同為聚合反應提供封閉、可控的環(huán)境:
釜體:通常為圓柱形(帶橢圓形或球形封頭),材質(zhì)根據(jù)反應介質(zhì)選擇(如不銹鋼 304/316L 用于耐腐蝕場景,碳鋼用于中性體系),提供反應空間并承受反應壓力(常壓至數(shù)十 MPa)。
攪拌系統(tǒng):由電機、減速器、攪拌軸及攪拌槳組成,核心作用是均勻混合物料(使單體、引發(fā)劑、催化劑等充分接觸),并強化釜內(nèi)傳熱(避免局部過熱)。攪拌槳類型根據(jù)物料黏度選擇(如低黏度用推進式,高黏度用錨式、螺帶式)。
溫控系統(tǒng):通過夾套(或內(nèi)盤管)通入加熱介質(zhì)(熱水、導熱油)或冷卻介質(zhì)(冷水、冷凍液),配合釜內(nèi)溫度傳感器實時調(diào)節(jié),維持反應所需溫度(如自由基聚合通常在 50-150℃,縮聚反應可能高達 200-300℃)。
壓力控制系統(tǒng):通過安全閥、放空閥、惰性氣體(如氮氣)通入閥調(diào)節(jié)釜內(nèi)壓力,適應不同聚合類型(如高壓聚乙烯反應需 100-300MPa,而本體聚合可能在常壓或微正壓下進行)。
密封裝置:對于高壓或易揮發(fā)體系,采用機械密封或磁力密封(避免泄漏),確保釜內(nèi)介質(zhì)不與外界接觸,同時防止空氣進入(避免氧阻聚或物料氧化)。
釜式聚合反應器的工作流程可分為進料 - 反應 - 出料三個階段,核心是在可控條件下實現(xiàn)單體的聚合反應:
進料階段
單體(如乙烯、苯乙烯、氯乙烯等)、引發(fā)劑(或催化劑)、溶劑(如溶液聚合)或分散介質(zhì)(如懸浮聚合)通過計量泵按比例加入釜內(nèi)。進料前通常需用惰性氣體(氮氣)置換釜內(nèi)空氣(排除氧氣、水分等雜質(zhì),防止影響聚合或引發(fā)副反應),確保反應體系純凈。
聚合反應階段
這是核心環(huán)節(jié),通過以下過程實現(xiàn)單體向聚合物的轉(zhuǎn)化:
引發(fā):在加熱(或光照、輻射)條件下,引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基(自由基聚合),或催化劑活化(如配位聚合中的 Ziegler-Natta 催化劑),與單體分子結(jié)合形成活性中心。
增長:活性中心不斷與單體分子結(jié)合,使分子鏈持續(xù)延長(如乙烯單體通過加成反應形成聚乙烯長鏈)。此階段需通過攪拌確保物料均勻,避免局部濃度過高導致分子量分布不均;同時通過溫控系統(tǒng)移除反應熱(聚合反應多為放熱反應,如苯乙烯聚合熱約為 69kJ/mol),防止溫度驟升引發(fā)爆聚或產(chǎn)物降解。
終止:當單體轉(zhuǎn)化率達到目標(通常 70%-90%),通過降溫、加入終止劑(如阻聚劑)或降低壓力等方式,使活性中心失活,終止分子鏈增長。
出料階段
反應完成后,通過降壓、降溫使釜內(nèi)產(chǎn)物(聚合物熔體、溶液或懸浮液)通過出料口排出,進入后續(xù)處理工序(如脫揮、造粒、干燥等)。出料后需清洗釜體,避免殘留物料影響下一批次反應。