聚合物制備工程chapter02

1、第二章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)“聚合物制備工程”20152016年度2nd semester第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.1概述2.2化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.2.1化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)器分類2.2.2均相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2.2.3理想反應(yīng)器設(shè)計2.2.4理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性2.2.5連續(xù)反應(yīng)器的停留時間分布2.3聚合反應(yīng)過程與聚合反應(yīng)器2.3.1聚合反應(yīng)過程2.3.2聚合反應(yīng)器2.4聚合反應(yīng)工程分析2.5聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.6聚合物合成工藝設(shè)計基礎(chǔ)重點內(nèi)容內(nèi)容對于后續(xù)課程有幫助2.4 聚合反應(yīng)工程分析聚合反應(yīng)工程分析考慮的因素：1.聚合反應(yīng)機理2.聚合物制備方法3.操作形式4.粘度的影響等結(jié)

2、合聚合反應(yīng)動力學(xué)，反應(yīng)器設(shè)計方程可以進(jìn)行工程分析第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)a. 間歇反應(yīng)：重均分子量數(shù)均分子量P 為反應(yīng)程度b. 理想混合連續(xù)反應(yīng)器：因此：分子量分布窄時，選用間歇反應(yīng)器/接近平推流的塔式反應(yīng)器第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.4 聚合反應(yīng)工程分析2.4.1 縮合聚合(1) 瞬時分子量分布a. 間歇反應(yīng)：b.理想混合連續(xù)反應(yīng)器：歧化終止偶合終止歧化終止偶合終止第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.4 聚合反應(yīng)工程分析2.4.2 自由基聚合(2)間歇與連續(xù)理想混合反應(yīng)器對分子量分布的影響原因：物料的停留時間和濃度經(jīng)歷不同 活性種壽命遠(yuǎn)小于停留時間：停留時間影響不大，但M影響大理想混合：濃度均一，分

3、布窄間歇反應(yīng)器/平推流反應(yīng)器：濃度一直變化，瞬時分布不均，累積分布提高 活性種壽命大于停留時間：停留時間與M均有又影響理想混合：活性種濃度不均一，分布寬間歇反應(yīng)器/平推流反應(yīng)器：活性種濃度均一，分布窄第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.4 聚合反應(yīng)工程分析2.4.2 自由基聚合(3) 共聚合第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.4 聚合反應(yīng)工程分析2.4.2 自由基聚合共聚合：主要控制聚合物的組成分布間 歇聚 合：一次加料，濃度變化，組成不均一；長鏈支化及交聯(lián)少半連續(xù)聚合：控制進(jìn)料維持組成的均一化及交聯(lián)程度提高；隨反應(yīng)器級數(shù)增加，接近間歇聚合a. 全部低活性單體部分高活性單體，其余高活性單體連續(xù)加入b. 維持單

4、體濃度不變 連續(xù)聚合：濃度恒定組成均一；濃度低時，長鏈支乳液、懸浮聚合：控制粒徑分布以乳液聚合為例：乳膠粒生成及停留時間分布有影響間歇聚合：乳膠?；就瑫r生成，粒徑分布窄連續(xù)聚合：單釜：粒徑最寬；多釜：相對窄(4) 非均相聚合乳液等第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.4 聚合反應(yīng)工程分析2.4.2 自由基聚合原料精制與準(zhǔn)備催化劑配制聚合過程分離后處理回收過程第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備原料精制與準(zhǔn)備催化劑配制聚合過程分離后處理回收過程第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程包括：分離過程聚合反應(yīng)器聚合物殘留

5、單體其他助劑引發(fā)劑（催化劑）殘渣反應(yīng)介質(zhì)（水或溶劑）后處理引發(fā)劑（催化劑）、其他助劑、低聚物脫 除殘留單體反應(yīng)介質(zhì)脫除 回收第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程聚合物分離過程影響聚合物產(chǎn)品性能第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程不同聚合方法對應(yīng)的分離過程：本體聚合與熔融聚合：高粘度熔體直接進(jìn)行后處理懸浮聚合：閃蒸脫單，離心分離離子聚合與配位聚合：催化劑殘渣處理（高效催化劑無需），閃蒸脫單，離心（過濾）分離溶液聚合：樹脂采用沉析分離；橡膠蒸氣脫單、凝聚過濾乳液聚合：

6、閃蒸脫單（濃縮）添加助劑絮凝過濾分離過程：脫除揮發(fā)分（殘留單體，溶劑等）聚合物的分離（凝聚、離心）分離過程設(shè)備：1.脫揮設(shè)備2.凝聚設(shè)備3.離心設(shè)備第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程 脫揮設(shè)備閃蒸釜或閃蒸塔閃蒸：在減壓的情況下除去物料中的揮發(fā)性組分的過程 閃蒸設(shè)備：釜汽提：將聚合物膠液用專門的噴射器分散于機械攪拌并以直接蒸汽為加熱介質(zhì)的內(nèi)盛熱水的汽提器中，脫除揮發(fā)性組分的過程。 汽提設(shè)備：釜式、塔式其他各種形式的蒸發(fā)器(最重要

7、)（A）聚丙烯閃蒸釜 （B）苯乙烯汽提塔第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程 脫揮設(shè)備釜或塔蒸發(fā)器：包括薄膜型蒸發(fā)器，流下液滴、液柱型蒸發(fā)器，冷凝器內(nèi)置式薄膜蒸發(fā)器均是表面更新原理薄膜型蒸發(fā)器：流下液膜式蒸發(fā)器與攪拌成膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程 脫揮設(shè)備 表面更新蒸發(fā)器第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程 脫揮設(shè)備通式蒸發(fā)器流下液滴、液柱型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖第2章 聚合

8、反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程 蒸發(fā)器高粘度體系的雙軸表面更新型蒸發(fā)器第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程凝聚過程溶液聚合凝聚過程：干法和濕法干法：即膠液閃蒸，殘留單體與溶劑通過間接加熱脫除，得到無水分的橡膠半成品；濕法：膠液注入熱水中，水蒸氣汽提，橡膠凝聚成為小顆粒。常見：順丁、SSBR、EPR等乳液聚合凝聚過程：破乳（加入破乳劑或冷凍等物理方法），凝聚；常見ESBR等凝聚釜示意圖 第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)

9、備聚合物分離過程凝聚設(shè)備閃蒸法凝聚流程圖 離心：為物理分離如：臥式刮刀卸料離心機 螺旋沉降式離心機1-機座；2-機殼；3-軸承；4-軸；5-轉(zhuǎn)鼓體；6-底板；7-攔液板；8-油缸；9-刮刀；10-加料管；11-斜槽；12-振動器（E）臥式刮刀卸料離心機1-差速器：2-扭矩控制器；3-螺旋輸送器；4-外轉(zhuǎn)鼓；5-外殼；6-電機；7-進(jìn)料管（F）臥式螺旋沉降式離心機第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程離心設(shè)備第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程分離過程及設(shè)備選擇簡要原

10、則明確分離目的本體聚合：一般脫揮過程與設(shè)備溶液聚合：濃縮（采用脫揮）；提純聚合物（凝聚、沉淀）乳液聚合：類似溶液聚合懸浮聚合：類似溶液聚合；可采用離心分離分離殘留單體與低沸點溶劑：采用脫揮過程與設(shè)備分離高沸點溶劑、低聚物：可采用化學(xué)凝聚、沉淀分離物具有一定粒度：離心分離明確分離體系的性狀明確各種分離過程特點及分離設(shè)備的操作特性在滿足要求的前提下，減少設(shè)備費用分離設(shè)備(脫揮設(shè)備)選擇簡要原則p921. 對所處理物料的加熱時間要盡量短，可以提高溫度，改善高粘度物料的參數(shù)；2. 設(shè)備的單位體積的傳熱面積和傳質(zhì)面積要大；3. 設(shè)備尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程

11、與設(shè)備2.5.1分離過程及其設(shè)備聚合物分離過程原料精制與準(zhǔn)備催化劑配制聚合過程分離后處理回收過程第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備潮濕的粉狀合成樹脂干燥干燥的粉狀合成樹脂干燥干燥的粉狀合成樹脂包裝粉狀合成樹脂商品穩(wěn)定劑等混煉造粒粒狀塑料均勻化包裝粒狀塑料商品第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備樹脂的后處理過程聚合物溶液聚合物乳液濃縮涂料、粘合劑等凝聚沉淀干燥壓塊包裝商品第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備橡膠的后處理過程脫水：

12、將水分從初始含量脫除到（515wt）的過程。干燥：進(jìn)一步將剩余水分和少量其他揮發(fā)分脫除至0.5wt一下，使聚合物作為產(chǎn)品的過程。兩者可以分成兩個步驟，也可以聯(lián)合為一個連續(xù)過程第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備脫水與干燥粉狀、粒狀聚合物：離心脫水橡膠類產(chǎn)品： 長網(wǎng)機洗滌脫水：少 振動篩脫水 擠壓脫水：主要方式第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備脫水設(shè)備1-機座；2-機體；3-螺桿；4-調(diào)壓裝置；5-加料斗；6-減速箱；7-切刀；8-籠條；9-機頭；10-拉桿（a）Anderson 型

13、擠壓脫水機結(jié)構(gòu)示意圖(b)French 型擠壓脫水機（C）Welding型擠壓脫水機（C）Welding型擠壓脫水機第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備擠壓脫水設(shè)備1-主軸：1-軸承；3-進(jìn)料口；4-殼體；5-螺旋；6-鍵槽；7-光套；8-螺套；9-錐套；10-切刀擠壓脫水：多為單螺桿擠壓機，主要分為Anderson型和Welding型氣流干燥與氣流干燥器流態(tài)化干燥與流化床干燥器噴霧干燥與噴霧干燥器箱式干燥器閃蒸膨脹干燥及擠壓膨脹干燥機滾筒干燥器第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備干

14、燥設(shè)備第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備其他干燥設(shè)備明確被干燥聚合物的性質(zhì)和類型及各類聚合物在干燥過程中應(yīng)注意的問題；各種干燥設(shè)備的干燥方式和干燥過程及其操作特點和使用范圍；在滿足要求的前提下，減少設(shè)備費用第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備干燥過程及設(shè)備選擇簡要原則根據(jù)前述原則，干燥設(shè)備分為如下三類：第2章 聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)2.5 聚合物制備工程的輔助過程與設(shè)備2.5.2 后處理過程及其設(shè)備干燥過程及設(shè)備選用分類用于樹脂類聚合物干燥的，包括氣流干燥設(shè)備和沸騰床干燥器用于溶液、乳液及糊狀物料干燥的設(shè)備，噴霧干燥器；用于橡膠類聚合物的設(shè)備，包括箱式干燥器、滾筒干燥器和擠壓膨脹干燥器聚合物合成工藝設(shè)計：涉及聚合、聚合物改性的化工工藝設(shè)計