聚合反应设备课件

聚合反应设备聚合反应设备1背景合成高分子材料的出现，开辟了化学的新纪元。近代的化学工业，特别是石油化学工业的巨大发展，就是与合成树脂、合成橡胶、合成纤维这三大合成材料的发展是分不开的。合成材料由于其优异的机械性能以及耐腐蚀性而获得了广泛应用，目前已深入到国民经济的各个部门。因此，作为化学反应工程的一个新的分支，即聚合反应工程发展十分迅速地成为目前最活跃的领域之一。背景合成高分子材料的出现，开辟了化学的新纪元。近代的化学工业2聚合反应设备按结构分类聚合反应设备釜式聚合反应器管式聚合反应器塔式聚合反应器流化床聚合反应器其他特殊型式的聚合反应器聚合反应设备按结构分类聚合反应釜式聚合管式聚合塔式聚合流化床3一般聚氯乙烯、乳液丁苯、溶液丁苯、乙丙橡胶、顺丁橡胶等聚合物的合成均用釜式聚合反应器，低密度聚乙烯的生产一般在管式聚合反应器中进行，塔式反应器和流化床聚合反应器分别在苯乙烯本体聚合和丙烯液相本体聚合中得到应用，而许多特殊型式反应器则多用于聚合反应后期。一般聚氯乙烯、乳液丁苯、溶液丁苯、乙丙橡胶、顺丁橡胶等聚合物4主要讲的内容釜式聚合反应器管式聚合反应器流化床聚合反应器反应器的选用主要讲的内容釜式聚合反应器5釜式聚合反应器

在聚合反应器中，80%以上的聚合反应器是釜式反应器。反应釜分不带搅拌的和带搅拌的反应釜，其中带搅拌的反应釜使用更多。釜式聚合反应器即为带搅拌的反应釜，由于设置有搅拌装置，所以釜式聚合反应器也常被称为搅拌聚合釜。右图就是带搅拌釜式聚合反应器结构图。釜式聚合反应器

在聚合反应器中，80%以上的聚合6聚合反应釜结构容器部分（釜体）换热装置搅拌装置聚合反应釜结构密封装置其他结构聚合反应釜结构容器部分（釜体）换热装置搅拌装置聚合反应釜结构7容器部分（釜体）

为物料提供反应空间，有圆形筒体和上下封头组成换热装置由于有吸热和放热反应，所以需设置换热装置来提供和带走热量。主要结构有夹套传热、内冷件传热及釜外循环传热。容器部分（釜体）

为物料提供反应空间，有圆形筒体和上下封头组8换热装置—夹套在釜体外侧，以焊接连接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜外的表面形成密闭的空间，在此空间通入气体，以加热或冷却物料，维持釜内物料的温度在规定范围内，这种钢结构件统称夹套。夹套传热是聚合釜主要传热方式。筒体夹套换热装置—夹套在釜体外侧，以焊接连接或法兰连接的方式装设各种9搅拌装置为釜内物料的流动提供能量，有搅拌器和搅拌轴组成。搅拌轴的转动通过传动装置来实现。传动装置由电机、减速器通过联轴节组成。釜式聚合反应器里搅拌装置还包括搅拌附件（挡板、导流筒等）。搅拌装置为釜内物料的流动提供能量，有搅拌器和搅拌轴组成。搅拌10搅拌装置—搅拌器在釜式聚合反应器中，为实现物料流动、混合、传热、传质及表面更新和分散等各种作用，一般均置办搅拌器。它的功能概括地说是提供搅拌过程中所需要的能量和适宜的物料流动状态，以达到搅拌过程的目的。搅拌轴搅拌器电动机减速器机架搅拌装置—搅拌器在釜式聚合反应器中，为实现物料流动、混合、传11搅拌器主要由搅拌轴、搅拌桨叶和联接件组成，搅拌器材质一般采用不锈钢或搪玻璃。搅拌器的搅拌作用由运动着的搅拌桨叶所产生，其搅拌特性、搅拌效果主要取决于桨叶型式和桨叶尺寸。下图是几种主要的搅拌桨叶形状。螺轴式螺带式桨式推进器式透平式锚式搅拌器主要由搅拌轴、搅拌桨叶和联接件组成，搅拌器材质一12带有搅拌装置的聚合反应釜，聚合体系不同，其搅拌装置结构也不同。对于低粘度的物系，常使用平桨、螺旋桨及涡轮桨。平桨用于搅拌速度低（桨端速度在3m/s以下）的情况，螺旋桨用于高速的情况；涡轮则用于两者之间。当液深和釜径之比大于1.3时，瘦长型釜，为加强上下层物料混合均匀，需使用二级或多级搅拌桨，级间距离约为1.5到4倍，视物料黏度而定。带有搅拌装置的聚合反应釜，聚合体系不同，其搅拌装置结构也不同13搅拌附件—挡板挡板是指长条形的竖向固定在反应器壁上的板。主要为了消除在湍流状态时釜中央的漩涡而增设的。搅拌聚合反应釜中内设挡板，挡板作用：一是改善釜内物料混合状况，控制物料流型；二是作为内冷件，增大釜的传热面，改善物料传热效果。搅拌附件—挡板挡板是指长条形的竖向固定在反应器壁上的板。主要14搅拌附件—导流筒导流管一般是圆筒体，主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，透平式搅拌器有时也有导流筒。搅拌附件—内冷件内冷件包括蛇管、列管等，主要起增大釜内传热面作用，同时又可起到挡板作用。搅拌附件—导流筒导流管一般是圆筒体，主要用于推进式、螺杆式搅15密封装置包括在搅拌轴与筒体间动密封和在釜体法兰与各接管处法兰间的静密封。动密封有机械密封和填料密封两种。密封装置包括在搅拌轴与筒体间动密封和在釜体法兰与各接管处法兰16密封装置—轴封搅拌轴与釜体间通过轴封密封。轴封是釜式聚合反应器的重要组成部分，是最关键也是唯一的动密封点。轴封作用是保证釜内处于一定的正压或真空，以防反应物逸出或杂质渗入。轴封两种型式填料密封和机械密封。轴封密封装置—轴封搅拌轴与釜体间通过轴封密封。轴封是釜式聚合反应17密封装置—填料密封填料密封是搅拌器最早采用的一种转轴密封结构，适用于低压和低转速的场合，填料密封由衬套、填料箱体、压盖、压紧螺栓等组成。结构简单，填料装卸方便，但使用寿命短，密封效果不太好。密封装置—填料密封填料密封是搅拌器最早采用的一种转轴密封结构18密封装置—机械密封用垂直于轴的平面来密封转轴的装置称为机械密封，又叫端面密封。功耗小，泄露率底，密封性能可靠，使用寿命较长的转轴密封。主要由密封套、密封圈。弹簧及压紧圈等组成。密封装置—机械密封用垂直于轴的平面来密封转轴的装置称为机械密19其他装置各种用途的接管、入孔、支座等入孔支座压出管其他装置各种用途的接管、入孔、支座等入孔支座压出管20釜式聚合反应器的特点（重点）（1）釜式聚合反应器可用于多种聚合物的生产；即可用于低粘度聚合物体系，也可用于高粘度聚合物体系；既可用于间歇操作又可用于连续操作。（2）聚合反应器的基本结构主要包括釜体、搅拌装置、搅拌附件、传热装置、和密封装置及人（手）孔等。（3）根据反应物料和操作要求，釜式聚合反应器具有多种型式，瘦长型和矮胖型等，主要决定于长径比。釜式聚合反应器的特点（重点）（1）釜式聚合反应器可用于多种聚21流化床聚合反应器流化基本概念流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现象。除重力作用外一般是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。流化床聚合反应器流化基本概念22流态化的形式流态化的形式23流化床聚合反应器流化床聚合反应器是一种垂直圆筒形或圆锥形容器，内装催化剂或参与反应的细小固体颗粒，反应流体从反应器底部进入，而反应产物则从顶部引出。流体在器内的流速要控制到固体颗粒在流动中浮动而不致从系统中带出，在此状态下，颗粒床层有如液体沸腾一样。这种反应器传热好，温度均匀且容易控制，但催化剂的磨损大，床内物料返混大，对要求高转化率的反应不利。由于具有流程简单的优势，使用日益普遍。流化床聚合反应器流化床聚合反应器是一种垂直圆筒形或圆锥形容器24流化床聚合反应结构示意图流化床聚合反应结构示意图25烯烃气相聚合用的流化床反应器型式之一循环的丙烯气体从进气管进入，经过格子分布板进入锥形扩散管，从上部加入含催化剂的预聚物，并与从下部加入的原料气体进行流化接触，生成的聚合物在格子分布板中落下并从底部排出。各锥形管外面是公共的冷却室，通入沸腾的甲烷以除去热量。烯烃气相聚合用的流化床反应器型式之一循环的丙烯气体从进气管进26

流化床反应器的特点:

结构简单传热效能高，床层温度均匀气固相间传质速率较高催化剂粒子小，效能高有助于催化剂循环再生催化剂和设备磨损大气流不均时气固相接触效率降低返混大，影响产品质量均一性

流化床反应器的特点:

结构简单27

管式聚合反应器管式聚合反应器由单根连续管或一根以上的管子平行排列构成，它是使反应流体通过细长的管子而进行反应的装置，结构简单，单位体积所具有的传热面较大，适于作高温、高压装置之用。管式聚合反应器管式聚合反应器由单根连续管或一根以上的管子平28管式聚合反应器结构管式聚合反应器结构29

管式聚合反应器采用的操作方式为连续操作，反应物料从反应器的一端进入，产物则从反应器的另一端取出，物料组成沿管程递变，但某一截面上物料组成在时间进程中变法较小。这种反应器中，物料返混很小，物料停留时间分布窄。与釜式聚合反应器相比，达到一定转化率，采用管式聚合反应器所需反应器容积较小，可用平推流模型模拟、设计、计算这类反应器。与管式反应器相似，另一种反应器是环管式反应器，也称循环反应器它在中压法聚乙烯生产中得到应用。管式聚合反应器采用的操作方式为连续操作，反应物料从反应器30环管式反应器结构环管式反应器结构31采用环管式反应器具有如下优点：（1）单位体积的传热面积较大，可达6.5~7㎡，只要用冷却水夹套即可满足传热要求，故能耗较低。（2）单位体积生产能力高，如一台66m³双环管反应器年生产能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器的生产能力。（3）反应物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8m/s，可有效地防止聚合物在管壁的沉淀，进一步强化传热，并降低聚合物凝胶含量。（4）反应单程转化率高，可达95%以上，从而减少了单体的循环量。（5）物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产切换。采用环管式反应器具有如下优点：（1）单位体积的传热面积较大，32聚合反应器的选用选用合适的聚合反应器，可从以下四个方面考虑（重点）1．聚合反应器的操作特性主要包括聚合反应器的稳定性和传热效能，反应器有效利用率及生产能力，物料在反应器中停留时间及停留时间分布，物料在反应器中的混合状况，以及最终的反映效果等。2.聚合反应及聚合过程的特性同一种聚合物可以用不同的聚合方法生产，而不同的聚合方法对聚合反应器要求不同。聚合反应器的选用选用合适的聚合反应器，可从以下四个方面考虑（333．聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响平均分子量、分子量分布、支化度等是决定聚合物性能的重要因素，由于各聚合反应器操作性能不一样，对于同一类聚合物，采用不同型式的聚合反应器时可获得不同的聚合物结构和性能。4．生产成本主要包括操作方式、设备容积效率、操作弹性生产能力及设备维修费用和产品的分离回收费用等。总之聚合反应器的选择应满足高效低耗的原则。3．聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响34问题1、釜式聚合反应器的特点？2、选择合适的聚合反应器，应考虑哪些方面？问题1、釜式聚合反应器的特点？35答案1、（1）釜式聚合反应器可用于多种聚合物的生产；即可用于低粘度聚合物体系，也可用于高粘度聚合物体系；既可用于间歇操作又可用于连续操作。（2）聚合反应器的基本结构主要包括釜体、搅拌装置、搅拌附件、传热装置、和密封装置及人（手）孔等。（3）根据反应物料和操作要求，釜式聚合反应器具有多种型式，瘦长型和矮胖型等，主要决定于长径比。答案1、（1）釜式聚合反应器可用于多种聚合物的生产；即可用于362、（1）．聚合反应器的操作特性主要包括聚合反应器的稳定性和传热效能，反应器有效利用率及生产能力，物料在反应器中停留时间及停留时间分布，物料在反应器中的混合状况，以及最终的反映效果等。（2）.聚合反应及聚合过程的特性同一种聚合物可以用不同的聚合方法生产，而不同的聚合方法对聚合反应器要求不同。2、37（3）．聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响平均分子量、分子量分布、支化度等是决定聚合物性能的重要因素，由于各聚合反应器操作性能不一样，对于同一类聚合物，采用不同型式的聚合反应器时可获得不同的聚合物结构和性能。（4）．生产成本主要包括操作方式、设备容积效率、操作弹性生产能力及设备维修费用和产品的分离回收费用等。总之聚合反应器的选择应满足高效低耗的原则。（3）．聚合反应器操作特性对聚合物结构和性能的影响38聚合反应设备聚合反应设备39背景合成高分子材料的出现，开辟了化学的新纪元。近代的化学工业，特别是石油化学工业的巨大发展，就是与合成树脂、合成橡胶、合成纤维这三大合成材料的发展是分不开的。合成材料由于其优异的机械性能以及耐腐蚀性而获得了广泛应用，目前已深入到国民经济的各个部门。因此，作为化学反应工程的一个新的分支，即聚合反应工程发展十分迅速地成为目前最活跃的领域之一。背景合成高分子材料的出现，开辟了化学的新纪元。近代的化学工业40聚合反应设备按结构分类聚合反应设备釜式聚合反应器管式聚合反应器塔式聚合反应器流化床聚合反应器其他特殊型式的聚合反应器聚合反应设备按结构分类聚合反应釜式聚合管式聚合塔式聚合流化床41一般聚氯乙烯、乳液丁苯、溶液丁苯、乙丙橡胶、顺丁橡胶等聚合物的合成均用釜式聚合反应器，低密度聚乙烯的生产一般在管式聚合反应器中进行，塔式反应器和流化床聚合反应器分别在苯乙烯本体聚合和丙烯液相本体聚合中得到应用，而许多特殊型式反应器则多用于聚合反应后期。一般聚氯乙烯、乳液丁苯、溶液丁苯、乙丙橡胶、顺丁橡胶等聚合物42主要讲的内容釜式聚合反应器管式聚合反应器流化床聚合反应器反应器的选用主要讲的内容釜式聚合反应器43釜式聚合反应器

在聚合反应器中，80%以上的聚合反应器是釜式反应器。反应釜分不带搅拌的和带搅拌的反应釜，其中带搅拌的反应釜使用更多。釜式聚合反应器即为带搅拌的反应釜，由于设置有搅拌装置，所以釜式聚合反应器也常被称为搅拌聚合釜。右图就是带搅拌釜式聚合反应器结构图。釜式聚合反应器

在聚合反应器中，80%以上的聚合44聚合反应釜结构容器部分（釜体）换热装置搅拌装置聚合反应釜结构密封装置其他结构聚合反应釜结构容器部分（釜体）换热装置搅拌装置聚合反应釜结构45容器部分（釜体）

为物料提供反应空间，有圆形筒体和上下封头组成换热装置由于有吸热和放热反应，所以需设置换热装置来提供和带走热量。主要结构有夹套传热、内冷件传热及釜外循环传热。容器部分（釜体）

为物料提供反应空间，有圆形筒体和上下封头组46换热装置—夹套在釜体外侧，以焊接连接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与釜外的表面形成密闭的空间，在此空间通入气体，以加热或冷却物料，维持釜内物料的温度在规定范围内，这种钢结构件统称夹套。夹套传热是聚合釜主要传热方式。筒体夹套换热装置—夹套在釜体外侧，以焊接连接或法兰连接的方式装设各种47搅拌装置为釜内物料的流动提供能量，有搅拌器和搅拌轴组成。搅拌轴的转动通过传动装置来实现。传动装置由电机、减速器通过联轴节组成。釜式聚合反应器里搅拌装置还包括搅拌附件（挡板、导流筒等）。搅拌装置为釜内物料的流动提供能量，有搅拌器和搅拌轴组成。搅拌48搅拌装置—搅拌器在釜式聚合反应器中，为实现物料流动、混合、传热、传质及表面更新和分散等各种作用，一般均置办搅拌器。它的功能概括地说是提供搅拌过程中所需要的能量和适宜的物料流动状态，以达到搅拌过程的目的。搅拌轴搅拌器电动机减速器机架搅拌装置—搅拌器在釜式聚合反应器中，为实现物料流动、混合、传49搅拌器主要由搅拌轴、搅拌桨叶和联接件组成，搅拌器材质一般采用不锈钢或搪玻璃。搅拌器的搅拌作用由运动着的搅拌桨叶所产生，其搅拌特性、搅拌效果主要取决于桨叶型式和桨叶尺寸。下图是几种主要的搅拌桨叶形状。螺轴式螺带式桨式推进器式透平式锚式搅拌器主要由搅拌轴、搅拌桨叶和联接件组成，搅拌器材质一50带有搅拌装置的聚合反应釜，聚合体系不同，其搅拌装置结构也不同。对于低粘度的物系，常使用平桨、螺旋桨及涡轮桨。平桨用于搅拌速度低（桨端速度在3m/s以下）的情况，螺旋桨用于高速的情况；涡轮则用于两者之间。当液深和釜径之比大于1.3时，瘦长型釜，为加强上下层物料混合均匀，需使用二级或多级搅拌桨，级间距离约为1.5到4倍，视物料黏度而定。带有搅拌装置的聚合反应釜，聚合体系不同，其搅拌装置结构也不同51搅拌附件—挡板挡板是指长条形的竖向固定在反应器壁上的板。主要为了消除在湍流状态时釜中央的漩涡而增设的。搅拌聚合反应釜中内设挡板，挡板作用：一是改善釜内物料混合状况，控制物料流型；二是作为内冷件，增大釜的传热面，改善物料传热效果。搅拌附件—挡板挡板是指长条形的竖向固定在反应器壁上的板。主要52搅拌附件—导流筒导流管一般是圆筒体，主要用于推进式、螺杆式搅拌器的导流，透平式搅拌器有时也有导流筒。搅拌附件—内冷件内冷件包括蛇管、列管等，主要起增大釜内传热面作用，同时又可起到挡板作用。搅拌附件—导流筒导流管一般是圆筒体，主要用于推进式、螺杆式搅53密封装置包括在搅拌轴与筒体间动密封和在釜体法兰与各接管处法兰间的静密封。动密封有机械密封和填料密封两种。密封装置包括在搅拌轴与筒体间动密封和在釜体法兰与各接管处法兰54密封装置—轴封搅拌轴与釜体间通过轴封密封。轴封是釜式聚合反应器的重要组成部分，是最关键也是唯一的动密封点。轴封作用是保证釜内处于一定的正压或真空，以防反应物逸出或杂质渗入。轴封两种型式填料密封和机械密封。轴封密封装置—轴封搅拌轴与釜体间通过轴封密封。轴封是釜式聚合反应55密封装置—填料密封填料密封是搅拌器最早采用的一种转轴密封结构，适用于低压和低转速的场合，填料密封由衬套、填料箱体、压盖、压紧螺栓等组成。结构简单，填料装卸方便，但使用寿命短，密封效果不太好。密封装置—填料密封填料密封是搅拌器最早采用的一种转轴密封结构56密封装置—机械密封用垂直于轴的平面来密封转轴的装置称为机械密封，又叫端面密封。功耗小，泄露率底，密封性能可靠，使用寿命较长的转轴密封。主要由密封套、密封圈。弹簧及压紧圈等组成。密封装置—机械密封用垂直于轴的平面来密封转轴的装置称为机械密57其他装置各种用途的接管、入孔、支座等入孔支座压出管其他装置各种用途的接管、入孔、支座等入孔支座压出管58釜式聚合反应器的特点（重点）（1）釜式聚合反应器可用于多种聚合物的生产；即可用于低粘度聚合物体系，也可用于高粘度聚合物体系；既可用于间歇操作又可用于连续操作。（2）聚合反应器的基本结构主要包括釜体、搅拌装置、搅拌附件、传热装置、和密封装置及人（手）孔等。（3）根据反应物料和操作要求，釜式聚合反应器具有多种型式，瘦长型和矮胖型等，主要决定于长径比。釜式聚合反应器的特点（重点）（1）釜式聚合反应器可用于多种聚59流化床聚合反应器流化基本概念流态化：固体粒子像流体一样进行流动的现象。除重力作用外一般是依靠气体或液体的流动来带动固体颗粒运动的。流化床聚合反应器流化基本概念60流态化的形式流态化的形式61流化床聚合反应器流化床聚合反应器是一种垂直圆筒形或圆锥形容器，内装催化剂或参与反应的细小固体颗粒，反应流体从反应器底部进入，而反应产物则从顶部引出。流体在器内的流速要控制到固体颗粒在流动中浮动而不致从系统中带出，在此状态下，颗粒床层有如液体沸腾一样。这种反应器传热好，温度均匀且容易控制，但催化剂的磨损大，床内物料返混大，对要求高转化率的反应不利。由于具有流程简单的优势，使用日益普遍。流化床聚合反应器流化床聚合反应器是一种垂直圆筒形或圆锥形容器62流化床聚合反应结构示意图流化床聚合反应结构示意图63烯烃气相聚合用的流化床反应器型式之一循环的丙烯气体从进气管进入，经过格子分布板进入锥形扩散管，从上部加入含催化剂的预聚物，并与从下部加入的原料气体进行流化接触，生成的聚合物在格子分布板中落下并从底部排出。各锥形管外面是公共的冷却室，通入沸腾的甲烷以除去热量。烯烃气相聚合用的流化床反应器型式之一循环的丙烯气体从进气管进64

流化床反应器的特点:

结构简单传热效能高，床层温度均匀气固相间传质速率较高催化剂粒子小，效能高有助于催化剂循环再生催化剂和设备磨损大气流不均时气固相接触效率降低返混大，影响产品质量均一性

流化床反应器的特点:

结构简单65

管式聚合反应器管式聚合反应器由单根连续管或一根以上的管子平行排列构成，它是使反应流体通过细长的管子而进行反应的装置，结构简单，单位体积所具有的传热面较大，适于作高温、高压装置之用。管式聚合反应器管式聚合反应器由单根连续管或一根以上的管子平66管式聚合反应器结构管式聚合反应器结构67

管式聚合反应器采用的操作方式为连续操作，反应物料从反应器的一端进入，产物则从反应器的另一端取出，物料组成沿管程递变，但某一截面上物料组成在时间进程中变法较小。这种反应器中，物料返混很小，物料停留时间分布窄。与釜式聚合反应器相比，达到一定转化率，采用管式聚合反应器所需反应器容积较小，可用平推流模型模拟、设计、计算这类反应器。与管式反应器相似，另一种反应器是环管式反应器，也称循环反应器它在中压法聚乙烯生产中得到应用。管式聚合反应器采用的操作方式为连续操作，反应物料从反应器68环管式反应器结构环管式反应器结构69采用环管式反应器具有如下优点：（1）单位体积的传热面积较大，可达6.5~7㎡，只要用冷却水夹套即可满足传热要求，故能耗较低。（2）单位体积生产能力高，如一台66m³双环管反应器年生产能力可达4.5万吨左右，高于釜式反应器的生产能力。（3）反应物料在高速循环泵的推动下，物料流动线速度可达8m/s，可有效地防止聚合物在管壁的沉淀，进一步强化传热，并降低聚合物凝胶含量。（4）反应单程转化率高，可达95%以上，从而减少了单体的循环量。（5）物料在反应器内停留时间短，有利于不同牌号聚合物的生产切换。采用环管式反应器具有如下优点：（1）单位体积的传热面积较大，70聚合反应器的选用选用合适的聚合反应器，可从以下四个方面考虑（重点）1．聚合反应器的操作特性主要包括聚合反应器