一種丙交酯合成和純化裝置及其方法與流程
2023-07-21 06:48:23
1.本發明涉及丙交酯合成領域，特別是一種丙交酯合成和純化裝置及其方法
背景技術：
2.聚乳酸是以乳酸為原料聚合而成的可生物降解材料，具有良好的力學性能和生物相容性，其無毒，無汙染，廢棄後可在自然環境中直接降解為水和二氧化碳。聚乳酸已成為應用最廣泛的主流可降解塑料產品，可應用於一次性餐具、食品包裝、醫療、日用品等行業。聚乳酸的製備一般有兩種方法，分別是直接縮聚法和丙交酯開環聚合法。
3.然而，直接縮聚法由於無法及時排除副產物水，以致所得的聚乳酸分子量難得到有效的提升，降低產物性能。丙交酯開環聚合法為聚乳酸合成的主流方法，也稱兩步法，先將乳酸縮聚脫水生成乳酸低聚物，然後使低聚物解聚生成丙交酯，再由丙交酯開環聚合成高分子量的聚乳酸。聚乳酸合成兩步法中的核心技術在於丙交酯的合成與純化。
技術實現要素：
4.為了克服現有技術的上述缺點，本發明的目的是提供一種丙交酯合成和純化裝置及其方法，以解決上述問題。
5.本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
6.一種丙交酯合成和純化裝置，其中，所述裝置包括第一反應釜、第二反應釜、主冷凝器、副冷凝器、蒸發器、結晶器和低溫真空乾燥器；所述第一反應釜的底部與所述第二反應釜連接，所述第二反應釜的頂部與所述主冷凝器連接，所述主冷凝器的頂部與所述副冷凝器連接，所述副冷凝器的頂部連接真空裝置，所述主冷凝器的底部通過第一傳動螺杆所述蒸發器連接，所述蒸發器的頂部與所述結晶器連接，所述結晶器的底部通過第二傳動螺杆與所述低溫真空乾燥器連接。
7.作為本發明的進一步改進：所述第一反應釜內設置有第一攪拌裝置，所述第一反應釜的頂部設置有第一加料口和分水器，所述第一反應釜的外側設置有第一循環控制熱源，所述第一反應釜與所述第二反應釜的連接處設置有放料閥。
8.作為本發明的進一步改進：所述第二反應釜內設置有第二攪拌裝置，所述第二反應釜的頂部設置有第二加料口，所述第二反應釜的外側設置有第二循環控制熱源，所述第二反應釜與所述主冷凝器的連接處設置有閥門。
9.作為本發明的進一步改進：設置多個依次連接的副冷凝器，所述主冷凝器與所述多個依次連接的副冷凝器的一端連接，所述多個依次連接的副冷凝器的另一端連接真空裝置，所述主冷凝器和所述副冷凝器內均設置有刮刷，所述主冷凝器和所述副冷凝器的外側均設置有冷卻介質。
10.作為本發明的進一步改進：所述蒸發器內設置有熱源，所述結晶器的外側設置有冷卻介質。
11.一種丙交酯合成和純化方法，其中，應用任意一項所述的一種丙交酯合成和純化
裝置，還包括原料和催化劑；
12.s1：將原料和催化劑加入至第一反應釜中，升溫至120-130℃，進行攪拌脫水；
13.s2：充分脫水後，升溫至175℃，進行乳酸縮聚反應，得到乳酸低聚物；
14.s3：將所述乳酸低聚物加入第二反應釜中，升溫至240℃以上、真空度為0.1～5mmhg中進行攪拌，使乳酸低聚物快速解聚，得到氣態丙交酯；
15.s4：將氣態丙交酯加入主冷凝器中進行冷凝結晶得到粗丙交酯；
16.s5：將粗丙交酯加入蒸發器中，在160-160℃下蒸發，再進入結晶器進行冷卻，得到純化丙交酯。
17.作為本發明的進一步改進：所述原料為l-乳酸、d-乳酸或dl-乳酸中的一種。
18.作為本發明的進一步改進：所述催化劑為錫類化合物。
19.作為本發明的進一步改進：所述錫類化合物為氧化鋅、醋酸鋅、氧化錫、氧化亞錫、辛酸亞錫中的一種。
20.作為本發明的進一步改進：在步驟s4中，通過副冷凝器收集未能及時冷凝結晶的剩餘氣態丙交酯繼續進行冷凝結晶，得到剩餘的粗丙交酯，將剩餘的粗丙交酯繼續進行步驟s5。
21.與現有技術相比，本發明的有益效果是：
22.本發明將乳酸脫水、低聚物的合成與低聚物解聚這兩步分開兩個反應釜，減少前期小分子副產物對丙交酯分離的影響；在低聚物裂解生成丙交酯時，設計了保溫管道防止丙交酯蒸氣遇冷凝結在管壁上，同時將丙交酯在主冷凝器出口處設計成帶刮刷圓錐形結構，防止丙交酯蒸氣被真空抽走，同時防止在出口處凝結堆積；在主冷凝器後設計兩個副冷凝器，防止主冷凝器中丙交酯未完全冷凝被真空抽走堵塞管道；為進一步純化丙交酯，利用傳動螺杆將主冷凝器中的丙交酯傳動到蒸發器中，利用高溫蒸發丙交酯，進一步輸送到結晶器中，結晶後再利用傳動螺杆傳送到低溫真空乾燥器中儲存。
附圖說明
23.圖1為本發明的結構示意圖。
24.附圖標記說明：
25.本裝置主要設計了如下部分：1-第一反應釜；2-第二反應釜；3-主冷凝器；4-副冷凝器；5-蒸發器；6-結晶器；7-低溫真空乾燥器；8-第一傳動螺杆；9-第二傳動螺杆；10-真空裝置；11-第一攪拌裝置；12-第一加料口；13-分水器；14-第一循環控制熱源；15-放料閥；21-第二攪拌裝置；22-第二加料口；23-第二循環控制熱源；24-閥門；25-第二放料口；102-刮刷；103-冷卻介質；41-第三放料口；51-熱源。
具體實施方式
26.為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明具體實施例及相應的附圖對本發明技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。現結合附圖說明與實施例對本發明進一步說明：
27.實施例一：
28.本實施例提供如附圖1所示的一種丙交酯合成和純化裝置，其中，所述裝置包括第一反應釜1、第二反應釜2、主冷凝器3、副冷凝器4、蒸發器5、結晶器6和低溫真空乾燥器7；所述第一反應釜1的底部與所述第二反應釜2連接，所述第二反應釜2的頂部與所述主冷凝器3連接，所述主冷凝器3的頂部與所述副冷凝器4連接，所述副冷凝器4的頂部連接真空裝置10，所述主冷凝器3的底部通過第一傳動螺杆8所述蒸發器5連接，所述蒸發器5的頂部與所述結晶器6連接，所述結晶器6的底部通過第二傳動螺杆9與所述低溫真空乾燥器7連接。
29.對本實施例的第一反應釜1做進一步詳細描述，如附圖1所示，所述第一反應釜1內設置有第一攪拌裝置11，所述第一反應釜1的頂部設置有第一加料口12和分水器13，所述第一反應釜1的外側設置有第一循環控制熱源14，所述第一反應釜1與所述第二反應釜2的連接處設置有放料閥15。即放料閥15設置在第一反應釜1的底部，且設置在第一反應釜1與第二反應釜有2連接的管道之間，通過控制放料閥15的開閉來將第一反應釜1中的物質加入第二反應釜2中。分水器13用於收集反應時脫水分離出的水分，通過觀察分水器13中是否有水分分離出來判斷是否充分脫水，分水器13臨近滿水後，通過更換分水器13繼續進行收集水分。
30.對本實施例的第二反應釜2做進一步詳細描述，如附圖1所示，所述第二反應釜2內設置有第二攪拌裝置21，所述第二反應釜2的頂部設置有第二加料口22，所述第二反應釜2的外側設置有第二循環控制熱源23，所述第二反應釜2與所述主冷凝器3的連接處設置有閥門24。第二反應釜2與主冷凝器3之間通過管道連接，閥門24設置在管道上靠近主冷凝器3的一端，管道外側覆蓋設置有真空裝置101進行保溫。第二反應釜2的底部設置有第二放料口25，根據實際情況使用第二放料口25。
31.在本實施例中，所述第一循環控制熱源14和所述第二循環控制熱源23均連接加熱裝置，兩個熱源連接不同的加熱裝置進行不同的溫度控制。
32.為了進一步利用未能來得及冷卻結晶的氣態丙交酯，在本實施例中，如附圖1所示，設置多個依次連接的副冷凝器4，所述主冷凝器3與所述多個依次連接的副冷凝器4的一端連接，所述多個依次連接的副冷凝器4的另一端連接真空裝置10，所述主冷凝器3和所述副冷凝器4內均設置有刮刷102，所述主冷凝器3和所述副冷凝器4的外側均設置有冷卻介質103。在本實施例中，主冷凝器3與副冷凝器4、以及依次連接的副冷凝器4均通過管道連接，並均在管道外側覆蓋真空裝置101。其中，副冷凝器4的底部設置有第三放料口41，根據實際需要進行使用。依次連接最後一個副冷凝器4連接真空裝置10，真空裝置10用於營造所需的真空環境。
33.對本實施例的蒸發器5和結晶器6做進一步詳細描述，如附圖1所示，所述蒸發器5內設置有熱源51，所述結晶器6的外側設置有冷卻介質103。需要說明的是，主冷凝器3和副冷凝器4所設置的冷卻介質103，與結晶器6所設置的冷卻介質103，各自連接不同的製冷裝置，以便於根據不同的降溫溫度需求進行降溫。熱源51也單獨連接一個加熱裝置，便於單獨對蒸發器的溫度進行控制。
34.實施例二：
35.本實施例提供一種丙交酯合成和純化方法，其中，應用實施例一所述的一種丙交酯合成和純化裝置，還包括原料和催化劑；
36.s1：將原料和催化劑加入至第一反應釜1中，升溫至120-130℃，進行攪拌脫水；
37.s2：充分脫水後，升溫至175℃，進行乳酸縮聚反應，得到乳酸低聚物；
38.s3：將所述乳酸低聚物加入第二反應釜2中，升溫至240℃以上、真空度為0.1～5mmhg中進行攪拌，使乳酸低聚物快速解聚，得到氣態丙交酯；
39.s4：將氣態丙交酯加入主冷凝器3中進行冷凝結晶得到粗丙交酯；
40.s5：將粗丙交酯加入蒸發器5中，在160-160℃下蒸發，再進入結晶器6進行冷卻，得到純化丙交酯。
41.在本實施例中，所述原料為l-乳酸、d-乳酸或dl-乳酸中的一種。
42.在本實施例中，所述催化劑為錫類化合物。進一步的，所述錫類化合物為氧化鋅、醋酸鋅、氧化錫、氧化亞錫、辛酸亞錫中的一種。
43.進一步的，在步驟s4中，通過副冷凝器4收集未能及時冷凝結晶的剩餘氣態丙交酯繼續進行冷凝結晶，得到剩餘的粗丙交酯，將剩餘的粗丙交酯繼續進行步驟s5。
44.本發明的詳細描述：
45.首先打開第一加料口12，以l-乳酸、d-乳酸或dl-乳酸為原料，催化劑選自氧化鋅、醋酸鋅、氧化錫、氧化亞錫、辛酸亞錫等鋅、錫類化合物中的一種，加入至第一反應釜1中，加料完畢後，開啟第一攪拌裝置11與和第一控制循環熱源14的加熱裝置，加熱溫度120℃～130℃，進行脫水，待充分脫水後，分水器13無水分分離出，更換分水器13。然後升溫使第一反應釜1溫度至175℃，進行乳酸縮聚反應生成乳酸低聚物，充分反應至分水器13無水分生成，乳酸低聚物的產率為85-90％，此時體系黏度增大。打開放料閥15使乳酸低聚物進入第二反應釜2，開啟第二攪拌裝置21與和第二循環控制循環熱源23的加熱裝置，快速升溫至240℃以上，打開閥門24，設置真空度0.1～5mmhg,使乳酸低聚物快速解聚生成丙交酯。丙交酯在高溫及真空條件下為氣態，通過外包真空裝置10的管道進入主冷凝器3，主冷凝器3外有循環冷卻介質103，使丙交酯冷凝結晶，在主冷凝器3中可獲得85-95％的粗丙交酯，未能及時冷卻的丙交酯蒸氣進一步經過兩個副冷凝器4繼續冷凝，可防止在真空管道中冷凝堵塞真空,採用此裝置可以高效製備丙交酯。主冷凝器3中初步收集的丙交酯下沉底部後通過第一傳動螺杆8傳送到蒸發器5中，蒸發器5雙層壁內有循環熱源51，設置溫度為150～160℃，再度蒸出丙交酯純化於結晶器6中，純化丙交酯的收率為75-85％，利用傳統裝置製備丙交酯收率為40-55％，通過第二傳動螺杆9輸出至低溫真空乾燥器7中乾燥中儲存。
46.本發明的主要功能：設計一種丙交酯合成和純化裝置及方法，為實驗室放大丙交酯合成試驗提供了一種解決方案。由於在丙交酯在合成實驗中，為了脫水、生成低聚物、解聚和丙交酯分離，需要利用抽真空來排氣，除去小分子及帶出生成物。在這過程中同時易使乳酸小分子原料和丙交酯產物順著管道抽吸走，因此，通過本發明提供的裝置能夠有效解決丙交酯遇冷即凝結，造成堵塞或腐蝕，產率低或反應中止的問題。
47.在發明的描述中，需要說明的是，術語「頂部」、「底部」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連
接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在發明中的具體含義。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。在發明描述中，需要理解的是，術語「頂部」、「底部」、「連接處」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於發明的描述，因此不能理解為對發明實際使用方向的限制。
48.綜上所述，本領域的普通技術人員閱讀本發明文件後，根據本發明的技術方案和技術構思無需創造性腦力勞動而作出其他各種相應的變換方案，均屬於本發明所保護的範圍。