CN105218803B - 一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇(PPC)的装置及方法,所述装置包括双级喷射反应器和刮板式薄膜蒸发器,利用双级喷射反应器循环反应,当反应结束后从双级喷射反应器底部将液相产物输至刮板式薄膜蒸发器,通过抽真空及加热处理,从底部收集聚碳酸亚丙酯多元醇。应用双级喷射反应器,提高了气液传质速率,加深了气液混合程度,提高了反应速率;同时,本发明构建了连续化生产工艺,达到了减少投资与生产能耗、提高产率与转化率、实现连续化生产、提高生产效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域,具体涉及一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇(PPC)的装置及方法。
背景技术
聚碳酸亚丙酯多元醇(Poly(propylenecarbonate)polyols,简称PPC)是一类新型的聚氨酯原材料,由于其分子内含有大量的碳酸酯键,以其为原料制备的聚氨酯材料同时具有聚醚型聚氨酯优良的耐水解性及聚酯型聚氨酯优良的耐磨性、耐油性,具有良好的市场应用前景。
传统的合成聚碳酸亚丙酯多元醇的工艺主要有两种:以搅拌釜式反应器为核心和以环流反应器为核心。其中,搅拌釜式反应器是经典的全混釜,通过搅拌浆的搅动使得气液两相相接触以得到产品。其缺点是搅拌桨破碎气泡能力有限,无法产生较大的气液相接面积,反应速率不高;单釜处理量低,难以实现连续化操作。环流反应器通过导流筒,利用高压气相推动反应器内液相物料循环流动处理量较大,但气相转化率低,需循环使用,能耗较大。这两种反应器为达到生产目标,一方面反应时间很长,一方面反应器内压力较大,有安全隐患;能耗大,吨产品成本难以下降。
该反应原理为:
这是典型的气液两相反应。由于气相成分CO2并不溶于液相,气液传质阻力很大程度上影响合成速率与转化率。在上述的两种合成工艺中,由于不能很好的进行气液混合,气液两相传质速率低,导致设备投资高、生产能耗大、原料利用率低、产品品质不高;且由于设备限制,不能进行连续化生产,生产效率低下。因此,有必要设计新的合成工艺,以提高原料转化率、提升产品品味、减少能耗与设备投资、实现连续化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇(PPC)的装置及方法,达到减少投资与生产能耗、提高产率与转化率、实现连续化生产、提高生产效率的目的。
为实现上述目的,本发明首先提供了一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的装置,包括双级喷射反应器和刮板式薄膜蒸发器;
所述双级喷射反应器的上部设有分别连接至环氧丙烷及催化剂储罐和分子量调节剂储罐的液相物料入口,底部设有气相原料入口;
所述双级喷射反应器上还设有位于上部的排气口和位于底部的液相产物输出口,所述排气口经由气体输送管路连接至气液分离器,所述液相产物输出口通过管道连接至所述刮板式薄膜蒸发器的进料口;所述刮板式薄膜蒸发器的底部连接聚碳酸亚丙酯多元醇储罐;
所述气液分离器上设有位于顶部的排气口和位于底部的排液口;所述排气口通过气体输送管道连接至所述双级喷射反应器的上部,所述排液口通过管道连接至所述环氧丙烷及催化剂储罐;
所述双级喷射反应器与刮板式薄膜蒸发器之间还设有所述双级喷射反应器的物料循环支路,所述物料循环支路上设有至少一个换热器。
优选地,所述换热器为两个换热器串联形成的换热器组,以调节物料循环支路中的流体温度。进一步优选地,所述回流支路上还设有循环泵及物料流量计,以方便监测管路中的流体流量,方便调节。
本发明所述双级喷射反应器为已知结构,此类反应器具有中心喷管,具有不使用动件而能达到较佳搅拌效果的特点,适用于气液两相或气液固三相反应。
本发明所述双级喷射反应器中心设有喷管,所述喷管为上部开口大于下部开口的中空管。当循环输送的流体物料通过中部喷管时,中部喷口周围形成负压,卷吸周围的CO2气体,使得CO2被反复送至液相物料底部,延长气液接触时间。同时在循环中将气泡打碎,产生较大的气液相接面积,提高反应速率。
其中,所述双级喷射反应器的高度为8-20m,内径为0.1-1m。
优选地,本发明所述刮板式薄膜蒸发器顶部设有轻相组分排出口,所述轻相组分排出口经管道连接至真空冷阱后回流连接至所述环氧丙烷及催化剂储罐。此时的轻相组分主要为未反应的环氧丙烷,经冷凝为液相后可回流输入环氧丙烷及催化剂储罐实现循环利用,未能冷凝的部分则放空至空气中,从刮板式薄膜蒸发器的底部获得固态产品聚碳酸亚丙酯多元醇(PPC)。
本发明所述刮板式薄膜蒸发器、气液分离器均为已知结构,其具体选择及操作方法为本领域技术人员所掌握。
本发明同时还提供了一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将环氧丙烷、催化剂、分子量调节剂按比例输至双级喷射反应器,同时通入CO2准备进行反应;
(2)当反应器内物料液位达到反应釜高度的2/3时,从双级喷射反应器底部将物料返输到顶部进行循环反应,返输过程中利用换热器和流量计对物料进行温度和流量控制;当反应结束后从双级喷射反应器底部将液相产物输至刮板式薄膜蒸发器,通过抽真空及加热处理,从底部收集聚碳酸亚丙酯多元醇。
其中,所述分子量调节剂为R(OH)f,其中,R表示除羟基以外的其他基团,f为羟基的数量,取值范围为2到4;优选所述分子量调节剂为一缩二乙二醇,甘油或乙二醇,所述催化剂为双金属催化剂DMC(已知市售品)。
其中,所述环氧丙烷与催化剂的质量用量比为800:1至1200:1,优选1000:1;环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为6:1至10:1,优选8:1;CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/5~1/3,优选1/4。
其中,所述反应的反应温度为55-65℃,反应时间为3-5小时,优选4小时。
更为优选地,本发明所述方法可采用本发明所述连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的装置来实现。
具体的实现方案如下:
(1)将环氧丙烷(PO)与催化剂混合,储存于环氧丙烷及催化剂储罐中,持续搅拌;将分子量调节剂R(OH)f储存于分子量调节剂储罐中。开车后,两储罐以一定比例输出原料,由输送泵经管路从顶端送入双级喷射反应器中。CO2气体由底部通入双级喷射反应器中。
(2)双级喷射反应器中积累一定量的原料之后,开启循环泵,将混合物料经管路由顶部送入双级喷射反应器中,形成循环。此时关闭输送泵。以换热器调节管路中流体温度。以物料流量计监测管路中流体流量,方便调节。流体经管路在双级喷射反应器中循环。流体通过双级喷射反应器中部喷管时,中部喷口周围形成负压,卷吸周围的CO2气体,使得CO2被反复送至液相物料底部,延长气液接触时间。同时在循环中将气泡打碎,产生较大的气液相接面积,提高反应速率。
(3)未反应的CO2聚集在双级喷射反应器上部空腔中,在压差作用下经管路进入气液分离器,CO2气体与其带出的液体得以分离,CO2气体从气液分离器上方经管路重回到双级喷射反应器中,由上部喷口重新卷吸入液相物料中。气液分离器底部液相物料主要为未反应的环氧丙烷,由输送泵经由管路回流入环氧丙烷及催化剂储罐中待用,实现物料循环。
(4)双级喷射反应器中物料反应一段时间之后,控制流量,开启阀门,经由管路将产物运送至刮板式薄膜蒸发器中。刮板式薄膜蒸发器抽真空并加热,轻组分挥发经由管路进入真空冷阱中,其主要组分为未反应的环氧丙烷,冷凝为液相后经由管路回流至环氧丙烷及催化剂储槽中备用,未能冷凝之物料则放空入空气中;刮板式薄膜蒸发器底部获得固态产品PPC。
本发明的优点:
(1)应用双级喷射反应器,提高了气液传质速率,加深了气液混合程度,提高了反应速率;
(2)构建了连续化生产工艺,提高生产效率,减少设备投资,减少人力物力使用,减少设备占地;
(3)物料回收利用,减少了原料消耗,提高产率;
(4)降低了能耗;
(5)双级结构形成物料内循环,提高了CO2利用率,提升效率与产率。
附图说明
图1为本发明所述的连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇(PPC)装置的结构示意图;
其中:
V1为环氧丙烷及催化剂储罐;V2为分子量调节剂储罐;P2为循环泵;P1、P3为输送泵;J1为双级喷射反应器;F1为流量计;E1、E2为换热器;A1为阀门;T1为气液分离器,T2为刮板式薄膜蒸发器;C1为真空冷阱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本实施例中所有原料均可由市购得到。
实施例1
本实施例提供了一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的装置,如图1所示,所述装置包括双级喷射反应器J1和刮板式薄膜蒸发器T2;
其中,双级喷射反应器J1的上部设有分别连接至环氧丙烷及催化剂储罐V1和分子量调节剂储罐V2的液相物料入口,底部设有气相原料入口;
双级喷射反应器J1上还设有位于上部的排气口和位于底部的液相产物输出口,排气口经由气体输送管路连接至气液分离器T1,液相产物输出口通过管道连接至刮板式薄膜蒸发器T2的进料口;刮板式薄膜蒸发器T2的底部连接聚碳酸亚丙酯多元醇储罐;
气液分离器上T1设有位于顶部的排气口和位于底部的排液口;排气口通过气体输送管道连接至双级喷射反应器J1的上部,排液口通过管道连接至环氧丙烷及催化剂储罐V1;
双级喷射反应器J1与刮板式薄膜蒸发器T2之间还设有双级喷射反应器J1的物料循环支路,该物料循环支路上设有两个换热器E1、E2串联形成的换热器组, 回流支路上还设有循环泵P2及物料流量计F1。
刮板式薄膜蒸发器T2顶部设有轻相组分排出口,该轻相组分排出口经管道连接至真空冷阱C1后回流连接至环氧丙烷及催化剂储罐V1。
实施例2
本实施例提供了一种利用实施例1所述装置进行连续合成聚碳酸亚丙酯多元醇的方法,该聚碳酸亚丙酯多元醇合成历程如图1所示:
(1)将环氧丙烷(PO)与催化剂混合,储存于环氧丙烷及催化剂储罐V1中,持续搅拌;将分子量调节剂R(OH)f储存于分子量调节剂储罐V2中。开车后,两储罐以一定比例输出原料,由输送泵P1经管路1从顶端送入双级喷射反应器J1中。CO2气体由底部通入双级喷射反应器J1中。
(2)双级喷射反应器J1中积累一定量的原料之后,开启循环泵P2,将混合物料经管路2由顶部送入双级喷射反应器J1中,形成循环。此时关闭输送泵P1。以换热器E1,E2调节管路中流体温度。以流量计F1监测管路中流体流量,方便调节。流体通过双级喷射反应器J1中部喷管时,中部喷口周围形成负压,卷吸周围的CO2气体,使得CO2被反复送至液相物料底部,延长气液接触时间。同时在循环中将气泡打碎,产生较大的气液相接面积,提高反应速率。
(3)未反应的CO2聚集在双级喷射反应器J1上部空腔中,在压差作用下经管路3进入气液分离器T1,CO2气体与其带出的液体得以分离,CO2气体从气液分离器T1上方经管路4重回到双级喷射反应器J1中,由上部喷口重新卷吸入液相物料中。气液分离器T1底部液相物料主要为未反应的环氧丙烷,由输送泵P3经由管路5送至与管路8中物料汇合,回流入环氧丙烷及催化剂储罐V1中待用,实现物料循环。
(4)双级喷射反应器J1中物料反应一段时间之后,控制流量,开启阀门A1,经由管路6将产物运送至刮板式薄膜蒸发器T2中。刮板式薄膜蒸发器T2抽真空并加热,轻组分挥发经由管路7进入真空冷阱C1中,其主要组分为未反应的环氧丙烷,冷凝为液相后经由管路8回流至环氧丙烷及催化剂储槽V1中备用,未能冷凝之物料则放空入空气中;刮板式薄膜蒸发器T2底部获得固态产品PPC。
其中,双级喷射反应器高20m,内径1m。分子量调节剂为一缩二乙二醇,催化剂为DMC,环氧丙烷与催化剂的质量用量比为1200:1;环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为10:1;CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/5,反应温度55℃,停留时间4h,产率为86%。与同规模搅拌釜反应器相比,反应时间缩减50%。
实施例3
本实施例提供了一种利用实施例1所述装置进行连续合成聚碳酸亚丙酯多元醇的方法,与实施例2相比,区别点仅在于:本实施例中,双级喷射反应器高16m,内径0.8m。分子量调节剂为甘油,环氧丙烷与催化剂的质量用量比为1000:1;环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为8:1;CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/4,反应温度60℃,停留时间4h,产率为91%。与同规模环流反应器相比,反应能耗下降30%。
实施例4
本实施例提供了一种利用实施例1所述装置进行连续合成聚碳酸亚丙酯多元醇的方法,与实施例2相比,区别点仅在于:本实施例中,双级喷射反应器高8m,内径0.4m。分子量调节剂为乙二醇,环氧丙烷与催化剂的质量用量比为800:1;环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为6:1;CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/3,反应温度65℃,停留时间4h,产率为89%。与同规模搅拌釜反应器相比,物料利用率提高40%。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (15)
1.一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的装置,其特征在于:包括双级喷射反应器和刮板式薄膜蒸发器;
所述双级喷射反应器的上部设有分别连接至环氧丙烷及催化剂储罐和分子量调节剂储罐的液相物料入口,底部设有气相原料入口;
所述双级喷射反应器上还设有位于上部的排气口和位于底部的液相产物输出口,所述排气口经由气体输送管路连接至气液分离器,所述液相产物输出口通过管道连接至所述刮板式薄膜蒸发器的进料口;所述刮板式薄膜蒸发器的底部连接聚碳酸亚丙酯多元醇储罐;
所述气液分离器上设有位于顶部的排气口和位于底部的排液口;所述排气口通过气体输送管道连接至所述双级喷射反应器的上部,所述排液口通过管道连接至所述环氧丙烷及催化剂储罐;
所述双级喷射反应器与刮板式薄膜蒸发器之间还设有所述双级喷射反应器的物料循环支路,所述物料循环支路上设有至少一个换热器。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述换热器为两个换热器串联形成的换热器组。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于:所述回流支路上还设有循环泵及物料流量计。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述双级喷射反应器中心设有喷管,所述喷管为上部开口大于下部开口的中空管。
5.根据权利要求1或4所述的装置,其特征在于:所述双级喷射反应器的高度为8-20m,内径为0.1-1m。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述刮板式薄膜蒸发器顶部设有轻相组分排出口,所述轻相组分排出口经管道连接至真空冷阱后回流连接至所述环氧丙烷及催化剂储罐。
7.一种连续化合成聚碳酸亚丙酯多元醇的方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将环氧丙烷、催化剂、分子量调节剂按比例输至双级喷射反应器,同时通入CO2准备进行反应;
(2)当反应器内物料液位达到反应釜高度的2/3时,从双级喷射反应器底部将物料返输到顶部进行循环反应,返输过程中利用换热器和流量计对物料进行温度和流量控制;当反应结束后从双级喷射反应器底部将液相产物输至刮板式薄膜蒸发器,通过抽真空及加热处理,从底部收集聚碳酸亚丙酯多元醇。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:所述分子量调节剂为R(OH)f,其中,R表示除羟基以外的其他基团,f为羟基的数量,取值范围为2到4;所述催化剂为双金属催化剂DMC。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:所述分子量调节剂为一缩二乙二醇,甘油或乙二醇。
10.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于:所述环氧丙烷与催化剂的质量用量比为800:1至1200:1;环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为6:1至10:1;CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/5~1/3。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:所述环氧丙烷与催化剂的质量用量比为1000:1。
12.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:所述的环氧丙烷与分子量调节剂的摩尔用量比为8:1。
13.根据权利要求10所述的方法,其特征在于:所述的CO2摩尔用量为环氧丙烷的1/4。
14.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述反应的反应温度为55-65℃,反应时间为3-5小时。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于:所述反应时间为4小时。
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