一種聚合物液相增粘的方法及裝置的製作方法

2023-07-16 02:59:36

專利名稱：一種聚合物液相增粘的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及聚合物液相增粘領域，尤其涉及一種聚合物液相增粘的方法 以及裝置。
背景技術：
在聚合物生產過程中，為了提高聚合物的分子量， 一般通過固相縮聚或 採用後縮聚釜進行進一步聚合來實現。固相縮聚是在聚合物熔點以下溫度進行的縮聚反應，然而反應時間長、 熱量消耗大、切片相互碰撞產生大量廢料，且應用於固相縮聚的裝置還必須 配套相應的制氮設備和旋風分離設備。因此設備製造和運行成本都很高。用於後縮聚釜進行縮聚的裝置，由於熔體粘度高，因此必須使用大功率的攪拌裝置進行攪拌；並且縮聚產生的小分子產物不易脫除，分子量提高範 圍有限。發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種聚合物液相增粘方法及裝置，其縮 聚反應效果好，無需大功率攪拌設備，結構簡單，製造和運行成本低。為解決上述技術問題，本發明提供了一種聚合物液相增粘方法，包括下 述步驟(a) 加熱聚合物塔體到縮聚反應所需的溫度，將塔體內部抽成真空， 且在反應過程中 一直持續地對塔體進行抽真空；(b) 將聚合物熔體導入塔體內部，先通過分配器使其均勻地分散開， 流動到塔芯的上端；(c) 聚合物熔體在塔芯表面形成薄膜，並以薄膜形態從上至下流動， 同時進行縮聚反應，縮聚產生的小分子產物被抽出塔體；
(d)反應後的聚合物熔體從塔芯底端流到塔體底部，再從出料口出料， 即得到達到分子量要求的聚合物熔體。在一較佳實施例中，所迷步驟(a)塔體的加熱為分段加熱，從上至下 的多段塔身溫度依次提高。在一較佳實施例中，從上至下的多段塔身溫度依次提高0~20°C。在一較佳實施例中，所述步驟(b)熔體導入塔體內部後，先將其導入 一向下漸縮的中空錐體，然後從該錐體內壁上均勻開設的多層交錯排列的孔 中流出，在流經一向下漸擴、表面光滑的錐體時均勻地散開，再到達所述塔 芯的上端。在一較佳實施例中，所述塔芯為柵網結構，所述步驟(c)中通過調整 聚合物熔體的流量、系統的真空度和溫度中一種或多種工藝參數，控制在所 述柵網上形成的聚合物熔體薄膜的厚度為0.2-1.5毫米。在一較佳實施例中，所述反應後的聚合物的分子量是通過控制所述縮聚 反應條件和設備參數來實現，這些條件包括反應溫度、壓強、進料速度和塔 芯高度中的一種或多種。本發明提供的用於聚合物液相增粘的裝置為 一塔式反應器，所述塔式反 應器包括塔體、熔體進料管、熔體分配器和塔芯，所述塔體包括依次連接的 塔蓋、塔身和設出出料口的塔底；所述熔體進料管連通塔體內部和外部，所 述熔體分配器在所述塔體內，其上端與所述熔體進料管連接；所述塔芯在所 述塔體內垂直安裝，具有供熔體流動的表面，其上端固定在所述熔體分配器 的下端，所述i^體上部還設有一連通i^體內外的小分子排出管道。在一較佳實施例中，所述塔芯包括柵網，所述柵網的上端固定在所述熔 體分配器的下端。在一較佳實施例中，所述柵網為以下結構中的任意一種沿周邊垂直分 布的多個金屬絲或金屬板組成的網狀結構、金屬絲編織網、金屬板沖孔網、 鋼板拉網和金屬波紋板。在一較佳實施例中，所述柵網從上到下由一個或多個固定環固定，所述
固定環周邊開設有多個固定柵網的槽，其的縱截面具有向下漸擴的錐度。在一較佳實施例中，所述塔芯底部還連接有水平設置於所述塔芯與塔體 之間的限位支架，或者，所述塔體內壁對應於塔芯底部的位置上還固定有水 平設置於所述塔芯與塔體之間的限位支架。在一較佳實施例中，所述塔蓋、塔身、底部的塔底通過法蘭相互連接，所述塔底形狀為錐形，所述塔芯外周與塔體內壁的距離為50-100毫米。在一較佳實施例中，所述塔身為多段且為空中結構，每段分別與不同的 熱媒管道相連通；或者所述塔身為多段，每段分別連接獨立控制的電加熱裝置。在一較佳實施例中，所述熔體分配器包括上部錐段和下部錐段，所述上 部錐段中空與所述熔體進料管相連通，其下端設置有多個熔體分配孔；所述 下部錐段沿向下的方向呈漸擴狀，所述上部錐段與下部錐段不貫通。在一較佳實施例中，所述上部錐段的下端部沿向下的方向呈漸縮狀，所 述多個熔體分配孔在豎直方向分層交錯排列，所述下部錐段外表面為光滑表面。在 一較佳實施例中，所述塔體內裝有多組平行排列的熔體分配器和塔芯；或者，所述熔體分配器的上段錐段壁面連接有多個向下漸擴的下部錐段，該多個下部錐段的直徑不同且同心設置，各下部錐段的頂部高度不同，在各 下部錐段頂部之間以及最上一個下部錐段的頂部之上的上部錐段側壁上均有熔體分配孔，各下部錐段的周邊上分別與不同的柵網連接。在一較佳實施例中，所述小分子排出管道設置在熔體進料管底部與塔蓋 之間的側壁上，且與熔體分配器之間的距離為10-200毫米。由上可知，本發明無需使用高真空及大功率攪拌設備，由於實現了在塔 芯表面上進行全部的聚合物縮聚反應，且在塔芯表面形成的聚合物熔體薄膜 很薄，因此縮聚產生的小分子產物容易脫除，分子量可在較大範圍內提高， 大幅縮短了反應時間；此外塔芯、塔體的參數和尺寸可調整，因此可控制來 得到期望的聚合物分子量。本發明結構簡單，降低了製造和運行成本。


圖1為本發明的聚合物液相增粘塔式反應器的結構剖面示意圖；圖2為熔體分配器和塔芯相連的結構示意圖；圖3為熔體分配器的示意圖；圖4A和4B為金屬固定環的示意圖；圖5為本發明的塔芯同心組合的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。圖1為本發明的聚合物液相增粘塔式反應器的結構剖面示意圖。如1所 示，本發明的塔式反應器包括塔體1、熔體分配器2和塔芯3。所述塔體l優選為圓筒形，但也可以為其它形狀，其功能是為液相增粘 提供相應的操作溫度並與外部環境隔絕。塔體1包括塔蓋1-1、塔身1-2和塔底1-3。塔蓋1-1布置在塔體1的頂 部，熔體進料管a從其通過。塔底1..3布置在塔體1的底部，優選地其為錐 形(也可以為其它形狀結構)，中部設有出料口 c。所述塔蓋1-1、塔身1-2、 塔底l-3通過法蘭相互連接，但也可以通過其它方式連接，例如塔底可以做 成與塔身一體成形的結構。塔身l-2優選地由多段組成，圖中示出了 2個，但也可以為l個。塔體 層數的多少可根據塔內熔體向下流動時的粘度變化情況確定，可以為1-100 段，優選為1-10段。所述各段塔身可以採用獨立控制的電加熱裝置或熱媒 加熱裝置加熱，實施例為熱媒加熱，每段塔身為中空結構，分別與不同的熱 々某管道相連通，圖1中示出了各段塔身的熱媒進出口管道d,可以通入一定 溫度的導熱油或高溫蒸汽等加熱介質。通常多段塔身依次提高1-50°C,優選 1-20°C，以保證柵網上下熔體薄膜厚度一致，熔體在所述柵網下方無堆積。另外，小分子排出管道b設置在所述塔體l的上端，圖中小分子排出管 道b設置在塔體1的上部的側壁上。小分子排出管道b將塔體內部與外部的
抽真空裝置相連通，用以抽出縮聚產生的小分子產物。為避免低分子熔體阻塞小分子排出管道，小分子排出管道b—般設置在熔體進料管a底部與塔蓋 l-l之間，並且小分子排出管道b與熔體分配器2之間的距離一般為10-1000 毫米，優選為10-200毫米，根據應用場合而定。
所述熔體分配器2置於塔內，上部與熔體進料管a連接，下部與塔芯3 相連接，其功能為使熔體均勻的分右在塔芯3的柵網上。
如圖3所示，熔體分配器2包括兩個錐段，上部錐段2-l和下部錐段2-2。 上部錐段中空且沿向下的方向呈漸縮狀，與熔體進料管a相連接(如螺接)，下部錐^a與上部錐^a相互不連通，且沿向下的方向呈漸擴狀。優選的，所述下部錐段光滑表面，優選地，為外表面拋光的金屬，也可用其它耐高溫和表 面光滑的材料。上部錐段的壁面上設置了多個熔體分配孔2-3,其可以為方 形、圓形、矩形、三角形、菱形以及其他任意的形狀。優選地，所述多個熔 體分配孔在豎直方向上分層交錯排列，如圖3所示，所述多個熔體分配孔為 交錯排列的雙層矩形孔。
所述塔芯3作用是為縮聚產生的小分子的脫除提供較大的表面，提高反 應速度。塔芯3布置在塔體1內，與所述熔體分配器2的下部錐段相連接。 塔芯3和塔體1的內壁保持一定距離，以為縮聚產生小分子的脫除形成通道。 塔芯3外周與塔體1內壁的距離大小取決於真空度和輻射傳熱效率的高低， 通常距離為50-300毫米，優選為50-100毫米。如圖2更詳細地示出，塔芯3包括底部限位支架3-1、金屬固定環3-2 和柵網3-3，所述塔芯3的截面優選為圓形，但也可以為其它形狀。
限位支架3-1設置在塔芯3的底部，其作用為保證塔芯3垂直安裝或支 撐塔芯。若塔芯較輕，限位支架3-l通常為沿塔芯3底部均勻分布焊接的多 段鋼絲或鋼板，例如三段鋼絲或鋼板，長度略小於塔芯3垂直安裝時塔芯外 周與塔體內壁的距離，如距離0-10毫米，優選1-3毫米。這主要取決於塔 芯安裝精度。或者當塔芯較重時，限位支架3-l也可以與塔體l的內壁直接 焊接，例如採用多段鋼板水平焊接於塔底的內壁。應注意的是，在塔芯的長 度較小和剛度足夠大時，也可以不設置該限位支架3-1。
柵網3-3的上端固定到熔體分配器2的下端，例如可通過螺接或焊接固
定到熔體分配器2的下端。本實施例中，柵網3-3為沿周邊垂直分布(較佳 均勻分布)的多個金屬絲或金屬薄板組成的網狀結構，金屬絲或金屬薄板的 上端可焊接或螺接於熔體分配器的周邊。但也可以是金屬絲編織網、金屬板 沖孔網、鋼板拉網、金屬波紋板或其它合適的網狀結構，優選為金屬絲柵網。 釆用柵網結構可通過表面張力，減小薄膜的厚度，使小分子產物容易脫除。 另外，根據具體應用，例如薄膜厚度達到期望的要求，那麼塔芯也可用一金 屬圓筒來實現。當柵網3-3由多個分離的金屬絲或金屬薄板等組成時，從上到下需採用 多個金屬固定環3-2來固定。金屬固定環3-2的結構在圖4A和圖4B中更詳 細地示出。金屬固定環3-2優選為圓形，也可為其它的形狀。其周邊開設有 多個弧形槽用於固定金屬絲，也可以設成矩形槽用於固定金屬薄板。金屬固 定環的縱截面具有向下漸擴的錐度，以避免熔體流入塔芯的內表面。塔芯3的高度可調整，這取決於最終聚合物產品分子量的要求。增加塔 芯的高度，聚合物熔體的停留時間即反應時間延長，那麼所得聚合物產品分 子量就相應提高。通常塔芯高度為0.5-15米，優選l-3米。在本發明中，所述熔體分配器和塔芯也可以在塔身內設置多組，各組之 間間隔一定距離，在塔內平行排列。在又一實施例中，所述熔體分配器和塔芯可以在塔身內設置多組，在塔 內同心排列，如圖5所示，所述熔體分配器的上段錐段壁面連接有多個向下 漸擴的下部錐段，如2個。該多個下部錐段的直徑不同且同心設置，各下部 錐段的頂部高度不同，在各下部錐段頂部之間以及最上面一個下部錐段的頂 部之上的上部錐段的側壁上均有開孔，以使熔體流出到下部錐段的表面。各 下部錐段的周邊上分別與不同的柵網連接。基於上述裝置，本實施例的聚合物液相增粘方法如圖6所示，包括下述 步驟步驟IIO，加熱聚合物塔體到縮聚反應所需的溫度，將塔體內部抽成真 空，且在反應過程中一直持續地對塔體進行抽真空；塔體的加熱可以為一段或多段加熱，這取決於塔體的高度和實際應用。
若塔體具有比較高的高度，可採用分段加熱。因為柵網3-3上的聚合物熔體隨著縮聚反應的進行，其粘度逐漸升高， 採用分段加熱的方法(如通入不同溫度的熱媒或者電加熱到不同的溫度)， 使得從上至下的多段塔身依次提高1-50°C,優選1-20°C，這樣這樣塔體內 部的溫度由上至下逐漸升高，使得熔體粘度在向下流動時保持基本一致，降 膜速度上下較為一致，保證了柵網上下的熔體薄膜厚度的一致，熔體在所述 柵網下方無堆積。若塔體高度較低，那麼採用一段加熱也可達到工藝要求。不同的聚合物熔體所需的反應溫度不同，本發明不做限定。也可用流動的惰性氣體脫出小分子，但同樣需要制氮和淨化設備。這樣 就不能體現降低成本的優勢。步驟120，將聚合物熔體導入塔體內部，先通過分配器使其均勻地分散 開，流動到柵網的上端；在實施例中分配時，是先將聚合物熔體導入一向下漸縮的中空錐體，然 後從該錐體內部、經過錐體壁面上均勻開設的多層交錯排列的孔中流出，在流經一向下漸擴、表面光滑的錐體時均勻地散開，再到達所述柵網的上端。步驟130,聚合物熔體在柵網表面形成薄膜，並以薄膜形態從上至下流 動，同時進行縮聚反應，縮聚產生的小分子產物(如水份)被抽出塔體；在本發明中，通過控制聚合物熔體的流量、系統的真空度和溫度等，使 得在柵網表面流動的聚合物熔體薄膜很薄，通常為0.2-1.5毫米。縮聚產生 的小分子產物很容易脫除，因此大幅縮短了反應時間， 一般反應時間不超過 30分鐘。為了使反應後的聚合物具有期望的分子量，可以通過控制控制縮聚反應 條件和設備參數來實現，這些條件包括反應溫度、壓強、進料速度、柵網 高度，例如使柵網的高度增加，聚合物熔體的停留時間即反應時間延長，那 麼所得聚合物產品分子量就相應提高。也可通過進料速度來控制薄膜在柵網 上的停留時間，獲得期望分子量的聚合物。步驟140，反應後的聚合物熔體從柵網底端流到塔體底部，再從出料口 出料，即得到達到分子量要求的聚合物熔體。
本發明的聚合物液相增粘塔式反應器和聚合物液相增粘方法可使用於 多種應用場合。下面以兩個應用實施例進一步對本發明進行說明。例如，應用亍尼龍66的液相增粘塔式反應器優選的工藝條件為塔高 3500毫米，塔徑159毫米，塔芯高2000毫米，塔芯直徑100毫米，熔體分 配器採用雙層矩形孔交錯排列。入塔熔體相對粘度1.8，反應溫度270°C， 壓強為50KPa，聚合物熔體經塔體上端的熔體進料管a進入塔體，經熔體分 配器進入塔芯，熔體在塔芯上形成薄膜並且向下運動，縮聚反應沿塔芯由上 至下在薄膜中不斷進行，小分子在真空的作用下不斷脫除，並從真空管b抽 出，分子量不斷提高，最終在塔芯底部得到所要求分子量的聚合物熔體，從 出料口 c出料。本實施例通過進料速度控制停留時間，停留時間為IO分鐘。 最後從塔底出料的熔體，熔體相對粘度可達2.5。熔體運動粘度達到300 Pa.S。例如，應用於聚乳酸的液相增粘塔式反應器優選的工藝條件為塔高 3000毫米，塔徑1000毫米，塔芯高2500毫米，塔芯直徑700毫米，熔體 分配器採用雙層圓形孔交錯排列。入塔熔體粘均分子量43000,反應溫度185 。C,壓強50Pa，通過進料速度控制停留時間，停留時間30分鐘，最後從塔 底出料的熔體，熔體均分子量91000。熔體運動粘度達到460Pa-S。綜上所述，本發明的聚合物液相增粘的裝置和聚合物液相增粘方法與傳 統的裝置和方法相比，具有如下優點1. 本發明的聚合物液相增粘的裝置無需大功率攪拌設備，結構簡單， 製造和運行成本低；2. 本發明的多個塔身可分段加熱，保證熔體粘度從上到下較為均一， 在塔芯上的降膜速度上下一致，保證塔芯上下的熔體薄膜厚度相同，熔體在 塔芯下方無堆積；3. 由於聚合物縮聚反應全部在塔芯表面上進行，在塔芯表面形成的聚 合物熔體薄膜很薄，因此縮聚產生的小分子產物在此厚度下很容易脫除，分子量可在較大範圍內提高，且大幅縮短了反應時間。4. 通過調整工藝參數，例如調整塔芯的高度，可得到期望的聚合物產
品分子量，分子量的提高可控。應注意，在本發明並不局限於上述的應用，本發明可以應用於提高聚合 物的分於量多種應用場合中。本發明的塔體、塔芯等的尺寸可根據應用調整。 另外上述的實施例僅是示例性，不可解釋為對本發明的限制，本發明的範圍 由所附權利要求來限定。此外，在不脫離本發明的範圍的精神的情況下，可 對本發明的結構和特徵做多種修改、變更和替換。
權利要求
1、一種用於聚合物液相增粘的裝置，其特徵在於，所述裝置為一塔式反應器，所述塔式反應器包括塔體、熔體進料管、熔體分配器和塔芯，所述塔體包括依次連接的塔蓋、塔身和設出出料口的塔底；所述熔體進料管連通塔體內部和外部，所述熔體分配器在所述塔體內，其上端與所述熔體進料管連接；所述塔芯在所述塔體內垂直安裝，具有供熔體流動的表面，其上端固定在所述熔體分配器的下端，所述塔體上部還設有一連通塔體內外的小分子排出管道。
2、 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述塔芯包括柵網，所述 柵網的上端固定在所述熔體分配器的下端。
3、 如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述柵網為以下結構中的 任意一種沿周邊垂直分布的多個金屬絲或金屬板組成的網狀結構、金屬絲 編織網、金屬板衝孔網、鋼板拉網和金屬波紋板。
4、 如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述柵網從上到下由一個 或多個固定環固定，所述固定環周邊開設有多個固定柵網的槽，其的縱截面 具有向下漸擴的錐度。
5、 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述塔芯底部還連接有水 平設置於所述塔芯與塔體之間的限位支架，或者，所述塔體內壁對應於塔芯 底部的位置上還固定有水平設置於所述塔芯與塔體之間的限位支架。
6、 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述塔蓋、塔身、底部的 塔底通過法蘭相互連接，所述塔底形狀為錐形，所述塔芯外周與塔體內壁的 距離為50-100毫米。
7、 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述塔身為多段且為空中 結構，每段分別與不同的熱媒管道相連通；或者所述塔身為多段，每段分別 連接獨立控制的電加熱裝置。
8、 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述熔體分配器包括上部 錐^a和下部錐段，所述上部錐^:中空與所述熔體進料管相連通，其下端設置 有多個熔體分配孔；所述下部錐段沿向下的方向呈漸擴狀，所述上部錐段與下部錐^a不貫通。
9、 如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述上部錐段的下端部沿向下的方向呈漸縮狀，所述多個熔體分配孔在豎直方向分層交錯排列，所述 下部錐段外表面為光滑表面。
10、 如權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，所述塔體內裝有多組 平行排列的熔體分配器和塔芯；或者，所述熔體分配器的上段錐段壁面連接 有多個向下漸擴的下部錐段，該多個下部錐段的直徑不同且同心設置，各下 部錐段的頂部高度不同，在各下部錐段頂部之間以及最上一個下部錐段的頂 部之上的上部錐段側壁上均有熔體分配孔，各下部錐段的周邊上分別與不同 的柵網連接。
11、 如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述小分子排出管道設置 在熔體進料管底部與塔蓋之間的側壁上，且與熔體分配器之間的距離為 10-200毫米。
12、 一種聚合物液相增粘方法，包括下述步驟(a) 加熱聚合物塔體到縮聚反應所需的溫度，將塔體內部抽成真空， 且在反應過程中 一 直持續地對^^體進行抽真空；(b) 將聚合物熔體導入塔體內部，先通過分配器使其均勻地分散開， 流動到塔芯的上端；(c) 聚合物熔體在塔芯表面形成薄膜，並以薄膜形態從上至下流動， 同時進行縮聚反應，縮聚產生的小分子產物被抽出塔體；(d) 反應後的聚合物熔體從塔芯底端流到塔體底部，再從出料口出料， 即得到達到分子量要求的聚合物熔體。
13、 如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述步驟(a)塔體的加 熱為分段加熱，從上至下的多段塔身溫度依次提高。
14、 如權利要求13所述的方法，其特徵在於從上至下的多段塔身溫 度依次提高0 2(TC。
15、 如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述步驟(b)熔體導入 塔體內部後，先將其導入一向下漸縮的中空錐體，然後從該錐體內壁上均勻 開設的多層交錯排列的孔中流出，在流經一向下漸擴、表面光滑的錐體時均 勻地散開，再到達所述塔芯的上端。
16、 如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述塔芯為柵網結構， 所述步驟(c)中通過調整聚合物熔體的流量、系統的真空度和溫度中一種 或多種工藝參數，控制在所述柵網上形成的聚合物熔體薄膜的厚度為0.2-1.5 毫米。
17、 如權利要求12所述的方法，其特徵在於所述反應後的聚合物的 分子量是通過控制所述縮聚反應條件和設備參數來實現，這些條件包括反應 溫度、壓強、進料速度和塔芯高度中的一種或多種。
全文摘要
一種聚合物液相增粘的裝置及方法，該裝置為一包括塔體、熔體進料管、熔體分配器和塔芯的塔式反應器，熔體進料管連通塔體內外，下端與熔體分配器連接；塔芯在塔體內垂直安裝，上端固定在熔體分配器的下端，塔體上還設有一小分子排出管道。先加熱聚合物塔體到縮聚反應所需的溫度，將塔體內部抽成真空且持續進行；將聚合物熔體導入塔體內部後，通過分配器使其均勻地分散開，流動到塔芯的上端，在其表面以薄膜形態從上至下流動，同時進行縮聚反應，小分子產物被抽出塔體；反應後的熔體從塔芯底端流到塔體底部，從出料口出料。本發明縮聚產生的小分子產物容易脫除，分子量可在較大範圍內提高，縮短了反應時間，且結構簡單，降低了製造和運行成本。
文檔編號B29B15/00GK101125928SQ20061015059
公開日2008年2月20日 申請日期2006年10月23日 優先權日2006年8月18日
發明者何進章, 史佳林, 鄭連仲 申請人:宏大化纖技術裝備有限公司