凭借静态混合器强化管内高粘物系混合和传热，管式反应器可望在聚合工业中获得更广泛应用。 集高温、高真空和高粘度三项严峻条件于一身，高粘流体脱挥器至今仍是聚合工业中最棘手的难题之一。
本文将介绍新型管式反应器和新型高粘流体脱挥器，冀望推动聚合工业技术进步。管式反应器
早在上世纪80年代，瑞士联邦工艺研究所即完成了苯乙烯管式本体聚合反应器的中试研究，该装置用环管作预聚反应器，转化率为60%，后接管式后聚反应器，转化率为96%，所有管中都装有Sulzer SMX型静态混合器，产品分子量达36万，分布符合商品要求，能耗低于搅拌反应器(1)。据报道，日本及欧洲均有苯乙烯管式本体聚合反应器投入工业运行。人们有理由相信，装有静态混合器的管式反应器将在聚合工业中获更广泛应用。
理想型管式反应器应具以下条件：
1.物料停留时间分布集中，尤其要彻底消除死角，避免物料超常时间停滞； 2.径向充分混合，消除温度梯度；
3.传热系数高；
4.阻力低
从流体力学可知，层流条件下管内流速沿径向呈抛物线分布，中心处流速为全管平均流速的2倍，接近管壁环隙区域流速大大低于平均流速，贴管壁处流速则为零。进一步计算显示，有1%的物料在管内停留时间为平均值的10倍，有0.01%的物料停留时间为平均值的100倍。超常时间停滞的物料虽然量少，但对聚合物品质影响甚大。(2)从传热学知，层流情况下，热量传递主要靠传导，聚合物料导热系数很小，传热阻力甚大。对流传热亦存在层流底层，减小层流底层厚度是强化对流传热的主要途径之管式静态混合器
一(3)。据此推论，为满足理想型管式反应器上述4项条件，最有效的方法是使管中心区和周边区物料交替换位，而且周边区物料必须携带其全部边界层进入中心区。同时，中心区和周边区物料换位过程，应伴随分割——位移——汇合循环发生。
静态混合器是管式聚合反应器的技术核心。十分遗憾，迄今为止，无论是SMX还是其它任何形式的静态混合器都不具备上述换位功能，尤其缺乏彻底剥离边界层的能力，无法满足理想型静态混合器条件。
笔者和施景云女士共同发明了名为立交盘的静态混合器，其结构如图(1)所示。立交盘设若干相间的周边至中心和中心至周边的独立通道，引导中心区和周边区物料交叉换位，绝无死角；换位过程，物料经历分割——位移——汇合，获充分混合，边界层被强制彻底剥离进入中心区。
图(1)立交盘结构图图(2)立交盘剥离边界层效果图。
如图(2)显示，立交盘剥离边界层效果：流体由右侧流入，周边是红棕糖浆，中央是无透明糖浆，经过一块立交盘后，红棕糖浆被置换至中心区，透明糖浆则进入周边区。
立交盘巧妙地完成了中心区和周边区流体交替换位，有效地消除了由径向速度梯度造成的停留时间差异，保证了聚合管内物料停留时间均衡。每次换位过程，边界层被强制彻底剥离后进入中心区，避免了物料超长时间停滞影响聚合物品质，且显著提高管内侧的传热系数。根据CFD模拟计算，相同雷诺数Re和普兰特数Pr条件下，立交盘努塞尔数Nu比SMX高20%，传热能力更强，但其阻力比SMX低80%。
显然，立交盘可满足理想型管式聚合反应器的全部四项条件，可望成为一种高性能新型管式聚合反应器，不仅可应用于聚苯乙烯、尼龙6等慢速聚合反应，还可取代双螺杆用于聚氨酯、聚甲醛等快速聚合反应。
除管道反应器外，立交盘用作聚合物热交换器和多组分聚合物混合或添加剂混合
器亦拥有明显竞争优势。
高粘流体脱挥器
聚合工业中，缩聚后期须从高粘物系中不断脱除缩合反应生成的小分子产物以打破反应平衡，进一步增大分子量。聚合后期须从高粘物系中脱除未转化单体以保证聚合物品质，两者都涉及高粘流体脱挥器。
一台理想型高粘流体脱挥器应具备以下条件：
1.拥有尽可能大的脱挥界面，全部物料均处薄膜状态，避免液层深处静压头负
面影响；
2.流体在脱挥器内呈平推流动，避免返混，特别要杜绝死区；
3.脱挥界面及时更新；
4.可根据工艺要求控制脱挥器内物料停滞时间；
5.脱挥器内可向物料补加热量；
6.杜绝漏气隐患；
7.结构简单，制造维修运行成本低。
目前，聚合工业中运行的脱挥器主要型式有五种：
1.闪蒸装置；
2.薄膜蒸发器，包括流下液膜式和搅拌成膜式；
3.流下液滴柱、液滴蒸发装置；
4.表面更新型蒸发装置（如单轴或双轴式搅拌机）；
5.挤出型蒸发装置（排气螺杆挤出机）。(4)
对照上述理想型高粘流体脱挥器7项条件，现有各种脱挥器或者脱挥面积不足，或者缺乏膜面更新，或者无法控制停留时间，或者结构复杂，或者补热困难，综合评价均与理想型脱挥器相距颇远。
笔者长期从事PET反应器研究，发明了一种栅缝降膜式脱挥器，在PET中试装置中取得了很好效果。
栅缝降膜脱挥器包括塔体和塔芯，塔体功能是提供脱挥所需的温度和压力环境，塔芯功能则是保证物料成膜并有效更新膜面。待脱挥物料进塔后，凭重力自上而下顺序通过塔芯多层栅条缝隙沿导流丝或网呈膜状降落，形成巨大的脱挥界面，相邻两层栅条方向交互垂直，膜面充分更新。从膜面蒸出的气体沿相邻两膜间通道流向塔体和塔芯间弓形区域向上汇集，从塔顶抽出。
图(3)是栅缝降膜脱挥塔结构示意图，图(4)是物料在栅缝降膜脱挥塔塔芯流动的模拟试验照片。
图(3) 栅缝降膜结构图 图(4) 物料流过塔芯模拟实验照片
栅缝降膜脱挥用于PET 中试流程及结果见图(5)。
图(5) PET 中试流程及结果
PET 装置栅缝降膜塔中试生产
聚酯切片
IV 0.47
sb 160ppm 干燥、 螺杆挤压机熔融 PET 熔体 IV 0.45 聚酯条带 IV 0.82
小型生产试验
a. 栅缝降膜塔芯高H=4000mm
b. 试验规模：10kg/hr ；125kg/hr
c. 流程及工艺参数
T=285, P=100~150Pa τ=30min 栅缝降膜
试验显示，栅缝降膜脱挥器比现行搅拌拉膜卧式聚酯终缩聚釜聚合速度更快，能获得卧式釜无法生产的高粘聚酯产品。
栅缝降膜脱挥器具有以下特点：
1.成膜效率达100%，膜厚均匀，单位体积液体拥有的脱挥膜面积大，全部液
体均呈薄膜态；
2.无返混，无死区，理想平推流动；
3.膜面更新充分；
4.可通过层高及丝距控制膜厚，从而根据工艺要求控制脱挥器内停留时间
5.便于脱挥器内补加热量；
6.无动密封，静密封处加唇焊，根本杜绝漏气可能；
7.结构较简单，制造、维修、运行成本较低。
显然，栅缝降膜脱挥器充分涵盖了理想型高粘流体脱挥器的全部条件，可望成为新一代高效脱挥器。
栅缝降膜脱挥器使用液体范围为0.2~2×106mPa·s.除高粘流体脱挥外，在中粘流体脱挥及低粘液体吸收、解吸、精馏操作亦有明显竞争优势。
结论
立交盘及栅缝降膜技术均已获国家发明专利授权，并已申请国际专利(5)。利用立交盘技术创立新型管式反应器，应用栅缝降膜技术创立新型高效脱挥器，两者结合，有望创立我国拥有自主知识产权的新型聚合装置。我们愿和聚合界同仁共同为之奋斗。
参考文献：
1.王凯、孙建中，工业聚合反应装置，中国化学出版社，P251
2.刘兆彦，聚酯工业，2005.09
3.化工原理，清华大学出版社，上册，P426~428
4.王凯、孙建中，工业聚合反应装置，中国化学出版社，P274
5.授权专利ZL03156612.9“一种管、筒或塔内构件立交盘”、PCT/CN2004/001002；
通知批准专利(ZL)0310103802.7“一种栅缝降膜脱挥塔”、PCT/CN2004/001194
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