СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B01F7/24 

Изобретение относится к области химического машиностроения, в частности к аппаратам, в которых осуществляется синтез растворов полимеров для термостойких волокон, включающий растворение порошкообразного мономера и смешивание компонентов с образованием вязкого раствора.

По своим физико-химическим свойствам указанные растворы относятся к неньютоновским жидкостям, при деформации которых не соблюдается пропорциональность между касательными напряжениями и скоростью сдвига.

Процесс синтеза вязких растворов полимеров для термостойких волокон отличается рядом особенностей, которые предъявляют специфические требования к аппаратуре для проведения указанного процесса. Так, реакция растворной поликонденсации ароматического полиамида на второй стадии синтеза протекает на поверхности раздела фаз: твердое вещество (дисперсный мономер) - жидкость (раствор олигомера), сопровождается выделением тепла, побочными реакциями и быстрым ростом динамической вязкости реакционной массы. Высокая скорость реакции и ее тепловой эффект, вызывающий локальные неоднородности, требуют обеспечения весьма интенсивного перемешивания реакционной массы, увеличения кратности циркуляции продукта и устранения застойных зон в аппарате для равномерного распределения дисперсного компонента.

Известны смесители, включающие вертикальный корпус, в котором на валу по высоте размещены перемешивающие органы в виде центральных и периферийных лопастей, наклоненных в противоположные стороны. Такие смесители применимы для приготовления растворов, не изменяющих своей вязкости в процессе перемешивания.

Однако при смешивании порошкообразного мономера с жидкими компонентами, которые образовывают в результате реакции вязкий раствор, известные смесители малоэффективны. Объясняется это тем, что в начальной стадии перемешивания порошкообразный мономер, обладающий повышенной плавучестью и подвижностью, находится на поверхности растворителя. При вращении мешалки плавающий мономер уходит из-под наклонной лопасти к ее свободному торцу. Эффект утапливания и вовлечения мономера в объем растворителя при этом незначительный. В результате время проведения процесса набухания и растворения мономера резко возрастает. Это снижает интенсивность процесса.

Известен также смеситель, принятый в качестве прототипа, включающий корпус с установленной в нем мешалкой, содержащей вал с размещенными по высоте перемешивающими органами, каждый из которых выполнен из центральной и периферийной лопастей, наклоненных в противоположные стороны и разделенных перегородками. Разделительные перегородки, размещенные на лопастях, препятствуют перемещению порошкообразного мономера из зоны перемешивания. Благодаря аксиальным потокам в этой зоне мономер удовлетворительно смачивается растворителем для набухания.

Однако известный смеситель при смешивании компонентов с образованием в процессе реакции вязкого раствора обладает следующими недостатками. На стадии синтеза, когда нарастает вязкость раствора, резко увеличиваются сопротивление и затраты мощности на перемешивание. Быстрое протекание реакции с резким повышением вязкости продукта сопровождается неравномерным распределением смешиваемых компонентов по всему объему аппарата. Конструкция мешалки известного смесителя не обеспечивает четко выраженных аксиальных потоков, достаточных для интенсивного перемешивания вязкой массы. Ввиду снижения кратности циркуляции вблизи стенок корпуса образуются застойные зоны, где помимо основной реакции протекают побочные, снижающие качество конечного продукта. В связи с этим эффективность работы аппарата резко снижена.

Целью изобретения является интенсификация процесса перемешивания.

Указанная цель достигается тем, что в смесителе, включающем корпус с установленной в нем мешалкой, содержащей вал с размещенными по высоте перемешивающими органами, каждый из которых выполнен из центральной и периферийной лопастей, наклоненных в противоположные стороны и разделенных перегородками, согласно изобретению перегородки объединены непрерывной спиральной лентой. Целесообразно при этом, чтобы спиральная лента в плоскости перпендикулярной оси вала мешалки имела вид замкнутой окружности.

Совокупность наклоненных в противоположные стороны лопастей, разделенных перегородками, которые соединены непрерывной спиральной лентой, обеспечивает при перемешивании как интенсивные потоки по всему сечению аппарата, так и интенсивную осевую циркуляцию. В частности, в плоскости каждой из лопастей при вращении мешалки функционирует два четко выраженных аксиальных потока. Первый из них ограничен стенкой корпуса и спиральной лентой (разделительной перегородкой), второй - спиральной лентой и валом мешалки. Потоки могут отклоняться либо вверх, либо вниз в зависимости от наклона лопастей. Осевую же циркуляцию обеспечивает спиральная лента, объединяющая все разделительные перегородки, размещенные на лопастях по высоте аппарата. Ввиду того, что спиральная лента в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вала мешалки, замкнута по окружности, образованный ею осевой поток реакционной смеси, замыкаясь в верхней и нижней частях аппарата, представляет собой тороидальный контур циркуляции. При этом использован эффект неньютоновских жидкостей - при высоких скоростях резко снижается вязкость продукта. Благодаря этому свойству реакционной массы под действием вращающейся спиральной ленты, рассекающей вязкий полимер, создается значительное напряжение сдвига и в месте прохода ленты резко снижается вязкость полимера. В результате происходит быстрое равномерное распределение дисперсного мономера и выравнивание температур по всему объему аппарата, при этом без увеличения мощности привода на преодоление сопротивления перемешивания. Заявляемая конструкция смесителя позволяет интенсифицировать процесс, исключить застойные зоны у стенок аппарата, быстро и равномерно распределить подаваемый порошкообразный мономер по всему объему, получить однородный синтезируемый полимер, исключить окисление и обрыв конечных групп полимера и их побочные реакции.

Применение аппарата с ленточной мешалкой для получения термостойких волокон показало, что на стадии смачивания через открытый торец ленты дисперсный мономер уходит в сторону, а утапливание происходит только с торца, ограниченного корпусом аппарата. На стадии набухания и синтеза, когда резко снижается текучесть полимера, лента мешалки роет круговую траншею в кашеобразном продукте. При этом остальная масса не продвигается, процесс перемешивания на этой стадии резко ухудшается, возрастает градиент температур по сечению аппарата, резко увеличивается время растворения мономера.

На фиг. 1 представлен в продольном разрезе предлагаемый смеситель; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 и 4 - разрезы Б-Б и В-В на фиг.2.

Смеситель включает вертикальный цилиндрический корпус 1 со штуцерами 2 и 3 для загрузки растворителя и загрузки дисперсного мономера, а также со штуцером 4 выгрузки готового полимера. В корпусе 1 размещена мешалка, содержащая центральный вал 5 с размещенными по высоте перемешивающими органами. Каждый перемешивающий орган состоит из центральной 6 и периферийной 7 лопастей, наклоненных в противоположные стороны. Между лопастями 6 и 7 размещена разделительная перегородка 8. Разделительные перегородки 8 на всех перемешивающих органах объединены между собой непрерывной спиральной лентой 9. Для привода мешалки предусмотрен двигатель 10.

Смеситель работает следующим образом. Растворитель заливают через штуцер 2, после чего через штуцер 3 засыпают порошкообразный мономер и включают привод в виде двигателя 10 вала 5 мешалки. Верхний перемешивающий орган периферийной наклонной лопастью 7 захватывает плавающий на поверхности жидкости мономер и, смачивая, утапливает его. За мешалкой (по ходу вращения) полимер начинает всплывать, однако всплыть на поверхность жидкости не успевает, т.к. попадает под лопасть нижерасположенного перемешивающего органа. Выход продукта вдоль лопастей предотвращают с одной стороны стенка корпуса 1, а с другой разделительные перегородки 8, связанные спиральной лентой 9. Таким образом происходит эффективный процесс контакта твердых частиц мономера с растворителем, смачивание и набухание. При этом вязкость реакционной массы в аппарате возрастает от 1 до 750 П. Однако после набухания продукта и образования вязкой текучей массы эффективность работы мешалки не снижается. Перемешивающие органы при вращении воздействуют на продукт по всему объему аппарата, не оставляя зон свободного течения продукта, как, например, у ленточной мешалки. Периферийные участки перемешивающих органов проталкивают продукт по кольцевому сечению шириной, равной длине этой части мешалки, из верхней в нижнюю часть аппарата вдоль стенки, а центральные участки мешалки по центральному кольцевому сечению, ограниченному валом и спиральной лентой, возвращают его в верхнюю часть. При этом при вращении спиральной ленты 9 с малым лобовым сопротивлением используется эффект неньютоновских жидкостей - при высоких скоростях (напряжениях сдвига) резко снижается вязкость продукта у боковых поверхностей вращающейся спиральной ленты. В результате этого значительно снижается сопротивление проталкиванию вязкого продукта лопастями как по периферийному, так и по центральному кольцевому сечению. Замыкаясь в верхней и нижней частях аппарата, оба потока образуют тороидальный контур циркуляции, благодаря которому реакционная масса интенсивно перемешивается, постоянно вовлекая дисперсный компонент внутрь аппарата. При этом происходит выравнивание температуры во всем объеме аппарата. Готовый полимер выгружают через штуцер 4.

Таким образом, заявляемая конструкция смесителя позволяет:
интенсифицировать процесс перемешивания и синтеза растворов изменяющейся вязкости;
обеспечить надежную работу смесителя в производстве термостойких волокон;
снизить нормы расхода основного сырья, загружаемого в смеситель;
повысить качество готового продукта за счет устранения побочных реакций образования деструкции полимера и выравнивания градиента температур и концентраций по сечению аппарата;
уменьшить энергоемкость смесителя.

Использование: проведение синтеза термостойких волокон, включающего растворение порошкообразного мономера и смешивание компонентов с образованием вязкого раствора. Сущность изобретения: смеситель содержит вертикальный корпус 1, в котором размещена мешалка. Мешалка включает вал 5 и размещенные по высоте перемешивающие органы, выполненные из периферийных 7 и центральных 6 лопастей, разделенных перегородками 8. Все перегородки последовательно объединены непрерывной спиральюной лентой 9. При вращении мешалки лопасти с перегородками утапливают порошкообразный мономер за счет создания интенсивных потоков, а спиральная лента сообщает вязкому раствору осевую циркуляцию. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СМЕСИТЕЛЬ, включающий корпус с установленной в нем мешалкой, содержащей вал с размещенными по высоте перемешивающими органами, каждый из которых выполнен из центральной и периферийной лопастей, наклоненных в противоположные стороны и разделенных перегородками, отличающийся тем, что перегородки объединены непрерывной спиральной лентой. 2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что в проекции на плоскость, перпендикулярную к оси вала мешалки, спиральная лента имеет вид окружности.