一种聚乳酸连续聚合脱挥方法及装置与流程

1.本发明属于化工生产设备技术领域，具体地说，涉及一种聚乳酸连续聚合脱挥方法及装置。


背景技术：

2.聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料以植物秸秆及玉米淀粉为主，来源充足而且产品可以生物降解，对环境非常友好是理想的绿色高分子材料。其工艺通常是利用工业级l-乳酸在高温、高真空度下脱水发生酯化反应，生成线型二聚体乳酸基乳酸，并进一步脱水缩合反应生成高分子量的乳酸低聚物和丙交酯，然后再对高分子量的低聚物进行解聚降解生成丙交酯，解聚后的粗丙交酯经精馏和固相结晶提纯生成高纯度的丙交酯，高纯度的丙交酯经高温高压聚合、高温高真空脱挥，生成高分子量适用于工程塑料级和纤维级的高性能聚乳酸切片。
3.聚乳酸是具有良好发展前景的聚合物材料，它不仅具有可降解性和生物相容性，还可以利用大部分通用加工设备进行生产和加工，聚乳酸的制备方法有：缩聚法、扩链法、丙交酯开环聚合法等。乳酸的直接缩聚法是制备聚乳酸最廉价的方式，在商业上通常利用丙交酯的开环聚合来制备聚乳酸。l-丙交酯的开环聚合是制备高分子量聚乳酸的最佳方法，因为它具有化学精确控制的可能性，可以能过更加可控的方式改变最终聚合物的性能。开环聚合的这一特征使其适合于大规模生产，丙交酯的聚合方法包括熔融聚合、本体聚合、溶液聚合及悬浮聚合，但熔融聚合是最简单、重复性最好的方法。
4.在聚乳酸聚合完成后需要进行脱挥反应，其目的在于除去低沸点物质和丙交酯气体，以保证生产出来的聚乳酸的纯度含量达到要求。反应一般发生在卧式搅拌反应装置内，在此类设备中物料的熔融缩聚达到一定阶段后产物分子量难以进一步提高，物料易受热不均，发生热氧化降解等副反应，停留时间分布宽。
5.有鉴于此特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种聚乳酸连续聚合脱挥方法及装置。为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
7.一种聚乳酸连续聚合脱挥方法及装置，包括如下步骤：
8.步骤1，来自丙交酯聚合系统的聚乳酸熔体，先进入竖直设置的脱挥反应装置上部的降膜蒸发加热器，对熔体进行加热；
9.步骤2，脱挥反应过程中产生的的低沸点物质及丙交酯气体，经过冷凝装置后变成丙交酯液体回流至丙交酯缓冲槽；
10.步骤3，不凝气体和低沸物被抽吸到真空缓冲罐进一步冷凝结晶，并在喷淋水的作用下排至污水系统；
11.步骤4，经过脱挥后的聚合物熔体由脱挥器螺杆挤出到脱挥出料泵入口，与来自添
加剂加料螺杆的改性添加剂混合后，由脱挥出料泵输送至造粒系统。
12.进一步地，所述降膜蒸发加热器温度控制在185℃-200℃，内部的压力控制在0.75-0.85kpa，内部熔体的液位控制在30％。
13.进一步地，所述装置包括塔体，所述塔体的顶端盖设有顶盖，底端安装有底壳，所述塔体、顶盖、底壳共同围合形成腔体，所述顶盖上设有物料进口，所述底壳底面设有出料口，所述腔体内盛有物料，所述加热系统与物料进行热交换，所述腔体内部填充有惰性气体，所述腔体内安装有搅拌系统，装置顶部汽相系统设有二级丙交酯蒸汽冷凝器。
14.进一步地，所述加热系统包括降膜蒸发加热器、热媒夹套加热系统，所述降膜蒸发加热器安装在进料口处，所述热媒夹套加热系统包覆塔体设置。
15.进一步地，所述降膜蒸发器设有加热系统，所述加热系统包括热媒循环泵、热媒冷却器和热媒加热补充调节阀。
16.进一步地，所述液位控制采用γ射线液位计，所述γ射线液位计安装在顶盖的内侧壁上，所述装置还安装有压力传感器、温度传感器。
17.进一步地，所述搅拌装置为螺带式搅拌器，所述搅拌器下端连接有立式的出料螺杆，所述出料螺杆安装在输送管道中，所述搅拌装置设有加热器。
18.进一步地，所述物料口设有向下延伸物料输送管道，所述管道的端部向腔体中心弯曲。
19.进一步地，所述惰性气体为氮气。
20.进一步地，所述装置的真空采用二级罗茨和水环真空泵的真空装置。
21.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
22.本发明采用直立的反应装置，使得粘度高、流动性差的物料在进行搅拌是更加便于脱挥反应的充分进行；物料温度控制在200℃左右，防止凝胶产生，有效减少反应装置的清洗频率；液面控制平稳，尽量减少物料在聚合器壁上粘结，调节物料的进料速度，从而保证物料液位的恒定；压力传感器回路控制真空泵的转速，避免了真空度波动造成液位大幅波动，甚至漫灌。
23.本发明在出料口设置出料螺杆，使得腔体内的熔体进行充分的脱挥反应，更方便将脱挥反应完成的熔体输送出去。本发明使聚乳酸的熔体化学成分分布更加均匀，正常情况下搅拌30分钟即可达到预期效果，有效避免结晶、碳化、熔体挂壁等问题。
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
25.附图作为本技术的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
26.图1是本发明整体结构示意图；
27.图2是本发明俯视结构示意图。
28.图中：n1、物料进口；n2、物料出口；n3、蒸汽出口；n4a-c、氮气进口；n5、tef洗涤蒸汽出口；n6、备用口；j1a-c、导热油出口；j2a-c、导热油出口；j3、导热油放净口；p、压力表
口。
29.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
30.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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.实施例一
34.如图1、2所示，本实施例所述的一种聚乳酸连续聚合脱挥方法及装置，方法包括如下步骤：
35.步骤1，来自丙交酯聚合系统的聚乳酸熔体，先进入竖直设置的脱挥反应装置上部的降膜蒸发加热器，对熔体进行加热；
36.步骤2，脱挥反应过程中产生的的低沸点物质及丙交酯气体，经过冷凝装置后变成丙交酯液体回流至丙交酯缓冲槽；
37.步骤3，不凝气体和低沸物被抽吸到真空缓冲罐进一步冷凝结晶，并在喷淋水的作用下排至污水系统；
38.步骤4，经过脱挥后的聚合物熔体由脱挥器螺杆挤出到脱挥出料泵入口，与来自添加剂加料螺杆的改性添加剂混合后，由脱挥出料泵输送至造粒系统。
39.来自丙交酯聚合系统的聚乳酸熔体，先进入脱挥反应装置上部的降膜蒸发加热器，降膜节蒸发器包括热媒循环泵、热媒冷却器和热媒加热补充调节阀组，热媒加热温度控制在185～200℃。聚合脱挥反应装置的主要任务是脱除低沸点物质和丙交酯气体。脱挥反应装置配有一套真空系统，来自脱挥反应装置的低沸点物质及丙交酯气体，经过一级冷凝器及二级冷凝器冷凝后变成丙交酯液体回流至丙交酯缓冲槽,不凝气体和低沸物被抽吸到真空缓冲罐进一步冷凝结晶，结晶在缓冲罐上的低沸物采用工艺喷淋水洗涤排至污水系统。不凝气体由二级罗茨+水环真空泵抽走，脱挥反应装置压力控制在0.75-0.85kpa，优选地将压力控制在0.8kpa。内部熔体的液位控制在30％。经过脱挥后的聚合物熔体由脱挥器螺杆挤出到脱挥出料泵入口，与来自添加剂加料螺杆的改性添加剂混合后，由脱挥出料泵输送至造粒系统。
40.装置包括塔体，塔体的顶端盖设有顶盖，底端安装有底壳，塔体、顶盖、底壳共同围合形成腔体，顶盖上设有物料进口，底壳底面设有出料口，腔体内盛有物料，加热系统与物
料进行热交换，腔体内部填充有惰性气体，腔体内安装有搅拌系统，装置顶部汽相系统设有二级丙交酯蒸汽冷凝器。脱挥反应装置是一个带有锥形底的立式圆筒反应装置，锥形底部出口装有立式的出料螺杆。螺杆的上部连着一个螺带式搅拌器，搅拌器带着物料向下旋转保证聚乳酸熔体能顺利从反应装置底部出料，同时能改善聚合脱挥反应装置内部聚乳酸熔体的流动性，降低物料在反应装置内部滞流的可能性。出料螺杆给聚合物加压将聚合物送到齿轮计量泵。优选地，塔体内径1143mm，塔体深921mm。丙交酯蒸汽采用75℃的热水作为冷却介质。
41.加热系统包括降膜蒸发加热器、热媒夹套加热系统，降膜蒸发加热器安装在进料口处，热媒夹套加热系统包覆塔体设置。降膜蒸发器设有加热系统，加热系统包括热媒循环泵、热媒冷却器和热媒加热补充调节阀。聚乳酸熔体在进入聚合脱挥反应装置时受高温导热油加热后，可以更好去除未反应的丙交酯及其它低分子量组分，同时增加聚合物的分子量。脱挥反应装置内物料温度不能直接测定，只能控制导热油温度。脱挥反应装置热媒加热系统的作用主要是保持物料一定的温度，优选地，温度控制在200℃。液位控制采用γ射线液位计，γ射线液位计安装在顶盖的内侧壁上。脱挥反应装置的液位检测采用γ射线式液位计，根据物料吸收γ线多少，来反映后聚合液面的高低。通过液位计液面信号反馈调节反应装置底部出料泵转速，将液位控制在30％。
42.物料温度控制在200℃，不超高。防止凝胶产生，有效减少反应装置的清洗频率。装置设计安装了温度传感器，在线检测物料温度。当物料温度升高或者降低时回路控制热媒阀开关大小，从而保证物料温度恒定。液面控制平稳，尽量减少物料在聚合器壁上粘结反应装置设计安装了γ射线式液位计，在线检测物料液位。当物料液位升高或者降低时回路控制物料进料泵变频器的转速，从而调节物料的进料速度，从而保证物料液位的恒定。
43.搅拌装置为螺带式搅拌器，搅拌器下端连接有立式的出料螺杆，出料螺杆安装在输送管道中，搅拌装置设有加热器。脱挥反应装置内部螺带搅拌可以使聚乳酸的熔体化学成分分布更加均匀，正常情况下搅拌30分钟即可达到预期效果，使低沸物和丙交酯蒸汽迅速到达熔体表面。装置加装螺带搅拌器，加快了物料反应速度。物料口设有向下延伸物料输送管道，管道的端部向腔体中心弯曲。能够使熔体更均匀的的分布在塔体底部，更加便于搅拌进行脱挥反应。惰性气体为氮气，避免氧化。
44.装置的真空采用二级罗茨和水环真空泵的真空装置。真空度的控制是产品质量的关键。真空不稳定会造成液面波动，物料附着器壁，长时间加热会产生凝胶。为了保证反应装置真空稳定设计安装了压力传感器，在线检测反应装置实时压力。当真空度发生波动时，压力传感器回路控制真空泵的转速，避免了真空度波动造成液位大幅波动，甚至漫灌。调节真空度可以控制脱除低沸物和丙交酯气体的速率，以达到调节分子量保持恒定的目的。根据压力仪表反馈信号，通过变频器调节泵的转速，实现真空的调节。物料在后聚合内停留30分钟，产生相对粘度65、分子量21000的聚合物。
45.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。