CN113831444B - 一种窄分布中低分子量aa/amps共聚物的合成方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法及装置。该合成方法包括：使含有丙烯酸单体、2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸单体和链转移剂的第一混合物通过第一进料口进入文丘里反应器，使引发剂溶液通过第二进料口进入文丘里反应器，经第一次射流混合，得到第二混合物；使第二混合物通过喷嘴经第二次射流混合，得到第三混合物；使第三混合物进入管式反应器反应，得到AA/AMPS共聚物。本发明通过采用文丘里反应器避免高温导致单体本体聚合使分子量不易控制；通过两次射流混合，能够有效减少物料的混合时间；同时通过控制文丘里反应器和管式反应器的温度和停留时间，能够在提高反应效率的基础上降低副反应最终得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物。

Description

一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法及装置
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法及装置。
背景技术
丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物(AA/AMPS)是一种重要的水处理剂，广泛应用于冶金、煤化工、石化、电力等行业的工业循环水的阻垢分散处理。AA/AMPS中既具有羧酸基团，还含有磺酸基团，从而使其具有优异的阻碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙能力，以及优异的分散和稳锌能力。
聚合物的相对分子量和分子量的分布范围显著影响在水处理剂中的使用性能。常用阻垢分散剂的相对分子量控制在1000-5000之间。在相对分子质量一致时，较窄的分子量分布范围或相对分子量的分布系数小于2.0时，聚合物的性质更稳定，可应用于不同的循环水或纯化水系统。
国内生产聚合物的传统生产方法是采用反应釜进行，控制反应温度、物料滴加速度、引发剂用量和链转移剂的用量等工艺条件。但釜式反应由于物料的返混问题，导致聚合物分子量分布很宽，分布系数经常介于3.0～7.0之间。
为解决上述问题，许多科研工作者做了大量尝试性试验。专利CN 104277142采用蒸汽喷射器送入管式反应器，该专利报道装置可应用于所有的管式反应聚合物的合成；而专利U.S.P20120214941采用二级静态混合器将反应物精细混合，后端链接一个内径3mm长大于10米的盘管，得到的产品分布系数在2.0左右。
上述发明仍然存在一些明显的问题，如采用蒸汽喷射器将物料推入管式反应器，蒸汽的高温容易导致单体，如丙烯酸的本体聚合，很难控制聚合物的分子量，且不容易实现工业化；而采用静态混合器+管式反应器的方案，由于混合时间和反应时间受混合器管长、管径、流速影响显著，过长的管长导致单体聚合物时间过长，聚合物的链长和分子量不易控制。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法及装置，用以解决现有技术中AA/AMPS共聚物的分子量不易控制的技术问题。
本发明的第一方面提供一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置，包括：文丘里反应器、喷嘴、连接管和管式反应器；文丘里反应器的出料口与喷嘴连通，喷嘴通过连接管与管式反应器连通；文丘里反应器上设置有第一进料口和第二进料口，第一进料口与第二进料口相交设置。
本发明的第二方面提供一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，包括以下步骤：
S1、使含有丙烯酸单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体和链转移剂的第一混合物通过第一进料口进入文丘里反应器，使引发剂溶液通过第二进料口进入文丘里反应器，经第一次射流混合，得到第二混合物；
S2、使第二混合物通过喷嘴经第二次射流混合，得到第三混合物；
S2、使第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过采用文丘里反应器避免高温导致单体本体聚合使分子量不易控制；通过两次射流混合，能够有效减少物料的混合时间，提高混合均匀性；同时通过控制文丘里反应器和管式反应器的温度和停留时间，能够在提高反应效率的基础上降低副反应，缩短反应时间，有效地避免了单体高温本体聚合和聚合过度问题，最终得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物(分布系数<2.0)。
附图说明
图1是本发明提供的窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明的第一方面提供一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置，包括：文丘里反应器1、喷嘴3、连接管4和管式反应器5；
文丘里反应器1的出料口与喷嘴3连通，喷嘴3通过连接管4与管式反应器5连通；文丘里反应器1上设置有第一进料口11和第二进料口12，第一进料口11与第二进料口12相交设置。这种设置可使物料经两次射流混合后再进入管式反应器5，进一步提高管式反应器5内物料的混合均匀性。
在本发明的一些优选实施方式中，第一进料口11的进料方向与物料在文丘里反应器1内的运动方向相同。
在本发明的一些具体实施方式中，含有丙烯酸单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体和链转移剂的第一混合物通过第一进料口11进入文丘里反应器1，引发剂溶液通过第二进料口12经进入文丘里反应器1，实现第一次射流混合。
在本发明的一些优选实施方式中，第一进料口11与第二进料口12垂直设置。
在本发明的一些更具体实施方式中，第一进料口11的个数为1个，第二进料口12的个数为2个。
本发明中，文丘里反应器1可与喷嘴3直接连通，也可通过连接接头2与喷嘴3连通，本领域技术人员可以根据实际情况设置。
在本发明的一些更具体实施方式中，文丘里反应器1通过热电偶加热。热电偶的设置方式为现有技术，在此不作赘述。
本发明中，管式反应器5的内径小于连接管4的内径，或连接管4具有一内径较大端及以内径较小端，管式反应器5的进料端与内径较大端连接且管式反应器5的内径小于内径较大端的内径，以便实现管式反应器5内物料快速均匀流动。
本发明中，物料用泵分别通过第一进料口11和第二进料口12送入文丘里反应器1。
在本发明的一些优选实施方式中，经第一进料口11进入文丘里反应器1的物料的泵送速度大于经第二进料口12进入文丘里反应器1的物料的泵送速度。
本发明的第二方面提供一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，包括以下步骤：
S1、使含有丙烯酸单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体和链转移剂的第一混合物通过第一进料口进入文丘里反应器，使引发剂溶液通过第二进料口进入文丘里反应器，经第一次射流混合，得到第二混合物；
S2、使第二混合物通过喷嘴经第二次射流混合，得到第三混合物；
S2、使第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物。
本发明中，文丘里反应器的温度为50～60℃，文丘里反应器的停留时间为10～20s。本发明通过控制文丘里反应器的温度为50～60℃，能够对第一混合物和引发剂溶液进行预热，使其在后续的管式反应器中迅速被加热到反应温度，加快反应速率，避免温度不均造成分子量分布过大。在本发明的一些具体实施方式中，文丘里反应器的温度为55℃，文丘里反应器的停留时间为15s。
本发明对链转移剂或引发剂的具体种类何加入量不作限制，本领域技术人员可以根据需要进行选择。例如，链转移剂可以为正十二硫醇、次亚磷酸钠等，链转移剂的加入量为聚合物单体的15％～20％；引发剂可以为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠等，引发剂的加入量为聚合物单体的3％～4％。进一步地，引发剂溶液的浓度为10～25％。
本发明中，第一混合物中还包括：水，且水与聚合物单体的质量比为(0.7～1.5)：1。
本发明中，第一混合物采用计量泵从第一进料口泵入文丘里反应器，引发剂溶液采用计量泵从第二进料口泵入文丘里反应器。
本发明中，物料在连接管4的停留时间为3～5s。
本发明中，管式反应器的温度为75～95℃，第二混合物在管式反应器的停留时间为5～10min。本发明中，通过将管式反应器的温度控制在该范围内，能够提高反应速率，缩短反应时间。
在本发明的一些具体实施方式中，管式反应器的温度为80～90℃，第二混合物在管式反应器的停留时间为6～8min。
本发明中，从管式反应器流出的物料进入储罐降温至40～50℃，熟化2h，然后下料保存，得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物。
本发明通过文丘里反应器实现物料的快速混合，有利于提高物料在管式反应器的流速，解决了物料混合所需流动速度和物料反应所需流动速度不一致的问题；通过提高管式反应器的温度，降低物料在管道中的停留时间，实现快速反应完全。
实施例1
(1)将AA、AMPS、正十二硫醇和水按照1:0.4:0.22:1的质量比混合均匀得到第一混合物；将过硫酸钾和水按照0.2:1的质量比混合均匀得到引发剂溶液；
(2)将第一混合物用泵以4kg/h的速度经第一进料口送入文丘里反应器，使引发剂溶液用泵以1kg/h的速度经第二进料口送入文丘里反应器，经两次射流混合，得到第三混合物；其中，文丘里反应器的温度为55℃，文丘里反应器的停留时间为15s。
(3)使第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物；其中，管式反应器的温度为85℃，第二混合物在管式反应器的停留时间为8min。
实施例2
(1)将AA、AMPS、正十二硫醇和水按照1:0.5:0.28:1.5的质量比混合均匀得到第一混合物；将过硫酸钾和水按照0.15:1的质量比混合均匀得到引发剂溶液；
(2)将第一混合物用泵以3kg/h的速度经第一进料口送入文丘里反应器，使引发剂溶液用泵以1kg/h的速度经第二进料口送入文丘里反应器，经两次射流混合，得到第三混合物；其中，文丘里反应器的温度为50℃，文丘里反应器的停留时间为18s。
(3)使第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物；其中，管式反应器的温度为75℃，第二混合物在管式反应器的停留时间为10min。
实施例3
(1)将AA、AMPS、正十二硫醇和水按照1:0.6:0.33:2.3的质量比混合均匀得到第一混合物；将过硫酸钾和水按照0.3:1的质量比混合均匀得到引发剂溶液；
(2)将第一混合物用泵以5kg/h的速度经第一进料口送入文丘里反应器，使引发剂溶液用泵以1kg/h的速度经第二进料口送入文丘里反应器，经两次射流混合，得到第三混合物；其中，文丘里反应器的温度为60℃，文丘里反应器的停留时间为12s。
(3)使第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物；其中，管式反应器的温度为88℃，第二混合物在管式反应器的停留时间为6min。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于：文丘里反应器的温度为70℃，文丘里反应器的停留时间为15s。
对比例2
与实施例1相比，区别仅在于：文丘里反应器的温度为40℃，文丘里反应器的停留时间为15s。
对比例3
与实施例1相比，区别仅在于：管式反应器的温度为65℃，管式反应器的停留时间为8min。
对比例4
与实施例1相比，区别仅在于：管式反应器的温度为105℃，管式反应器的停留时间为8min。
对比例5
与实施例1相比，未设置喷嘴，仅进行一次射流混合。
对上述实施例1和对比例1～5的结果进行性能测试，结果见表1。
表1
数均分子量 分子量分布系数 单体转化率(％)
实施例1 2192 1.87 99.87
对比例1 2587 2.52 99.82
对比例2 1894 2.81 98.54
对比例3 1567 2.16 94.91
对比例4 3453 2.93 99.94
对比例5 2477 3.12 97.65
通过表1可以看出，本发明实施例1制备的AA/AMPS共聚物具有较低的分子量和分子量分布系数，说明通过本发明的方法，能够得到具有窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置，其特征在于，包括：文丘里反应器、喷嘴、连接管和管式反应器；
所述文丘里反应器的出料口与所述喷嘴连通，所述喷嘴通过所述连接管与所述管式反应器连通；所述文丘里反应器上设置有第一进料口和第二进料口，所述第一进料口与所述第二进料口相交设置，所述第一进料口的进料方向与物料在所述文丘里反应器内的运动方向相同，所述第一进料口与所述第二进料口垂直设置。
2.根据权利要求1所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置，其特征在于，所述管式反应器的内径小于所述连接管的内径，或所述连接管具有一内径较大端及以内径较小端，所述管式反应器的进料端与所述内径较大端连接且所述管式反应器的内径小于所述内径较大端的内径。
3.根据权利要求1所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置，其特征在于，物料用泵分别通过所述第一进料口和所述第二进料口送入所述文丘里反应器。
4.一种窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
使含有丙烯酸单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体和链转移剂的第一混合物通过第一进料口进入文丘里反应器，使引发剂溶液通过第二进料口进入文丘里反应器，经第一次射流混合，得到第二混合物；
使所述第二混合物通过喷嘴经第二次射流混合，得到第三混合物；
使所述第三混合物进入管式反应器反应，反应结束后经降温熟化得到窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物；
所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法基于权利要求1~3中任一项所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成装置实现。
5.根据权利要求4所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，所述文丘里反应器的温度为50~60℃，所述文丘里反应器的停留时间为10~20s，所述连接管的停留时间为3~5s。
6.根据权利要求4所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，所述管式反应器的温度为75~95℃，所述第二混合物在管式反应器的停留时间为5~10min。
7.根据权利要求4所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，所述链转移剂为正十二硫醇、次亚磷酸钠中的至少一种，所述链转移剂的加入量为聚合物单体的15%~20%。
8.根据权利要求4所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的至少一种，所述引发剂的加入量为聚合物单体的1%~5%。
9.根据权利要求4所述窄分布中低分子量AA/AMPS共聚物的合成方法，其特征在于，所述第一混合物中还包括：水，且水与聚合物单体的质量比为（0.7~1.5）：1。
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