泰勒反应器中细乳液聚合的研究

摘要

过程强化是实现化工过程安全、绿色、高效的一条重要途径。过程强化通常可显著减少设备体积，缩短工艺流程或者显著增加产量，降低过程的能耗。反应过程的强化主要通过改变和优化反应器以改善反应过程的热量传递和质量传递等来实现，而热量和质量传递的基础是动量传递，也就是流场中流混特性的改善。而泰勒反应器正是一种具有特殊流场结构的反应器。
　　 有关泰勒反应器中的乳液和细乳液聚合，一些研究者发现存在着非常明显的过程强化现象，但也有一些研究者并未发现过程强化。本文旨在进一步辨析这一问题，并揭示其机理。
　　 本文首先从冷模角度着手，系统地研究了均相体系泰勒反应器的停留时间分布特点。进一步验证了泰勒数Ta和雷诺数Re两个无量纲准数对反应器中物料停留时间分布的影响。并发现采用粘度较高流体时，文献中通过纯水体系得到的流混规律偏差较大，粘度较高流体中的流混规律需要黏度项的校正。其次，本文研究了非均相体系下泰勒涡流流场对于（细）乳液液滴大小及分布的影响。发现泰勒涡流能够明显的细化乳液液滴，其液滴的平均粒径要比相似条件下的普通搅拌反应釜的结果小很多。泰勒涡流对于细乳液液滴的影响比较独特，会使得液滴分布逐渐变宽，并最终产生一大一小两个峰值，这与特殊的涡流流场有密切的关系.
　　 泰勒反应器中聚合反应的研究，本文首先对比了泰勒反应器与普通搅拌釜中的间歇细乳液聚合。间歇操作下由于较高的泰勒数Ta，泰勒反应器中的湍流程度比较高，因此与普通搅拌釜中的结果相差不多。但均相成核导致的平均粒径的降低比普通搅拌釜中的严重，说明泰勒涡流流场对于两相的传质有强化作用。本文还研究了泰勒反应器中的连续细乳液聚合，并与普通搅拌釜(CSTR)中的结果进行了对比，在采用油溶性引发剂(AIBN)引发反应时，表现出明显的强化现象，转化率要比CSTR高很多，这主要得益于液滴分布的两极化。在聚合过程中，液滴中聚合物的存在会阻碍液滴之间的聚并，因此只有小液滴的生成，这导致了颗粒数的大幅度升高，进而加快了反应速率。当采用水溶性引发剂(KPS)时，并没有发现明显的过程强化现象，但由于停留时间分布带来的等效的多釜串联效果，转化率仍然比CSTR的要高。其原因主要是液滴分布的两极化以及水相自由基传递激发了类似乳液聚合的一种聚合机理，而这种聚合机理弱化了液滴两极分化的优势，进而弱化了其强化作用。最后，初步探索了泰勒反应器中的乳液聚合反应，没有发现明显的强化作用。