含氟聚合物聚合釜傳質(zhì)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展

周鳳舉 劉 凱

（成都市新都凱興科技有限公司,四川 成都610500）

0 前言

當前,我國氟材料工業(yè)已進入新一輪發(fā)展時期,由于資源的配置和市場的導向,產(chǎn)品必將進入精細化、差異化的發(fā)展,這樣全行業(yè)才可能進入高質(zhì)量的發(fā)展階段,從而實現(xiàn)氟強國的最終目標。

氟化工的發(fā)展離不開裝備技術(shù)的發(fā)展,含氟聚合物聚合釜仍然是氟聚合工藝的關鍵設備,含氟聚合物聚合釜的核心技術(shù)是傳質(zhì)和傳熱。經(jīng)過近20年的發(fā)展,聚合釜的裝備技術(shù)也經(jīng)歷了多次創(chuàng)新和換代,基本上能滿足常規(guī)產(chǎn)品的聚合要求,但仍然存在很多未攻克的技術(shù)難題,因而不能滿足產(chǎn)品升級換代的要求［1］。

為了配合氟化工的持續(xù)發(fā)展,聚合釜的技術(shù)創(chuàng)新方面,須不斷地總結(jié)生產(chǎn)第一線的工藝要求,為優(yōu)化含氟聚合工藝創(chuàng)造更優(yōu)越、更可靠的設備條件。在立式、臥式聚合釜的傳質(zhì)技術(shù)上,新開發(fā)了兩項攪拌技術(shù)：一是“加撓流棒的立式攪拌反應釜”［2］,二是“圓弧螺帶攪拌低剪切流臥式反應釜”［3］。

這兩項技術(shù)的研究歷經(jīng)了3個階段：一是計算機數(shù)學摸型的動態(tài)模擬分析；二是做實體透明模型,進行氣、液、固三相吸氣和分散傳質(zhì)透明試驗；三是在不同容積的生產(chǎn)設備上做生產(chǎn)試驗,已基本達到了預期的技術(shù)目標。

1 立式攪拌反應釜加擾流棒傳質(zhì)技術(shù)

立式攪拌反應釜,無論是上傳動攪拌還是下傳動攪拌,也無論是什么型式的攪拌器,都是靠流體介質(zhì)的軸流、徑流和周向流的分配來建立所需要的流動場,以滿足流體介質(zhì)在反應過程中的傳質(zhì)要求。含氟聚合物立式聚合釜主要用于懸浮顆粒的聚合,對傳質(zhì)的要求是密度相差很大的氣、固、液3種物質(zhì),在攪拌器的作用下達到均勻的流動場。聚合工藝的要求是氣相單體介質(zhì)由攪拌器產(chǎn)生的吸氣功能,連續(xù)地吸進液相,在引發(fā)劑的作用下形成高分子固態(tài)粒子,懸浮在液相中。聚合的顆粒度要求盡可能均勻,同時要求避免形成粒子結(jié)塊,或不均勻的發(fā)熱場。

在過去的立式釜攪拌方案上,單靠攪拌器或攪拌器加擋板的方案很難達到上述要求。因為任何攪拌器在液相中達到恒定轉(zhuǎn)速時,流體與攪拌器也逐漸達到同步運行,形成層流,傳質(zhì)開始弱化,也有在釜壁上加擋板來增強傳質(zhì)流動,在釜壁附近會形成滯留層,既影響這部分的傳質(zhì)也影響釜壁的傳熱。

開發(fā)加擾流棒的立式攪拌反應釜的目的是為了克服上述立式反應釜的不足,提供一種用擾流棒來改善傳質(zhì)的立式攪拌反應釜。

加擾流棒的立式攪拌反應釜包括電機、立置的釜體、裝在釜體上受電機帶動的攪拌軸和裝在攪拌軸上的攪拌器,釜體內(nèi)腔橫截面形狀為圓形,釜體內(nèi)壁或釜體內(nèi)頂面上裝有至少兩根均勻分布在攪拌軸軸心線周邊且主體平行于攪拌軸軸心線和釜體內(nèi)壁的擾流棒,每根擾流棒主體與釜體內(nèi)壁間的距離大于0。

上述的擾流棒橫截面形狀為圓形；攪拌器采用漿葉式攪拌器、框式攪拌器或螺帶式攪拌器,擾流棒位于攪拌器與釜體內(nèi)壁之間；攪拌器為錨式攪拌器,擾流棒位于攪拌器錨體中央；擾流棒數(shù)量為2～4根。

攪拌器轉(zhuǎn)動使流體形成旋轉(zhuǎn)流場,當攪拌器達到恒定轉(zhuǎn)速時,流場中各質(zhì)點的線速率會與所對應的攪拌器部位的線速率逐步相等,流場形成層流,傳質(zhì)弱化。在立式釜中加入擾流棒后（包括內(nèi)擾流或外擾流）,由于擾流棒對流體產(chǎn)生的阻力使流場中各質(zhì)點的線速率低于攪拌器各對應部位的線速率,形成的速率差使流場變?yōu)槲闪?以增強和改善介質(zhì)流場的傳質(zhì)性能。圓滑的擾流棒不會在迎水背面產(chǎn)生局部渦流,從而影響流場的大循環(huán)。由于擾流棒與釜壁保持一段距離,釜壁附近流體的流速不會因此減慢太多,從而最大限度地保留了釜壁的傳熱能力,也保留了流體對釜壁的沖刷能力,釜內(nèi)介質(zhì)不易過多地粘連在釜壁上。

加擾流棒的立式反應釜,可對撓流捧的大小、位置及所配合的攪拌葉方式進行調(diào)整,以滿足不同粒型、粒徑的懸浮粒料聚合的流場要求。

圖1分別為帶槳葉式、框式、螺帶式、錨式攪拌器并加擾流棒的立式攪拌反應釜結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為立式透明試驗釜流場圖。

圖1 加擾流棒的立式攪拌反應釜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 立式透明試驗釜流場圖

2 臥式反應釜升級為圓弧螺帶低剪切流攪拌的傳質(zhì)技術(shù)

含氟聚合物臥式聚合釜主要用于分散產(chǎn)品的聚合,采用的工藝是分散聚合,又稱乳液聚合。要達到氣、固、液均質(zhì)的流動場,主要的技術(shù)難題是：高速、高強度的攪拌會造成乳液破乳,達不到乳液產(chǎn)品的要求；低速、低強度的攪拌,吸氣進程緩慢,流場分布不均,分層或沉淀,釜壁結(jié)料,難于清洗。新都凱興科技公司在臥式乳液聚合釜的攪拌技術(shù)上已經(jīng)歷了5次改進（包括左右螺帶、斜面槳葉、平板框式、弧面斜框和圓弧螺帶攪拌）,逐步提升了傳質(zhì)性能,圓弧螺帶攪拌是最新研究的一項攪拌傳質(zhì)技術(shù)。

開發(fā)圓弧螺帶攪拌臥式反應釜的目的是為了克服一般傳統(tǒng)攪拌的臥式反應釜的不足,提供一種能達到低轉(zhuǎn)速、無飛濺、低剪切、高分散和生產(chǎn)效率高的臥式反應釜。

新型圓弧螺帶低剪切流臥式釜包括臥置的圓筒釜體、位于圓筒釜體中偏離且平行于釜體軸心線的攪拌軸,攪拌軸的一端通過傳動機構(gòu)與電動機連接,攪拌軸上均勻分布有旋向相同的4條圓弧螺帶,每條圓弧螺帶通過多根螺帶支撐桿連接在攪拌軸上。圓弧螺帶、圓弧螺帶支撐桿與攪拌軸之間具有可分解拆卸和再裝配的關系,圓弧螺帶回轉(zhuǎn)運動軌跡與圓筒釜體的內(nèi)腔壁形狀吻合,圓弧螺帶截面形狀為圓弧面與直面圓滑過渡的凹截面形狀。

圖3為該技術(shù)的臥式反應釜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 臥式反應釜結(jié)構(gòu)示意圖

當攪拌軸旋轉(zhuǎn)時,圓弧螺帶將反應介質(zhì)在外流層上向遠離傳動機構(gòu)的一邊（如左邊）推進,到達釜體封頭后反應介質(zhì)在內(nèi)流層上返回向另一邊（如右邊）推進。使反應介質(zhì)在流動場中處于左右平衡流動,攪拌軸置于釜體筒的向下偏心圓中心。圓弧螺帶與圓筒釜體內(nèi)壁之間的間隙出現(xiàn)不等截面,使反應介質(zhì)在周向流動時不斷改變流速,達到均質(zhì)分散的目的。圓弧螺帶作回轉(zhuǎn)運動的軌跡,可大部分覆蓋于圓筒釜體的全容積。即使在低速回轉(zhuǎn)時也能使反應介質(zhì)在流動場中無滯留死角。圓弧螺帶均為圓滑的切截面形狀,圓弧面連續(xù)入水達到負壓吸氣的目的,迎水面為連續(xù)的圓弧面,能進一步保證介質(zhì)在流動中達到低剪切流的效果。

圖4為臥式透明試驗釜流場圖。

圖4 臥式透明試驗釜流場圖

本項技術(shù)研究的目標是克服常規(guī)的臥式反應釜的不足,具有如下優(yōu)點：

1）反應釜利用圓弧螺帶連續(xù)入水的攪拌型式減少對液體的沖擊和飛濺；

2）由于圓弧弧面入水能吸入大量氣相在液相中進行均質(zhì)分散反應,在低轉(zhuǎn)速的情況下也可維持分散的流動場；

3）因圓弧螺帶的螺旋角能產(chǎn)生強大的軸向流,以推動流動場的大循環(huán),改善反應的工藝條件,使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)得到提高。

該傳質(zhì)技術(shù)的臥式反應釜,能使反應介質(zhì)的流場特性具有偏心負壓吸氣、連續(xù)入水、無飛濺、軸、徑流高分散的低剪切攪拌等多項功能,達到低速、高效、不破乳。

3 結(jié)語

傳質(zhì)技術(shù)是化工反應器永無止境的研究課題,為進一步滿足氟聚合新產(chǎn)品對聚合工藝的各種特殊要求,新都凱興科技公司將一如既往,不惜人力、物力,投入更多的創(chuàng)新試驗項目的研究,為生產(chǎn)第一線提供裝備上的技術(shù)支撐,希望與行業(yè)和用戶進一步加強項目的合作,優(yōu)勢互補,合作雙贏。