入超声波辅助可以强化聚合反应过程。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型在伴随大量放热的聚合反应中，将反应介质按照一定比例在预混装置内充分混合后加入到反应器中。聚合反应过程中反应介质走壳程，换热介质通过反应腔内的板对对应的换热介质入口通入到板对间，即通入到板程，可以有效避免出现反应物料受热不均匀情况的出现，有利于反应的持续进行。

(2)本实用新型反应器内可灵活调节的控温元件的尺寸和数量，控温元件分别可以对应不同种类和温度的冷却介质都决定了本实用新型可以应对不同聚合反应的换热需求以及同一聚合反应前后不同的换热需求，可以精准控制聚合反应中不同反应阶段的温度，进而可以保证聚合反应的高效进行，大大提高生产效率。

(3)本实用新型反应器将反应区域切分成若干刀片单元反应腔(每个单元处于介观尺度，大于分子对应的微观尺度，小于设备对应的宏观尺度)，临界尺度的单元通道的尺寸小，比表面积大，反应物料具有高效混合效果，且温度可以精准的控制，可以有效降低局部过热现象的发生。流体在通道内压缩、折叠可以增加流体的混合效果。通过增加刀片单元数量，相应的根据不同的反应特性灵活调节控温元件数量，可以增加聚合反应器的产量，在尽量减小放大效应的前提下可以达到工业化生产的规模。

(4)本实用新型反应器应用超声波辅助，通过应用超声波的高频振动和空化的压力以及高温效应，可以加速分子间的相互渗透，使反应物在反应腔内作剧烈运动以使充分混合，强化物质的传递扩散，利于聚合反应的高效进行。

(5)本实用新型聚合反应器综合了传统反应器可工业化生产以及微反应器可以精准控制反应温度的优点，可适用于大量放热且转化率要求较高的聚合反应，是处于介观尺度的聚合反应器，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例中在超声波辅助下的处于临界尺度的用于聚合反应的刀片反应器结构示意图。

图中标记说明：

1-反应器壳体、2-预混装置、3-反应介质进口、4-反应介质出口、5-上盖板、6-下盖板、7-排气孔、8-控温元件、9-超声波辅助装置、10-分配支管、11-收集支管、12-第一弧状反应腔、13-第一弧状通道、14-换热腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例：

如图1所述，一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，包括反应器本体和预混装置2，所述的反应器本体包括反应器壳体1和多组带有超声波辅助的刀片式反应单元，所述的反应器壳体1包括反应介质进口3和反应介质出口4、上盖板5、下盖板6设置在壳体上端的排气孔7，以及连接上盖板5、下盖板6侧面与其构成反应器反应腔的侧壁，两侧侧壁呈大小不同的弧形状，其一侧侧壁相邻弧形壁面连接处连接用于聚合反应交换热量的控温元件8，与控温元件8相对的另一侧壁面弧状通道中线附近，构成折叠式结构。

控温元件8设置在反应器壳体1内，反应器壳体1与控温元件8间壳程构成聚合反应的反应腔，多组控温元件8在反应器壳体1内相互平行排布，每组控温元件8与对应壳体构成弧状反应腔；每个弧状反应腔内均设有单元式超声波辅助装置9，每组控温元件8内空腔为换热腔14，反应介质进口3和反应介质出口4连接反应器的反应腔，每组换热腔都连接换热介质的分配支管10和收集支管11。

所述的控温元件8由换热板束组成，换热板束若干换热板对组成，每组换热板对的其中两侧与反应器壳体1内壁相连接。相邻控温元件8与两侧反应器壳体的弧形侧壁(即弧状通道)之间构成一个弧状反应腔，第一控温元件8与反应器壳体的上盖板之间构成第一弧状反应腔12，其侧壁为第一弧状通道13，反应器壳体底部最后一个控温元件与下盖板之间构成末端弧状反应腔。换热板对的平均间距为10-15mm，在本实施例中为10mm。预混装置2包括反应介质进料管和与其连接的混合喷嘴，混合喷嘴穿过所述反应器壳体1壁延伸到反应器本体的第一弧状反应腔12内，以使反应物在充分混合后进入到反应器中发生聚合反应。

在本实施例中，选用超声波振动棒作为反应器超声波辅助装置9，将超声波振动棒穿过反应器壳体1深入到反应器的刀片单元反应腔中，通过连接反应器外的超声波发生器辅助聚合反应的发生。超声波的高频振动和空化的压力以及高温效应，可以加速分子间的相互渗透，促进反应物料在刀片式反应腔内剧烈运动以使充分混合，强化物质的传递扩散，利于聚合反应的高效进行。在其他实施例中，也可使用超声波贴片振子作为辅助装置发生聚合反应。

采用上述反应器用于聚合反应，方法如下：

反应物料通过反应介质进口3进入，经过预混装置2进行预混合，物料混合后通过延伸入反应器壳体1的管口进入到刀片反应器的反应腔中。首先进入第一刀片单元，反应物料充斥在第一刀片单元即第一弧状反应腔12的第一弧状通道13上，在超声波振动棒辅助下，聚合反应产生的热量通过第一弧状通道13对应的控温元件8及时移除。因为反应通道及控温元件间平均间距设置在10mm，符合介观通道尺寸，在此尺寸下物料可以充斥第一弧状通道13，反应物料经过第一弧状通道13后进入第二刀片单元。反应物料在经过第一弧状通道13时，第一刀片单元的控温板片会对反应物料进行切割，弧状通道也会使反应物料重复的压缩、折叠，有利于提高反应物料的混合效率。第一刀片单元对应的控温板片间通过换热介质的分配支管10通入冷却水，即控温板片的换热腔14充满冷却水，冷却水可以及时移走反应腔中发生聚合反应放出的热量。反应物料经过第一弧状通道13后进串联的入第二刀片单元，随后进入后续串联的五个刀片单元，聚合反应产物从反应介质出口4输出。

本项实用新型不局限于上述实施例内容，本实用新型还可以做多种更改，均属于本实用新型的所要求的保护范围以内。本实用新型保护范围严格按照权利要求范围来确定。

Claims (10)

1.一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，包括反应器本体和预混装置(2)，所述的反应器本体包括反应器壳体(1)和多组带有超声波辅助的刀片式反应单元，所述的反应器壳体(1)两侧呈多组折叠式弧状，构成多个弧状通道；

所述带有超声波辅助的刀片式反应单元包括由换热板束组成的控温元件(8)和单元式超声波辅助装置(9)；多组控温元件(8)在反应器壳体(1)内相互平行排布，每组控温元件(8)与对应壳体构成弧状反应腔；每个弧状反应腔内均设有单元式超声波辅助装置(9)；

反应物料在预混装置(2)混合后首先进入第一弧状反应腔和第一弧状通道，在超声波辅助装置(9)下发生聚合反应，随后进入之后若干组串联的弧状反应腔和弧状通道，最终在反应器本体底部得到产物。

2.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述的控温元件(8)由换热板束组成，换热板束由若干换热板对组成，每组换热板对的其中两侧与反应器壳体(1)内壁相连接。

3.根据权利要求2所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，每组换热板对间换热腔都对应一组换热介质的分配支管(10)和收集支管(11)。

4.根据权利要求2或3所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，换热板对在反应器轴向上多段分别设置，换热板对之间间距是相互独立且可调节的。

5.根据权利要求4所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，换热板对的平均间距为10-15mm。

6.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述的单元式超声波辅助装置(9)为插入各弧状反应腔的超声波振动棒，超声波振动棒的发射头前端深入到弧状反应腔内，并与控温元件(8)平行放置。

7.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述的单元式超声波辅助装置(9)为超声波贴片振子，将反应器壳体内部的反应腔壁面均匀间隔安装超声波贴片振子。

8.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述的弧状通道和弧状反应腔的数量根据具体的聚合反应特性进行调节。

9.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述预混装置(2)包括反应介质进料管和与其连接的混合喷嘴，混合喷嘴穿过所述反应器壳体(1)壁延伸到反应器本体的第一弧状反应腔(12)内，以使反应物在充分混合后进入到反应器中发生聚合反应。

10.根据权利要求1所述的一种带有超声波辅助的适用于高分子聚合的刀片反应器，其特征在于，所述反应器壳体(1)还包括反应介质进口(3)和反应介质出口(4)、上盖板(5)、下盖板(6)和排气孔(7)。