塔式移动床反应器及其应用 【技术领域】
本发明涉及一种塔式移动床反应器及其应用，尤其是涉及颗粒状物料进行固相缩合反应所采用的带有内构件的塔式移动床反应器，以及该类型反应器在聚酯、聚酰胺、聚乳酸等类型高分子聚合物进行固相缩聚工艺过程中的具体应用。技术背景
固相缩合是物质分子与分子之间的一种反应形式，在提高聚合物分子量方面有着非常重要的应用，例如聚酯、聚酰胺、聚乳酸等高分子聚合物需要增加粘度时，可以将熔融状态下反应得到的中间产品制成颗粒状，然后进行固相缩聚。该方法尤其适用于由一种二元酸与二元醇进行缩聚反应生成相应的聚酯化合物，如：聚对苯二甲酸乙二酯(简称PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(简称PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(简称PTT)、聚萘二甲酸乙二酯(简称PEN)等聚合物及其改性聚合物。在固相缩聚过程中，一般由结晶器和反应器串联完成，其中反应器是重点，可以设一台或多台。
一台理想的固相缩聚反应器应当满足以下要求：
1.反应器内具有均匀的气固接触状态，以保证反应生成的小分子能够迅速地从固体粒料中脱除，否则会导致反应速率降低，使设备生产能力降低，产品质量恶化；
2.反应器内结构能使物料保持柱塞流，否则会产生物料返混而降低产品质量；
3.反应器内的通道不能有死角，缩聚物长时间滞留在死角内会受热降解，使质量下降；
4.反应器的结构既要满足反应要求，又要简单，便于制造、安装和维修。
目前聚酯生产线经常使用的固相缩聚反应器有卧式搅拌釜和塔式反应器，其中塔式反应器有些不设内构件，有些设有几层竖直导向地内构件。实际使用表明，这些固相缩聚反应器存在一些弊端，主要表现在：
1.卧式搅拌釜的搅拌器边缘与釜内壁之间不可避免地留有间隙，使得釜底存在滞留边界层，该处物料在釜内停留时间长，严重时产生死角。
2.带搅拌的卧式釜由于剪切挤压作用，易产生聚合物粉尘，而且其安装、维修的要求较高。
3.普通塔式反应器底部的物料要承受上部很高物料的压力，容易产生物料粘结，使生产不能正常进行。
4.不带内构件和带有普通竖直方向导向的内构件，这些塔式反应器内部均存在较大的径向温度梯度，物料的反应停留时间差异也较大。这样，物料的反应条件不一致，导致最终产品的分子量分布较宽，甚至引起产品质量波动。发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的上述缺陷，提供一种径向均匀混合、适合颗粒状物料进行固相缩聚的塔式移动床反应器，以及该反应器在聚酯、聚酰胺、聚乳酸等行业内的具体应用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种塔式移动床反应器，反应器主体是塔体和锥底，塔体的横截面形状可以是圆形、正方形或者其它正多边形，反应器顶部设有开口供固体反应物进入反应器和反应后的混合气体离开反应器，锥底下面设有开口供固体反应产物离开反应器，塔内设有多层内构件，至少在一层内构件上设有倾斜方向的导流斜板。
上述塔式移动床反应器在颗粒状固体物料缩合反应中的应用。
本发明的目的还可以通过以下技术方案来进一步实现：
前述的塔式移动床反应器，其中所述的设有导流斜板的内构件层分为两个或两个以上区域，每个区域内的导流斜板相互平行。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的上下各层内构件的垂直方向对应区域错位布置，单层各区域的导流斜板的倾斜方向依顺时针或逆时针方向相互衔接。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的导流斜板与水平方向的倾斜角度α为：20度≤α＜90度；导流斜板的中心垂直高度H为：100mm≤H≤1000mm，同一层上每块导流斜板垂直高度相同或不同，其顶部安装在同一水平面上，而底部按平面、曲面或者锥面方式排布；同一区域内相邻导流斜板之间的缝隙宽度W为：50mm≤W≤500mm；上下层内构件顶部之间的垂直距离L与圆柱形移动床反应器的内直径或者矩形床的特征长度D之比为：0.5≤L/D≤5。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的设有导流斜板的内构件层分为两个区域，两个区域内的导流斜板与水平方向的倾斜角度α相同，而倾斜方向相反。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的设有导流斜板的内构件层分为四个或四个以上区域，相邻区域之间导流斜板的倾斜方向相互垂直，在相邻4个区域的交接中心设置导流锥体，该锥体是圆锥或者四方锥的实体或虚体。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的单层内构件优选采用2个或4个区域；所述的导流斜板与水平方向的倾斜角度α优选50度～80度；上下层内构件顶部之间的垂直距离L和同一区域内相邻导流斜板之间的缝隙宽度W均优选沿垂直方向自上而下逐渐增大。
前述的塔式移动床反应器，其中所述的导流斜板的上下边缘均设有倒角。
所述的塔式移动床反应器在颗粒状固体物料缩合反应中的应用，其中所述的颗粒状固体物料是聚酯、聚酰胺或聚乳酸，所述的缩合反应是发生在该颗粒状固体物料内部的缩聚反应，所述的混合气体是反应条件下的惰性介质气体氮气和反应产生的小分子气体。
与现有技术相比，采用本发明技术方案可以起到以下有益效果：
1.基本保证固体物料的轴向柱塞流动、不会降低反应器的有效容积；
2.设置内构件减少了物料返混，狭缝能有效破坏滞留边界层，减少物料在反应器顶部与底部的流动差异，使塔内物料流动接近理想的活塞流；
3.导流斜板能使物料实现部分径向混合，沿着内构件呈螺旋式向下流动，从而有效解决了径向温度梯度，任一物料质点在反应器内的温度经历基本相同，停留时间分布也得到较大改善，最终产品的质量同比优于其它类型反应器；
4.内构件层上的导流板带有一定倾斜角度，能更好地降低反应器内的装料压力。而且，内构件易于制造、加工和安装，维修方便。附图说明
图1是本发明塔式移动床主体结构及各种内构件层结构示意图。
图2是图1中沿A-A方向剖视图，即为将内构件层分成两个区域情况下的导流斜板排布图。
图3是图2的B-B方向剖视图。
图4是图2的C-C方向剖视图。
图5是本发明将内构件层分成四个区域情况下导流斜板呈顺时针排布示意图。
图6是本发明将内构件层分成四个区域情况下导流斜板呈逆时针排布示意图。
图7是本发明将内构件层分成八个区域情况下的导流斜板排布示意图。
图8是本发明采用方形塔、内构件层分为四个区域、导流斜板呈顺时针排布的示意图。
图9是本发明的圆形导流锥结构示意图。
图10是本发明的方形导流锥结构示意图。
图中各附图标记含义见下表：代号含义 代号含义1塔体 2锥底3反应器顶部开口 4反应器底部开口5内构件层 5a底部为平面的内构件层5b底部为曲面的内构件层 5c底部为锥面的内构件层6导流斜板 7导流锥体 7a导流锥实体 7b导流锥虚体 L上下层内构件顶部之间的垂直距离 D移动床反应器的内直径或者矩形床的特征长度 H导流斜板的中心垂直高度 W同一区域内相邻导流斜板之间的缝隙宽度 α导流斜板与水平方向的倾斜角度 备注图2和图3中，导流斜板区域内的箭头表示物料在该内构件层上的流动方向。具体实施方式
以下结合附图对本发明的目的、优点和特点作进一步详细说明。所给出的是优先实施例，图示和解释并不构成对本发明权利要求的一种限制。
实施例一：
如图1所示塔式移动床反应器，塔体1做成圆柱形，内直径D为3200mm，高为32m，锥底2采用常规设计，塔的上、下两端分别设有开口3和4。塔体1的内部设有10层内构件5，每层之间的间距L自上而下从500mm到2000mm逐渐增大。前2层全部设导流斜板6，每层分为四个区域，相邻区域之间相互垂直排布，正中心位置设置一只圆锥形导流锥实体7a或者是凹向下的虚体[7b]；各区域内导流斜板6之间的缝隙宽度W为160～320mm，导流斜板6的中心垂直高度H为500～800mm，导流斜板倾斜角度α为60度。中间6层全部设导流斜板6，每层分为两个区域，两个区域内导流斜板6的倾斜角度相同、方向正好相反，其中：W为160～320mm，H为500～800mm，α为70度。上述导流斜板6的上下边缘均设有倒角。最下面2层内构件5上α为90度，即不再设置倾斜方向的导流板。安装时，上面8层内构件的各个区域内导流斜板6的倾斜方向之间的配合，以及上下层之间的衔接关系，是使反应器工作时固体物料呈顺时针向下螺旋式连续流动。
实施例二：
以特性粘度在0.64dl/g左右的常规PET聚酯切片为原料，用实施例一所述塔式移动床反应器进行固相缩聚，生产可用于制造饮料瓶的高聚合度聚酯。原料切片经干燥、预热、结晶等工序后，从反应器上端开口3进入反应器进行固相缩聚。该阶段反应温度为210℃，反应体系采用高纯度氮气作为惰性气氛。氮气从反应器底部进入，从开口3流出，不断流动置换，带走固相缩聚反应生成的乙二醇、水等小分子。流出固相缩聚反应体系的氮气经净化处理后可循环使用。工作时原料切片自上而下顺着塔体1下落，经过内构件5上设置的导流斜板6的作用，呈顺时针螺旋状连续下滑，边流动边反应，最后到达锥底2，从开口4排出，从而得到特性粘度为0.875dl/g左右的高聚合度聚酯切片。
普通塔式反应器的中心处物料与靠近塔壁的部分相比，停留时间短、温度低，采用本发明技术方案以后，固体物料在径向实现部分混合，使这两个问题得到有效解决。而且，通过相邻的不同内构件层上的导流斜板倾斜方向变化，可使流体在径向发生分流、合流、旋转，达到良好的混合效果。
本发明的塔式移动床反应器，能耗低、效率高、投资少。物料的停留时间特性可以通过以下途径进行调节：不同层采用不同构型内构件进行分区、每层内构件上导流斜板的高度变化、导流斜板的缝隙宽度变化、导流斜板的倾斜角度变化、导流斜板的设置层数以及每层上设置的数量变化、上下层及同层内各个区域导流斜板安装方向之间的配合等等。试验表明，为改变物料在塔内的停留时间特性和径向混合特性，可加大导流斜板缝隙宽度W，亦可考虑逐渐减小导流斜板倾斜角度α。