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聚合搅拌：聚合反应搅拌装置
对工业聚合生产而言，聚合物质量与生产成本的高低，不仅取决于聚合反应工艺，还受制于聚合反应器的结构型式。搅拌釜式反应器作为重要的聚合反应设备，需要专业的选型与设计，以解决质量与能量传递的问题，使产品性能均一、生产成本下降。

　　搅拌釜式聚合反应器的设计与工程放大几乎集中了所有搅拌反应器的难度，主要有：

　　(1) 产品的质量要求高。例如产品分子量、分子量分布、力学性能、耐热性、平均粒径、粒径分布、颗粒形态等均有很高的要求；

　　(2) 聚合物体系的复杂多变性。例如非均相体系、高粘非牛顿体系、变粘度体系等；

　　(3) 搅拌釜中流动的复杂性。例如三维流动的随机性、搅拌器形状复杂、边界条件难定等；

　　(4) 聚合过程热效应大，反应温度要求苛刻，传热元件与搅拌器往往需特殊设计。

　　(5) 聚合设备大型化。

　原正公司与浙江大学进行了多年的产学研合作，在聚合反应技术与装备方面吸取了许多宝贵的经验与理论指导，相继开发了多种聚合过程的搅拌设备，并成功应用于工业生产。

　　◇ 间歇溶液聚合反应器

　　间歇溶液聚合反应器设计的难易程度取决于聚合反应后期的体系粘度高低，聚合过程中如果体系粘度变化不大，搅拌器设计比较简单。但大多数间歇溶液聚合反应开始时单体粘度很低，随聚合进行，粘度急速增高，而一般的搅拌器很难适应粘度大范围的变化，某些半连续聚合工艺在反应过程中不断滴加单体导致液面变化也很大，若采用多层叶轮，能量输入有突变，且液面物料飞溅。此外，一些反应到后期产生粘釜物，传热系数大幅度下降。

　　对针对此类聚合，原正已积累了丰富的设计与制造经验，可根据不同工艺采取有效措施：

　　(1) 开发了宽粘度域搅拌器—SP304大叶片桨，能适合物料粘度大幅度变化的工艺，聚合初期低粘状态时为轴流桨，粘度增加时，流型逐渐趋向径流，利于提高内置换热元件与夹套的传热系数。

　　(2) 采用共轴搅拌技术，可适应更宽的粘度域。内层为高速多层涡轮桨，适合聚合初期，当粘度增加时，启动外层低速框式搅拌器，适合高粘度体系的混合，框式搅拌器上还可以安装各种刮板以清除粘釜物，强化传热，刮板结构需根据物性及粘釜程度专门选型设计。

　　(3) 采用螺杆搅拌器，在导流筒的配合下，从0.5~100000mPa.s的粘度范围都能保持较高的循环能力与混合效率，有效地消除了搅拌反应器内上下浓度和温度的不均匀性，导流筒的壁还可以设计成空心结构，内通冷却介质，双面传热具有较高的传热效率。由于螺杆导流筒具有循环能力强、适应粘度范围大、传热效率高等三个特点，使其成为间歇溶液聚合的典型搅拌器，成功的应用包括用于生产碳纤维的丙烯腈溶液聚合、DMC开环聚合生产硅橡胶等。

　　(4) 部分搅拌器可设计成空心结构，搅拌器的与搅拌轴都是中空的，冷却介质在空心通道内流动，由于搅拌器处于运动状态，其传热系数比内置盘管大5倍。空心搅拌器也可用于固含量较高的於浆加热或冷却过程，在难以设置挡板和盘管的搪玻璃设备内也较为适用。

　　(5) 搅拌器及容器内壁镜面抛光，可减少粘釜物的生成。

　　(6) 没有粘釜物产生时，选用近壁型搅拌器可提高传热系数；

　　(7) 对于大型聚合反应器，仅靠夹套传热面不够时，用各种内构件增加传热面，或用外循环换热补充传热面，或用低沸点溶剂或单体蒸发撤热。

 聚合搅拌：聚合反应搅拌装置

　　◇ 连续溶液聚合反应器

　　连续溶液聚合反应器设计除考虑混合与传热外，还需特别考虑停留时间分布，为了得到更窄的停留时间分布，采用多个全混釜串联是一种方法，也可采用平推流反应器以减少反应器数量、降低设备投资。

　　采用多个全混釜串联时，釜的数量一般从3个到8个不等，数量越多，停留时间分布越窄，投资越大，设计时需权衡各因素。每个反应器的搅拌器型式可以各不相同，聚合首釜为低粘体系，采用涡轮或叶片式搅拌器在湍流状态下与挡板配合都能获得良好的混合，使催化剂与单体混合充分。粘度逐步增加，进入过渡流域操作时，搅拌器可采用多段逆流桨、宽叶曲面轴流桨、开启涡轮桨等。反应后期体系粘度更高，进入层流域操作，搅拌器采用螺带、断螺带等型式，搅拌器根据粘釜物情况采用近壁设计或带刮板设计。

　　为了使停留时间分布更窄，流动更接近平推流，抑制轴向返混，设备可以设计成长径比较大的形状，搅拌器设计成径向混合好而轴向返混弱的结构，例如框式搅拌器或偏框搅拌器，但首釜由于粘度低，一般仍设计成全混釜。

　◇ 间歇乳液聚合反应器

　　乳液聚合反应器多为间歇生产，由于体系粘度低，搅拌器一般采用叶轮式、三叶后掠式、布鲁马金式等，搅拌反应器的设计与放大主要考虑搅拌混合对聚合过程的影响：

　　(1) 液液临界分散。对乳液聚合，其主要组分是单体(油相)和连续相(水相)，聚合釜内的搅拌强度必须达到液液分散的临界点，若搅拌强度过低，则会使单体与水相发生相分离，导致乳液聚合反应速率降低。

　　(2) 温度和浓度分布。为稳定聚合物产品质量，搅拌必须使聚合釜内物料有足够的翻转次数，从而使釜内温度和浓度分布均一。

　　(3) 剪切速率及剪切速率分布对聚合物乳液稳定性与产品质量的一致性产生重要影响。

　　(4) 聚合热的撤离。聚合釜的传热能力必须满足反应高峰时的撤热要求。传热主要依靠夹套和内冷管，内冷管的设置必须考虑对釜内物料流动混合和传热的影响，搅拌器的流型也应该尽量提高内冷管外壁流体的湍流程度，并消除密集内冷管之间的混合死区。

PVDF聚合反应器

　　◇ 聚酯聚合反应器

　　聚酯聚合反应器一般由酯化釜、预缩聚釜、终缩聚釜串联组成，其中终缩聚釜为平推流反应器，其余为全混釜。

　　酯化釜为低粘非均相体系，可采用涡轮桨与轴流桨的组合，多元酸的溶出速率与涡轮桨剪切力有关，热量的输入又与搅拌器的循环能力及加热面积相关。

　　预缩聚釜为均相中粘体系，传热是搅拌的主要目的，轴流桨在导流筒的配合下提供了更大的排量，大面积加热管也是传热的必要条件。

　　聚酯聚合的关键在后期缩聚，传质成了反应的控制因素。为了提高聚合度，连续缩聚釜的设计不仅要避免返混，还要提供大的传质表面和短的扩散路径。卧式单轴圆盘反应器是典型的缩聚设备，具有较强的表面更新能力，在许多PET装置中的得到应用。然而，某些聚酯的粘度远超PET，例如PBT，如果仍采用卧式单轴圆盘反应器，物料在圆盘上无法形成均匀的液膜，成团的物料阻止小分子的扩散，也影响传热。

　　原正根据超高粘聚酯的工艺特点，终缩聚釜采用了带刮板的单轴圆盘设备或双轴自清洁搅拌设备，提供了强大的表面更新能力与传热能力，为高聚合度、超高粘度的聚酯生产提供可靠装置。目前，原正的双轴自清洁搅拌设备已在PBS、PBAT等装置中得到成功应用。

STC-6000型PBS缩聚釜

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