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(dāng)前,我國(guó)氟材料工業(yè)已進(jìn)入新一輪發(fā)展時(shí)期,由于資源的配置和市場(chǎng)的導(dǎo)向,產(chǎn)品必將進(jìn)入精細(xì)化、差異化的發(fā)展,這樣全行業(yè)才可能進(jìn)入高質(zhì)量的發(fā)展階段,從而實(shí)現(xiàn)氟強(qiáng)國(guó)的最終目標(biāo)。

氟化工的發(fā)展離不開(kāi)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(guān)鍵設(shè)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(guò)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(mǎn)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(mǎn)足產(chǎn)品升級(jí)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(shè)備條件。在立式、臥式聚合釜的傳質(zhì)技術(shù)上,新開(kāi)發(fā)了兩項(xiàng)攪拌技術(shù)：一是“加撓流棒的立式攪拌反應(yīng)釜”［2］,二是“圓弧螺帶攪拌低剪切流臥式反應(yīng)釜”［3］。

這兩項(xiàng)技術(shù)的研究歷經(jīng)了3個(gè)階段：一是計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)摸型的動(dòng)態(tài)模擬分析；二是做實(shí)體透明模型,進(jìn)行氣、液、固三相吸氣和分散傳質(zhì)透明試驗(yàn)；三是在不同容積的生產(chǎn)設(shè)備上做生產(chǎn)試驗(yàn),已基本達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)。

1 立式攪拌反應(yīng)釜加擾流棒傳質(zhì)技術(shù)

立式攪拌反應(yīng)釜,無(wú)論是上傳動(dòng)攪拌還是下傳動(dòng)攪拌,也無(wú)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(lái)建立所需要的流動(dòng)場(chǎng),以滿(mǎn)足流體介質(zhì)在反應(yīng)過(guò)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(duì)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(dá)到均勻的流動(dòng)場(chǎng)。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(jìn)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(shí)要求避免形成粒子結(jié)塊,或不均勻的發(fā)熱場(chǎng)。

在過(guò)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(dá)到上述要求。因?yàn)槿魏螖嚢杵髟谝合嘀羞_(dá)到恒定轉(zhuǎn)速時(shí),流體與攪拌器也逐漸達(dá)到同步運(yùn)行,形成層流,傳質(zhì)開(kāi)始弱化,也有在釜壁上加擋板來(lái)增強(qiáng)傳質(zhì)流動(dòng),在釜壁附近會(huì)形成滯留層,既影響這部分的傳質(zhì)也影響釜壁的傳熱。

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

加擾流棒的立式攪拌反應(yīng)釜包括電機(jī)、立置的釜體、裝在釜體上受電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)使流體形成旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),當(dāng)攪拌器達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速時(shí),流場(chǎng)中各質(zhì)點(diǎn)的線速率會(huì)與所對(duì)應(yīng)的攪拌器部位的線速率逐步相等,流場(chǎng)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(duì)流體產(chǎn)生的阻力使流場(chǎng)中各質(zhì)點(diǎn)的線速率低于攪拌器各對(duì)應(yīng)部位的線速率,形成的速率差使流場(chǎng)變?yōu)槲闪?以增強(qiáng)和改善介質(zhì)流場(chǎng)的傳質(zhì)性能。圓滑的擾流棒不會(huì)在迎水背面產(chǎn)生局部渦流,從而影響流場(chǎng)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(huì)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(duì)釜壁的沖刷能力,釜內(nèi)介質(zhì)不易過(guò)多地粘連在釜壁上。

加擾流棒的立式反應(yīng)釜,可對(duì)撓流捧的大小、位置及所配合的攪拌葉方式進(jìn)行調(diào)整,以滿(mǎn)足不同粒型、粒徑的懸浮粒料聚合的流場(chǎng)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(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為立式透明試驗(yàn)釜流場(chǎng)圖。

圖1 加擾流棒的立式攪拌反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 立式透明試驗(yàn)釜流場(chǎng)圖

2 臥式反應(yīng)釜升級(jí)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(chēng)乳液聚合。要達(dá)到氣、固、液均質(zhì)的流動(dòng)場(chǎng),主要的技術(shù)難題是：高速、高強(qiáng)度的攪拌會(huì)造成乳液破乳,達(dá)不到乳液產(chǎn)品的要求；低速、低強(qiáng)度的攪拌,吸氣進(jìn)程緩慢,流場(chǎng)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(jìn)（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(xiàng)攪拌傳質(zhì)技術(shù)。

開(kāi)發(fā)圓弧螺帶攪拌臥式反應(yīng)釜的目的是為了克服一般傳統(tǒng)攪拌的臥式反應(yīng)釜的不足,提供一種能達(dá)到低轉(zhuǎn)速、無(wú)飛濺、低剪切、高分散和生產(chǎn)效率高的臥式反應(yīng)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(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)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(guò)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(guān)系,圓弧螺帶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(guò)渡的凹截面形狀。

圖3為該技術(shù)的臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 臥式反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)攪拌軸旋轉(zhuǎn)時(shí),圓弧螺帶將反應(yīng)介質(zhì)在外流層上向遠(yuǎn)離傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一邊（如左邊）推進(jìn),到達(dá)釜體封頭后反應(yīng)介質(zhì)在內(nèi)流層上返回向另一邊（如右邊）推進(jìn)。使反應(yīng)介質(zhì)在流動(dòng)場(chǎng)中處于左右平衡流動(dòng),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(yīng)介質(zhì)在周向流動(dòng)時(shí)不斷改變流速,達(dá)到均質(zhì)分散的目的。圓弧螺帶作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)也能使反應(yīng)介質(zhì)在流動(dòng)場(chǎng)中無(wú)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(dá)到負(fù)壓吸氣的目的,迎水面為連續(xù)的圓弧面,能進(jìn)一步保證介質(zhì)在流動(dòng)中達(dá)到低剪切流的效果。

圖4為臥式透明試驗(yàn)釜流場(chǎng)圖。

圖4 臥式透明試驗(yàn)釜流場(chǎng)圖

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

1）反應(yīng)釜利用圓弧螺帶連續(xù)入水的攪拌型式減少對(duì)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(jìn)行均質(zhì)分散反應(yīng),在低轉(zhuǎn)速的情況下也可維持分散的流動(dòng)場(chǎng)；

3）因圓弧螺帶的螺旋角能產(chǎn)生強(qiáng)大的軸向流,以推動(dòng)流動(dòng)場(chǎng)的大循環(huán),改善反應(yīng)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(yīng)釜,能使反應(yīng)介質(zhì)的流場(chǎng)特性具有偏心負(fù)壓吸氣、連續(xù)入水、無(wú)飛濺、軸、徑流高分散的低剪切攪拌等多項(xiàng)功能,達(dá)到低速、高效、不破乳。

3 結(jié)語(yǔ)

傳質(zhì)技術(shù)是化工反應(yīng)器永無(wú)止境的研究課題,為進(jìn)一步滿(mǎn)足氟聚合新產(chǎn)品對(duì)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(yàn)項(xiàng)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(hù)進(jìn)一步加強(qiáng)項(xiàng)目的合作,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),合作雙贏。