本发明涉及丙烯酸树脂的制备方法，具体的说，涉及一种制备固体丙烯酸树脂的设备及其方法。
背景技术：
：固体丙烯酸树脂是以(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸、苯乙烯等乙烯基单体以及其他功能单体为主要原料合成的共聚物。该类树脂具有色浅、保色、保光、耐候、耐腐蚀和耐污染的特点，广泛应用于汽车、飞机、机械电子、家具、建筑、皮革、木材、造纸、印染、工业塑料及日品涂饰等领域。丙烯酸树脂的聚合工艺主要有：溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合及本体聚合，每种聚合工艺都各有其优势。对于本体聚合工艺，聚合过程中只加入单体、引发剂及分子量调节剂，不加入或少量加入溶剂，生产效率高、制造成本低，没有废水产生，环境友好，且产品色泽均一、产品质量一致性好，逐渐成为鼓励发展的聚合工艺；同时，由于本体聚合过程中的高粘度以及传热、传质困难，单体转化率低，对反应器设备和工艺控制过程要求较高，这也限制了本体聚合工艺在生产中的实际应用。在丙烯酸树脂领域，本体聚合工艺最初从单釜连续搅拌槽(cstr)发展而来。单釜连续搅拌槽本体聚合工艺，具有投资少，生产灵活等优点；由于工艺的限制，该工艺转化率只有50％，生产效率低。后来，又发展了两釜串联连续搅拌槽(cstr)本体聚合工艺。第一台反应釜做预聚合，转化率30～40％时，进入到第二台反应器中，最终产物转化率可以到60％以上。两釜串联连续搅拌槽(cstr)本体聚合工艺，具有相对更大的传热面积，可以使用较低的溶剂量。在本体聚合工艺中，为了降低聚合体系粘度和控制聚合速率，使用5％～40％的溶剂，如甲苯、乙苯等。溶剂的使用，需要在脱挥系统、真空和高温条件下，进行分离，消耗较多热量。而且，产品中不可避免残留溶剂，也限制了丙烯酸树脂的应用。为了实现加入少量溶剂，甚至不加入溶剂，获得高的单体转化率的目的，尤其当聚合反应后期，转化率越高，物料粘度急剧增加，搅拌、输送及换热变得尤其困难，后来又发展了在聚合反应后期，采用管式或塔式反应器，来解决高粘度的问题。专利cn200810026505提供了一种水溶性丙烯酸树脂本体聚合方法，在高位槽中按配方加入各种单体和引发剂混合物，然后用高压泵将反应混合物泵入反应釜，在200～300℃、0.1～10mpa、物料反应保温时间为5～30分钟的高温高压条件下，连续进料、出料，然后出料熔融物进入脱挥罐脱挥，再经挤出成型，得到成品。专利cn104311726b描述了一种固体丙烯酸树脂的制备方法，将所有单体和引发剂、链转移剂和辅助组分在物料罐中搅拌溶解均匀后，加入到反应釜中，与120～180℃、0.1mpa～1mpa下进行聚合反应；当反应釜中的单体转化率达到40～50％时，开始将溶剂储罐中的稀释溶剂逐渐滴入到反应釜中进行降粘，保持反应釜中物料良好的流动状态，当转化率达到70～80％后，将所得物料，经高压泵连续打入管式反应器中进一步聚合反应，反应温度150～240℃，停留时间2～40分钟；然后进入脱挥塔，经过脱挥的物料从脱挥塔下部排除，得到固体丙烯酸树脂。专利us4414370描述了一种分子量窄分布的丙烯酸酯的本体制备方法，将所有单体和引发剂加入到1加仑的、内设导热油冷却盘管的连续搅拌槽反应器，进料量0.2～0.8lbs/min，反应温度提高到190～310℃，停留时间5～30分钟，单体转化率90％以上。然后物料进入到搅拌脱挥槽中，脱挥温度270℃，脱出未反应的单体，再经冷凝回收。所得产品分子量分布小于2。上述专利中，聚合反应时间较短，生产效率将会很高。同时，反应时间越短，意味着单位时间的热量越高，聚合过程热量的移除变得越发困难。在反应时间不到一小时，甚至几分钟的条件下，单位时间需要移除的热量数值非常大，如果要实现大批量产品的工业生产，与传热相关的诸多工程问题，还有待解决。roehm公司专利us7368094b2公开了一种管式反应器的连续聚合工艺：单体、引发剂等混合物，进入一台垂直布置的管式反应器底部，管式反应器分为4段，每段可独立控制温度，物料在反应器中的进料速率为0.1～50cm/sec。最后从管式反应器最上部出料，转化率可以达到97％以上。专利us7368094b2中，evonik公司采用list自清洁捏合反应器，在110～130℃条件下，丙烯酸(酯)单体混合物在聚合反应器中反应20min～1hr，然后经过熔体泵进入到脱气捏合装置中，再经挤出切粒、成品。所得产品残留单体含量低。专利us7368094b2中提到的list自清洁捏合反应器，通俗的理解，类似密炼机的捏合效果，物料获得良好的混合及表面更新，适合高粘度的物料聚合及捏合过程。反应器夹套、搅拌桨及搅拌轴都可以通导热油，具有相对较大的传热面积。由于受制于反应器搅拌桨及搅拌轴等内构件，流体流动阻力大，流速受限，这会降低实际聚合过程中的传热系数，撤热能力不足，反应温度难以精确控制。该专利也提到，实际生产应用中，温度波动10～15℃。与本发明比较相关的当属上述2例专利。专利us7368094b2采用管式反应器，并分为四个独立的温度控制区，可以对单体物料的聚合速率有效控制，是实现本体聚合过程较好的工艺。也要看到，单体混合物从反应开始的零转化率，到最终的接近99％的高转化率，两者粘度差可达数万甚至十几万倍，均在一台反应器中完成聚合过程，在实际工业生产应用中，操作弹性很小，不利于工艺的调控。专利us7368094b2中的本体聚合工艺，其在设备上，尤其在实现高粘度物料的聚合过程方面，突破了高粘度范围的限制，即使物料粘度达到千万厘泊以上，也能实现在反应器中的捏合及熔融挤出。其反应器内部，夹套和搅拌桨可以通导热油，但受到其内部捏合内构件复杂的设计，难以得到较理想的换热系数，传热效率受到限制。该捏合反应器在实际生产应用中，反应温度波动10～15℃。技术实现要素：为解决连续本体聚合工艺中高粘度输送、搅拌和传热传质困难的问题，本发明提供一种采用多段串联的柱塞流反应器、连续本体工艺制备固体丙烯酸树脂的设备及其方法，反应过程温度控制稳定，所得产品色泽均一，分子量分布较小。为达到这一目的，本发明提供的技术方案如下：一种制备固体丙烯酸树脂的设备及其方法，所述设备包括配料罐、计量泵、预热器、预聚合反应器、第二反应器、第三反应器及脱挥挤出机，所述配料罐顶部设置有进料口，底部出料口依次管道连接所述计量泵、预热器和预聚合反应器，所述预聚合反应器底部管道连接所述第二反应器，所述第二反应器底部管道连接所述第三反应器，所述第三反应器底部出料口通过压力控制阀管道连接所述脱挥挤出机，所述预聚合反应器、第二反应器、第三反应器顶部设置有排气口，且内部均设置有若干层传热搅拌层，每层所述传热搅拌层均水平安装有若干传热管，所述传热搅拌层之间安装有搅拌桨；所述方法包括以下步骤：步骤一，将重量份数分别为0～15％的分子量调节剂、0.01～0.6％的引发剂、30％～100％的甲基丙烯酸类单体、丙烯酸类单体以及0～55％的乙烯类单体、0～50％的其他类单体加入所述配料罐，充分混合成单体混合物；步骤二，将所述单体混合物通过所述计量泵精确计量，以0.6kg～1.0kg/hr的速度经所述预热器输送到所述预聚合反应器中；步骤三，所述预聚合反应器搅拌转速为20～100rpm，入口压力为3～12bar，反应温度为90～120℃，单体转化率为35～50％，所述单体混合物经过所述预聚合反应器后，从底部出口的物料，经输送管线，进入到第二反应器上部入口；步骤四，所述第二反应器搅拌转速为20～100rpm，反应温度为100～130℃，单体转化率为45～85％，物料填充满后，再经输送管线，进入到第三反应器上部入口；步骤五，所述第三反应器搅拌转速为0～15rpm，反应温度为140～200℃，单体转化率为98％以上最终经过所述第三反应器出口的压力控制阀，进入到所述脱挥挤出机。所述引发剂包括过氧化苯甲酸叔丁酯、双二五硫化剂、过氧化二苯甲酰、叔戊基过氧化环己烷。所述分子量调节剂为正十二烷基硫醇。所述甲基丙烯酸类单体包括：甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸乙氧基乙酯；所述丙烯酸类单体包括：丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸仲丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸异辛酯；所述乙烯类单体包括：苯乙烯、丙烯腈、醋酸乙烯酯、丙烯酰胺；所述其他类单体包括：丙烯酸-2-羟基乙酯、丙烯酸-2-羟基丙酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯、甲基丙烯酸-2-羟基丙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、马来酸酐、马来酸。所述的预聚合反应器、第二反应器、第三反应器，其反应器筒体和直径长径比l/d＝5～12。所述预聚合反应器、第二反应器、第三反应器分为2～4个独立的温度控制区。所述搅拌桨和传热管的层数为8～100层，且所述搅拌桨直径与所述预聚合反应器、第二反应器、第三反应器内径比例为0.85～0.96，所述传热管直径d为6～25mm。需要解决固体丙烯酸树脂连续本体聚合过程中1)如何及时移除反应热，准确控制反应温度；2)在反应后期，转化率超过90％时，物料在高粘度状态下的传质传热。对于反应热的及时移除及反应温度控制，本发明根据配方中反应热的计算，合理设置物料在反应器中的停留时间，控制每台反应器每个反应区的聚合速率，实现及时移除每个反应区放出的热量的目的。反应器内部设置多层传热管，传热面积大，传热管及夹套内部通导热油，用于加热或撤热。在搅拌条件下，可以获得较高的换热系数，在适度的温差下，能够及时移除每个反应阶段，放出的反应热，精确控制反应温度。固体丙烯酸树脂分子量和玻璃化温度相对较低，其聚合过程在固含率低于80％时，在相应的聚合反应温度条件下，物料粘度较低；当转化率90％以上时，物料粘度迅速增加，可达到百万mpa.s以上，搅拌变得非常困难。为解决这一难题，本发明的方案中，反应器具有较大的长径比，搅拌桨直径相对较小；同时控制进入第三反应器物料转化率85％以上，单体含量低，聚合速率不高，只需要维持很低的搅拌转速，保持反应器各区的温度在物料熔融温度以上。这样即使在高粘度情况下，搅拌所需的扭矩并不大，实现高粘度物料的输送和传质传热。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、在固体丙烯酸树脂连续本体聚合反应中，按聚合过程进行功能分区，在预聚合反应器中，其特征是单体含量高，物料粘度很低，聚合速率较难控制，维持较高的搅拌转速；在第三反应器，物料转化率高，粘度急剧升高，控制反应器各区的温度在物料熔融温度以上，并维持反应器较低的转速，物料在高粘度状态下，仍可进行温度可控的聚合反应，大大提高单体转化率。2、本发明中的反应器，内置多层传热管，具有较大的传热面积，在充分的径向混合下，获得良好的传热传质效果，及时移除反应热，各反应区聚合温度准确控制，实现每个反应阶段要求的单体转化率。3、由于本发明中的反应器具有较大的长径比，反应器搅拌在径向上具有良好的混合，实现径向上反应物料相同的聚合速率，但在轴向上，返混少，得到的产品，具有较窄的分子量分布和品质均一的特点。附图说明图1是本发明的设备连接示意图；图2是传热搅拌层的截面俯视图。附图中：1.配料罐；2.计量泵；3.预热器；4.预聚合反应器；5.第二反应器；6.第三反应器；7.脱挥挤出机；8.脱挥器；9.传热搅拌层；10.传热管；11.搅拌桨；12.压力控制阀；13.排气口。具体实施方式如说明书附图中图1到图2所示的一种制备固体丙烯酸树脂的设备及其方法，其特征在于：设备包括配料罐1、计量泵2、预热器3、预聚合反应器4、第二反应器5及第三反应器6及脱挥挤出机7，配料罐1顶部设置有进料口，底部出料口依次管道连接计量泵2、预热器3和预聚合反应器4，预聚合反应器4底部管道连接第二反应器5，第二反应器5底部管道连接第三反应器6，第三反应器6底部出料口通过压力控制阀12管道连接脱挥挤出机7或脱挥器8，预聚合反应器、第二反应器、第三反应器顶部设置有排气口13，且内部均设置有若干传热搅拌层9，每层传热搅拌层9均安装有传热管10及搅拌桨11，搅拌桨11安装在每层传热搅拌层9的中心，每层传热搅拌层9左右及下方中部设置分隔板，左侧传热管10底部连接导热油进口，右侧传热管10底部连接导热油出口，以此形成循环单向导油供热。下面给出的实施例用于进一步说明本发明，但并非对本文所公开特征的限制。实施例1在配料罐1中加入甲基丙烯酸甲酯20kg、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯16kg、甲基丙烯酸丁酯13.5kg、甲基丙烯酸0.5kg，分子量调节剂正十二烷基硫醇3.5kg，引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯0.05kg；混合好的物料通过计量泵2，经预热器3进入到预聚合反应器4中。物料经预热器3先加热到60℃，进料量1000ml/hr。反应系统压力～0.45mpa；物料在三台反应器中完全充满状态。预聚合反应器4的三个温度控制区r11、r12、r13，温度分别控制在92℃、98℃、102℃；反应器搅拌转速20rpm；反应时间3.5hr。经过预聚合反应器4的物料，转化率45％，然后进入到第二反应器5，第二反应器5三个温度控制区r21、r22、r23，温度分别控制在108℃、116℃、128℃；反应器搅拌转速20rpm。反应时间3.5hr。经过第二反应器5的物料，转化率88％，然后进入到第三反应器6，第三反应器6三个温度控制区r31、r32、r33，温度分别控制在135℃、146℃、155℃；反应器搅拌转速5rpm。反应时间3hr。第三反应器6出口物料转化率98～99％。实施例2在配料罐1中加入甲基丙烯酸甲酯24.5kg、甲基丙烯酸异冰片酯24.5kg、甲基丙烯酸1kg，分子量调节剂正十二烷基硫醇2.8kg，引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯0.05kg；混合好的物料通过计量泵2，经预热器3进入到预聚合反应器4中。物料经预热器3先加热到60℃，进料量1000ml/hr。反应系统压力～0.55mpa；物料在三台反应器中完全充满状态。预聚合反应器4的三个温度控制区r11、r12、r13，温度分别控制在92℃、96℃、100℃；反应器搅拌转速25rpm；反应时间3hr。经过预聚合反应器4的物料，转化率43％，然后进入到第二反应器5，第二反应器5三个温度控制区r21、r22、r23，温度分别控制在108℃、116℃、125℃；反应器搅拌转速25rpm。反应时间3.5hr。经过第二反应器5的物料，转化率87％，然后进入到第三反应器6，第三反应器6三个温度控制区r31、r32、r33，温度分别控制在136℃、148℃、162℃；反应器搅拌转速4rpm。反应时间3.5hr。第三反应器6出口物料转化率98～99％。实施例3在配料罐1中加入甲基丙烯酸甲酯2.5kg、苯乙烯13kg、α-甲基苯乙烯16.5，丙烯酸异辛酯1kg，分子量调节剂正十二烷基硫醇6.2kg，引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯0.065kg；混合好的物料通过计量泵2，经预热器3进入到预聚合反应器4中。物料经预热器3先加热到60℃，进料量800ml/hr。反应系统压力～0.60mpa；物料在三台反应器中完全充满状态。预聚合反应器4的三个温度控制区r11、r12、r13，温度分别控制在92℃、95℃、98℃；反应器搅拌转速28rpm；反应时间3.5hr。经过预聚合反应器4的物料，转化率46％，然后进入到第二反应器5，第二反应器5三个温度控制区r21、r22、r23，温度分别控制在108℃、116℃、126℃；反应器搅拌转速28rpm。反应时间3.5hr。经过第二反应器5的物料，转化率89％，然后进入到第三反应器6，第三反应器6三个温度控制区r31、r32、r33，温度分别控制在137℃、150℃、165℃；反应器搅拌转速4rpm。反应时间3.5hr。第三反应器6出口物料转化率98～99％。实施例4在配料罐1中加入苯乙烯17kg、α-甲基苯乙烯12，丙烯酸21kg，分子量调节剂正十二烷基硫醇6.4kg，引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯0.060kg；混合好的物料通过计量泵2，经预热器3进入到预聚合反应器4中。物料经预热器3先加热到60℃，进料量800ml/hr。反应系统压力～0.60mpa；物料在三台反应器中完全充满状态。预聚合反应器4的三个温度控制区r11、r12、r13，温度分别控制在92℃、95℃、98℃；反应器搅拌转速28rpm；反应时间3.5hr。经过预聚合反应器4的物料，转化率46％，然后进入到第二反应器5，第二反应器5三个温度控制区r21、r22、r23，温度分别控制在108℃、116℃、126℃；反应器搅拌转速28rpm。反应时间3.5hr。经过第二反应器5的物料，转化率89％，然后进入到第三反应器6，第三反应器6三个温度控制区r31、r32、r33，温度分别控制在137℃、150℃、165℃；反应器搅拌转速4rpm。反应时间3.5hr。第三反应器6出口物料转化率98～99％。实施例5在配料罐1中加入甲酯丙烯酸甲酯20kg、甲基丙烯酸丁酯25kg，丙烯酸5kg，分子量调节剂正十二烷基硫醇0.43kg，引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯0.054kg，双二五硫化机0.024kg；混合好的物料通过计量泵2，经预热器3进入到预聚合反应器4中。物料经预热器3先加热到55℃，进料量800ml/hr。反应系统压力～0.85mpa；物料在三台反应器中完全充满状态。预聚合反应器4的三个温度控制区r11、r12、r13，温度分别控制在94℃、97℃、104℃；反应器搅拌转速30rpm；反应时间3.5hr。经过预聚合反应器4的物料，转化率46％，然后进入到第二反应器5，第二反应器5三个温度控制区r21、r22、r23，温度分别控制在112℃、128℃、136℃；反应器搅拌转速25rpm。反应时间3.5hr。经过第二反应器5的物料，转化率89％，然后进入到第三反应器6，第三反应器6三个温度控制区r31、r32、r33，温度分别控制在150℃、162℃、185℃；反应器搅拌转速1rpm。反应时间3.5hr。第三反应器6出口物料转化率98～99％。所得聚合物产品30℃≤玻璃化温度tg≤75℃，分子量4,000≤mw≤120,000g/mol，分子量分布1.8～2.4。实施例的结果汇总如下表：实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5分子量mw,g/mol5,2508,33018,34019,52554,600分子量分布pdi2.32.22.42.22.1单体转化率,％98.898.59998.298.2综上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。当前第1页12