CN115155483B - 一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法，涉及化工生产设备领域，包括用于搅拌的进料釜、进行搅拌的搅拌器、用于导入物料和气体的反应器上腔、进行光引发聚合反应的反应器主体、进行超声波搅拌的反应器下腔和用于暂时存放物料的缓存釜，反应器下腔固连在缓存釜顶部，反应器主体固连在反应器下腔顶部，反应器上腔固连在反应器主体顶部，进料釜固连在反应器上腔顶部，搅拌器转动连接在进料釜上，进料釜、反应器上腔、反应器主体、反应器下腔和缓存釜通过管道及管道上的阀门以及连接端的通孔相连通，本发明具有抑制副反应提高主聚合反应速率的优点。

Description

一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法

技术领域

本发明涉及化工生产设备技术领域，尤其涉及一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法。

背景技术

高分子产品一般通过反应釜或光引发槽、超声反应釜等装置聚合制备，例如聚丙烯酰胺通常利用生物法制备丙烯酰胺单体，再通过向反应釜添加去离子水、分散剂、引发剂、通氮气等进行聚合制备，通过添加化学试剂进行聚合反应制备的成品受试剂影响纯度偏低，不适应一些食品级产品的市场需求，影响产品附加值。

通过普通的光反应槽或超声反应釜进行反应，化学试剂添加量相应减少一些，但依然存在反应效率相对偏低，废液处理量大、自动化操作水平低等不适应工业化要求的问题。为了降低产品杂质含量，提高产品纯度，满足食品级产品质量要求，各个厂家对光引发聚合反应装置及超声聚合反应装置工业化需求越来越迫切。

因此，针对以上不足，需要提供一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决高分子产品单一聚合反应装置产品纯度低、自动化程度低、反应方式不可调、生产效率低、工业化水平低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法，包括用于搅拌的进料釜、进行搅拌的搅拌器、用于导入物料和气体的反应器上腔、进行光引发聚合反应的反应器主体、进行超声波搅拌的反应器下腔和用于暂时存放物料的缓存釜，反应器下腔固连在缓存釜顶部，反应器主体固连在反应器下腔顶部，反应器上腔固连在反应器主体顶部，进料釜固连在反应器上腔顶部，搅拌器转动连接在进料釜上，进料釜、反应器上腔、反应器主体、反应器下腔和缓存釜通过管道及管道上的阀门以及连接端的通孔相连通。

作为对本发明的进一步说明，优选地，进料釜顶部一侧设有用于投放物料的主进料口，进料釜顶部一侧设有进料釜循环进料口，进料釜循环进料口通过管道和管道上的阀门与反应器下腔相连通。

作为对本发明的进一步说明，优选地，进料釜上设有进料釜进气口和进料釜定压排气口以使进料釜内流动有氮气。

作为对本发明的进一步说明，优选地，反应器主体包括外套壳、高透光反应管和主体光源，外套壳上下两端分别与反应器上腔和反应器下腔固连，若干根高透光反应管间隔固连在外套壳内，高透光反应管与反应器上腔和反应器下腔之间通过通孔相连通，若干个主体光源固连在外套壳内壁上，主体光源发射光线穿过高透光反应管照射到物料上以使物料发生聚合反应。

作为对本发明的进一步说明，优选地，高透光反应管包括管套、顶盖和底盖，管套由PMMA、PC、CR-39、J.D、PS及AS添加高透光材料制成，顶盖固连在管套顶部，底盖固连在管套底部，顶盖和底盖上均开设有料孔，料孔分别与反应器上腔和反应器下腔相通。

作为对本发明的进一步说明，优选地，顶盖上插接有流通有氮气的氮气管，氮气管伸入管套内且不与底盖接触。

作为对本发明的进一步说明，优选地，底盖中部插接有振动支杆，振动支杆底部与固连在反应器下腔内的超声搅拌换能器抵接，振动支杆顶部伸入管套内并与氮气管管口间具有间距，振动支杆顶部呈环状间隔固连有若干根振动杆，振动杆围成的圆形直径大于氮气管外径，振动杆顶部插入顶盖内。

作为对本发明的进一步说明，优选地，振动支杆直径小于5mm，振动杆直径小于2mm。

本发明还提供一种光引发超声搅拌聚合反应器的使用方法，包括以下步骤：

Ⅰ.通过主进料口向进料釜投放物料并通入氮气，利用搅拌器对进料釜内物料进行搅拌，当进料达到进料釜上液位后，开始向反应器上腔进料；

Ⅱ.物料进入反应器上腔的同时，通过氮气管向高透光反应管内通入氮气，进料釜本次放空后开始进行下次进料；

Ⅲ.物料反应后进入反应器下腔，反应器下腔内的超声搅拌换能器启动对物料进行搅拌，之后将物料通过管道回流至进料釜内，以打通反应物料聚合反应循环通路，反应器物料循环运行正常后，反应器主体进入正常反应阶段；

Ⅳ.开启主体光源，主体光源为高透光反应管提供光引发反应光源，并根据反应设定提高或降低光照强度，同时保持氮气定量供给，超声搅拌换能器通过变频控制提供最佳搅拌输出功率；

Ⅴ.聚合反应后期反应速率降低，副反应相应增加，反应温度开始缓慢上升；随后根据温度的变化，通过管道将物料泄放至缓存釜内，同时降低进料釜和反应器下腔之间的循环速率，当进料釜排空后，停止氮气进入进料釜内；

Ⅵ.物料进入缓存釜后，根据反应设计要求，通过外接管道和阀门使缓存釜内循环，直到反应物料全部排入缓存釜后，达到设计内循环温升或时间要求后，将反应物料外送后面工序提纯处理。

作为对本发明的进一步说明，优选地，进料前需通过进料釜进气口用氮气对进料釜进行吹扫，吹扫5～10分钟后结束；并在进料釜内壁中通入冷却液。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过独立冷却搅拌釜进行上部搅拌降温，下部结合超声振动换能器进行搅拌，保证了中间反应管束内物料搅拌与冷却效果，解决了普通光引发聚合反应搅拌与冷却循环不均匀问题。采用高透光反应管进行反应，增加光通量，提高反应速率，降低能耗。反应管束采用进气阀组定量单管供气，实现精准供气，有效降低氧阻聚。采用变频自动控制，反应温度、反应时间、循环流量、搅拌频率、光照强度实时可调，反应器应用灵活，提高了反应器的自动化程度。相比普通光引发反应槽相比可缩短反应时间30％以上，成品产出率提高6％以上。

附图说明

图1是本发明的内部结构图；

图2是本发明的高透光反应管俯视图；

图3是本发明的高透光反应管仰视图；

图4是本发明的高透光反应管内部结构俯视图；

图5是本发明的高透光反应管内部结构仰视图。

图中：1、进料釜；11、主进料口；12、进料釜进气口；13、反应器进料管；14、进料釜定压排气口；15、进料釜循环进料口；16、冷却液出口；17、冷却液出口；18、进料釜检测口；19、进料釜排污管；2、搅拌器；21、搅拌电机；3、反应器上腔；31、上腔检测口；32、反应器上腔定压排气管；4、反应器主体；41、外套壳；42、高透光反应管；421、管套；422、顶盖；423、底盖；424、氮气管；425、料孔；426、振动支杆；427、底片；428、振动杆；429、顶环；43、主体光源；44、进气阀组；45、进气风机；46、除雾控温排气口；5、反应器下腔；51、超声搅拌换能器；52、主体循环隔膜泵；53、反应器下腔检测口；54、降温风机；55、降温出风口；6、缓存釜；61、缓存釜进料管；62、缓存釜隔膜泵；63、缓存釜循环出料管；64、外送管；65、缓存釜循环进料管；66、缓存釜排污管；67、缓存釜检测口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种光引发超声搅拌聚合反应器及使用方法，如图1所示，用于搅拌的进料釜1、进行搅拌的搅拌器2、用于导入物料和气体的反应器上腔3、进行光引发聚合反应的反应器主体4、进行超声波搅拌的反应器下腔5和用于暂时存放物料的缓存釜6，反应器下腔5固连在缓存釜6顶部，反应器主体4固连在反应器下腔5顶部，反应器上腔3固连在反应器主体4顶部，进料釜1固连在反应器上腔3顶部，搅拌器2转动连接在进料釜1上。进料釜1、反应器上腔3、反应器主体4、反应器下腔5和缓存釜6通过管道及管道上的阀门以及连接端的通孔相连通。进料釜1与反应器主体4容积比优选1：2，缓存釜6容积等于以上二者之和，具体设计应用时，要按生产量要求预留15％至20％的预留容积。

如图1所示，进料釜1为外设水套圆形壳体，顶为椭圆形顶盖，其上设有搅拌电机21、主进料口11、进料釜进气口12、进料釜定压排气口14、进料釜循环进料口15、进料釜检测口18；进料釜循环进料口15与进料釜循环进料阀相连接；进料釜1一侧设有冷却液出口16、冷却液进口17，冷却液由循环泵加压通过进、出口在进料釜1内循环，保持进料釜1设定温度；进料釜检测口18内装设在线液位、压力、温度传感装置，为供液、供气装置提供液位、压力、温度实时信息，实现供液、供气装置实时监控与调整。搅拌电机21与搅拌器2连接以使搅拌电机21驱动搅拌器2在进料釜1内旋转，进而起到搅拌物料的作用。

如图1所示，反应器上腔3通过反应器进料管13与管道连接进料釜1，反应器上腔3上设有上腔检测口31和反应器上腔定压排气管32。反应器主体4包括外套壳41、高透光反应管42和主体光源43，外套壳41内装反应器上腔3、若干根间隔排列的长度方向竖直的高透光反应管42和壳状的反应器下腔5；上腔检测口31、反应器上腔定压排气管32透过外套壳41与反应器上腔3连接，若干个主体光源43均匀安装在外套壳41上内壁上为高透光反应管42提供反应光源。外套壳4外设有进气阀组44，进气阀组44通过管道向高透光反应管42充氮气，可以根据反应管数量设定多个阀组。通过安装在外套壳41上的进气风机45、除雾控温排气口46为反应器管束除雾降温。

结合图2、图3，高透光反应管42包括管套421、顶盖422和底盖423，管套421由PMMA、PC、CR-39、J.D、PS及AS添加高透光材料制成，顶盖422固连在管套421顶部，底盖423固连在管套421底部，顶盖422和底盖423上均开设有料孔425，料孔425分别与反应器上腔3和反应器下腔5相通，开设料孔425可使物料从反应器上腔3进入管套421内，并由管套421流出至反应器下腔5内。顶盖422上插接有流通有氮气的氮气管424，氮气管424和进气阀组44相连，氮气管424伸入管套421内且不与底盖423接触。设置氮气管424可将氮气通过进气阀组44通入管套421内与物料进行反应。

如图1所示，反应器下腔检测口53透过外套壳41安装于反应器下腔5侧壁上；由主体循环隔膜泵冷却液进口、主体循环隔膜泵52、主体循环隔膜泵冷却液出口、主体循环隔膜泵进料阀依次连接后再通过管道与进料釜1顶的进料釜循环进料阀连接，构成反应器物料循环通路。反应器下腔5底部安装有超声搅拌换能器51，为反应物料提供搅拌动能。反应器下腔5一侧还设有降温风机54，通过降温风机54向降温出风口55通风为换能器组降温。上腔检测口31、反应器下腔检测口53内装设在线液位、压力、温度传感装置，为供液、供气装置提供液位、压力、温度实时信息，实现供液、供气装置实时监控与调整。

结合图4、图5，底盖423中部插接有振动支杆426，振动支杆直径小于5mm，振动支杆426底部固连有片状的底片427，底片427与固连在反应器下腔5内的超声搅拌换能器51抵接，振动支杆426顶部伸入管套421内并与氮气管424管口间具有间距，振动支杆426顶部呈环状间隔固连有若干根振动杆428，振动杆428直径小于2mm，振动杆428围成的圆形直径大于氮气管424外径，振动杆428顶部固连有环状的顶环429，顶环429插入顶盖422内。

通过上述设置，当物料进入管套421内，超声搅拌换能器51启动采用超声波对物料进行搅拌，而为了提高产量以及产品质量，管套421长度较长，此时底片427和振动支杆426将超声搅拌换能器51的振动能量传递至各个振动杆428，因振动支杆426和振动杆428直径较小，而且氮气管424出口端正对振动支杆426和振动杆428的连接端，在氮气流出后能配合超声波使振动支杆426和振动杆428可产生几乎肉眼可见的振动幅度，此时在振动杆428的传递下，不仅能使管套421上部分的物料得到充分搅拌，而且振动支杆426和振动杆428也不会影响主体光源43对物料的光照，此外在物料向反应器下腔5流动时，振动支杆426和振动杆428能够降低物料对管套421的黏连度，确保物料尽可能完全流出并避免堵塞料孔524。

通过实验对比，加入振动支杆426和振动杆428后，可减少2-3次物料的循环反应次数，能缩短约1h的反应时间。同时在清洗高透光反应管42时，每根管内清理出来的物料量约为30-60g，而原结构单管最多能清出约400g物料，而且还需要对料孔425进行额外的超声波清洗以及热风清洗工作，而改进后仅需热风清洗即可，无需超声波清洗，还节约了维护成本。并且振动支杆426和振动杆428的制造成本低，也无需增加额外的动力驱动设备，应用到加长版的高透光反应管42内，使得单次物料反应量增加，既能提高产量又能保证产品质量，十分实用。

如图1所示，缓存釜6通过缓存釜进料管61与反应器主体4的反应器下腔5相连；缓存釜检测口67安装于缓存釜6侧壁上；由缓存釜循环进料管65、外送管64、缓存釜隔膜泵62、缓存釜循环出料管63组建缓存釜6物料内循环与外送系统；缓冲釜6底部一侧还设有缓冲釜排污管66，缓存釜排污管66用于缓存釜6定时排污。缓存釜检测口67内装设在线液位、温度传感装置，为应物料缓存釜进料管61提供液位信息；为缓存釜隔膜泵62提供内循环及外送操作的液位、温度信息。

本发明还提供一种光引发超声搅拌聚合反应器的使用方法，包括以下步骤：

Ⅰ.进料前先打开进料釜排污管19，通过进料釜进气口12用氮气对进料釜1进行吹扫，通过进气阀组44对反应器主体4进行吹扫，吹扫5～10分钟后结束，关闭各进排气口。启动冷却系统泵，先后开启冷却液进口17、冷却液出口16，等冷却液出口16出液正常后，对夹套进行排气，等温度降到设定温度后启动氮气进气系统通过进料釜进气口12向釜内通氮气，开始按进料顺序、比例向进料釜1进料。

Ⅱ.进料达到进料釜1搅拌启动最低液位后，进料釜检测口18探测装置发出搅拌电机21启动信号开启搅拌；进料达到进料釜1上液位后，开启反应器进料管13向反应器主体4进料，超声搅拌换能器51接到反应器下腔检测口53探测装置发出的最低液位搅拌启动信号后启动；进气阀组44开启向高透光反应管42通入氮气，同时主体光源43开启；进料釜1液位降到搅拌停机液位时搅拌自动停止，放空第一釜料后，再重复第二釜搅拌，第二釜进料后达到反应器上腔3上液位限值，上腔检测口31探测装置发出电信号，反应器进料管13关闭。

Ⅲ.进料釜1第三釜料按顺序、比例、液位上料结束后，关闭主进料口11、进料釜定压排气口14，依次开启主体循环隔膜泵进料阀、主体循环隔膜泵52、进料釜循环进料阀、反应器进料管13，打通反应物料聚合反应循环通路，此反应循环通路与进料釜进气口12、进气阀组44、反应器上腔定压排气管32维持设定反应反应器压力。当液位、温度出现异常时，电磁阀关闭，隔膜泵停机，循环冷却液不停。

Ⅳ.反应器物料循环运行正常后，反应器进入正常反应阶段：进料釜1、主体循环隔膜泵52等构成的循环系统可根据反应要求调节冷却温度，使反应物料保持设定的反应温度；主体光源43为高透光反应管42提供光引发反应光源，并根据反应设定提高或降低光照强度；进气阀组44保持氮气定量供给；超声搅拌换能器51通过变频控制提供最佳搅拌输出功率，既能对反应器下去5内物料进行充分搅拌，又能通过振动支杆426和振动杆428对高透光反应管42内物料进行充分搅拌反应，通过以上措施综合作用，有效抑制副反应，提高主聚合反应速率，对于丙烯酰胺聚合反应来说效果提升明显，反应时间缩短30％以上，成品产出率提高6％以上。

Ⅴ.聚合反应后期反应速率降低，副反应相应增加，反应温度开始缓慢上升，打开缓存釜进料管61向缓存釜6泄放反应物料，液位到进料釜1搅拌停机液位后，搅拌电机21停止搅拌，主体循环隔膜泵52降频，降低循环速率；进料釜1排空时，进料釜进气口12停止氮气进气。

Ⅵ.进料釜1排空后，反应器主体4排液，直到液位降到超声搅拌换能器51停机液位后，下腔液位、温度检测口探测装置发出电信号发出停机信号，超声搅拌换能器51停止搅拌，进气阀组44停止进氮气，主体循环隔膜泵52停止反应液循环，直到反应器主体4反应物料排空后，反应器进料管13关闭。

Ⅶ.反应物料排入缓存釜6时，根据反应设计要求，缓存釜检测口67发出缓存釜隔膜泵35最低液位内循环启动信号，缓存釜循环进料管65开启，启动内循环；直到反应物料全部排入缓存釜6后，达到设计内循环温升或时间要求后，缓存釜循环进料管65关闭，外送管34打开，将反应物料外送后面工序提纯处理。

Ⅷ.反应器进料管13关闭后，再次按步骤Ⅰ启动进料釜1进料搅拌。

综上所述，通过上述方法和结构进行的光引发聚合反应，解决了普通光引发聚合反应搅拌与冷却循环不均匀问题。采用高透光反应管进行反应，增加光通量，提高反应速率，降低能耗。反应管束采用进气阀组定量单管供气，实现精准供气，有效降低氧阻聚。采用变频自动控制，反应温度、反应时间、循环流量、搅拌频率、光照强度实时可调，反应器应用灵活，提高了反应器的自动化程度。相比普通光引发反应槽反应时间约在6小时左右，本申请通过超声振动加快了引发剂的分解时间，使得反应时间能够缩短至3小时左右，另外由于初期纯度控制的好，后期在引发剂的分解补充了损失，还确保最后的聚合收率达到100％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种光引发超声搅拌聚合反应器，其特征在于：包括用于搅拌的进料釜(1)、进行搅拌的搅拌器(2)、用于导入物料和气体的反应器上腔(3)、进行光引发聚合反应的反应器主体(4)、进行超声波搅拌的反应器下腔(5)和用于暂时存放物料的缓存釜(6)，反应器下腔(5)固连在缓存釜(6)顶部，反应器主体(4)固连在反应器下腔(5)顶部，反应器上腔(3)固连在反应器主体(4)顶部，进料釜(1)固连在反应器上腔(3)顶部，搅拌器(2)转动连接在进料釜(1)上，进料釜(1)、反应器上腔(3)、反应器主体(4)、反应器下腔(5)和缓存釜(6)通过管道及管道上的阀门以及连接端的通孔相连通；

其中，反应器主体(4)包括外套壳(41)、高透光反应管(42)和主体光源(43)，外套壳(41)上下两端分别与反应器上腔(3)和反应器下腔(5)固连，若干根高透光反应管(42)间隔固连在外套壳(41)内，高透光反应管(42)与反应器上腔(3)和反应器下腔(5)之间通过通孔相连通，若干个主体光源(43)固连在外套壳(41)内壁上，主体光源(43)发射光线穿过高透光反应管(42)照射到物料上以使物料发生聚合反应；高透光反应管(42)包括管套(421)、顶盖(422)和底盖(423)，管套(421)由PMMA、PC、CR-39、J.D、PS及AS添加高透光材料制成，顶盖(422)固连在管套(421)顶部，底盖(423)固连在管套(421)底部，顶盖(422)和底盖(423)上均开设有料孔(425)，料孔(425)分别与反应器上腔(3)和反应器下腔(5)相通；顶盖(422)上插接有流通有氮气的氮气管(424)，氮气管(424)伸入管套(421)内且不与底盖(423)接触；底盖(423)中部插接有振动支杆(426)，振动支杆(426)直径小于5mm，振动支杆(426)底部与固连在反应器下腔(5)内的超声搅拌换能器(51)抵接，振动支杆(426)顶部伸入管套(421)内并与氮气管(424)管口间具有间距，振动支杆(426)顶部呈环状间隔固连有若干根振动杆(428)，振动杆(428)直径小于2mm，振动杆(428)围成的圆形直径大于氮气管(424)外径，振动杆(428)顶部插入顶盖(422)内。

2.根据权利要求1所述的一种光引发超声搅拌聚合反应器，其特征在于：进料釜(1)顶部一侧设有用于投放物料的主进料口(11)，进料釜(1)顶部一侧设有进料釜循环进料口(15)，进料釜循环进料口(15)通过管道和管道上的阀门与反应器下腔(5)相连通。

3.根据权利要求2所述的一种光引发超声搅拌聚合反应器，其特征在于：进料釜(1)上设有进料釜进气口(12)和进料釜定压排气口(14)以使进料釜(1)内流动有氮气。

4.根据权利要求1所述的一种光引发超声搅拌聚合反应器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

Ⅰ.通过主进料口(11)向进料釜(1)投放物料并通入氮气，利用搅拌器(2)对进料釜(1)内物料进行搅拌，当进料达到进料釜(1)上液位后，开始向反应器上腔(3)进料；

Ⅱ.物料进入反应器上腔(3)的同时，通过氮气管(424)向高透光反应管(42)内通入氮气，进料釜(1)本次放空后开始进行下次进料；

Ⅲ.物料反应后进入反应器下腔(5)，反应器下腔(5)内的超声搅拌换能器(51)启动对物料进行搅拌，之后将物料通过管道回流至进料釜(1)内，以打通反应物料聚合反应循环通路，反应器物料循环运行正常后，反应器主体(4)进入正常反应阶段；

Ⅳ.开启主体光源(43)，主体光源(43)为高透光反应管(42)提供光引发反应光源，并根据反应设定提高或降低光照强度，同时保持氮气定量供给，超声搅拌换能器(51)通过变频控制提供最佳搅拌输出功率；

Ⅴ.聚合反应后期反应速率降低，副反应相应增加，反应温度开始缓慢上升；随后根据温度的变化，通过管道将物料泄放至缓存釜(6)内，同时降低进料釜(1)和反应器下腔(5)之间的循环速率，当进料釜(1)排空后，停止氮气进入进料釜(1)内；

Ⅵ.物料进入缓存釜(6)后，根据反应设计要求，通过外接管道和阀门使缓存釜(6)内循环，直到反应物料全部排入缓存釜(6)后，达到设计内循环温升或时间要求后，将反应物料外送后面工序提纯处理。

5.根据权利要求4所述的一种光引发超声搅拌聚合反应器的使用方法，其特征在于：进料前需通过进料釜进气口(12)用氮气对进料釜(1)进行吹扫，吹扫5～10分钟后结束；并在进料釜(1)内壁中通入冷却液。

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