CN111905653B - 一种聚酰胺的连续聚合反应系统 - Google Patents

Abstract

一种聚酰胺的连续聚合反应系统，包括原料预热系统、聚合反应系统、蒸汽冷凝系统、抽真空系统，聚合反应的物料进口通过第一管路与原料预热系统的物料出口相连，蒸汽冷凝系统包括冷凝塔体、冷凝水循环管路，冷凝塔体的下部空间通过闪蒸蒸汽管路与反应罐体连通，冷凝水循环管路的上游端与冷凝塔体的塔底相连，下游端延伸进冷凝塔体的上部空间，一第二管路与冷凝塔体的下部空间相连，位于闪蒸蒸汽管路的下方，该第二管路的下游端朝下延伸，且通过液封罐液封，该第二管路的垂直高度≥6m，抽真空系统包括干式真空泵，干式真空泵通过第三管路与冷凝塔体的塔顶相连。本发明结构简单、运行成本低，且安全可靠，是高品质聚酰胺生产的保障。

Description

一种聚酰胺的连续聚合反应系统

技术领域

本发明涉及化工领域，特别涉及一种聚酰胺的连续聚合反应系统。

背景技术

聚酰胺俗称尼龙(Nylon)，英文名称Polyamide，它是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。聚酰胺可由内酸胺开环聚合制得，也可由二元胺与二元酸缩聚等得到的。聚酰胺(PA)是指主链节含有极性酰胺基团(-CO-NH-)的高聚物。最初用作制造纤维的原料，后来由于PA具有强韧、耐磨、自润滑、使用温度范围宽等优势，成为目前工业中应用广泛的一种工程塑料。PA广泛用来代替铜、有色金属制作机械、化工、电器零件，如柴油发动机燃油泵齿轮、水泵、高压密封圈、输油管等。PA是美国DuPont公司最先开发用于纤维的树脂，于1939年实现工业化。20世纪50年代开始开发和生产注塑制品，以取代金属制品无法满足下游工业制品轻量化、降低成本的要求。PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。

连续聚合制造方法可以包括在后缩聚器(finisher)下游的排气冷凝器(ventcondenser)，将气态混合物使用喷射器从排气冷凝器抽出。喷射器通过使蒸汽经过文氏装置而产生真空。为了抽出足够的真空，使大量的蒸汽通过，在一个实例中，需要大约450Kg每小时的蒸汽以产生足够的真空。产生蒸汽是昂贵的，并且喷射器产生大体积的废蒸汽。此外，来自喷射器的输出可能包含从排气冷凝器抽出的污染物。这些污染物可能需要被移除，由此导致另外的成本。

专利CN104130401A尼龙合成中的工艺压力控制，使用的液环真空泵抽取真空，其能耗对比干式真空泵高约30％以上。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种聚酰胺的连续聚合反应系统，其结构简单、运行成本低，且安全可靠，是高品质聚酰胺生产的保障。

本发明的技术方案是：一种聚酰胺的连续聚合反应系统，包括原料预热系统、聚合反应系统、蒸汽冷凝系统，以及抽真空系统，所述聚合反应系统包括反应罐体，反应罐体的罐壁上设有热媒夹层，反应罐体中设有搅拌装置，所述反应罐体的物料进口通过第一管路与原料预热系统的物料出口相连，反应罐体的物料出口通过出料装置对外排料，反应罐体通过一氮气管路用于与氮气源相连，所述蒸汽冷凝系统包括冷凝塔体、冷凝水循环管路，所述冷凝塔体中设有筛板，将冷凝塔体的内空分隔为上部空间和下部空间，该筛板的筛孔直径为1-10mm，且各筛孔中分别设有升气帽，冷凝塔体的下部空间通过闪蒸蒸汽管路与反应罐体的内空连通，所述冷凝水循环管路的上游端与冷凝塔体的塔底相连，冷凝水循环管路的下游端延伸进冷凝塔体的上部空间，所述冷凝水循环管路上设有冷凝水循环泵、冷凝水冷却器，一第二管路与冷凝塔体的下部空间相连，位于闪蒸蒸汽管路的下方，该第二管路的下游端朝下延伸，且通过液封罐液封，该第二管路的垂直高度≥6m，所述抽真空系统包括干式真空泵，所述干式真空泵通过第三管路与冷凝塔体的塔顶相连。

所述抽真空系统还包括尾气洗涤系统。

所述尾气洗涤系统包括洗涤罐体，所述洗涤罐体中沿高度方向间隔设有第一隔板、第二隔板，第一隔板、第二隔板之间设有若干列管，各列管的直径≥25mm，且均填充有散堆填料，这些列管的上端向上延伸，至少与第一隔板的上面齐平，这些列管的下端向下延伸，至少与第二隔板的下面齐平，一脱盐水管与洗涤罐体相连，且位于第一隔板的上方；所述洗涤罐体位于干式真空泵的下游，干式真空泵的出口通过管路与洗涤罐体相连，位于第二隔板的下方，洗涤罐体的顶部设有开口，形成排气口，或者，所述洗涤罐体位于干式真空泵的上游，所述冷凝塔体的顶部通过管路与洗涤罐体相连，位于第二隔板的下方，洗涤罐体的顶部通过管路与干式真空泵的进口相连。

所述洗涤罐体位于冷凝塔体的上方，洗涤罐体的底部通过第四管路与冷凝塔体连通，位于筛板的上方。

所述洗涤罐体的侧壁设有冷冻水进水管、冷冻水出水管，且位于第一隔板、第二隔板之间。

所述原料预热系统的壳程为热媒通道，原料预热系统的管程为物料通道，管程为一根或两根列管，各列管在壳程内由180°管弯头迂回折返。

还包括一蒸汽管，该蒸汽管的上游端与蒸汽源相连，该蒸汽管的下游端与第一管路相连。

所述冷凝水循环管路上设有冷凝水采出管，该冷凝水采出管上设有第一阀门。

所述第三管路上设有第二阀门，所述出料装置为螺旋出料机。

所述冷凝水循环管路的下游端与液体喷头相连，且液体喷头沿冷凝塔体的高度方向间隔设置为N层，N≥2。

采用上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的聚酰胺连续聚合反应系统，包括原料预热系统、聚合反应系统、蒸汽冷凝系统，以及抽真空系统，其中，原料预热系统用于与预聚合反应系统连接，对经过预聚合的原料进行预热，聚合反应系统用于在保护气氛下进行聚合反应，得到聚酰胺产品，其中设置的搅拌装置用于混匀物料，使物料受热均匀，保证聚合品质，蒸汽冷凝系统与抽真空系统配合，对聚合反应系统抽真空，闪蒸出大量蒸汽，将聚合反应系统中的小分子(相对于聚酰胺)化合物在负压条件下汽提出，是高品质聚酰胺生产的保障，且利用蒸汽冷凝系统将蒸汽冷凝为液态，可有效降低抽真空的能耗，同时避免产生大量蒸汽。

2、本发明反应系统，利用蒸汽冷凝系统与抽真空系统协同配合，抽真空系统对蒸汽冷凝系统抽真空，蒸汽冷凝系统与聚合反应系统相连，使聚合反应系统形成负压，在负压条件下，聚合反应系统闪蒸出大量水蒸气，这些水蒸气同时汽提聚合反应系统中的小分子(相对于聚酰胺)化合物，使聚合反应系统排出的产品纯度高，小分子化合物含量≤0.6wt％，有效保障聚酰胺的品质。这些携带有小分子化合物的大量蒸汽在穿过蒸汽冷凝系统时，被转化为液态，汇集在蒸汽冷凝系统中，无法返回至高温的聚合反应系统形成安全威胁，是一种安全、可靠的反应系统。经过蒸汽冷凝系统处理的气流几乎不含蒸汽，可直接采用干式真空泵抽真空，对比蒸汽喷射泵不会额外产生废水，对比液环真空泵，能耗降低约30％。

3、本发明反应系统，抽真空系统还包括尾气洗涤系统，从聚合反应系统抽出的气流中含有大量的蒸汽、小分子化合物以及氮气等组分，气流在穿过蒸汽冷凝系统时，其中的绝大部分蒸汽被冷凝为液态，小分子化合物及氮气在穿过尾气洗涤系统的列管时，其中的小分子化合物被列管中的填料拦截，且由脱盐水冲洗，返回至蒸汽冷凝系统，使排出的尾气中的有机物含量降低90％以上，满足环保排放要求。

4、本发明反应系统，设置有第二管路与冷凝塔体的下部空间相连，且位于闪蒸蒸汽管路的下方，该第二管路的下游端朝下延伸，且通过液封罐液封，该第二管路的垂直高度≥6m，通常，聚合反应系统中聚合反应时的压力为30-50KPaA，第二管路的垂直高度≥6m，且下端液封，保证蒸汽冷凝系统内的冷凝水液位始终低于闪蒸蒸汽管路，可有效避免蒸汽冷凝系统内的冷凝水返流至聚合反应系统中，保证聚合反应系统安全反应。

5、本发明反应系统的蒸汽冷凝系统设置的筛板直径为1-10mm，且设有若干升气帽，通过这些筛孔下水，在冷凝塔体的下部空间形成若干线状水柱，进入蒸汽冷凝系统的大量蒸汽与这些现状水柱直接接触，换热并冷凝，汇集至冷凝塔的下部空间，且经过冷凝水循环管路冷却后，返回至冷凝塔体的上部空间，由筛板落下循环形成线状水柱，持续将聚合反应系统内闪蒸产生的大量蒸汽以及汽提带出的小分子化合物转化为液态，其中的重组分(水)参与循环，轻组分(小分子化合物)由第二管路排出，形成分离，还可有效保证蒸汽冷凝系统的冷凝效果，且能长时间稳定运行。抽出的气体中不凝成分通过升气帽顺利穿过筛板，进入冷凝塔体的上部空间，由真空泵抽出，在保证对聚合反应系统形成负压的前提下，还杜绝对外排放大量蒸汽。

6、本发明反应系统的原料预热系统的壳程为热媒通道、管程为物料通道，管程为一根或两根列管，各列管在壳程内由180°管弯头迂回折返，提高物料的流速，减少物料在高温条件下的停留时间，使得液膜更新速度较快，减少凝胶的生成，保证聚合原料的品质。

7、本发明反应系统在第一管路上设置有蒸汽管，用于直接或间接向聚合反应系统加入蒸汽，对聚合反应器有汽提的作用，有效降低聚合产物中小分子化合物的含量，是高品质聚酰胺的保障。

8、出料装置为螺旋出料机，在对进入聚合反应系统的原料进行搅拌的同时，逐步将聚合反应得到的聚酰胺挤压出料，满足连续聚合反应的需求。

下面结合附图和具体实施方式作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例一的连接示意图；

图2为本发明实施例二的连接示意图；

图3为本发明冷凝塔体的结构示意图；

图4为本发明洗涤罐体的结构示意图。

附图中，1为原料预热系统，2为聚合反应系统，21为反应罐体，22为热媒夹层，23为搅拌装置，24为出料装置，3为蒸汽冷凝系统，31为冷凝塔体，32为冷凝水循环管路，33为筛板，34为升气帽，35为冷凝水循环泵，36为冷凝水冷却器，37为冷凝水采出管，38为液体喷头，4为抽真空系统，41为干式真空泵，42为尾气洗涤系统，43为洗涤罐体，44为第一隔板，45为第二隔板，46为列管，47为冷冻水进水管，48为冷冻水出水管，5为氮气管路，6为闪蒸蒸汽管路，7为液封罐，8为脱盐水管，9为蒸汽管，101为第一管路，102为第二管路，103为第三管路，104为第四管路，a为第一阀门，b为第二阀门。

具体实施方式

实施例一

参见图1、图3和图4，为一种聚酰胺的连续聚合反应系统的具体实施例。聚酰胺的连续聚合反应系统包括原料预热系统1、聚合反应系统2、蒸汽冷凝系统3，以及抽真空系统4，本实施例中，原料预热系统1的壳程为热媒通道，原料预热系统1的管程为物料通道，管程为一根或两根列管，各列管呈蛇形弯曲延伸穿过壳程。所述聚合反应系统2包括反应罐体21，反应罐体21的罐壁上设有热媒夹层22，反应罐体21中设有搅拌装置23，所述反应罐体21的物料进口通过第一管路101与原料预热系统1的物料出口相连，还设有一蒸汽管9，该蒸汽管9的上游端与蒸汽源相连，该蒸汽管9的下游端与第一管路101相连，反应罐体21的物料出口通过出料装置24对外排料，反应罐体21通过一氮气管路5用于与氮气源相连，通常的，热媒夹层、搅拌装置、出料装置采用化工领域常规的设备，且按照化工领域常规或设备供货厂商建议或指导的方式进行安装，该氮气管路的下游端位于反应罐体的顶部，反应罐体的上部为大径的圆筒段，中部为上端是大口端、下端为小口端的锥筒段，反应罐体的下部为小径的圆筒段，上部的大径圆筒段、中部的锥筒段、下部的小径圆筒段相连构成整体，反应罐体的中下部设置有螺旋出料机，在螺旋出料机的搅拌作用下，对预聚合原料进行搅拌，保证物料受热均匀，反应完毕得到的聚酰胺产品随螺旋出料机排出反应罐体。所述蒸汽冷凝系统3包括冷凝塔体31、冷凝水循环管路32，所述冷凝塔体31中设有筛板33，将冷凝塔体31的内空分隔为上部空间和下部空间，该筛板33的筛孔直径为1-10mm，且各筛孔中分别设有升气帽34，筛板、升气帽均为化工领域常规的设备，采用常规的安装方式进行安装。冷凝塔体31的下部空间通过闪蒸蒸汽管路6与反应罐体21的内空连通，具体的，该闪蒸蒸汽管路的上游端位于搅拌装置的上方。所述冷凝水循环管路32的上游端与冷凝塔体31的塔底相连，冷凝水循环管路32的下游端延伸进冷凝塔体31的上部空间，冷凝水循环管路32的下游端与液体喷头38相连，且液体喷头38沿冷凝塔体31的高度方向间隔设置为N层，本实施例中，液体喷头沿冷凝塔体的高度方向分为两层，各层的液体喷头数量为三个。所述冷凝水循环管路32上设有冷凝水循环泵35、冷凝水冷却器36，具体的，冷凝水循环泵位于冷凝水冷却器的上游，冷凝水循环管路32上设有冷凝水采出管37，位于冷凝水冷却器的下游，该冷凝水采出管37上设有第一阀门a。一第二管路102与冷凝塔体31的下部空间相连，位于闪蒸蒸汽管路6的下方，该第二管路102的下游端朝下延伸，且通过液封罐7液封，该第二管路102的垂直高度≥6m。所述抽真空系统4包括干式真空泵41，所述干式真空泵41通过第三管路103与冷凝塔体31的塔顶相连，该第三管路103上设有第二阀门b，本实施例中，抽真空系统4还包括尾气洗涤系统42，尾气洗涤系统42包括洗涤罐体43，所述洗涤罐体43中沿高度方向间隔设有第一隔板44、第二隔板45，第一隔板44、第二隔板45之间设有若干列管46，各列管46的直径≥25mm，且均填充有散堆填料，散堆填料采用化工领域常规的填料，且采用常规的填充方式设置在这些列管中。这些列管46的上端向上延伸，至少与第一隔板44的上面齐平，这些列管46的下端向下延伸，至少与第二隔板45的下面齐平，一脱盐水管8与洗涤罐体43相连，且位于第一隔板44的上方。所述洗涤罐体43位于干式真空泵41的下游，干式真空泵41的出口通过管路与洗涤罐体43相连，位于第二隔板45的下方，洗涤罐体43的顶部设有开口，形成排气口，并且，该洗涤罐体43位于冷凝塔体31的上方，洗涤罐体43的底部通过第四管路104与冷凝塔体31连通，位于筛板33的上方，为了降低返回至冷凝塔体内的脱盐水的温度，洗涤罐体43的侧壁设有冷冻水进水管47、冷冻水出水管48，且位于第一隔板44、第二隔板45之间，冷冻水进入第一隔板、第二隔板之间，冷却第一隔板、第二隔板之间的列管，脱盐水在重力作用下穿过这些列管过程中，温度降低后，由第四管路回流至冷凝塔体。

实施例二

参见图2，本实施例中，洗涤罐体43位于干式真空泵41的上游，冷凝塔体31的顶部通过管路与洗涤罐体43相连，位于第二隔板45的下方，洗涤罐体43的顶部通过管路与干式真空泵41的进口相连。其余结构同实施例一。

本发明的工作原理为，氮气源通过氮气管路对聚合反应系统提供氮气，使聚合反应系统处于保护气氛环境，抽真空系统对聚合反应系统抽真空，形成30-50KPa的负压环境，脱盐水进入洗涤罐体中，且经过若干列管，由第四管路进入冷凝罐体中，在冷凝罐体、冷凝水循环管路形成循环，液封罐对第二管路的下游端形成液封。预聚合的物料(二羧酸和有机二胺混合而成)，经原料预热系统升温至250-300℃，然后进入聚合反应系统中，进行聚合反应，同时闪蒸出大量蒸汽，且汽提出聚合反应系统中的小分子有机物，由闪蒸蒸汽管路进入冷凝塔体，进入冷凝塔体下部的气流(包括大量水蒸气、氮气、小分子有机物)，与冷凝塔体下部的若干水柱接触，其中的大量水蒸气冷凝为液态，落入冷凝塔体底部，参与循环，且冷凝水保持低温，气流中的其他组分，穿过升气帽，由干式真空泵进入洗涤罐体的下部，这些气流在穿过列管的过程中，与脱盐水逆流接触，其中的小分子化合物被列管中的填料拦截，且由脱盐水洗脱，持续进入冷凝塔体，气流中剩余的组分穿过洗涤罐体，作为尾气排出。含有小分子有机物的脱盐水，以及水蒸气冷凝形成冷凝液不断增多，液位超出第二管路上游端的液体由第二管路排至液封罐。

Claims (9)

1.一种聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：包括原料预热系统（1）、聚合反应系统（2）、蒸汽冷凝系统（3），以及抽真空系统（4），所述原料预热系统（1）的壳程为热媒通道，原料预热系统（1）的管程为物料通道，管程为一根或两根列管，各列管在壳程内由180°管弯头迂回折返，

所述聚合反应系统（2）包括反应罐体（21），反应罐体（21）的罐壁上设有热媒夹层（22），反应罐体（21）中设有搅拌装置（23），所述反应罐体（21）的物料进口通过第一管路（101）与原料预热系统（1）的物料出口相连，反应罐体（21）的物料出口通过出料装置（24）对外排料，反应罐体（21）通过一氮气管路（5）用于与氮气源相连，

所述蒸汽冷凝系统（3）包括冷凝塔体（31）、冷凝水循环管路（32），所述冷凝塔体（31）中设有筛板（33），将冷凝塔体（31）的内空分隔为上部空间和下部空间，该筛板（33）的筛孔直径为1-10mm，且各筛孔中分别设有升气帽（34），冷凝塔体（31）的下部空间通过闪蒸蒸汽管路（6）与反应罐体（21）的内空连通，所述冷凝水循环管路（32）的上游端与冷凝塔体（31）的塔底相连，冷凝水循环管路（32）的下游端延伸进冷凝塔体（31）的上部空间，所述冷凝水循环管路（32）上设有冷凝水循环泵（35）、冷凝水冷却器（36），一第二管路（102）与冷凝塔体（31）的下部空间相连，位于闪蒸蒸汽管路（6）的下方，该第二管路（102）的下游端朝下延伸，且通过液封罐（7）液封，该第二管路（102）的垂直高度≥6m，

所述抽真空系统（4）包括干式真空泵（41），所述干式真空泵（41）通过第三管路（103）与冷凝塔体（31）的塔顶相连。

2.根据权利要求1所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述抽真空系统（4）还包括尾气洗涤系统（42）。

3.根据权利要求2所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述尾气洗涤系统（42）包括洗涤罐体（43），所述洗涤罐体（43）中沿高度方向间隔设有第一隔板（44）、第二隔板（45），第一隔板（44）、第二隔板（45）之间设有若干列管（46），各列管（46）的直径≥25mm，且均填充有散堆填料，这些列管（46）的上端向上延伸，至少与第一隔板（44）的上面齐平，这些列管（46）的下端向下延伸，至少与第二隔板（45）的下面齐平，一脱盐水管（8）与洗涤罐体（43）相连，且位于第一隔板（44）的上方；所述洗涤罐体（43）位于干式真空泵（41）的下游，干式真空泵（41）的出口通过管路与洗涤罐体（43）相连，位于第二隔板（45）的下方，洗涤罐体（43）的顶部设有开口，形成排气口，或者，所述洗涤罐体（43）位于干式真空泵（41）的上游，所述冷凝塔体（31）的顶部通过管路与洗涤罐体（43）相连，位于第二隔板（45）的下方，洗涤罐体（43）的顶部通过管路与干式真空泵（41）的进口相连。

4.根据权利要求3所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述洗涤罐体（43）位于冷凝塔体（31）的上方，洗涤罐体（43）的底部通过第四管路（104）与冷凝塔体（31）连通，位于筛板（33）的上方。

5.根据权利要求3所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述洗涤罐体（43）的侧壁设有冷冻水进水管（47）、冷冻水出水管（48），且位于第一隔板（44）、第二隔板（45）之间。

6.根据权利要求1所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：还包括一蒸汽管（9），该蒸汽管（9）的上游端与蒸汽源相连，该蒸汽管（9）的下游端与第一管路（101）相连。

7.根据权利要求1所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述冷凝水循环管路（32）上设有冷凝水采出管（37），该冷凝水采出管（37）上设有第一阀门（a）。

8.根据权利要求1所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述第三管路（103）上设有第二阀门（b），所述出料装置（24）为螺旋出料机。

9.根据权利要求1所述的聚酰胺的连续聚合反应系统，其特征在于：所述冷凝水循环管路（32）的下游端与液体喷头（38）相连，且液体喷头（38）沿冷凝塔体（31）的高度方向间隔设置为N层，N≥2。

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