气泡辅助混合技术提升SAN 聚合反应效率的机理研究

引言

SAN 树脂作为广泛应用的高分子材料，其聚合反应效率与产品性能受反应釜混合效果直接影响。传统SAN聚合反应釜常因混合机制局限，面临原料混合不均、内壁易粘结等问题，制约生产效能。基于气泡辅助混合技术的SAN 聚合反应釜，通过创新机构设计优化混合与清理环节，相关技术原理与实施细节的剖析，可为突破传统设备瓶颈、提升聚合工艺水平提供重要参考。

一、SAN 聚合反应釜传统混合方式存在的问题

（一）单一搅拌机构导致原料混合均匀性不足

传统 SAN 聚合反应釜普遍采用单一机械搅拌机构（如锚式、桨式搅拌桨）实现原料混合，该类搅拌机构多为固定转速设计，且搅拌区域集中于釜体中部或局部区域，无法形成全釜范围内的高效物料循环。从混合动力学角度分析，SAN 聚合反应原料多为苯乙烯（St）与丙烯腈（AN）的混合体系，二者在常温下密度存在 0.03-0.05g/cm³ 的差异，单一搅拌机构产生的剪切力与轴向循环能力有限，难以有效克服原料间的密度差与粘度阻力，易导致釜体内出现“死区”——即原料在釜体底部、顶部及内壁附近形成局部滞留区域，该区域内原料流速低于 0.1m/s ，远低于有效混合所需的 0.3m/s 最低流速标准，造成St 与AN 无法充分接触，反应界面仅局限于搅拌作用覆盖的局部区域，直接影响聚合反应的引发效率与链增长均匀性，进而导致反应周期延长，且产品中易出现未反应单体残留量超标的问题。

（二）缺乏实时内壁清理机制导致反应体系污染

传统 SAN 聚合反应釜未设置与反应过程同步的内壁清理机构，而SAN 聚合反应为放热反应，反应过程中生成的 SAN 共聚物分子链易因釜体内壁局部温度波动（如靠近夹套区域温度偏差 ±2% ）而发生吸附与粘结。根据聚合反应釜内壁粘结特性研究，当反应进行 1-2h 后，内壁粘结的 SAN 共聚物厚度可达 0.5-2mm ，且该粘结层会随反应时间延长而持续累积。一方面，累积的粘结层会占用釜体有效反应容积，以10m³ 传统反应釜为例，当内壁粘结层厚度达到 1mm 时，有效反应容积会减少约 0.06m³ ，导致实际投料量与设计投料量出现偏差，影响反应体系浓度控制；另一方面，粘结层在后续反应过程中易发生局部脱落，脱落的块状共聚物会进入反应体系，不仅可能堵塞反应釜底部的排料阀口，还会与新投入的原料发生非均相反应，改变反应体系的自由基浓度分布，导致产品的相对分子质量分布宽度从 1.8-2.2 扩大至 2.5-3.0，严重影响SAN 树脂的加工流动性与冲击强度。

（三）搅拌与反应条件协同性差导致反应效率低下

传统 SAN 聚合反应釜的搅拌机构与反应温度、压力等工艺条件缺乏协同控制机制，搅拌速率无法根据反应进程动态调整，且未考虑反应过程中原料粘度变化对搅拌效果的影响。SAN 聚合反应过程中，随着反应转化率从 0% 提升至 60%-70% ，反应体系粘度会从初始的 0.001Pa ·s 增至 0.1-0.5Pa^⋅s ，而传统搅拌机构的固定转速设计（多为 50-150r/Ω min），在反应初期无法提供足够的剪切力以促进原料分散，在反应后期又因转速过高导致能耗浪费，同时易产生局部过热现象 [1]。此外，传统反应釜未设置气体辅助混合结构，无法通过气体扰动强化原料对流，仅依赖搅拌桨的机械作用，使得原料混合所需时间长达 30-60min ，相较于高效混合需求存在显著差距，直接导致聚合反应的整体周期延长，设备单位时间产能降低，难以满足大规模工业化生产对效率的要求。

二、基于气泡辅助混合技术的 SAN 聚合反应釜优化设计与实施策略

（一）自启式气泡发生机构的构建

在反应釜主箱体两侧对称固定 2 组固定筒，固定筒内径设为 50-80mm ，其内部滑动连接适配的活塞，活塞行程控制在 100-150mm ，且固定筒靠近主箱体一侧的腔内设置带第一弹簧的第一密封塞，第一弹簧弹性系数选用 20-30N/m ，确保密封塞具备稳定的复位能力。固定筒通过内径 20-30mm 的连接管与主箱体内的出气口相连，出气口沿连接管轴向等间距分布，间距设为 80-120mm ，每个出气口处均装配第二弹簧、第二密封塞及分隔网，其中第二弹簧弹性系数为 15-25N/m ，分隔网选用孔径 0.5-1mm 的不锈钢网，形成“固定筒 - 连接管 - 出气口”的气体输送路径与双重自启式密封结构 [2]。当功率为 0.75-1.5kW 的电机带动旋转轴及轴上凸轮转动时，凸轮转速与旋转轴保持一致，凸轮通过外周开设的环形凹槽与活塞上“L”型凸杆（末端弧形结构曲率半径为 10-15mm ）形成滑动配合，驱动活塞在固定筒内以 10-15 次 /min 的频率有序左右移动；活塞伸出固定筒时，固定筒内形成负压，气压差推动第一密封塞打开，外部气体以 0.2-0.3m³/min 的速率进入固定筒；活塞缩入固定筒时，固定筒内气压升至 0.15-0.2MPa ，第一密封塞在第一弹簧弹力作用下封闭，气体通过连接管输送至出气口，气压克服第二弹簧弹力推动第二密封塞打开，气体注入原料中形成气泡，分隔网将气泡分散为直径 0.1-0.3mm 的微小气泡，提升气泡与原料的接触面积。箱体如图：

图：SAN 聚合反应釜箱体

（二）气泡辅助与搅拌联动的混合强化

将搅拌杆沿旋转轴轴向等间距固定，搅拌杆数量设为 4-6 根，相邻搅拌杆间距为 150-200mm ，搅拌杆长度适配主箱体内径，确保其旋转时与主箱体内壁间距控制在 20-30mm 电机驱动旋转轴以 60-100r/min 的转速转动时，旋转轴同步带动搅拌杆与凸轮转动，搅拌杆对主箱体内原料形成径向剪切与轴向循环作用，推动原料以 0.4-0.6m/s 的流速在釜内流动。自启式气泡发生机构注入的微小气泡随原料流动扩散，搅拌杆旋转产生的剪切力促使气泡在原料中快速分散，同时使气泡以 500-800次 /s 的频率不断破裂；气泡破裂瞬间在原料内部形成局部湍流，湍流区域流速提升至 0.8-1.0m/s ，打破原料因密度差与粘度形成的稳定流动状态，加速苯乙烯与丙烯腈原料的相互渗透与碰撞，扩大反应接触界面，形成“气泡注入 - 搅拌分散 - 气泡破裂 - 湍流强化”的联动混合模式，为SAN 聚合反应提供均匀的物料分布环境。

（三）与气泡发生联动的内壁清理机构设计

在主箱体内沿轴向对称设置 2 根螺纹杆，螺纹杆直径设为 30-40mm ，其两端通过深沟球轴承与主箱体上下端盖连接，确保螺纹杆可稳定转动。螺纹杆上沿轴向等间距螺纹连接 3-4 块刮板，刮板采用耐磨不锈钢材质，厚度为 5-8mm ，刮板外侧与主箱体内壁滑动贴合，贴合间隙控制在 0.5-1mm ，且螺纹杆靠近活塞一侧的轴段固定传动齿轮，齿轮模数设为 2-3，齿数为 20-30 。活塞靠近螺纹杆一侧对称固定 2 根凸齿杆，凸齿杆齿形与齿轮适配，齿距与齿轮保持一致，形成啮合传动结构 [3]。当活塞在固定筒内左右移动时，凸齿杆随活塞同步做往复直线运动，通过与齿轮的啮合传动，带动螺纹杆以 30-50r/min 的转速正反交替转动；螺纹杆转动时，利用螺纹传动的螺旋升角效应（螺旋升角设为8° -12°），将旋转运动转化为刮板的轴向直线运动，驱动刮板沿主箱体内壁以 5-8mm/s 的速度上下滑动，刮板在滑动过程中对内壁粘结的反应产物形成持续刮除作用，避免产物在壁面累积，确保主箱体有效反应容积稳定，同时防止残留产物进入反应体系干扰反应进程，实现反应过程中内壁的实时清洁。

结语

SAN 聚合反应釜的技术优化对提升树脂生产效能至关重要。依托气泡辅助混合技术，通过构建自启式气泡发生机构、气泡 - 搅拌联动混合机制及联动式内壁清理机构，有效改善传统设备混合不均、内壁易粘结的问题，为聚合反应创造稳定高效的环境，对推动SAN 聚合设备升级、适配规模化生产需求具有实践意义，也为同类高分子聚合设备创新提供参考方向。

参考文献

[1] 李纯婷 ， 范文彬 ， 杜丽君 . 种子乳液聚合制备 SAN/PTFE 复合粒子影响因素的研究 [J]. 有机氟工业 ，2024，（04）： 1-6+12 .

[2] 翟云芳 ， 燕鹏华 ， 魏绪玲 . 接枝聚合对 ABS 树脂性能影响的技术研究 [J]. 塑料工业 ，2022，50（S1）：49-52.

[3] 田洪源 .5R-1301 高性能 SAN 树脂反应釜设计与研究 [D]. 中国石油大学 （ 华东 ），2020.