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        全氟聚醚聚合釜攪拌轉(zhuǎn)速的設(shè)計

        2015-04-12 01:20:16湯利亞王爐鋼
        化工裝備技術(shù) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:小試全氟攪拌器

        湯利亞 王爐鋼

        (杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司)

        全氟聚醚是一種全氟高分子化合物。與烴類聚醚相比,全氟聚醚具有很多優(yōu)異性能,例如化學(xué)惰性、熱氧化穩(wěn)定性、相容性、抗燃性、抗輻射性等,因此它在潤滑油、導(dǎo)熱油、絕緣材料、真空油泵、血液替代品及塑料添加劑等方面得到了廣泛應(yīng)用。目前全氟聚醚的制備方法主要有光催化聚合和陰離子聚合兩種。全氟聚醚的陰離子聚合需要在低溫下進(jìn)行,溫度越低,得到的全氟聚醚產(chǎn)物平均分子質(zhì)量就越高[1]。由于陰離子聚合的引發(fā)活化能很小,因此只有在低溫下進(jìn)行聚合才能避免鏈轉(zhuǎn)移、重排等副反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,聚合體系黏度增大(約100 Pa·s),引起傳熱能力下降、攪拌生成的熱量增加,這對全氟聚醚聚合釜的傳熱能力提出了較高要求。

        與立式釜相比,臥式釜除了夾套,還可將攪拌軸和攪拌槳葉做成空心結(jié)構(gòu)并通入冷媒,因此傳熱面積較大。更重要的是,臥式釜還可以設(shè)計成具有自清潔功能,因而能得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),傳熱能力較強(qiáng)。然而設(shè)計中存在的一個難題是,當(dāng)選定電機(jī)后,該如何確定攪拌轉(zhuǎn)速。攪拌轉(zhuǎn)速偏大,電機(jī)易超載;攪拌轉(zhuǎn)速偏小,輸入反應(yīng)體系的功率不足,可能影響反應(yīng)的正常進(jìn)行。本文依據(jù)理論推導(dǎo)并結(jié)合小試釜的試驗(yàn)結(jié)果,對中試釜的攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計。

        1 反應(yīng)釜參數(shù)及工藝條件

        小試釜容積為10 L,裝料系數(shù)2/3,內(nèi)徑D0=200 mm,直筒長度L0=320 mm;采用變頻電機(jī),功率0.75 kW,配變頻器;攪拌轉(zhuǎn)速0.967 s-1,攪拌器具有自清潔功能。中試釜容積100 L,裝料系數(shù)2/3,內(nèi)徑D1=400 mm,直筒長度L1=800 mm;采用變頻電機(jī),功率1.5 kW,配變頻器;攪拌器具有自清潔功能。小試釜和中試釜結(jié)構(gòu)相似,見圖1。

        以六氟環(huán)氧丙烷為聚合單體,堿金屬氟化物為催化劑,控制反應(yīng)溫度為-35~-20℃,采用陰離子聚合法制備全氟聚醚。

        圖1 小試釜和中試釜裝置

        2 攪拌功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

        在層流條件下,攪拌功率的計算公式為[2]:

        式中P——攪拌功率,W;

        KP——功率常數(shù);

        N——攪拌轉(zhuǎn)速,s-1;

        d——攪拌器直徑,m;

        μ——黏度,Pa·s。

        由式 (1)可得:

        式中 下標(biāo)0——表示小試釜;

        下標(biāo)1——表示中試釜。

        對攪拌器的各個尺寸均按中試釜和小試釜的直徑比值進(jìn)行等比例放大,可得:

        由于裝料系數(shù)相同,可得:

        由于是相同反應(yīng)體系,因此有:

        關(guān)鍵是求得P0/N02,這可以通過小試釜的試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。

        3 試驗(yàn)與結(jié)果

        小試釜試驗(yàn)時,可以通過扭矩傳感器和動態(tài)電阻應(yīng)變儀測量得到試驗(yàn)過程中的扭矩[3],并采用數(shù)字轉(zhuǎn)速儀測量攪拌轉(zhuǎn)速。分析發(fā)現(xiàn)扭矩存在最大值,這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行,聚合體系黏度增大,扭矩的最大值對應(yīng)著黏度的最大值。對各個批次物料保持其它條件不變,通過調(diào)節(jié)變頻器獲得不同的攪拌轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的最大扭矩、轉(zhuǎn)速N0和攪拌功率P0如表1所示。其中攪拌功率P的計算公式為:

        式中M——扭矩,N·m。

        表1 小試釜攪拌功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

        由表1可以擬合得到:

        將式 (7)代入式 (2)并結(jié)合式 (3)~式 (5)可得:

        式 (8)反映了中試釜攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率的關(guān)系,選定電機(jī)后便可依據(jù)該式得到攪拌轉(zhuǎn)速。對于本文的中試釜,配備1.5 kW的電機(jī)。若取攪拌功率等于電機(jī)功率的80%,則根據(jù)式(8)計算可得轉(zhuǎn)速為0.653 s-1。結(jié)合減速機(jī)選型,取轉(zhuǎn)速為0.650 s-1。

        中試結(jié)果表明,當(dāng)變頻器頻率在40~50 Hz范圍時,攪拌功率最大值在0.74~1.1 kW之間,約占電機(jī)功率的49%~73%,既不超載,電機(jī)功率又得到了較為充分的使用。

        4 結(jié)束語

        從小試釜到中試釜的放大是基于幾何尺寸的放大,中試釜的各個尺寸均按同一比例放大,這樣在中試釜和小試釜之間才能得出兩者KP的比值關(guān)系。對大釜來說,攪拌器與釜壁的間隙按同一比例放大會使大釜的間隙偏大。因此當(dāng)攪拌器與釜壁的間隙不能按同一比例放大時,必須考慮間隙對KP的影響。

        [1] 方超.全氟聚醚的合成及改性研究 [D].長沙:湖南大學(xué),2012.

        [2] 王凱,馮連芳.混合設(shè)備設(shè)計 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:111.

        [3] 陳忠輝,王凱,馮連芳,等.臥式雙軸圓盤反應(yīng)器功率特性研究 [J].合成技術(shù)及應(yīng)用,2000,15(4):6-9.

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