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聚丙烯是全球第二大通用合成树脂。近年来,随着中国聚丙烯新增产能的不断释放,聚丙烯行业面临供需失衡的局面,中低端产品竞争激烈,而以高抗冲共聚聚丙烯、高熔体强度聚丙烯、茂金属聚丙烯等为代表的高端产品仍严重依赖进口,是聚丙烯产品高性能化的重点开发方向。其中,抗冲共聚聚丙烯是以丙烯均聚物为基体,在其颗粒孔隙内嵌入乙烯-丙烯无规共聚物、乙烯-丙烯多嵌段共聚物等分散相的高分子合金。抗冲共聚聚丙烯具有良好的韧性以及抗冲击性能,被广泛应用于汽车、家电、管材等领域。如何进一步提高抗冲共聚聚丙烯中乙烯-丙烯无规共聚物的含量,同时获得分布均匀的橡胶相是当前的研究热点之一,具有重要的科学意义和实际应用价值。在诸多聚丙烯生产工艺中,Innovene工艺和Horizone工艺均采用两台结构独特的卧式搅拌床反应器串联生产的模式,在床层中产生接近平推流的流动状态,使不同聚丙烯颗粒在反应器内拥有相近的停留时间,有利于提高产品中橡胶相含量的均匀性。然而,该类工艺仍存在一定的共性问题,当两个卧式搅拌床反应器串联操作生产抗冲共聚丙烯时,生产均聚物的第一反应器存在返混量较大、部分颗粒停留时间较长的问题,生产抗冲共聚物的第二反应器存在高橡胶相含量聚丙烯颗粒发黏导致的团聚结块或黏附在搅拌器上影响物料流动的问题,直接影响装置的长周期运行稳定性和产品质量,也限制了抗冲共聚聚丙烯中橡胶相含量的进一步提升。针对上述问题,本论文以聚丙烯卧式搅拌床反应器作为研究对象,根据第一反应器和第二反应器对搅拌器混合能力的不同要求,对工业用T型桨和门桨的桨叶结构进行改进,通过对单组桨、双组桨和多组桨的系统性实验,考察搅拌桨叶结构及其组合方式对聚丙烯颗粒混合特性及停留时间分布的影响规律,期望获得优选的搅拌桨叶结构,开发新型的卧式搅拌器,提高其混合性能。同时,通过测量不同搅拌器的启动扭矩和稳定扭矩,结合对聚丙烯颗粒与搅拌桨之间相互作用的受力分析,建立卧式搅拌器扭矩的预测模型,期望为卧式搅拌床反应器的放大设计和电机选型提供依据。本论文的主要研究内容和结论如下:1.提出了减少T型桨叶片宽度以弱化轴向扩散、在门桨中设置斜叶桨以强化径向混合、保持叶片顶端结构不变以保持刮壁能力的桨叶结构优化思路,分别设计了四种不同叶片宽度的T型桨和四种不同结构的门桨。在卧式搅拌床反应器冷模实验装置中,采用磁性颗粒示踪-分区装填-取样分析方法,考察了不同结构的单组搅拌桨对聚丙烯颗粒径向混合和轴向混合的影响规律。研究结果表明,T型桨的径向混合和轴向混合能力均优于门桨,相同条件下T型桨的径向混合时间约为60s,而门桨的径向混合时间约为120s;随着叶片宽度的减小,T型桨的径向混合能力和轴向混合能力均降低,当叶片宽度减少至40 mm时综合性能最优;与其它门桨相比,带两片135°斜叶的门桨则具有更强的轴向混合能力,带2片45°斜叶的门桨的径向混合能力最好,性能综合性能最优。2.对比了双组搅拌桨和单组搅拌桨的径向混合与轴向扩散能力,结果表明,双组T型桨相较于单组T型桨强化了床层表面物料的径向混合,对床层内部物料的径向混合程度影响不大,且并未改变截面上的轴向扩散量。双组门桨相较于单组门桨可以强化床层内部物料的径向混合,但不改变床层表面物料的径向混合效果。进一步构建了全T型桨组合、全门桨组合、T型桨+门桨组合等三类共六种由多组搅拌桨组成的卧式搅拌器,考察其对聚丙烯颗粒停留时间分布的影响,通过多级全混釜串联模型计算全混釜数N值来表征物料流趋于平推流的程度。结果表明,全混釜数N值的排序为:T型桨+门桨组合＜全T型桨组合＜全门桨组合。全门桨搅拌器可以使卧式搅拌床反应器中的物料流动状态更趋向于平推流,而T型桨+门桨组合而成的搅拌器使物料流动状态更接近全混流,不适用于卧式搅拌床反应器。实验确定了优选的组合桨搅拌器为:由24组宽度为40mm的T型桨组成的全T型桨搅拌器,由12组带2片45°斜叶的门桨组成的全门桨搅拌器。3.通过测量并分析搅拌过程中的扭矩信号变化,揭示了操作条件和搅拌器结构对启动扭矩和稳定扭矩的影响规律,并基于搅拌桨受力分析建立了卧式搅拌器扭矩的预测模型。结果表明,T型桨的启动扭矩和稳定扭矩均随叶片宽度的降低而减小,在高加料系数下叶片宽度基本不影响启动扭矩和稳定扭矩的比值。随着斜叶数量的增加,门桨启动扭矩明显下降,稳定扭矩随叶片在运动方向上的投影面积增加而增加。对于不同类型的搅拌桨,T型桨和门桨在高加料系数下的稳定扭矩接近,但T型桨由于叶片载料面积更大,启动扭矩和稳定扭矩振幅高于门桨。T型桨的启动扭矩与稳定扭矩比值在1.6-1.8之间,而门桨的比值在1.4-1.5之间。当增加搅拌桨组数后,双组搅拌桨的启动扭矩均低于相同结构的单组搅拌桨。相比双组门桨,双组T型桨在稳定状态下的相互作用对稳定扭矩的降低效果更明显。建立了卧式搅拌器的扭矩预测模型,通过对叶片的各受力来源进行分析计算了搅拌过程中的扭矩变化,发现了扭矩的主要来源为叶片表面楔形物料与床层内部的剪切阻力以及叶片上方床层的重力。通过相同条件下的实验结果对模型进行了验证,相对偏差±20%,该模型可以计算不同操作条件下卧式搅拌器的稳定扭矩,为电机选型提供依据。