CN105032323B - 聚合反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合反应装置，它包括:反应釜(110)、冷凝系统(120)、预反应系统(130)和数字控制系统。其中，反应釜(110)用于进行聚合反应；冷凝系统(120)与反应釜(110)相连，并用于在常压或负压下对所述反应釜中的反应产物进行气液分离；预反应系统(130)用于检测预聚物的理化性质,并调节预聚物溶液中各组分的当量比；数字控制系统用于控制所述反应釜(110)的温度、气体的流速和流量以及压力，并且控制所述预反应系统(130)的温度。该装置用于缩聚反应及需要使用预聚物的共聚物制备反应。通过该装置至少部分地解决了如何在实验室环境下实现批量制备实验级聚合物，且如何实现完善的过程控制的问题。

Description

聚合反应装置

技术领域

本发明涉及聚合反应技术领域，尤其涉及一种聚合反应装置。

背景技术

高质量、高纯度的聚合物在应用和研究领域有着广泛的需求，其是色谱、制药等技术领域中的重要产品，同时也是结晶学、流变学等聚合物学科中所必须的材料。一方面，在工业上，虽然聚合物制品可以实现大批量生产，但工业产品因其用途特殊，并考虑制造成本，往往都需要加入一定比例的添加剂。而且，直接使用工业产品，对研究材料本身的性质通常是不利的，这一点尤其表现在对于聚合物结晶学的研究中。工业合成产品的另一个问题是种类比较有限，无法满足科学研究的需求。另一方面，在实验室中，虽然可以在一定程度上获取化学结构满足需要的高质、高纯聚合物，但是，仍会存在两个方面的不足：一是人为误差，即各次合成过程间存在一定不可重复性；二是难以批量制备。

鉴于工业和实验室合成聚合物的缺点，现已大量报道了采用微型反应设备来合成聚合物。这种方法使用小型空间或微流道，以减少原料用量，建立了快速的热、质交换环境，从而降低了实验成本，增加了合成过程的成功率。因此在原材料价格比较高昂或对终态产品的质量有较高要求的情况下，微型聚合反应设备的使用便尤为重要。

以下涉及到采用微型聚合反应设备来制备聚合物的文献。

美国专利US7459508B2(中国同族专利为CN102274711A)公开了一种微通道聚合反应器，利用一个或多个微通道以避免连续聚合反应中的自加速和爆聚现象(Trommsdorff效应)。

欧洲专利EP1481725A1(中国同族专利为CN1572364A)和欧洲专利EP1481724A1(中国同族专利为CN1572363A)公开了两种结构相似的微型反应器，均为圆柱式叠层，外侧层叠/环形排列有数个流体通路，中部为集流部。流体经通路在反应器中部汇流并反应。据描述，这类微型反应器可用于聚合反应。

中国专利ZL 200410040329.7公开了一种用于缩合聚合的微型聚合釜。该反应装置的主要特点在于采用单釜设计，以规避传统聚合工艺中多釜聚合占地面积大的缺陷。

上述专利公开的技术方案除了变温、加压或抽真空外，无法对聚合反应中的其他过程和参数进行控制或检测。尤其是，无法控制聚合反应，无法批量得到理想质量的产品。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明实施例提供了一种聚合反应装置，以至少部分地解决了如何在实验室环境下实现批量制备实验级聚合物，且如何实现完善的过程控制的问题。

根据一个方面，本发明的一个实施例的技术方案提供了一种聚合反应装置：该聚合反应装置包括:反应釜、冷凝系统、预反应系统和数字控制系统。其中，反应釜用于进行聚合反应；冷凝系统与所述反应釜相连，并用于在常压或负压下对所述反应釜中的反应产物进行气液分离；预反应系统与所述反应釜相连，用于检测预聚物的理化性质,并调节预聚物溶液中各组分的当量比；数字控制系统用于控制所述反应釜的温度、气体的流速和流量以及压力，并且控制所述预反应系统的温度。

进一步地，所述反应釜包括：釜体、釜盖、直连磁驱和搅拌桨；其中，所述釜盖设置有中心开口，所述直连磁驱固定在所述中心开口处，所述直连磁驱的电机连接有数字变频器，所述搅拌桨连接在所述直连磁驱的转轴上。

进一步地，所述冷凝系统包括回流管路和冷凝分离器，其中，所述回流管路的顶端经过滤器接入所述冷凝分离器，回流管路末端与所述反应釜相连。

进一步地，所述预反应系统包括:储存罐和在线检测-补料组件，其中，所述在线检测-补料组件包括第一平流泵、第二平流泵、检测器和检测器控制仪，所述储存罐的罐盖顶部中心与所述检测器相连，所述储存罐侧部设置有第一和第二进料口，所述第一、第二进料口分别与所述第一、第二平流泵相连，所述第一、第二平流泵的另一端连接物料；储存罐底部设置有出料口，所述出料口与所述釜体连通；所述检测器与所述检测器控制仪相连。

进一步地，所述数字控制系统包括：

加热控温组件，用于控制所述反应釜和所述预反应系统的温度；

气体流量控制组件，用于控制进入所述反应釜的气体的流速和流量；

压力控制组件，用于控制所述反应釜内的压力。

进一步地，所述聚合反应装置还包括：

与所述釜体相连的混料系统，其包括：螺杆进料器和二段式耐高压阀体，并用于在常压下输入并混合物料。

进一步地，在所述釜盖中心开口的周围设置有第一至第六开口，其中，

所述第一开口连接所述储存罐；

所述第二开口连接所述压力控制组件；

所述第三开口连接所述气体流量控制组件及所述储存罐底部的开孔；

所述第四开口焊接有向所述釜体内延伸的金属套管；

所述第五开口连接所述混料系统的二段式耐高压阀体；

所述第六开口连接所述冷凝系统的回流管路。

进一步地，所述加热控温组件包括：反应釜温度控制组件和预反应系统温度控制组件。

进一步地，所述反应釜温度控制组件包括：

加热炉套，用于加热所述反应釜；

加热带，用于包覆所述储存罐以及所述第一平流泵和所述第二平流泵之间的连接管路，所述加热带外层设置有保温层；

冷却设备，其连接于设置在所述直连磁驱与所述釜盖之间的冷却介质夹套；

第一温度传感器，设置在所述釜体底部的釜壁上的开孔内；

第二温度传感器，设置在所述第四开口的所述金属套管内；

釜体温度控制仪，其与所述第一温度传感器相连；

釜内温度示数表，其与所述第二温度传感器相连；

进一步地，所述预反应系统温度控制组件包括：

加热管，其设置在所述储存罐罐盖顶部的一侧并与加热套管串联，用于给所述预反应系统加热；

所述加热套管，用于给所述预反应系统加热；

预反应系统温度控制仪，用于调整所述加热管和所述加热套管的功率。

进一步地，所述气体流量控制组件包括：气体流量控制仪和电子质量流量计，其中，所述电子质量流量计设置在所述第三开口的外延管路和与所述储存罐相连的惰性气体通路之间，并与所述气体流量控制仪相连。

进一步地，所述压力控制组件包括：

第一压力表，其设置在与所述储存罐相连的惰性气体通路的入口；

第二压力表，其设置在与所述储存罐相连的所述惰性气体通路的出口；

压力传感器，其设置在所述第二开口的外延管路，并电连接于釜内压力控制仪；

釜内压力控制仪，其与电磁泄压阀相连；

所述电磁泄压阀，其设置在所述第六开口的外延管路和所述冷凝系统的回流管路之间。

进一步地，所述聚合反应装置还包括：

出料系统，其包括圆柱形口模(8)、结构模具和带牵引装置的恒温水槽，其中，所述圆柱形口模(8)设置在所述釜体内部；所述结构模具安装在所述釜体外的底部；所述恒温水槽设置在所述釜体下方。

进一步地，所述检测器为pH测量电极和电导率指示电极中的一种。

进一步地，所述储存罐侧部设置有视窗，所述视窗所用的视镜为T字型石英视镜，并用平面型法兰和O型圈加填料密封。

进一步地，所述加热炉套的炉芯为烧结矿物包覆的加热丝。

进一步地，所述烧结矿物为烧结的莫来石和烧结的锆英石中的一种或几种。

进一步地，所述冷却设备为双级压缩式循环制冷设备和低温冷却液循环泵中的一种。

进一步地，所述结构模具为矩形模具和异形模具中的一种。

进一步地，所述釜盖与所述釜体(5)之间为法兰密封连接，所述法兰密封连接形式为凹凸面或榫槽面。

进一步地，所述釜盖与所述法兰之间设有垫片。

进一步地，所述垫片为电镀四氟乙烯的高温硅橡胶垫片和金属垫片中的一种。

本发明实施例提供了一种聚合反应装置，由于先用预反应系统来检测预聚物的理化性质,并调节预聚物溶液中各组分的当量比，再将产物送入反应釜进行聚合反应，然后冷凝系统在常压或负压下对所述反应釜中的反应产物进行气液分离，并且采用数字控制系统对反应釜(110)的温度、气体的流速和流量，以及对预反应系统的温度进行控制，从而可以在实验室环境下批量制备实验级聚合物，并且可以对过程进行控制，可以实现对影响聚合反应各项参数的操作。

需要说明的是，本发明的产品并不一定具有上述所有优点。

发明内容并非旨在标示出要求保护的主题的必要技术特征，亦非旨在限定要求保护的主题的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，并非穷举，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图中的各个技术特征可能没有按比例画出。因此，为了清楚起见，各个技术特征的尺寸可能被任意扩大或缩小。另外，为了清楚起见，一些附图可能被简化。因此，这些附图可能没有描述给定装置的所有组件。

图1为根据一示例性实施例示出的聚合反应装置的结构示意图；

图2为根据一示例性实施例示出的反应釜的局部剖面示意图；

图3为根据一示例性实施例示出的釜盖开口的局部放大示意图；

图4为根据一示例性实施例示出的储存罐的局部剖面示意图。

主要元件说明：1-直连磁驱，2-定位轴套，3-空心金属密封圈，4-搅拌桨，5-釜体，6-螺纹连接件，7-结构模具，8-圆柱形口模，9-法兰，10-冷却介质夹套，11-第四开口，12-第六开口，13-第五开口，14-第三开口，15-第二开口，16-第一开口，17-检测器，18-加热管，19-储存罐罐盖，20-储存罐罐体，21-鼓泡器，22-支架，100-聚合反应装置，110-预反应系统，120-反应釜，130-冷凝系统，140-数字控制系统。

附图不必按比例绘制。这些附图仅仅是示意性图示，并不旨在绘出本发明的具体参数。这些附图旨在仅仅绘出本发明的典型实施方式，因此不应认为是对本发明范围的限制。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。

需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而混淆了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的技术方案密切相关的装置结构，因此而省略了与本发明关系不大的其它细节。

在实际应用中，为了解决如何在实验室环境下实现批量制备实验级聚合物，且如何实现完善的过程控制的问题，对此，本发明实施例提出了一种聚合反应装置。图1为根据一示例性实施例示出的一种聚合反应装置的结构示意图。如图1所示，该装置100可以包括：预反应系统110、反应釜120、冷凝系统130、数字控制系统140。其中，反应釜120用于进行聚合反应；冷凝系统130与反应釜120相连，并用于在常压或负压下对所述反应釜中的反应产物进行气液分离；预反应系统110与反应釜120相连，并用于检测预聚物的理化性质,并调节预聚物溶液中各组分的当量比；数字控制系统140用于控制所述反应釜120的温度、气体的流速和流量以及压力，并且控制预反应系统110的温度。

上述聚合反应装置100适用于缩聚反应(例如制备长碳链聚酰胺、聚酯的反应)，同样适用于需要使用预聚物的共聚物制备反应，还适用于反应动力学和反应热力学的研究中。其中，聚合反应主要是指从单体或预聚物出发的缩合聚合反应，同时也包括从单体或预聚物出发的自由基聚合和离子型聚合反应，还包括对聚合物的反应性改性。

由于本聚合反应装置100采用了反应釜120以及与该反应釜配合工作的冷凝系统130、预反应系统110和数字控制系统140，实现了对聚合反应过程的控制，可以实现对影响聚合反应各项参数的操作，从而可以在实验室环境下批量制备实验级聚合物。

图2为根据一示例性实施例示出的反应釜的局部剖面示意图。如图2所示，反应釜包括：釜体5、釜盖、直连磁驱1和搅拌桨4；其中，釜盖设置有中心开口，直连磁驱(1)固定在所述中心开口处。直连磁驱的电机连接有数字变频器。搅拌桨4连接在所述直连磁驱的转轴上。釜体底部中心设置有圆柱形阶梯通孔。釜体底部的釜壁设置有开孔。直连磁驱1的转轴由定位轴套2限位。直连磁驱1与所述釜盖之间设置有冷却介质夹套10，冷却介质夹套10内设置有冷却水盘管。

优选地，釜盖与釜体5之间为法兰9密封连接，法兰密封连接形式为凹凸面或榫槽面。作为一个优选的示例，釜盖与法兰9之间可以设有垫片。该垫片例如可以为电镀四氟乙烯的高温硅橡胶垫片和金属垫片中的一种。釜体所用材质为304不锈钢、316L不锈钢、哈氏合金和镍合金中的一种。直连磁驱1的转轴可以采用空心金属密封圈3密封起来。优选地，直连磁驱的轴封方式为机械密封、填料密封和迷宫密封中的一种或几种。搅拌桨4可以通过定位紧固件连接在直连磁驱1的转轴上。优选地，搅拌桨为桨式搅拌器、旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器和锚式搅拌器中的一种。

图3为根据一示例性实施例示出的釜盖开口的局部放大示意图。如图3所示，在釜盖中心开口的周围设置有第一至第六开口，其中，第一开口16连接储存罐；第二开口15连接压力控制组件；第三开口14连接气体流量控制组件和储存罐底部的开孔；第四开口11焊接有向釜体5内延伸的金属套管；第五开口13经由所述二段式耐高压阀体连接混料系统；第六开口12连接冷凝系统的回流管路。

在本实施例中，第一开口可以通过球阀连接储存罐。第二开口可以通过单向阀连接压力测量组件。第三开口可以通过单向阀连接气体流量控制组件。

在该实施例中，由于将储存罐、压力控制组件、气体流量控制组件、金属套管、二段式耐高压阀体和冷凝系统的回流管路集中装配于釜盖上的开口，这样大大提高了聚合反应装置的集成度。

在一个可选的实施例中，冷凝系统130可以包括回流管路和冷凝分离器，其中，回流管路的顶端经过滤器接入冷凝分离器，回流管路末端与反应釜(120)连通。

在本实施例中，过滤器可以经由微调阀接入冷凝分离器。上述冷凝分离器可以具有水或液氮的热交换介质接口。冷凝分离器的顶端为带球阀的气体出口，冷凝分离器的底端为带球阀的液体出口。

在一个可选的实施例中，预反应系统110可以包括储存罐和在线检测-补料组件，其中，在线检测-补料组件包括第一平流泵、第二平流泵、检测器17和检测器控制仪，其中，储存罐的罐盖19顶部中心与所述检测器17相连，储存罐侧部设置有第一进料口和第二进料口，第一、第二进料口分别与所述第一、第二平流泵相连，所述第一、第二平流泵的另一端连接物料，储存罐底部设置有出料口，所述出料口与所述釜体连通，检测器与检测器控制仪相连。

在该实施例中，储存罐用于储存预聚物。储存罐的出料口通过球阀与反应釜的釜体连通。检测器用于检测预聚物的理化性质。理化性质包括但不限于pH、表观pH(使用非水溶剂时的理化性质)和电位。平流泵用于调节预聚物溶液中各组分的当量比。

图4为根据一示例性实施例示出的储存罐的局部剖面示意图。如图4所示，储存罐前端可以开有视窗。优选地，储存罐侧部设置有视窗，视窗所用的视镜为T字型石英视镜，并用平面型法兰和O型圈加填料密封。储存罐罐体20可以固定于支架22上，支架设置在平台上并用螺栓紧固。储存罐罐盖19与罐体20之间采用螺纹密封。优选地，储存罐所用材质为304不锈钢、316L不锈钢、哈氏合金和镍合金中的一种。储存罐底部设置有开孔，其与釜盖上的第三开口相连。储存罐罐盖19顶部的一侧设置有鼓泡器21。鼓泡器21导管可以焊接在釜盖上。惰性气体通过鼓泡器导管进入储存罐，从而因鼓泡而产生搅拌作用。检测器17采用螺纹加“O”型圈密封。加热管18与储存罐连接处采用锥螺纹加填料密封。储存罐侧部的开口通过包覆有加热套管的管路连接至平流泵。管路末端安装有单向阀，以防止液体回流。检测器17检测到储存罐中预反应物料的参数(例如：pH值或电导率)，并将该参数反馈至平流泵，以及时调整平流泵的开关和流速，从而使反应物料的参数达到指定要求。优选地，检测器为pH测量电极和电导率指示电极中的一种。所述第一和第二平流泵分别接入反应物料。平流泵的流速或流量由检测器的当前参数和目标参数共同决定。

作为示例，在线检测-补料组件的工作流程为：设定检测器目标检测值、目标检测值容差和平流泵最大流速。若检测器当前检测值大于检测器目标检测值和目标检测值容差之和，则运行第一平流泵。若检测器当前检测值小于检测器目标检测值与目标检测值容差之差，则运行第二平流泵。第一平流泵的实时流速和第二平流泵的实时流速的大小由当前检测值与目标检测值的差的绝对值决定。

在一个可选的实施例中，数字控制系统可以包括：加热控温组件、气体流量控制组件和压力控制组件，其中，加热控温组件用于控制反应釜和预反应系统的温度；气体流量控制组件用于控制进入反应釜的气体的流速和流量；压力控制组件用于控制反应釜内的压力。

在一个可选的实施例中，聚合反应装置还可以包括与釜体相连的混料系统，该混料系统包括：螺杆进料器和二段式耐高压阀体，并用于在常压下输入并混合物料。

在一个可选的实施例中，加热控温组件可以包括：反应釜温度控制组件和预反应系统温度控制组件。其中，反应釜温度控制组件可以包括：加热炉套、加热带、冷却设备、第一温度传感器、第二温度传感器、釜体温度控制仪和釜内温度示数表，加热炉套用于加热反应釜；加热带用于包覆储存罐以及第一平流泵和第二平流泵之间的连接管路，加热带外层设置有保温层；冷却设备连接于设置在直连磁驱与釜盖之间的冷却介质夹套；第一温度传感器设置在釜体底部的釜壁上的开孔内；第二温度传感器设置在第四开口的金属套管内；釜体温度控制仪与第一温度传感器相连；釜内温度示数表与第二温度传感器相连。预反应系统温度控制组件可以包括：加热管18、加热套管和预反应系统温度控制仪。其中，加热管18设置在储存罐罐盖顶部的一侧并与加热套管串联，用于给预反应系统加热；加热套管用于给预反应系统加热；预反应系统温度控制仪用于调整加热管和加热套管的功率。

在本实施例中，加热炉套的炉芯为烧结矿物包覆的加热丝。优选地，烧结矿物为烧结的莫来石和烧结的锆英石中的一种或两种。加热管与储存罐连接处采用锥螺纹加填料密封。作为一个优选的实施例，冷却设备为双级压缩式循环制冷设备和低温冷却液循环泵中的一种。

在该实施例中，反应釜温度控制组件的工作流程为：设定加热段及各个加热段的目标温度、加热速率和保温时间。在加热段内，若第一温度传感器所测温度低于目标温度，则加热炉套开始工作，加热炉套的功率根据加热速率和目标温度由釜体温度控制仪自动调整。当所测温度超过目标温度一定程度后，打开冷却设备，向冷却介质夹套内循环输送冷却介质，使得所测温度低于目标温度后，关闭冷却设备。釜内温度示数表显示第二温度传感器所测的温度。

在该实施例中，预反应系统温度控制组件的工作流程为：设定目标温度。加热管和加热套管开始工作，加热管和加热套管的功率根据目标温度由预反应系统温度控制仪按自整定参数调整；当预反应系统达到目标温度时保温。

在一个可选的实施例中，所述气体流量控制组件可以包括：气体流量控制仪和电子质量流量计，其中，电子质量流量计设置在第三开口的外延管路和与所述储存罐相连的惰性气体通路之间，并电连接于气体流量控制仪。

在一个可选的实施例中，压力控制组件可以包括：第一压力表、第二压力表、压力传感器、电磁泄压阀和釜内压力控制仪，其中，第一压力表设置在与储存罐相连的惰性气体通路的入口；第二压力表设置在与储存罐相连的惰性气体通路的出口；压力传感器设置在第二开口的外延管路，并与釜内压力控制仪相连；釜内压力控制仪与电磁泄压阀相连；电磁泄压阀设置在第六开口的外延管路和冷凝系统的回流管路之间。

气体流量控制组件和压力控制组件的工作流程为：

设定惰性气体的流量和压力上限值，打开电子质量流量计，由气体流量控制仪向电子质量流量计的电磁阀提供信号。当打开电磁阀时，电子质量流量计根据电磁阀两端的压力差向气体流量控制仪反馈信号，气体流量控制仪调整阀门开度，以使惰性气体流量达到并稳定在惰性气体流量的设定值。当压力传感器测定的压力达到压力上限值时，关闭电子质量流量计，同时打开电磁泄压阀，使压力保持在压力上限值。

在一个可选的实施例中，聚合反应装置还可以包括出料系统，出料系统包括圆柱形口模8、结构模具7和带牵引装置的恒温水槽，其中，圆柱形口模8设置在釜体内部。优选地，圆柱形口模8过盈配合于釜体内部、底部的圆柱形阶梯通孔内。圆柱形口模用于控制出料，可以使出料传热均匀并避免氧化。结构模具安装在釜体外部的底部。恒温水槽设置在釜体的下方。

在该实施例中，结构模具7可以与釜体底部通过螺纹连接件6连接。结构模具7可以使出料按一定形状成型。优选地，结构模具为矩形模具和异形模具中的一种。从结构模具出来的物料进入恒温水槽，进行降温。

下面以制备尼龙1012为例，来说明聚合反应装置。

开启连接反应釜盖第一开口的球阀和冷凝分离器的回流管路，将反应釜和预反应系统抽真空至10^-5MPa。将惰性气体流量设为150.0sccm，向反应釜内通入高纯氮至常压，使反应釜内的气氛置换为氮气。

关闭连接反应釜第一开口的球阀。称取十二碳二元酸20.0g，乙醇80.0mL，将十二碳二元酸溶解于乙醇制得十二碳二元酸的乙醇溶液。称取癸二胺19.8g，乙醇20.0mL，将癸二胺溶解于乙醇制得癸二胺的乙醇溶液。将预反应系统的温度设置为58℃，开启储存罐曝气装置。设置平流泵流量为2.0mL/min，以此流量将十二碳二元酸的乙醇溶液和癸二胺的乙醇溶液分别通过第一平流泵和第二平流泵输入预反应系统的储存罐。将经过除气处理，无显著悬浮颗粒的，端基当量比为8.00mequiv./mL的标准十二碳二元酸和癸二胺乙醇溶液分别放入第一平流泵和第二平流泵的储液瓶，开启在线检测-补料组件的检测器及检测器控制仪，将预反应系统的温度设置为68℃，设置等当点突跃电导率为△150μS/cm，设置模式为流速模式，进行自动补料。补料结束后，继续曝气混合20分钟。

在操作软件中设置反应釜工艺参数如下：

将反应釜预热至与预反应系统相同温度并保持，打开连接反应釜第五开口的二段式耐高压阀体，将抗氧剂、催化剂加入反应釜，并再次置换反应釜内的气氛。开启连接反应釜盖第一开口的球阀，关闭曝气装置，将预反应物料输送至反应釜内。将惰性气体流量设置为20.0sccm，通入高纯氮，使反应釜内压力达到0.2MPa。开启搅拌，设置为恒速模式，转速为200r/min。将反应釜升温至190℃，随温度的升高，压力逐渐上升，开启反应釜第六开口，保持压力低于10MPa，继续反应1h。

将惰性气体流量设置为1sccm，搅拌转速设置为100r/min。将反应釜温度升高至210℃，开启连接第六开口的微调阀，以0.05～0.3MPa/min的速度泄压，直至达到常压。

将惰性气体流量设置为10.0sccm，设置搅拌为恒力矩模式，转速应不超过20r/min。开启反应釜釜温串级控制，控制反应釜温度不超过220℃。继续反应30min。

关闭惰性气体流。通过冷凝分离器的气体出口对反应釜抽真空，使真空度低于10^{- 4}MPa。控制反应釜温度不超过230℃。继续反应约1h。

当搅拌浆输出力矩大于需求值时，停止抽真空并关闭搅拌桨。打开出料口堵头，安装结构模具。关闭连接第六开口的微调阀，将惰性气体流量设置为2sccm，直到压力达到0.2MPa，关闭惰性气体。开始出料。反应终产物进入冷却水槽固化，经过牵引收集，得到无色尼龙1012树脂颗粒。

下面再以制备尼龙612/尼龙1012酰胺交换反应合金为例，来说明聚合反应装置。

开启连接反应釜盖第一开口的球阀和冷凝分离器的回流管路，将反应釜和预反应系统抽真空至10^-5MPa。将惰性气体流量设为150.0sccm，向反应釜内通入高纯氮至常压，使反应釜内的气氛置换为氮气。

分别称取30g熔融指数为25.2g/10min(ASTM D1238)的尼龙612和30g熔融指数为2.3g/10min(ASTM D1238)的尼龙1012。打开连接反应釜第五开口的二段式耐高压阀体，将尼龙612、尼龙1012和抗氧剂经固体混料器混合后输送入反应釜，关闭二段式高压阀体，并再次置换反应釜内的气氛。

设置反应釜工艺参数如下：

将惰性气体流量设置为20sccm，向反应釜内通入高纯氮，使反应釜内压力达到0.6MPa。开启搅拌，设置为恒速模式，转速30r/min。将反应釜升温至240℃，使尼龙612和尼龙1012间发生酰胺交换反应。开启反应釜釜温串级控制，控制反应釜温度不超过250℃，继续反应1h。

将惰性气体流量设置为10sccm，开启连接第六开口的微调阀，保持压力为常压，设置搅拌为恒力矩模式，转速应不超过20r/min，继续反应20min。

关闭搅拌浆。打开出料口堵头，安装结构模具。关闭连接第六开口的微调阀，将惰性气体流量设置为2sccm，直到压力达到0.2MPa，关闭惰性气体流。开始出料。反应终产物进入冷却水槽固化，经过牵引收集，得到无色尼龙612/尼龙1012酰胺交换反应合金颗粒。

在本文中，“一个”不仅仅表示“仅此一个”，也表示“多于一个”的情形。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种聚合反应装置(100)，其特征在于，包括:

反应釜(120),用于进行聚合反应；

冷凝系统(130)，其与所述反应釜(120)相连，并用于在常压或负压下对所述反应釜中的反应产物进行气液分离；

预反应系统(110)，其与所述反应釜相连，用于检测预聚物的理化性质,并调节所述预聚物溶液中各组分的当量比；

数字控制系统，用于控制所述反应釜(120)的温度、气体的流速和流量以及压力，并且控制所述预反应系统(110)的温度；

所述预反应系统(110)包括:储存罐和在线检测-补料组件，其中，所述在线检测-补料组件包括第一平流泵、第二平流泵、检测器(17)和检测器控制仪，所述储存罐的罐盖(19)顶部中心与所述检测器(17)相连，所述储存罐侧部设置有第一和第二进料口，所述第一、第二进料口分别与所述第一、第二平流泵相连，所述第一、第二平流泵的另一端连接物料；储存罐底部设置有出料口，所述出料口与所述反应釜连通；所述检测器与所述检测器控制仪相连。

2.根据权利要求1所述的聚合反应装置，其特征在于，所述反应釜(120)包括：釜体(5)、釜盖、直连磁驱(1)和搅拌桨(4)；其中，所述釜盖设置有中心开口，所述直连磁驱(1)固定在所述中心开口处，所述直连磁驱的电机连接有数字变频器，所述搅拌桨(4)连接在所述直连磁驱的转轴上。

3.根据权利要求2所述的聚合反应装置，其特征在于，所述冷凝系统(130)包括回流管路和冷凝分离器，其中，所述回流管路的顶端经过滤器接入所述冷凝分离器，回流管路末端与所述反应釜(120)相连。

4.根据权利要求2所述的聚合反应装置，其特征在于，所述数字控制系统包括：

加热控温组件，用于控制所述反应釜和所述预反应系统的温度；

气体流量控制组件，用于控制进入所述反应釜的气体的流速和流量；

压力控制组件，用于控制所述反应釜内的压力。

5.根据权利要求4所述的聚合反应装置，其特征在于：所述聚合反应装置还包括：

与所述反应釜相连的混料系统，其包括：螺杆进料器和二段式耐高压阀体，并用于在常压下输入并混合物料。

6.根据权利要求5所述的聚合反应装置，其特征在于，在所述釜盖中心开口的周围设置有第一至第六开口(16,15,14,11,13,12)，其中，

第一开口(16)连接所述储存罐；

第二开口(15)连接所述压力控制组件；

第三开口(14)连接所述气体流量控制组件及所述储存罐底部的开孔；

第四开口(11)焊接有向所述釜体(5)内延伸的金属套管；

第五开口(13)连接所述混料系统的二段式耐高压阀体；

第六开口(12)连接所述冷凝系统的回流管路。

7.根据权利要求4所述的聚合反应装置，其特征在于，所述加热控温组件包括：反应釜温度控制组件和预反应系统温度控制组件。

8.根据权利要求6所述的聚合反应装置，其特征在于，所述反应釜温度控制组件包括：

加热炉套，用于加热所述反应釜；

加热带，用于包覆所述储存罐以及所述第一平流泵和所述第二平流泵之间的连接管路，所述加热带外层设置有保温层；

冷却设备，其连接于设置在所述直连磁驱与所述釜盖之间的冷却介质夹套(10)；

第一温度传感器，设置在所述釜体底部的釜壁上的开孔内；

第二温度传感器，设置在所述第四开口的所述金属套管内；

釜体温度控制仪，其与所述第一温度传感器相连；

釜内温度示数表，其与所述第二温度传感器相连。

9.根据权利要求7所述的聚合反应装置，其特征在于，所述预反应系统温度控制组件包括：

加热管(18)，其设置在所述储存罐罐盖顶部的一侧并与加热套管串联，用于给所述预反应系统加热；

所述加热套管，用于给所述预反应系统加热；

预反应系统温度控制仪，用于调整所述加热管和所述加热套管的功率。

10.根据权利要求6所述的聚合反应装置，其特征在于，所述气体流量控制组件包括：气体流量控制仪和电子质量流量计，其中，所述电子质量流量计设置在所述第三开口的外延管路和与所述储存罐相连的惰性气体通路之间，并与所述气体流量控制仪相连。

11.根据权利要求6所述的聚合反应装置，其特征在于，所述压力控制组件包括：

第一压力表，其设置在与所述储存罐相连的惰性气体通路的入口；

第二压力表，其设置在与所述储存罐相连的所述惰性气体通路的出口；

压力传感器，其设置在所述第二开口的外延管路，并与釜内压力控制仪相连；

釜内压力控制仪，其与电磁泄压阀相连；

所述电磁泄压阀，其设置在所述第六开口的外延管路和所述冷凝系统的回流管路之间。

12.根据权利要求2所述的聚合反应装置，其特征在于，所述聚合反应装置还包括：

出料系统，其包括圆柱形口模(8)、结构模具和带牵引装置的恒温水槽，其中，所述圆柱形口模(8)设置在所述釜体内部；所述结构模具安装在所述釜体外的底部；所述恒温水槽设置在所述釜体下方。

13.根据权利要求1所述的聚合反应装置，其特征在于：所述检测器为pH测量电极和电导率指示电极中的一种。

14.根据权利要求1所述的聚合反应装置，其特征在于：所述储存罐侧部设置有视窗，所述视窗所用的视镜为T字型石英视镜，并用平面型法兰和O型圈加填料密封。

15.根据权利要求8所述的聚合反应装置，其特征在于：所述加热炉套的炉芯为烧结矿物包覆的加热丝。

16.根据权利要求15所述的聚合反应装置，其特征在于：所述烧结矿物为烧结的莫来石和烧结的锆英石中的一种或两种。

17.根据权利要求8所述的聚合反应装置，其特征在于：所述冷却设备为双级压缩式循环制冷设备和低温冷却液循环泵中的一种。

18.根据权利要求12所述的聚合反应装置，其特征在于：所述结构模具为矩形模具和异形模具中的一种。

19.根据权利要求2所述的聚合反应装置，其特征在于：所述釜盖与所述釜体(5)之间为法兰密封连接，所述法兰密封连接形式为凹凸面或榫槽面。

20.根据权利要求19所述的聚合反应装置，其特征在于：所述釜盖与所述法兰之间设有垫片。

21.根据权利要求20所述的聚合反应装置，其特征在于：所述垫片为电镀四氟乙烯的高温硅橡胶垫片和金属垫片中的一种。