CN100396711C - 用作制备聚乳酸的聚合装置 - Google Patents

Abstract

一种用作制备聚乳酸的聚合装置，属于高分子材料的聚合反应装置技术领域。包括具进料口和出料口及进、排气口的筒体和固设在筒体内的至少一个导向机构以及位于筒体的筒腔上部的与进料口相连结并相通的料液分配器，筒体内设有与导向机构数量相等的且具冷、热媒引出接口的外套管，导向机构包括至少一组导向体，而一组导向体包括至少一个锥帽和至少一个漏斗，锥帽固定在外套管上，漏斗固定于筒体内，锥帽与漏斗是不接触的，两者的中心处于同一垂直线上。优点：能充分地更新膜面，扩大蒸发面积，充分去除非聚合单体，确保聚酸乳的产品质量和提高聚合效率；无搅拌、无机械动力，能使可聚合物保持先进先出，杜绝结团落流短路现象。

Description

用作制备聚乳酸的聚合装置

技术领域

本发明涉及一种用作制备聚乳酸的聚合装置，属于高分子材料的聚合反应装置技术领域。

背景技术

聚乳酸是以可再生淀粉或葡萄糖作为初始原料，经过多道制备流程最终聚合而成的可降解高分子新材料，美国于2002年正式工业化生产，商品名为PLA，目前我国处于研发中试阶段，尚未进入工业化生产。

制备聚乳酸需要使用高分子材料的聚合反应装置或称聚合装置，作为聚合反应装置，目前较为常见的有以下几种：

1、立式垂直搅拌反应器，这种反应器的不足之一，需要消耗较大的搅拌动能；之二，在高真空状态下搅拌轴密封经常出现故障；之三，蒸发面积有限，虽然通过搅拌上下翻动，但膜面更新十分有限，且不均匀，无法将非聚合物单体充分去除；之四，仅能适用于间隙聚合，而无法用于连续聚合，因为如果用于连续聚合，物料在反应器内热历史无法保证基本一致，而如果停留时间较长，则易造成热降解。

2、卧式水平搅拌型反应器，该反应器优于立式搅拌反应器，目前广泛用于聚酯聚合生产，存在的欠缺是搅拌动力很大，密封难度大，虽然反应器内圆盘在转动过程中带动物料不断更新膜面，具有较大的蒸发面积，但由于搅拌轴冗长，并且圆盘外边与反应器内壁间隙大，故物料在反应器内热历史的一致性并不理想，且造价高。

3、带搅拌立式刮板薄膜蒸发型反应器，优点是该反应器具有较大的蒸发面积，不足是聚合物沿反应器筒壁垂直落流，对于高粘度物料，在最外面容易结团离开壁面直落底部，造成物料流短路，同时在旋转刮板作用下，虽然刮板端面有导流槽，但大量积聚在刮板端部的物料很容易结团直接落入底部，造成短路，无法保证物料在反应器内热历史的一致性。

4、双螺杆型反应器，该反应器对于某些要求反应时间特短的聚合物具有使用上的针对性，但是，物料在反应过程中很难除去非聚合物单体，即便采用带排气口的双螺杆反应器，也是收效甚微，同时，双螺杆旋转剪切容易破坏聚合物已形成的分子链。

由于聚乳酸的聚合反应特点，时间较其它高分子材料相对较长，而且可聚物内的非聚合单体较多，需要足够的蒸发面积、充分的表面更新，因此上述提及四种反应装置均不具有优势。

申请人进行了检索，检知有涉及制备芳族聚碳酸酯方法和聚合装置，其授权公告号为CN1160395C、CN1126773C、CN1078219C。这三项专利所提到的聚合装置的结构如图1所示，包括顶部具进料口11而下部具出料口12的筒体1，固设在筒体1内并且偏筒腔上部的用于接应由进料口11引及的料液并将所引及的料液进行分配的料液分配器2，悬固在料液分配器2上的用于将料液分配器2分配而至的料液导引到出料口11的并且采用金属丝编织而成的网格状的导向机构3或采用板片并在板片上开孔的导向机构3。这种聚合装置的优点是能用于制备聚碳酸酯，且为非搅拌型，通过作为反应器的筒体1内的至少一个导向机构3向下垂直延伸，聚合物进入筒体1，液相状自上而下，贴着导向机构3的面靠自重下落；具有很大的蒸发面积且无搅拌动力，结构简单、造价低。存在的弊端，首先，由于这种聚合装置内的导向机构3为整枚的网状或孔板状，均为垂直设置，向下延伸，因此，当物料贴着导向机构3向下流落时，由于粘度在不断提高，当壁面最外层物料结团，自重力大于内层物料的粘附力时就会脱离导向机构3的壁面成自由落体，直落筒体1的底部，造成物料流的短路，影响乃至改变物料热历史的一致性；其次，没有热媒、冷媒引入筒体1进行主动加热或冷却，在高真空状态下，只能依靠物料自身带入热量，因此，对于热敏性较强的聚合物无法满足工艺要求。鉴此，上述聚合装置的结构无法借鉴于用作制备聚乳酸的聚合装置。

申请人还检知有中国专利授权公告号CN2641046Y所公开的一种乳酸直接缩聚制备聚乳酸的聚合反应装置，首先，该装置系实验装置范畴，难于应用到工业上；其次，只能是用于间隙聚合，而无法实现连续聚合，向反应器内一次性投料后，开始慢慢升温，系统内开始工作，直至反应结束关闭系统，然后出料，接着又重复上述过程。间隙聚合会使每一次得到的聚合物品质存在差异，而且运行成本高，正据于此，间隙聚合装置在高分子材料反应工程中尤其是工业化大生产中已基本被淘汰。

发明内容

本发明的首要任务是要提供一种能保障物料流不会出现短路、确保物料热历史一致性的用作制备聚乳酸的聚合装置。

本发明的另一任务是要提供一种能在高真空状态下能保障热敏性较强的聚合物满足聚合工艺要求的用作制备聚乳酸的聚合装置。

为完成本发明的首要任务，本发明提供的技术方案是：一种用作制备聚乳酸的聚合装置，它包括顶部具有一进料口11而底部窄缩并且形成有一出料口12且侧部具有进、排气口13、14的筒体1和固设在筒体1内的用于引导可聚合物流落的至少一个导向机构3以及位于筒体1的筒腔上部的与进料口11相连结并且相通的用于向导向机构3布料的料液分配器2，所述的筒体1的筒腔内设置有与所述的导向机构3数量相等的并且具有冷、热媒引出接口41的外套管4，所述的导向机构3包括至少一组导向体31，而一组导向体31包括至少一个锥帽311和至少一个漏斗312，锥帽311固定在外套管4上，锥帽311的最大外径小于漏斗312的最大内径，漏斗312的最小内径大于外套管4外径，漏斗312借助于固定杆7固定于筒体1的筒腔内，锥帽311与漏斗312两者是不接触的，并且两者的中心处于同一垂直线上，所述的外套管4底部封闭，而上部敞口，并且在外套管4的管腔内插设有上、下端分别具有冷、热媒引入口61和冷、热媒引出口62的内套管6，内套管6的外壁与外套管4的内壁之间形成有隔腔5，隔腔5分别与冷、热媒引出口62和冷、热媒引出接口41相通，所述锥帽311位于漏斗312的上部，各锥帽311由小及大构成梯度关系，并且，锥帽311与漏斗312的设置方向相反，所述的相反是指锥帽311的锥体大头向下，锥体小头向上，而漏斗312的锥体大头向上，锥体小头向下。

本发明所述的锥帽311与所述的漏斗312的数量比为1∶1。

本发明所述的锥帽311与所述的漏斗312的数量比为n∶1，n≥1。

本发明所述的漏斗312与所述的锥帽311的数量比为n∶1，n≥1。

本发明所述的料液分配器2以环状地回绕于外套管4的上部，并且与所述的锥帽311相对应。

本发明所述的料液分配器2上间布有布料孔21。

本发明所述的布料孔21的直径为2-4mm。

本发明由于采用了上述设计所具的优点之一，当可聚合物自进料口11引及料液分配器2，由料液分配器2分配到导向机构3的导向体31上时，使可聚合物以液相状态自上而下落流，在落流过程中与导向体31时而接触，时而分离，即时形成膜状并成S形下行，使之能充分地更新膜面，扩大蒸发面积，充分去除非聚合单体，确保聚酸乳的产品质量和提高聚合效率，之二，无需搅拌、无需机械动力，靠导向体31的有益设置，能使可聚合物在下行过程中保持先进先出，杜绝结团落流短路现象；之三，外套管4内设置内套管6，可通过外套管4，锥帽311传递热量或冷量，使可聚合物获取合适的热量或冷量，例如在高真空状态下，能确保可聚合物在较长停留时间内的流动性，满足某些工艺要求。

附图说明

图1为本发明举及的已有技术中用于制备聚碳酸酯的聚合装置的示意图。

图2为本发明的一个实施例结构图。

图3为图2的剖视图。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于理解本发明，但是，不能也不应当将具体的实施例视为对本发明技术方案的有所限制。

在图2、图3中，申请人给出的筒体1的形状虽然大体上为圆筒形，但是并不排斥或称排除矩形或其它如六边形之类的筒体形状，也就是说，对于筒体1的形状，在本发明中是不需要予以限定的。鉴此，申请人以图中示意之筒体1为例在下面作详述。

筒体1的上部，更具体地说在筒体1的顶部延设有一个进料口11，而筒体1的下部窄缩成斗状体，在斗状体的底部又进而窄缩成有一个出料口12，在筒体1的侧部偏下方延设有至少一个进气口13，在筒体1的侧部偏上方延设有至少一个排气口14，进气口13与气源相连接，并且与筒腔相通。根据可聚合物的不同特性，作为反应器的筒体1内可以是高真空状态或在高真空状态下连续输入微量惰性气体，也可以预定适当的压力连续加入和排出惰性气体，在这种情况下进、排气口13、14便担当着惰性气体例如氮气的引入、引出作用。如果不存在前述情形，例如筒体1内为高真空状态时，那么只要将进气口13封闭或者关闭进气口13的通道上的阀，而使排气口14视为抽真空口。

作为本发明的用于引导可聚合物流落的导向机构3的数量是不受具体限制的，在图2、图3中给出的三套仅是作为具体的一个例子而言的，也就是说导向机构3的套数的多寡是根据具体的产能而定的，既可以少至一套，也可以多至几套、几十套乃至上百套。每套导向机构3的顶部对应有相应的料液分配器2，各料液分配器2之间可由连通管8连通(见图3)，由此可知，料液分配器2是经连通管8与伸展至筒体1的筒腔内的进料口11的一端相通的，料液分配器2呈环状，围绕于外套管4的上部，并且对应于导向体31，其上间布有微渺的或称纤细的直径为2-4mm但最好为3mm的布料孔21。当进料口11将可聚合物引及于料液分配器2后便由料液分配器2上的布料孔21布及到导向机构3的导向体31。

在本发明中，对于一套导向机构3而言，它可以是由一组导向体31所构成，也可以由二组、多组构成，也就是说，对于一套导向机构3，所包含的导向体31的组数是没具体限定的，因为其数量既可以根据实际的产能确定，也可以根据使用场所空间条件之类的状况确定，对此还可从表现在图2、图3中的平行的断裂线悟知。又，针对于一组或称单组导向体31而言，那么它所包括的锥帽311和漏斗312的具体数量也是不能予以具体限定的，在图中，虽然给出了由三个锥帽311与一个漏斗312构成为一组导向体31，但是，这仅仅属于申请人所举及的一个具体例子。据于该理，完全可以由一个锥帽311与一个漏斗312作为一组导向体31，还可以由二个或三个或更多个即N个锥帽311与一个漏斗312作为一组导向体31。同理，完全可以由二个或三个或更多个即N个漏斗312与一个锥帽311作为一组导向体31。当出现有二个以上的锥帽311对应于一个漏斗312时，那么，应当考虑到各个锥帽311之间的大小因素，该大小因素同样可以从图中给出的三个锥帽311之间的不同尺寸得到理解，即各锥帽311由小及大，体现梯度关系，以便于可聚合物流落到第一个锥帽311时，能进而顺利地流落到下一个锥帽311上，依此类推。此外，无论是锥帽311彼此之间，还是锥帽311与漏斗312之间，还是漏斗312彼此之间均存在有依需的间隔距。当出现有二个以上的漏斗312对应于一个锥帽311时，同样应当考虑到各个漏斗312之间的大小因素，道理同对锥帽311的叙述。上述情形仅是针对于一组导向体31而言的，当存在多组导向体31时，那么具体的设置要求是与前述雷同的。

凡锥帽311均以小头向上、大头向下的倒置形式固定于外套管4上，而凡漏斗312均借助于固定杆7与筒体1的筒腔相固定，至少三根固定杆7的顶端悬固于筒体1的筒顶板上，这样，当漏斗312与固定杆7相固时，便形成为吊挂形式。由图晰，漏斗312的大头向上、小头向下，锥帽311与漏斗312的中心处于同一垂直线上

请继续见图2、图3，在外套管4内增设有内套管6，内、外套管4、6之间形成有隔腔5。在某些情形下，即根据可聚合物的不同特性，要求向作为反应器的筒体1内引入热媒或冷媒加热或冷却时，那么，由冷、热媒引入口61将冷媒或热媒引入到隔腔5，使外套管4获得依需的能量，隔腔5中的冷、热媒由冷、热媒引出接口41引出，如此循环，即冷、热媒从冷、热媒引入口61引及内套管6，经内套管6底部的冷、热媒引出口62引至隔腔5，再由延设于外套管6上的冷、热媒引出接口41引出，周而复始。然而，在不少情况下是无需用及冷媒或热媒的。本发明中提及的冷媒、热媒并无限定，例如冷媒可以是冷水、冷空气或冷油或其它类似的物质，热媒可以是热水、热空气、导热油或蒸汽。

申请人仍按图2、图3为例，叙述本发明的工作原理，当要对液相可聚合物进行连续聚合或连续共聚合时，例如，至少一种以淀粉或葡萄糖为初始原料的乳酸经多道流程制备的可聚合物在聚合反应器区内连续聚合，或者至少一种以淀粉或葡萄糖为初始原料的乳酸经多道流程制备的可聚合物与同时参与聚合反应的其它聚合物进行连续共聚合。采用本发明的聚合装置对前述的液相可聚合物或简称为可聚合物的聚合原理如下：

将液相可聚合物连续地送往进料口11，由进料口11连续地送抵与其连接并相通的料液分配器2，由于料液分配器2的圆周方向上间布有直径约为3mm的布料孔21，因此由布料孔21将可聚合物均匀引出，所引出的可聚合物首先均匀地流落到构成为导向机构3的首组导向体31的首个锥帽311表面上，物料沿锥帽311的锥面向下流动，当上游物料向下流动离开首个锥帽311的底锥面后形成薄膜管状体，落向下一个锥帽311，由于锥帽311彼此为同一中心，因此，下一个锥帽311的锥底直径大于上一个锥帽311，故物料只能成近似于阶梯状向下流动，当物料离开最大直径的锥帽311，便落入漏斗312，由于漏斗312圆锥与锥帽311方向相反，而且漏斗312上部圆锥直径大于锥帽311底部圆锥直径，当物料落入漏斗312后沿着漏斗312锥面向下在内侧落向属于另外一组导向体31的锥帽311，以此重复，沿着锥帽311、漏斗312的表面轨迹流向筒体1的底部，最终从出料口12引出。物料从进料至出料的过程，便是完成连续聚合或连续共聚合的过程，而非聚合单体则被除去，因为在通常情况下，聚合是在高真空状态下进行的，非聚合物单体通过担当着抽真空口任务的排气口14排出。也可以通过进气口13充氮气，由氮气将非聚合物单体从排气口14排去。完成聚合后的聚合物从出料口12引出，由出料泵送至下道工序。

在上述过程中，可聚合物的流落规迹表现为曲线规迹，即呈S形流落，对此既可以通过图2中的代表可聚合物流落规迹的实线箭头9得到理解，也可以通过图3中的代表可聚合物流落规迹的虚线箭头10帮助理解。前面提及，在作为反应器的一个筒体1内可以有一套导向机构3，也可以有二套及二套以上的导向机构3，而每套导向机构3所包含的导向体31的组数也是依据产能大小或其它因素例如车间的空间大小、高度而变化的，因此，有必要重申，图2、图3所示的数量仅仅是申请人所举及的一个实施例。此外，如果有人刻意将锥帽311及漏斗312变换成异型的锥帽、漏斗，例如将本发明的锥帽311变换成蝴蝶形或称8字形，即由二个扇形连结拼接构成，对漏斗312亦然，并且对料液分配器2的位置作适当调整，如果出现这种更改，那么均应视为与本发明所公开的锥帽311、漏斗312是等效的。还，如果将锥帽311及漏斗312变换成倾斜设置的并且富有梯度的板块或瓦片形式，那么也应视为是等效的。

通过上述实施例可知，本发明所提供的聚合装置除了具有前面提及的积极效果外，还具有解决已有技术中的聚合装置所遇到的并且难于逾越的如下技术障碍，例如：因不存在搅拌器，故搅拌器的密封问题、故障问题、耗能问题都被化解；聚合物分子链免遭剪切之破坏；聚合反应体积效率俱为理想，更为突出的是在聚合过程中充分除去了单体可以直接获得聚乳酸材料，同时减少污染，更具商业价值，因为现有的技术由于无法在聚合过程中充分除去非聚合物单体，要想获得高质量的聚乳酸，就必须在聚合结束后将聚合物(聚乳酸混合物)用大量的二氯甲烷将其溶解，然后还必须用大量的甲醇重沉淀，再过滤出白色固体经干燥后才能获得聚乳酸材料，这种除去非聚合物单体的方法，既污染环境更没有商业价值。对此，可以从武汉大学发明专利一种制备聚乳酸的方法(授权公告号：CN1164639C)得到印证。因此，本发明所推荐的技术方案是极致的。

Claims (7)

1.一种用作制备聚乳酸的聚合装置，它包括顶部具有一进料口(11)而底部窄缩并且形成有一出料口(12)且侧部具有进、排气口(13、14)的筒体(1)和固设在筒体(1)内的用于引导可聚合物流落的至少一个导向机构(3)以及位于筒体(1)的筒腔上部的与进料口(11)相连结并且相通的用于向导向机构(3)布料的料液分配器(2)，其特征在于所述的筒体(1)的筒腔内设置有与所述的导向机构(3)数量相等的并且具有冷、热媒引出接口(41)的外套管(4)，所述的导向机构(3)包括至少一组导向体(31)，而一组导向体(31)包括至少一个锥帽(311)和至少一个漏斗(312)，锥帽(311)固定在外套管(4)上，锥帽(311)的最大外径小于漏斗(312)的最大内径，漏斗(312)借助于固定杆(7)固定于筒体(1)的筒腔内，锥帽(311)与漏斗(312)两者是不接触的，并且两者的中心处于同一垂直线上，所述的外套管(4)底部封闭，而上部敞口，并且在外套管(4)的管腔内插设有上、下端分别具有冷、热媒引入口(61)和冷、热媒引出口(62)的内套管(6)，内套管(6)的外壁与外套管(4)的内壁之间形成有隔腔(5)，隔腔(5)分别与冷、热媒引出口(62)和冷、热媒引出接口(41)相通，所述锥帽(311)位于漏斗(312)的上部，各锥帽(311)由小及大构成梯度关系，并且，锥帽(311)与漏斗(312)的设置方向相反，所述的相反是指锥帽(311)的锥体大头向下，锥体小头向上，而漏斗(312)的锥体大头向上，锥体小头向下。

2.根据权利要求1所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的锥帽(311)与所述的漏斗(312)的数量比为1∶1。

3.根据权利要求1所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的锥帽(311)与所述的漏斗(312)的数量比为n∶1，n≥1。

4.根据权利要求1所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的漏斗(312)与所述的锥帽(311)的数量比为n∶1，n≥1。

5.根据权利要求1所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的料液分配器(2)以环状地回绕于外套管(4)的上部，并且与所述的锥帽(311)相对应。

6.根据权利要求5所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的料液分配器(2)上间布有布料孔(21)。

7.根据权利要求6所述的用作制备聚乳酸的聚合装置，其特征在于所述的布料孔(21)的直径为2-4mm。

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