一种制备改性纤维素的方法及装置与流程

本申请涉及一种制备改性纤维素的方法及装置。

背景技术：

羟丙基甲基纤维素(hpmc)和羟乙基甲基纤维素(hemc)均属非离子型纤维素醚类，易融入水，具有良好的增稠、悬浮、分散、乳化、粘合、成膜、保水和胶体保护等特性，已被广泛应用在涂料、建筑、医药、食品、纺织、造纸以及高分子聚合反应等领域。

纤维素醚反应釜分为卧式反应釜或立式反应釜，可单独作为反应装置使用，或搭配冷却器作为反应装置使用。

单独使用的反应釜适用于淤浆法工艺，醚化剂溶解在惰性有机溶剂中，反应压力一般较低，在0.6mpa以下。但此种工艺反应釜投料量小，反应时间长，生产效率低；惰性有机溶剂需回收再利用，污染大，成本高。

搭配冷却器使用的反应釜适用于气固法工艺，反应釜内无惰性有机溶剂，大量醚化剂和低沸点副产物在反应釜和冷却器内重复气化-冷凝过程，反应压力一般较高，可达2.2-2.35mpa，对反应设备的耐压性能和密封性能有较高要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本申请提出了一方面公开了一种制备改性纤维素的方法，包括将纤维素进行碱化反应和醚化反应，得到改性纤维素的过程，将碱化纤维素置于循环流动的反应液中，所述反应液以气态形式离开碱化纤维素，然后以液态形式返回到碱化纤维素中；所述反应液为氯甲烷、环氧烷烃和二甲醚。本申请生产过程中无甲苯和异丙醇等惰性有机溶剂参与，无需惰性有机溶剂回收工序，生产工艺简化，污染小，成本低；投料量大，生产效率高。反应液在反应过程中气化后迅速离开反应釜，从而降低反应氛围的压力，安全性能高。

优选的，所述醚化反应的反应条件为表压0.2-1.0mpa，反应时间1.5-6h，反应温度50-90℃。

优选的，所述醚化反应的反应条件为表压0.4-0.6mpa。

优选的，所述反应液中的各个物质的质量份数为：环氧烷烃：13-65份；氯甲烷：80-140份；二甲醚：60-80份。

优选的，所述环氧烷烃为环氧乙烷和/或环氧丙烷。

优选的，所述液碱浓度为40-60wt％，所述纤维素与液碱的质量比为1：0.7-1.7。

另一方面，本申请还公开了一种制备改性纤维素的装置，包括反应釜，所述反应釜内设有用于反应的固液空间，和用于容纳从固液空间内溢出的气体的气相空间，在反应釜外设有一外循环系统，所述外循环系统的入口端与反应釜内的气相空间连通设置，所述外循环系统的出口端深入到反应釜内设置。本申请用于纤维素制备羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素等物质，在纤维素醚化反应进行时，在固液空间内的液体受热气化，先进入到气相空间，然后再通过外循环系统循环进入到反应釜内，使得可以降低釜内压力，保证整体的安全性能，降低反应釜的耐压性能和密封性能，设备整体投资小，同时液体持续经过外循环系统回到反应釜内，使反应釜内反应液始终处于过剩状态，反应速度快，生产效率高。

优选的，所述外循环系统包括用于冷却从气相空间溢出气体的冷却模块和从冷却模块得到气体冷却之后的液体、并将液体通过外循环系统的出口端送入到反应釜的液体传送模块。

优选的，所述冷却模块包括与入口端相连的气体缓冲罐，气体缓冲罐通过一压缩机加压后与冷却器连通设置。

优选的，所述液体传送模块包括与冷却模块相连的液体缓冲罐，液体缓冲罐通过一循环泵加压后与出口端连通设置。本申请的气体组份和液体组份的部分分别设置了用于加压的压缩机、循环泵，从而可以进行两级加压，在加快气体液化的同时，还能保证液体的传输压力，保证传输效果。

优选的，所述出口端还包括一喷淋机构。

优选的，所述喷淋机构包括与出口端相连的喷淋管，在喷淋管上设有若干喷头。

优选的，所述喷头处于气相空间内并朝向固液空间设置。本申请采用喷淋的方式进行液体的重新引入，加大固液空间的扰动，也有一定的均质和进行搅拌的作用。

优选的，所述入口端和外循环系统之间设有一泄压阀；所述出口端和外循环系统之间设有一进料阀。

优选的，所述外循环系统的入口端设置在反应釜的顶部。

优选的，所述反应釜为立式反应釜或卧式反应釜，在反应釜内设置有搅拌器，在反应釜外设有调温夹套或在反应釜内设有调温盘管。

本申请能够带来如下有益效果：

1、本申请生产过程中无甲苯和异丙醇等惰性有机溶剂参与，无需惰性有机溶剂回收工序，生产工艺简化，污染小，成本低；投料量大，生产效率高。反应液在反应过程中气化后迅速离开反应釜，从而降低反应氛围的压力，安全性能高；

2、本申请用于纤维素制备羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素等物质，在纤维素醚化反应进行时，在固液空间内的液体受热气化，先进入到气相空间，然后再通过外循环系统循环进入到反应釜内，使得可以降低釜内压力，保证整体的安全性能，降低反应釜的耐压性能和密封性能，设备整体投资小，同时液体持续经过外循环系统回到反应釜内，使反应釜内反应液始终处于过剩状态，反应速度快，生产效率高；

3、本申请的气体组份和液体组份的部分分别设置了用于加压的压缩机、循环泵，从而可以进行两级加压，在加快气体液化的同时，还能保证液体的传输压力，保证传输效果；

4、本申请采用喷淋的方式进行液体的重新引入，加大固液空间的扰动，也有一定的均质和搅拌的作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的示意图；

图2为冷却模块的示意图；

图3为液体传送模块的示意图；

图4为反应釜部分的示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。

如图中所示，为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在第一个实施例中，如图1-4所示，一种制备改性纤维素的方法及装置，包括反应釜1，所述反应釜1内设有用于反应的固液空间2，和用于容纳从固液空间2内溢出的气体的气相空间3，在反应釜1外设有一外循环系统，所述外循环系统的入口端5与反应釜1内的气相空间3连通设置，所述外循环系统的出口端6深入到反应釜1内设置。所述外循环系统包括用于冷却从气相空间3溢出气体的冷却模块7和从冷却模块7得到气体冷却之后的液体、并将液体通过外循环系统的出口端6送入到反应釜1的液体传送模块8。所述冷却模块7包括与入口端5相连的气体缓冲罐9，气体缓冲罐9通过一压缩机10加压后与冷却器11连通设置。所述液体传送模块8包括与冷却模块7相连的液体缓冲罐12，液体缓冲罐12通过一循环泵13加压后与出口端6连通设置。所述出口端6还包括一喷淋机构。所述喷淋机构包括与出口端6相连的喷淋管14，在喷淋管14上设有若干喷头15。所述喷头15处于气相空间3内并朝向固液空间2设置。所述入口端5和外循环系统之间设有一泄压阀16；所述出口端6和外循环系统之间设有一进料阀17。所述外循环系统的入口端5设置在反应釜1的顶部。所述反应釜1为立式反应釜或卧式反应釜，在反应釜1内设置有搅拌器，在反应釜1外设有调温夹套或在反应釜1内设有调温盘管(未在图中示出)。

使用时，向反应釜1内加入纤维素粉末和液碱，进行碱化反应；碱化反应结束后再向反应釜1内加入氯甲烷、二甲醚、环氧乙烷或环氧丙烷，进行升温。待反应釜1内压力和温度上升至设定值，打开泄压阀，反应釜1内液体气化后持续进入气体缓冲罐9内，经压缩机10加压，经冷却器11冷凝液化后进入液体缓冲罐12内。液体缓冲罐12内的液体经循环泵13持续通过进料阀17的压力调节，送回到反应釜1内进行醚化反应。在使用过程中，进料阀17和泄压阀16根据反应釜1内压力和温度开启和调节，控制醚化反应阶段反应釜1内压力和温度，使反应在较低压力下进行，一般在0.2～1.0mpa。

在第二个实施例中，可以借助但是不限于第一个实施例的设备进行改性纤维素的合成反应，具体包括如下步骤：

s1：纤维素碱化：

采用15m³的卧式反应釜，在反应釜内放入纤维素粉末作为原料纤维素，然后再加入液碱，进行反应，具体的原料含量如表1所示；

表1：

对比例6采用15m³的立式反应釜，在反应釜内放入甲苯、异丙醇和水的混合溶剂，之后加入片碱，进行化碱。之后加入纤维素醚粉末，进行反应。

s2：醚化反应：

再向卧式反应釜加入氯甲烷、环氧烷烃和二甲醚，然后向反应釜升温，至反应釜内压力和温度到达预定值，开打泄压阀，启动压缩机、冷凝器降温水和反应液循环泵，进行反应液外循环，计时预定时间后结束反应，具体条件如表2所示；

表2：

对比例5在配有冷凝器的密闭的反应釜内进行，无反应液外循环系统。

对比例6未加入二甲醚。

s3：s2的反应釜中粗物料经洗涤纯化和干燥粉碎，得到改性纤维素成品；

s4：对改性纤维素成品进行参数表征，具体参数如表3所示。

表3：

由表3可见，实施例1和3采用本申请中描述的方法制得了羟丙基甲基纤维素；实施2制得了羟乙基甲基纤维素；实施例4制得了羟丙基羟乙基甲基纤维素；对比例5采用传统气固法工艺制得了羟丙基甲基纤维素；对比例6采用淤浆法工艺制得了羟丙基甲基纤维素，均属于改性纤维素。

实施例1-4采用本申请中描述的方法进行反应，对比例5采用传统气固法工艺进行反应，均无甲苯、异丙醇等惰性有机溶剂参与。由表2可见，实施例1-4反应压力比对比例5低。即本申请中描述的方法比传统气固法反应压力低。

实施例1-4采用本申请中描述的方法进行反应，对比例6采用淤浆法工艺进行反应。由表1可见，采用同样容积的反应釜，实施例1-4投料量比对比例6高；由表3可见，实施例1-4产量比对比例6高。即本申请中描述的方法比淤浆法投料量大。

实施例1采用本申请中描述的方法进行反应，对比例6采用淤浆法工艺进行反应。由表2可见，在同样反应温度下，实施例1反应时间比对比例6短。即本申请中描述的方法比淤浆法反应时间短。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。