乙烯-四氟乙烯连续聚合和氯乙烯悬浮聚合反应釜的搅拌特性

摘要

聚合反应釜是聚合物生产的关键设备，对产品质量、生产效率和消耗有重大影响。为了提高聚合物的质量稳定性，连续化和大型釜聚合成为聚合物生产的重要发展方向。本文结合乙烯-四氟乙烯(E-TFE)连续共聚技术的开发和大型氯乙烯悬浮聚合釜搅拌的改造，开展聚合反应器搅拌特性的实验和模拟研究，为连续反应器的设计和氯乙烯悬浮聚合釜结构优化提供基础。
　　 首先建立了在线检测混合特性的冷模装置，用于E-TFE共聚反应釜搅拌器形式的优选和搅拌特性的研究。E-TFE共聚分散液的流变特性测试表明，ETFE分散液为假塑性流体，随着ETFE质量分率增加，流变指数n基本不变，而稠度系数K和表观黏度快速增大。以同为假塑性流体的羧甲基纤维素(CMC)水溶液作为ETFE分散液的模拟物，考察了间歇操作条件下四种搅拌器的混合效果，最终优选宽叶(b/D=0.157)双螺带搅拌器用于E-TFE间歇共聚中试，结果表明聚合稳定，ETFE树脂颗粒特性良好。
　　 在间歇操作E-TFE聚合釜搅拌特性研究基础上，采用双螺带搅拌器进行连续操作条件下的聚合釜搅拌特性研究，考察了搅拌转速和方向、进出料流量、物料黏度等对扭矩、滞后时间、峰值时间、停留时间分布(RTD)、当量全混釜数的影响。结果表明连续操作的双螺带连续搅拌釜的RTD类似于全混釜，但有一定的拖尾现象；流量和流体黏度对混合效果影响较小，平均停留时间则随流量增大而减小；增大转速对提高混合效率的作用不明显，反向旋转会形成严重沟流，对混合不利。提出了连续操作的双螺带搅拌反应器的流动模型：桨叶区剪切强烈，是混合的主要场所，可视为全混流区；其余部分主要起到流体循环的作用，可视为平推流区。
　　 采用Fluent6.3.36进行连续操作的双螺带搅拌聚合釜的搅拌特性和流场的流体力学数值模拟，采用Gambit2.3.16进行网格处理，在简化桨叶模型、忽略转轴对流动影响、搅拌旋转方向为叶片沿釜壁向上、进出口流量为0.0133m3/s时，针对CMC水溶液模拟得到的搅拌功率与实验值吻合较好，轴向循环量和转速的关系与冷模实验结果一致，得到双螺带搅拌器的Metzner常数ks等于12，层流区域的临界雷诺数约等于80.将ETFE分散液的流变特性引入到数值模拟中，得到该分散液在双螺带搅拌器下的混合情况，与CMC水溶液相比，釜顶的扰动更大，轴向循环量更小，且随着转速的增大而减小．
　　 此外，针对105m3氯乙烯悬浮聚合釜搅拌循环能力不足导致的分散剂用量过大、产品粒径分布不均等问题，提出了改用循环能力更强的上翘桨及增加挡板的改造思想，并进行冷模研究。对四叶平桨及四叶15°上翘桨在三种挡板条件下的搅拌混合性能进行研究，得到了两种桨型、三种挡板条件下的功率准数(Np)、排出流量数(Nqc)、混合时间数(Nθ)与搅拌雷诺数(NRe)的关系，及Np、Nqc、Nθ与桨径(d)和桨宽(b)的关联式。冷模结果表明增加一对不对称短三角挡板或圆筒挡板，均可提高循环量，与原搅拌条件相比，可在较小单位体积搅拌功率(Pv)下达到所需的循环次数(Nc)；得到放大后优化的搅拌条件为：桨宽0.36m，桨径1.68m的四叶上翘桨与Ⅰ型挡板的组合，搅拌转速为3.54r/s。