CN1118318C - 混合装置及聚合装置 - Google Patents

Abstract

一种混合装置，它具有一基本呈圆柱形的混合容器和一搅拌构件，该搅拌构件包括至少两根杆和至少一个将这些杆以这样的方式彼此连接起来而形成搅拌构件的连接件，即，使得这些杆在绕混合容器的轴线转动时，它们的运动轨迹不互相重合。

Description

混合装置及聚合装置

技术领域

本发明涉及一种搅拌构件(或搅动件)和一种装有该搅拌构件的混合装置，例如反应装置。本发明尤其是涉及一种包括有多个杆的搅拌构件和一种包括有这种搅拌构件的、诸如聚合装置之类的混合装置，然而本发明并不仅限于此。

背景技术

本发明的搅拌构件和混合装置的结构非常简单，其搅拌效果不会受容器中液位的变化影响。另外，该混合装置在用于聚合作用时，基本上不会形成块状物质。因而，本发明的搅拌构件和混合装置是多用途的，它们可以广泛地用于各种领域，例如用于各种批量和连续的聚合过程。因此，本发明的搅拌构件和混合装置将主要参照一种可用于聚合工艺的搅拌构件和混合容器来进行描述，但应予理解，本发明并不仅限于用于此类过程的装置。

到目前为止，已经开发了各种不同的聚合装置，尤其是各种用于此类装置中的搅拌构件已得到改进。这种搅拌构件通常被分为下面两种类型：一种是径流式的，诸如桨式搅拌器和汽轮式搅拌器，另一种是轴流式的，诸如螺旋桨式搅拌器(例如见化学工业社的《搅拌装置的设计和操作》(1970)第14卷7号4-11页)。

将径流式搅拌构件用于混合容器中时，由于搅拌构件回转的离心效果，沿搅拌构件的回转方向形成一强液流。该强流产生一个水平旋涡，它使容器中液位降低，并将空气卷入液体内部。由于旋涡的中心部分呈棒状回转，因而这一部分的混合作用不充分。为改善混合效果，在混合容器中安装了折流板。折流板可促进搅拌构件轴向方向的混合作用，改善混合效果，这相当于增加了搅拌构件所消耗的动力。然而，折流板对于粘度较低的液体来说是有效的，而在用于粘度较高的液体时就存在折流板的后侧形成滞流的问题。这样看，折流板就未必有效。

另一方面，将轴流式搅拌构件用于混合容器中时，沿搅拌构件转轴方向有形成强液流的倾向。尤其是，当使用折流板时，这种倾向更为显著，容器内的液体以明显的循环流的形式流动。与径流式搅拌构件相比，轴流式搅拌构件在容器中所产生的流体的范围要大得多，这使得相对较小的搅拌构件用于大容积的容器中而成为可能。不过，这种搅拌构件只能在液体粘度比较小的情况下才能提供这种可能性。

以上大致描述的搅拌构件是相对于竖直方向而在容器中某一位置固定于转轴上的。这意味着搅拌构件相对于容器内液面高度而所处的位置显著影响混合效果。因此，当这样一种搅拌构件被用于聚合过程时，拿聚合产品的质量来说，就大大取决于搅拌构件所处的位置。

另外，上述搅拌构件需要折流板来提高混合效果。当把折流板装入混合容器时，混合效果得到改善，但是在折流板的后侧却形成了滞留部分。例如，当同时使用这种搅拌构件和折流板的聚合工艺持续较长时期时，聚合物块很可能形成在滞留部分，并扩展，这种块状物质将阻碍聚合作用。

一种螺旋搅拌器或一种螺旋带搅拌器可用于混合高粘度液体。例如，日本专利公报No.14853/1986揭示了一种一端不受支承的螺旋搅拌器；日本专利公报No.34444/1989揭示了一种搅拌器，它在一根转轴上具有多个双螺旋叶片；日本专利公报No.51962/1983采用固定于一根转轴上的搅拌叶片，这些叶片具有刮板。日本专利公报No.55269/1994揭示了一种搅拌器，它包括一对互相啮合的螺杆。然而，这些搅拌构件的结构非常复杂，通常需要较大的搅拌动力，它们的应用只限制在它们所适用的液体粘度。

由上述各搅拌构件所产生的流动大部分是竖直循环流(即沿转轴方向)。当这种搅拌构件用于批量作业型的混合容器中时，容器内的任何液体部分具有大致相同的驻留时间。然而，当这种搅拌构件用于连续作业(即连续供给和连续排出)时，容器中不同的液体部分其驻留时间也不同(即驻留时间分布状态较广)。例如，当采用该搅拌构件的反应作用是连续进行时，从微观角度看，不同的液体部分具有不同的反应转化。因此，采用这种搅拌构件的聚合过程，其连续操作所产生的聚合物产品的聚合程度也不同。

日本专利公报No.3481/1983揭示了一种聚合装置，目的在于提供一种所谓活塞流式装置，它可以用于粘度很高的液体而不会形成滞留部分。在该装置中，容器的中轴偏离于搅拌构件的转轴，并装有多孔的板和叶片，后者作为刮去附于容器壁上的聚合物的刮板。

虽然以上描述的聚合装置于某种程度上可能实现其目的(即提供活塞流型装置)，但该装置的结构依然很复杂，因而很难在工业规模中使用这种装置。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种可用于批量作业或连续作业的搅拌构件和一种混合装置(诸如聚合装置)，其结构简单，只形成很少的块状物质，较好情况下能不形成块状物质，较大范围地适用于各种不同粘度的液体。

本发明的创作者经研究而提供了一种可实现上述目的搅拌构件和混合装置，并发现在以下方面非常有效。

本发明提供一种聚合装置，包括一呈圆柱形的混合容器和一用于该混合容器的聚合搅拌构件，该混合容器限定一旋转轴线，所述聚合搅拌构件包括：至少两根呈柱状或圆柱形的杆；以及至少一个呈杆状的连接件，它使所述至少两根杆彼此连接而形成所述聚合搅拌构件，其中，所述至少两根杆在绕混合容器的轴线转动时，它们的运动轨迹不互相重合，并且混合容器轴线到所述至少两根杆在垂直于混合容器轴线的截面上的最内侧和最外侧的中心的距离是在混合容器内径的6％-12％的范围内。

附图说明

在一较佳实施例中，本发明的搅拌构件包括两根杆，它们基本平行于混合容器的轴线，并且于任何两个相对的位置，最好位于或邻接于它们的两端处，利用两个连接件互相连接。

图1是本发明混合装置一实施例的立体示意图，该装置的一部分被除去以露出本发明的搅拌构件；

图2是图1所示的装有本发明搅拌构件的混合装置的正面示意图，其中容器被剖开以露出搅拌构件；

图3是图1所示的混合装置沿图2中的A-A′线剖开的剖面示意图；

图4是装有本发明搅拌构件的混合装置的另一实施例的正面示意图，其中容器和图2一样被剖开；

图5是一个在说明书最后的比较例中所描述的传统混合装置的正面示意图。

本发明的特征之一在于使用至少两根杆。对这种杆没有特殊限制，只要它具有一长度(或高度)和宽度(或厚度)。也就是说，它们基本上至少是二维的，因而它们在沿一定的方向运动经过液体时能带动液体。在一较佳实施例中，该杆可具有相对混合容器的直径较长的长度。上述杆可以是任何形式的，较好的是柱体或棱柱体的形式，最好是正柱体或正棱柱体的形式。该杆垂直于其轴线的横截面可以是任何形状的。例如，其横截面可以是圆形、椭圆形、多边形，如三角形、矩形和六边形等。该杆可以是中空的，也可以是实心的。当杆为圆柱体形式时，其直径的范围可以是安装该搅拌构件的容器内径的15％-20％，更好是17％-18％。当杆的横截面不是圆形时，可以用等价直径来代替圆的直径。杆的直径同它的长度的比可以在1/5-1/20的范围之间，更好是在1/9-1/18的范围之间。该杆可以由任何材料制成，只要它具有足够的强度用来实现有效混合，并对被混合液体具有足够的阻力。例如，该杆可以由金属材料1制成。通常每根杆具有相同的长度。杆的数量通常为两根，但也可以是三根或更多。当使用两根以上杆时，它们这样连接，使杆的端部成一直线。在一较佳实施例中，所有的杆都用两个连接件互相平行地连接在一起，这些杆的端部成一直线地排列在各连接件上。

这些杆与至少一个连接件彼此垂直地相连。只要不产生任何不利的影响，该连接件的形式是没有特殊限制的，并且以上所述的关于杆的特征基本是适用的。连接件与这些杆的连接位置没有限制。原则上，连接件在连接各杆时必须使每一处连接都具有最佳的强度。例如，当仅使用一个连接件时，最好在杆的中点将它们连接。当如大多数情况下常用的那样使用两个连接件时，最好在杆的两相对端将它们连接(即杆的顶端和底端)。在这个搅拌构件中，最好也用每个连接件的两端来连接杆。连接件的数量可以是一个，但为了保证搅拌构件中没有特别薄弱的部分，通常使用两个连接件。当连接件的数量多于两个时，其中的两个在杆的两端将它们连接，其余的在这两个连接件之间将杆连接，使得所有的连接件将杆分成数个长度相同的部分。尤其是，当杆相对较长时，连接件的数量可以是三个或四个或是更多。连接件中至少有一个具有连接机构，它使该搅拌构件可能不对称于混合容器的轴线。当使用单个连接件并在其两端连接杆时，该连接机构的位置设置成偏离连接件的中心。当使用两个以上连接件并在它们的两端连接杆时，其中至少有一个连接件(通常是最上面的一个)具有偏离连接件中心的的连接机构。

因此，本发明的搅拌构件由至少两根彼此隔开的杆和至少一个横向连接这些杆并最好与它们垂直的连接件构成，连接件中至少有一个构成具有连接机构，该机构可使该搅拌构件固定在位于混合容器的圆形横截面的中心处旋转的轴上，并使各杆的运动轨迹不互相重合。

这些杆中至少有一根可以不平行于混合容器的轴线，条件是不平行的杆不干扰该搅拌构件的转动。然而，至少最外侧的杆(即离混合容器的轴线最远的杆，或旋转所形成的圆柱形轨迹最大的杆)最好与该轴线平行，例如在用于聚合作用的情况下，这些杆就可起到防止聚合产品粘附在容器壁上的作用和/或在容器内壁与这些杆的最外侧之间所形成的间隙足够小时可用作刮板，刮去可能粘附于容器壁上的聚合产品。换句话说，本发明的该混合装置具有自清洁机构。

上述间隙的宽度取决于需要混合用的各个装置，但较好是在混合容器内径的0.1-0.5％的范围内，更好是在0.2-0.4％的范围内。该间隙越小，自清洁效果(即防止聚合物块粘附和/或聚合物块变大)也就越好。但是，较小的间隙会导致间隙中的剪切应力上升，这将增大搅拌构件的动力消耗。相反，当该间隙较大时，动力消耗减小，但自清洁效果下降。上述该间隙的情况，同样也适用于当连接件设置于杆的底端并且容器的底面平坦时的连接件与容器内底面之间的间隙。

在本发明的一较佳实施例中，为了使搅拌构件绕着容器轴线转动时杆的运动轨迹基本上不互相重合，即这些轨迹的形状、尺寸和位置彼此不同，在将搅拌构件安装于容器上时使得两侧的杆的中心线偏心(或偏离)于容器的轴线，并将该搅拌构件固定于相当于容器轴线的、且由例如可包括一电动机的驱动机构驱动的转轴上。当参照如图2所示的包括有两根杆的搅拌构件来进行说明时，容器中心与最外侧杆的中心之间的距离a不等于容器中心与最内侧杆的中心之间的距离b。

为了充分达到本发明的效果，容器轴线到最内侧杆和最外侧杆的中心的距离，相当于(a-b)/2的长度，较好是在容器内径的6％-12％的范围内，更好是在8％-10％的范围内，这样可以有效地使搅拌构件的中心偏离于容器的轴线。上述这种偏心形式，再加上杆的外径在容器内径的15-20％的范围内，因而，由杆旋转所形成的、垂直于容器轴线的轨迹面积加起来约超过垂直于容器轴线的横截面积的90％，因此可确保液体的充分混合。

在一较佳实施例中，该混合容器还包括一个设于混合容器顶部周边上的顶盖，它具有一个管嘴，例如供容器内液体的挥发气体通过并进入冷凝器的管嘴，或在反应不正常的情况下提供阻聚剂的管嘴等。为了使本发明该搅拌构件的顶部在因某些紧急情况而停转时不会干扰这一管嘴的工作(例如，为了避免搅拌构件的顶部堵住该管嘴)，该搅拌构件的顶部较好是低于混合容器的顶部周边100mm-1000mm，更好是300-600mm。

该混合装置基本由混合容器和搅拌构件构成，容器高度H(即容器的底部到顶部周边的长度)与容器内径D的比(H/D)可以实际地为0.5≤H/D≤5.0，更好是1.0≤H/D≤3.5。该装置可以在这样的条件下工作，即容器的液面高度L(也就是当把一经计算过的数量的液体加入容器时容器的底部到液面的距离)与容器内径D的比(L/D)实际地为0.2≤L/D≤4.0，更好为0.5≤L/D≤2.0。通常，该混合容器具有一外套，以使容器中的液体可以用任何适当的加热或冷却介质来加热或冷却。为了安全或加入阻聚剂用，可以在该混合容器上设置一安全膜。为了抑制在连接件顶面上方的区域内形成产生于单体反应的块状物质，可在搅拌构件顶面以下较好是10-50mm、更好是20-30mm的高度处设置一个液体如单体溶液的入口。通常在容器的底壁上设置一个液体如包含有容器的聚合产品的溶液的出口。为了尽可能长时间地开放该出口，应将其设置成尽可能地偏离于容器的中心。为了防止容器中形成未充分混合液体部分，该容器可以在这样的条件下工作，即容器的液面高度L与杆的长度I(包括连接件的厚度S)的比(L/I)较好为0.10-0.95的范围，更好为0.70-0.90的范围。杆长度I与容器高度H的比(I/H)较好可以是0.70-0.95的范围，更好是0.80-0.90的范围。

本发明的该混合装置通常可用于任何粘稠的液体(包括高粘度液体)，对混合聚合反应用的单体溶液乃至对溶液的聚合尤为有效。基本上，本装置可使用任何单体。可以用本发明的混合装置进行有效聚合的合适的单体例子包括诸如乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、叔碳酸(vinyl versate)、新戊酸乙烯酯之类的乙烯基酯。对用来溶解单体配制单体溶液的溶剂没有特殊的限制。例如，这种溶剂可包括醇类(如甲醇、乙醇和丙醇)、酯类(如乙酸乙酯和乙酸甲酯)、有机酸(如乙酸)、丙酮、苯和甲苯。对需要混合的液体如单体溶液的粘度没有特殊的限制，但是该液体的粘度较好而实际地是在50-5000泊的范围内，更好是在100-3000泊的范围内。

在一个较佳实施例中，本发明的该搅拌构件在容器轴线方向上任何高度处的水平横截面最好基本相同，除了在连接件处的(见图3，其中连接件和连接机构用虚线表示)。这意味着不管容器中哪个高度的液体部分，其混合效果是基本相同的，因而，只要混合效果保持相同，就可选择任何生产量和/或作用周期如反应周期。另外，由于即使液位较低时，如在作业开始阶段，也可保持恒定的混合效果，因此在液位上升阶段可实现相同的混合状态直到液位达到一预定高度，这样就能更容易地使作业在一较短的周期内达到一个稳定状态。

由于本发明的该混合装置没有使用折流板，因而容器内基本不会形成滞留部分，因此基本上也就不会产生块状物质。另外，当容器壁和最外侧杆之间的间隙足够小而可以获得自清洁效果时，块状物质就更不易形成。

在本发明的该混合装置中，杆的旋转产生混合效果，进而形成一水平方向的旋转液流，因而不会形成太多的垂直流，在较佳的情况下基本不形成垂直流，或者说垂直方向的混合至少得以减少。这样，动力消耗就较小。当液体被连续地送入和排出容器时，液体基本上以一种所谓“活塞流”的方式在容器内流动。这意味着液体在容器内的驻留时间分布非常准确(或精确)，因而在进行反应作业时，就可获得特性基本均匀的转化产品。

由于本发明的该混合装置具有上述各种优点，因而可很容易地在相似原理的基础上进行装置的按比例放大。另外，其混合效果与容器中的液体高度无关，因此可选择任何液体深度来进行混合作业。这样，该混合装置不仅对批量生产模式非常有用，而且对如聚合作用作业中的连续生产模式也非常有用。此外，本混合装置可以长时期地稳定作业，基本不会形成块状物质，这从工业角度上看是非常重要的。尤其是，本混合装置可在工业上确保稳定的聚合作用作业。

下面将参照附图利用实例来详细描述本发明。

图1是本发明混合装置10的一个较佳实施例的立体图，图2是图1所示混合装置的正面图。如图2所示，混合装置10包括一搅拌构件12和一圆柱体形的混合容器14。该搅拌构件12具有两根彼此平行的杆16和17，它们的顶端和底端由垂直于它们的连接件18和19连接于这些连接件的两端。该连接件18和19在它们的两端连接该16和17，但连接件18和19也可以略微伸出杆16的顶端和底端一点，如图1或图2所示，因为最内侧杆的伸出不会不利地影响到自清洁效果。该容器14具有一穿过其顶盖22中心的转轴20，该转轴20可与一驱动机构(未示出)相连，使该转轴20沿容器14的轴线42转动。转轴20利用一连接机构28连接于上连接件18。这样，上连接件18偏离于其中心地连接于转轴20，如图1或图2所示。下连接件19通过一与转轴20相对的机构26而可自由转动地连接于底部壁24的中心处。如果上面的连接机构28足够支承搅拌构件，则该连接机构26就不一定需要。利用上述这些连接，当转轴20转动时，杆16和17各自绕着转轴20即容器的轴线42转动，因而杆17形成一个较大的圆柱形轨迹44，而杆16形成一个较小的圆柱形轨迹46，如图3所示，也就是说，这两个轨迹不互相重合。必须注意的是，杆16和17平行于容器14的轴线，使得容器内壁与杆17最外侧表面之间的间隙34(由于尺寸太小而只能表示成一直线)沿杆17的长度方向基本保持恒定。混合容器14还可以包括一管嘴48，该管嘴可供容器内的液体蒸气通过而进入一冷凝器(未示出)，或用于将阻聚剂加入容器内的液体。

图3是图1或图2所示的混合装置的横截面图。为便于理解，两条轨迹44和46用虚线表示，分别由旋转的杆16和17的中心形成。当然，这些杆所形成的轨迹是环形的。

图4表示本发明混合装置的另一实施例。该实施例除了杆的数量为三个外基本与图2所示的相同，也就是说，该搅拌轨迹在最内侧杆16和最外侧杆17之间具有另外一根杆16′。

具体实施方式：

下面将利用实例中的聚合过程来描述本发明混合装置的使用。

首先，混合装置10的内侧用氮元素来置换，从入口30将主要包含有需要进行聚合的单体的单体溶液和一预定量的溶剂加入混合容器14并达到一预定高度，然后随着搅拌的进行，将该溶液加热到一预定温度，同时观察该溶液的状态(尤其是粘度)。这种加热可以利用一围绕容器周围的外套36通过将蒸汽或热水从入口30送入和从出口38排出来进行。该搅拌构件的转速取决于溶液的状态(尤其是粘度)。一方面，当转速太小时，溶液的混合会不够充分。另一方面，当转速太大时，混合所需的动力消耗会迅速上升。通常，该转速在2-20r.p.m.的范围内，更好是在5-15r.p.m.的范围内。当聚合作用作业连续进行时，单体溶液是连续地再供给，同时，容器内的溶液在达到一预定的聚合程度后便开始排出。溶液可通过例如齿轮泵(未示出)从出口32排出。如果需要的话，可使用一排放用的流量表，如椭圆形的那种。容器中的液位可以通过调节排放量来控制。至少一部分排出溶液可以再回到容器中，以保持容器内的液位恒定。为了紧急停止聚合作用作业，该混合装置可设置一个用来向液体中加入阻聚剂的装置。为了在紧急时使用，可以设置任何诸如安全膜之类的安全装置。

具有本发明的部件的该搅拌构件或混合装置在结构上非常简单，不管容器中的液体高度如何，都可以实现充分的混合。例如在聚合作用进行时，本发明所实现的混合既不会产生粘附于容器壁上的聚合物，也不会形成块状物质，因而对于延长周期来说，稳定的聚合是可能实现的。另外，容器内的液流基本为活塞流，它所形成的聚合物产品具有均匀的特性，并且该混合装置很容易按比例放大而用于批量生产模式或连续生产模式。

实例1

利用图1所示的本发明的混合装置10来进行乙酸乙烯酯的聚合，该混合装置10包括一搅拌构件12和一圆柱形混合容器14。该混合容器的内径为2300mm，高(相当于容器底面到顶部周边的长度)6000mm。该搅拌构件包括两根横截面呈圆柱形、外径400mm的垂直的杆16和17。这些杆在它们的两端用连接件18和19连接，使得每根杆的总长为5500mm，包括位于它们两端的连接件18和19的厚度(每根厚300mm)。该搅拌构件在安装于容器上时，使得容器中心到最外侧杆17中心的长度a为943mm，而容器中心到最内侧杆16中心的长度b为510mm。

容器的内部用氮元素置换，将一种含83％重量的乙酸乙烯酯和17％重量的甲醇的单体溶液及微量阻聚剂加入该混合容器。该单体溶液可用一换热器(若安装了的话)和一内部循环有热水的、围绕在混合容器周围的加热外套壳36来进行加热。该聚合作业在65℃的温度下连续进行，其液位到容器底部的长度为4.2m(因而液面高度与容器内径的比为1.8/1)。转速设置为10r.p.m.。聚合转化过程由加入适量的聚合催化剂来控制，加入催化剂的量根据单体溶液的组分和单体溶液在容器中的平均驻留时间等来计算。该聚合作业可持续一年，同时保持64％的聚合率，并且不会形成块状物质，可生产出聚合程度为1700的聚乙酸乙烯酯树脂。

实例2

基本与实例1相同，只是液面高度与容器内径的比为1.3/1。该聚合作业可以64％的聚合率持续一年，同时不会形成块状物质，可生产出聚合程度为1700的聚乙酸乙烯酯树脂。

实例3

基本与实例1相同，只是液面高度与容器内径的比为0.75/1，单体溶液含16％重量的甲醇。该聚合作业可以62％的聚合率持续一年，同时不会形成块状物质，可生产出聚合程度为2000的聚乙酸乙烯酯树脂。

比较例

使用一种如图5所示的混合装置，该装置包括一个桨式搅拌器型的搅拌构件12和一个内径为2400mm、高度为3600mm的混合容器14，该混合容器上具有折流板50。其工作条件与实例1的相同。

该聚合作业可持续10天，许多块状物质会形成并变大，因而用于搅拌的动力消耗增大。另外，由于其混合效果取决于液体部分相对于搅拌构件的位置，因此很难保持稳定而连续的作业。

Claims (6)

1.一种聚合装置，包括一呈圆柱形的混合容器和一用于该混合容器的聚合搅拌构件，该混合容器限定一旋转轴线，

所述聚合搅拌构件包括：

至少两根呈柱状或圆柱形的杆；以及

至少一个呈杆状的连接件，它使所述至少两根杆彼此连接而形成所述聚合搅拌构件，其特征在于，

所述至少两根杆在绕混合容器的轴线转动时，它们的运动轨迹不互相重合，并且混合容器轴线到所述至少两根杆在垂直于混合容器轴线的截面上的最内侧和最外侧的中心的距离是在混合容器内径的6％-12％的范围内。

2.如权利要求1所述的聚合装置，其特征在于，所述聚合搅拌构件包括至少两根杆和至少一个垂直连接所述杆的连接件，最上面一个连接件包括一连接机构，所述连接件通过所述连接机构固定于一转轴，该转轴对应于所述混合容器的轴线，使得所述连接机构与所述轴线彼此对齐。

3.如权利要求1或2所述的聚合装置，其特征在于，所述混合容器内壁与最靠近该内壁的最外侧杆之间的间隙宽度为所述混合容器内径的0.2-0.4％。

4.如权利要求1或2所述的聚合装置，其特征在于，它用于溶液聚合。

5.如权利要求3所述的聚合装置，其特征在于，它用于溶液聚合。

6.如权利要求4所述的聚合装置，其特征在于，所述溶液聚合是一种从包括有乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、叔碳酸和新戊酸乙烯酯的族中选出的乙烯酯单体的聚合。

Images