專利名稱：混合釜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于混合不同物料的混合釜，尤其是用于制備稀土異戊橡膠的原料預混釜。
背景技術：
稀土異戊橡膠是異戊二烯單體在稀土催化劑作用下經溶液聚合生成的以順_1，4 結構單元為主的聚合物。由于物理性能和機械性能均與天然橡膠相似，稀土異戊橡膠也被稱為“合成天然橡膠”。具體地說，稀土異戊橡膠具有優(yōu)良的彈性、密封性、耐蠕變性、耐磨性、耐熱性和抗撕裂性，并且抗張強度和伸長率也接近天然橡膠。因此，在一些情況下稀土異戊橡膠可用作天然橡膠的替代物，或者與天然橡膠或其它合成橡膠組合使用。因此，稀土異戊橡膠廣泛應用于輪胎、膠帶、膠管等橡膠加工領域。在制備稀土異戊橡膠的溶液聚合過程中，聚合反應物料(包括異戊二烯單體、溶劑和催化劑)的預混狀態(tài)將直接影響后續(xù)聚合反應的速率、催化劑用量，以及所得橡膠產品的順式構型含量、分子量和分子量分布。因此，在進行異戊二烯單體的溶液聚合反應之前需要使聚合反應物料充分混合，形成高度均勻的混合物。在現(xiàn)有技術中，對于制備稀土異戊橡膠的溶液聚合過程來說，常規(guī)的原料預混過程多采用靜態(tài)混合器進行。然而，由于靜態(tài)混合器在出口處通常存在流體滯流區(qū)，因此物料的流速分布不均勻，擾動效果較差，致使混合效果不夠理想。目前，通常還采用結構相對復雜的攪拌釜式混合器作為原料預混器。其中，在攪拌槳的作用下，物料的湍流程度加大，致使混合效果加強。然而，由于攪拌槳的特性導致釜內的流場分布不均勻，并且容易存在體積較大的混合死區(qū)，致使最終的混合效果也不夠理想。 另外，攪拌釜的結構設計是影響預混效果的一項重要因素。在預混過程中，既要求催化劑在原料體系中高度均勻分散，又要求整個攪拌釜內的上、下混合盡可能地均勻。傳統(tǒng)的攪拌釜往往不能達到這一要求。也有將靜混器和攪拌釜串聯(lián)起來進行原料預混的預混工藝。CN201415984Y就公開了這樣一種稀土異戊橡膠生產用預混合裝置，其中包括相串聯(lián)的管道高速混合器和預混釜。在進入聚合釜之前，聚合反應物料在這種預混合裝置中進行預混，可達到高度的微觀均勻混合，從而提高了催化劑的催化效率，減少了產品的支化度，使分子量的分布更加均勻， 最終提高了異戊橡膠的產品質量。然而這種預混合裝置的缺點在于，物料在預混釜內的平均停留時間較長(例如為20-30min)，然后經多臺串聯(lián)的聚合反應釜反應后，最終轉化率只能達到85-90wt%。因此，采用這種預混合裝置的生產能力比較低。因此，對于制備稀土異戊橡膠的溶液聚合過程來說，需要對聚合反應物料的預混裝置進行改進，從而進一步提高所得稀土異戊橡膠產品的質量，同時提高生產能力。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種混合釜，它尤其是可用于制備稀土異戊橡膠的原料預混。根據(jù)本發(fā)明提供了一種混合釜，包括沿縱向設置在混合釜內的可旋轉的中心軸； 安裝在中心軸上的至少兩個徑流式攪拌槳；以及位于相鄰兩個徑流式攪拌槳之間的環(huán)狀盤，其中中心軸從環(huán)狀盤中穿過，并且環(huán)狀盤在其外周部分處連接到混合釜的內壁上。在根據(jù)本發(fā)明的混合釜中，一方面通過設于中心軸上的徑流式攪拌槳所產生的高剪切分散作用將待混合的物料打碎，另一方面利用設于攪拌槳之間的環(huán)狀盤促使待混合物料形成整體大循環(huán)，從而使物料在短時間內就能夠達到高度的微觀混勻。這有利于后續(xù)聚合反應的進行。在一個實施例中，環(huán)狀盤的外徑與混合釜的內徑相匹配，并且在外周部分上的至少兩個圓周對稱的連接部位處連接到混合釜的內壁上。環(huán)狀盤與釜內壁的連接方式可以為本領域常用的合適連接方式，例如在釜內壁上設置支架來支撐環(huán)狀盤。連接部位的數(shù)量可以根據(jù)具體情況的需要加以選擇，例如為2-8個，優(yōu)選為3-6個，更優(yōu)選為4個。在一個實施例中，環(huán)狀盤設有中心孔，中心軸從該中心孔中穿過。中心孔的直徑例如可為攪拌槳直徑的1-1. 5倍。在一個實施例中，環(huán)狀盤在兩個連接部位之間設有徑向向內的凹槽。這樣，物料不僅能穿過由環(huán)狀盤的中心孔所形成的通道而流動，同時也能穿過由凹槽和混合釜的內壁所形成的通道而流動。因此，待混合物料在混合釜內的流動性得到進一步的增強，有利于物料的充分混合。在設有兩個或更多環(huán)狀盤的情況下，優(yōu)選的是相鄰兩個環(huán)狀盤的相應凹槽在周向上彼此間錯開一個角度。更優(yōu)選地是，一個環(huán)狀盤的凹槽相對于其它環(huán)狀盤中的相應凹槽在周向上彼此錯開間均錯開一個角度。這樣，由凹槽和混合釜的內壁所形成的通道在縱向上完全為非線性的，從而進一步增強物料的混合效果。凹槽的數(shù)量例如可為2-8個，優(yōu)選為3-6個，更優(yōu)選為4個。凹槽的面積例如為環(huán)狀盤在相應兩個連接部位之間所占扇環(huán)區(qū)域的面積的1/4到1/2，優(yōu)選為1/3。在一個優(yōu)選實施例中，凹槽的底部曲線關于穿過連接相應兩個連接部位的連線的中點的半徑軸線對稱。根據(jù)本發(fā)明的混合釜，其高徑比例如選擇為1-4，優(yōu)選為2-3。徑流式攪拌槳的數(shù)量例如為所述高徑比的1-3倍，優(yōu)選為I. 5-2倍。攪拌槳的直徑例如為混合釜直徑的 1/4-2/3，優(yōu)選為1/3-1/2。上述尺寸、例如高徑比應選擇為使得反應物料在混合釜內的平均停留時間為I. O-IOmin,優(yōu)選為3_8min,更優(yōu)選為4_6min。根據(jù)本發(fā)明的混合釜，攪拌槳之間的間距例如為攪拌槳直徑的O. 5-2倍。在一個優(yōu)選實施例中，所述間距沿縱向方向自下而上地逐漸增大。這種自下而上從密到疏地逐層設置攪拌槳，能夠更好地發(fā)揮攪拌槳的剪切分散作用，有利于物料的充分混合。此外，在一個優(yōu)選實施例中，環(huán)狀盤可自下而上地從疏到密地設置，即位于混合釜下部區(qū)域內的相鄰兩個攪拌槳之間的環(huán)狀盤的數(shù)量少于位于混合釜上部區(qū)域內的相鄰兩個攪拌槳之間的環(huán)狀盤的數(shù)量。例如，在混合釜的下部區(qū)域中，在相鄰兩個攪拌槳之間僅設置一個環(huán)狀盤，而在混合釜的上部區(qū)域中，在相鄰兩個攪拌槳之間設置兩個或更多個環(huán)狀盤。這樣可在整個混合釜內形成強有力的整體大循環(huán)，從宏觀上更加有利于分散后的物料進入充分混合。
根據(jù)本發(fā)明，在混合釜的下部設有進口，用于引入待混合的物料，而在混合釜的上部設有出口，用于排出混合后的物料。待混合的各物料優(yōu)選單獨地引入所述預混釜。對于制備稀土異戊橡膠的預混來說，異戊二烯單體和催化劑需要從不同的進口進入混合釜，溶劑則可以單獨進入，也可以與前兩者之中的任何一種一起進入混合釜。這樣能夠更好地避免預聚反應的發(fā)生，從而有利于后續(xù)的混合操作以及溶液聚合反應。因此，在一個用于制備稀土異戊橡膠的具體實施例中，本發(fā)明的混合釜可在下部設有三個進口，以分別引入異戊二烯單體、催化劑和溶劑。備選地，也可以只設有兩個進口以分別引入異戊二烯單體和催化劑。此時考慮到在溶液聚合反應過程中異戊二烯單體和溶劑的進料量均遠高于催化劑的進料量，因此優(yōu)選將溶劑與催化劑一起引入。根據(jù)本發(fā)明的混合釜，由于組合了徑流式攪拌槳的高剪切分散作用和環(huán)狀盤對釜內物料的整體大循環(huán)的促進作用，使得物料能夠在釜內被打碎、分散和進行大循環(huán)，因此可在短時間內達到高度的微觀混勻，從而得到非常好的混合效果。利用根據(jù)本發(fā)明的混合釜作為稀土異戊橡膠的制備工藝中的預混釜，所得稀土異戊橡膠的順式-I，4-構型含量可以達到99wt%，數(shù)均分子量可以達到45萬，分子量分布系數(shù)可以達到3以下(例如為2. 6-2. 9)。因此，能得到高質量的稀土異戊橡膠。


下面將參照附圖來進一步描述本發(fā)明。容易理解，這些附圖僅是對本發(fā)明的示例性說明，并不構成任何限制性作用。在圖中圖I顯示了根據(jù)本發(fā)明的預混釜，其中設有多個徑流式攪拌槳和設在每兩個相鄰攪拌槳之間的環(huán)狀盤；圖2顯示了圖I所示環(huán)狀盤的俯視圖；和圖3顯示了用于制備稀土異戊橡膠的異戊二烯單體溶液聚合反應的流程示意圖， 其中采用根據(jù)本發(fā)明的混合釜作為原料預混釜。
具體實施例方式如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的混合釜10包括沿縱向設置在釜內的中心軸8，其可由電機M帶動旋轉。在中心軸8上安裝有至少兩個徑流式攪拌槳I。攪拌槳的數(shù)量可根據(jù)實際情況加以選擇，例如2-10個，在圖I的例子中顯示了四個攪拌槳。徑流式攪拌槳I可采用本領域常用的類型，其轉速可以為200-800rpm，優(yōu)選為300_700rpm，更優(yōu)選350_600rpm。在混合過程中，待混合的物料例如反應單體和催化劑等經設于混合釜10的底部處的兩個物料進口 3、4進入到混合釜10中，在由中心軸8帶動旋轉的攪拌槳I的作用下進行混合，之后從設于混合釜10上方的物料出口 5中排出以用于進一步的處理。這些結構和 /或工藝過程均是本領域的技術人員所熟知的，因此具體的介紹在此略去。根據(jù)本發(fā)明，在混合釜10內還設置有位于相鄰兩個徑流式攪拌槳I之間的環(huán)狀盤
2。環(huán)狀盤2優(yōu)選設置在相鄰兩個攪拌槳I的軸向中點位置處。如圖2所示，環(huán)狀盤2包括有中心孔11，其內徑大于中心軸8的直徑，以便使中心軸8能夠從環(huán)狀盤2的中心孔11中穿過。環(huán)狀盤2通過其外周部分連接到混合釜10的內壁上。這樣，在根據(jù)本發(fā)明的混合釜 10中，一方面通過設于中心軸8上的徑流式攪拌槳I產生的高剪切分散作用將待混合的物料打碎，另一方面利用設于攪拌槳I之間的環(huán)狀盤2促使待混合的物料形成整體大循環(huán)，從而使物料在短時間內就能夠達到高度的微觀混勻。這有利地促進了后續(xù)聚合反應的進行。在一個典型實施例中，環(huán)狀盤2的外徑與混合釜10的內徑相匹配，并且在外周部分上的至少兩個圓周對稱的連接部位處連接到混合釜的內壁上。連接部位的數(shù)量可以根據(jù)實際情況加以選擇，例如為2-8個，優(yōu)選為3-6個，更優(yōu)選為4個。這些連接部位優(yōu)選處于圓周上對稱的位置處。如圖2所示，在一個優(yōu)選實施例中，環(huán)狀盤2在其外周上的周向對稱的四個連接部位處連接到混合釜10的內壁上。同時，在相鄰兩個連接部位之間的扇形部分處設有徑向向內的凹槽12。這樣，物料不僅能穿過由環(huán)狀盤2的中心孔11所形成的通道而流動，同時也能穿過由凹槽12和混合釜10的內壁所形成的通道而流動。因此，待混合物料在混合釜10 內的流動性得到進一步的增強，有利于物料的充分混合。在一個未示出的實施例中，混合釜10設有兩個或更多個環(huán)狀盤，其中各個環(huán)狀盤中的相應凹槽在周向上彼此間均錯開一個角度。因此，由凹槽12和混合釜10的內壁所形成的通道在混合釜10的縱向上是非線性的，這樣可以進一步增強物料的混合效果。凹槽12的面積應在不破壞整個環(huán)狀盤2的強度的前提下盡可能地保證最大的物料流通面積。凹槽12的面積例如可為環(huán)狀盤2上相鄰兩個連接部位之間的扇形區(qū)面積的 1/4-1/2，優(yōu)選為1/3。凹槽12的底部形狀可以為直線或曲線，該底部形狀優(yōu)選相對于經過連接相鄰兩個連接部位的線段中點處的半徑軸線對稱。下面將以用于制備稀土異戊橡膠的原料預混釜為例來具體說明根據(jù)本發(fā)明的混合釜。然而可以理解，根據(jù)本發(fā)明的混合釜可用于任何需要對反應物料進行混合的場合。[實施例I]在常溫常壓下，首先在傳統(tǒng)的換熱器中對用于制備稀土異戊橡膠的聚合反應物料中的異戊二烯單體(14. 6kg/h，聚合級，商購獲得)、溶劑(95kg/h，環(huán)己烷，商購獲得)和釹系催化劑(2. 9kg/h，濃度為6X 10-6molNd/ml)進行預冷，預冷溫度為_5°C。這里使用的釹系催化劑的具體組成按各組分的摩爾比計為異戊二烯新癸酸釹三異丁基鋁一氯二乙基鋁=50 : I : 10 : 3。其中，催化劑和溶劑預先混合后再經換熱器預冷，異戊二烯單體則在單獨的換熱器中預冷。在此，所使用的冷卻介質為3wt%的氯化鈉冷凍鹽水。然后，將預冷后的聚合反應物料的各組分分別引入到本發(fā)明的混合釜10中進行預混，其中催化劑和溶劑經釜底中心進口 3引入混合釜中，異戊二烯單體經釜底側邊進口 4 引入混合釜中。在此所使用的混合釜的體積為5L，其柱體部分的直徑為150mm，高度為300mm。在混合釜中設有四個攪拌槳，攪拌槳的直徑為混合釜直徑的1/2，轉速為400rpm，底部攪拌槳離爸底的距離為30mm,各攪拌槳之間的軸向間距自下而上依次為56mm、70mm、98mm。在混合釜中設有三個環(huán)狀盤，其設在每兩個攪拌槳之間的軸向中間位置處。環(huán)狀盤的中心孔直徑為攪拌槳直徑的I. 15倍。環(huán)狀盤在其外周部分上的周向對稱的4個連接部位處與混合釜的內壁相連，并且包括有4個凹槽，各凹槽的面積為相應扇環(huán)面積的1/3。在攪拌槳和環(huán)狀盤的作用下，聚合反應物料在混合釜內進行充分混合，釜內的平均停留時間為2. Omin，從而獲得預混后的均勻的聚合反應物料。接下來，按照圖3所示流程進行聚合階段的操作。從混合釜10的出口 5中排出的物料依次流經第一反應釜20、第二反應釜30和第三反應釜40，在各反應釜中的平均停留時間均為20min，各反應釜內部的反應溫度依次控制在30°C、40°C和50°C。聚合產物從出口 45中排出。按照該實施例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為60wt%，在末釜出口處的最終轉化率為96wt%。最后，分析確定所得稀土異戊橡膠產品的順式-1，4-構型含量、數(shù)均分子量和分子量分布系數(shù)，結果列于下表I中。[實施例2]實施例2與實施例I大致相同，不同之處僅在于環(huán)狀盤的中心孔直徑為攪拌槳直徑的I. 3倍。按照該實施例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為60. 5wt%，在末釜出口處的最終轉化率為96. 2wt%。所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。[實施例3]實施例3與實施例I大致相同，不同之處在于減少聚合反應物料的總進料量，且保持與實施例I相同的異戊二烯單體、催化劑和溶劑的質量比，使聚合反應物料在混合釜內的平均停留時間為5min。按照該實施例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為65wt%，在末釜出口處的最終轉化率為98. 3wt%。所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。[實施例4]實施例4與實施例I大致相同，不同之處在于攪拌槳的直徑為預混釜直徑的 2/3 ;同時減少聚合反應物料的總進料量，且保持與實施例I相同的異戊二烯單體、催化劑和溶劑的質量比，使聚合反應物料在混合釜內的平均停留時間為5min。按照該實施例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為66wt%，在末釜出口處的最終轉化率為98. 3wt%。所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。[對比例I]對比例I與實施例I大致相同，不同之處在于僅保留混合釜內的從下數(shù)起的第二個攪拌槳，拆除其它的攪拌槳和所有的環(huán)狀盤。按照該對比例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為40wt%，在末釜出口處的最終轉化率為80wt%。所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。[對比例2]對比例2與對比例I大致相同，不同之處在于減少聚合反應物料的總進料量，且保持與對比例I相同的異戊二烯單體、催化劑和溶劑的質量比，使聚合反應物料在所述預混釜內的平均停留時間為5min。按照該對比例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為43wt%，在末釜出口處的最終轉化率為84wt%。
所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。[對比例3]對比例3與對比例I大致相同，不同之處僅在于將其中催化劑的用量提高為原來的4倍。按照該對比例，異戊二烯單體在第一反應釜出口處的轉化率為55wt%，在末釜出口處的最終轉化率為93wt%。所得稀土異戊橡膠產品的質量分析結果列于下表I中。表I
權利要求
1.一種混合釜，包括沿縱向設置在混合釜內的可旋轉的中心軸；安裝在所述中心軸上的至少兩個徑流式攪拌槳；和位于相鄰兩個徑流式攪拌槳之間的環(huán)狀盤，其中所述中心軸從所述環(huán)狀盤中穿過，并且所述環(huán)狀盤在其外周部分處連接到混合釜的內壁上。
2.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述環(huán)狀盤的外徑與混合釜的內徑相匹配，并且在外周部分上的至少兩個圓周對稱的連接部位處連接到混合釜的內壁上。
3.根據(jù)權利要求2所述的混合釜，其特征在于，所述連接部位為2-8個，優(yōu)選為3-6個， 更優(yōu)選為4個。
4.根據(jù)權利要求2所述的混合釜，其特征在于，所述環(huán)狀盤在兩個連接部位之間設有徑向向內的凹槽。
5.根據(jù)權利要求4所述的混合釜，其特征在于，所述凹槽的底部曲線關于穿過連接所述兩個連接部位的連線的中點的半徑軸線對稱。
6.根據(jù)權利要求4所述的混合釜，其特征在于，所述凹槽的面積為所述環(huán)狀盤在所述兩個連接部位之間的扇形區(qū)域的面積的1/4到1/2，優(yōu)選為1/3。
7.根據(jù)權利要求4所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜包括至少兩個環(huán)狀盤，其中一個環(huán)狀盤中的凹槽相對于其它環(huán)狀盤中的對應凹槽在周向上彼此錯開。
8.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，設置在所述混合釜的下部區(qū)域中相鄰兩個攪拌槳之間的環(huán)狀盤的數(shù)量少于設置在所述混合釜的上部區(qū)域中相鄰兩個攪拌槳之間的環(huán)狀盤的數(shù)量。
9.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述環(huán)狀盤的內徑為所述攪拌槳直徑的1-1. 5倍。
10.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述環(huán)狀盤位于相鄰兩個徑流式攪拌槳之間的軸向中點位置。
11.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，相鄰兩個攪拌槳之間的間距為所述攪拌槳的直徑的O. 5-2倍。
12.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，相鄰兩個徑流式攪拌槳之間的間距沿縱向自下而上地逐漸增大。
13.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，在所述混合釜的下部設有待混合物料的進口，在所述混合釜的上部設有待混合物料的出口。
14.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜用于在制備稀土異戊橡膠中對聚合反應物料進行預混。
15.根據(jù)權利要求14所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜在下部設有兩個物料進口，其中一個用于引入聚合反應物料中的異戊二烯單體，另一個用于引入聚合反應物料中的催化劑和溶劑，并且所述混合釜在上部設有出口，用于排出混合后的物料。
16.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述混合釜的高徑比為1-4，優(yōu)選為2-3。
17.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述徑流式攪拌槳的數(shù)量為所述混合釜的高徑比的1-3倍，優(yōu)選為I. 5-2倍。
18.根據(jù)權利要求I所述的混合釜，其特征在于，所述攪拌槳的直徑為所述混合釜的直徑的 1/4-2/3，優(yōu)選為 1/3-1/2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種混合釜，包括沿縱向設置在混合釜內的可旋轉的中心軸；安裝在中心軸上的至少兩個徑流式攪拌槳；以及位于相鄰兩個徑流式攪拌槳之間的環(huán)狀盤，其中中心軸從環(huán)狀盤中穿過，并且環(huán)狀盤在其外周部分處連接到混合釜的內壁上。攪拌槳可產生高剪切分散作用，用于待混合的物料打碎，而環(huán)狀盤能促使待混合物料形成整體大循環(huán)，使物料在短時間內就能夠達到高度的微觀混勻。這有利于后續(xù)聚合反應的進行。
文檔編號C08F4/54GK102600749SQ201110408459
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2010年12月9日
發(fā)明者于國柱, 劉美瑜, 張國娟, 張 杰, 徐林, 李傳清, 李巍, 梁愛民, 譚金枚 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院