专利名称：一种用于高温差快速反应的物料混合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高温差快速反应的物料混合器，特别适用于以NMP-CaCl2为溶 剂连续生产聚对苯二甲酰对苯二胺树脂初始混合反应时的混合器。
背景技术：
1935年，美国杜邦公司科学家Carothers发明了脂肪族聚酰胺纤维(即聚己二 酰己二胺〈尼龙66〉纤维)，从此，为聚酰胺纤维应用到工业领域开辟了新天地，其 中以杜邦公司1966年发表令人注目的高性能聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，其正式的 商品名为Kevlar (我国简称对位芳纶，芳纶1414和芳纶I1)。因其具有高强度、 高模量和耐高温的等特性，目前广泛用于轮胎帘子线、高强度索具、高压容器外壳、 汽车磨擦片、建筑土工材料、代替钢铁的各种增强复合材料、输送带、特种帆布等。 在军事方面如制作防弹衣、头盔、导弹外壳、装甲板、雷达装置外罩等。由于它的 用途十分广泛，曾被称为"全能纤维"，目前已有170多种用途。自1971年杜邦公司完成试生产设备(100 200 t/a)生产以来，经过多次扩产 和合资，目前杜邦公司的Kevlar⑩生产能力己超过3万t/a。日本帝人公司在松山 工厂刚开始生产高强度的共聚对位芳纶纤维，在收购荷兰阿克苏公司的Twaron纤维 和多次扩产后，目前已达到2.5万t/a。这两家公司占据了世界上对位芳纶纤维生 产量的98%。同期研究开发对位芳香族聚酰胺的还有其它一些纤维公司，大多因为连续生产 高分子的相对分子量做不高、溶解方面选不出合格的溶剂等困难而终止了研究。要获得高特性粘度、高分子量的树脂，就要求生产对位芳纶树脂的两个单体在 低温下瞬时间以精确化学计量系数为配比混合均匀，而要解决这个问题就涉及到混 合两个单体的混合器。我国虽然从20世纪80年代也开始了对位芳纶纤维的研究， 当时在树脂聚合方面已取得了一定的进展，但是就因为一直没有找到合适的混合设 备使反应的两个单体在溶剂和助溶剂中以精确化学计量系数为配比连续稳定的混合 好后进入到聚合反应器中，从而导致生产的树脂特性粘度不均匀，使纤维的断裂强 度离散系数很大，不能达到使用要求。设计结构合理的混合器比较困难，主要有以下原因。 一是要使两个单体以化学 计量系数为配比进行混合，就要求两个单体均为液体或者一个为液体另一个为熔融 态以便计量准确以保证化学计量系数的平衡，这样才利于在短时间内混合均匀。目 前因为聚对苯二甲酰对苯二胺树脂以丽P-CaCl2对溶剂，但是研究发现对苯二甲酰氯与NMP-CaCl2溶剂在一定温度下能发生反应，这样的反应虽然微量也会导致最终 树脂分子量不高，因此只能是对苯二胺溶解在陋P-CaCl2体系中以液体形式存在， 而对苯二甲酰氯以熔融态形式存在；二是两个单体反应速度特别快而且反应过程中 发生相变(即从液态很快变成凝胶态，再反应一段时间后变成固态)，所以要求两 个单体在较短时间内混合均匀并及时移走，否则停留时间过长聚合物就会以凝胶形式存在难以流动，还有物料在混合器内虽然停留时间较短但树脂仍可能有少量聚合 物以小凝胶形式存在，这样就很容易粘在混合器壁上，要使反应能够连续稳定地进 行就需要及时将粘贴在混合器壁上的物料刮走并送进反应器进行进一步的反应；三 是为获得高分子量的树脂以及控制初始混合反应的速度要求两个单体初始混合反应 时在低温下进行，所以不但要求NMP-CaCl2对苯二胺等预聚物体系以很低的温度进 入混合器中，而且混合器内最好维持低温状态，但是对苯二甲酰氯是以熔融态而且 进入流量相对预聚物体系小很多的方式进入到混合器中的，所以对苯二甲酰氯的进 料口可能受混合器内低温体系的影响而使对苯二甲酰氯凝固出来而被堵塞掉，使连 续混合不能顺利进行。总之，因混合器的问题而使聚对苯二甲酰对苯二胺树脂生产不能连续稳定地产 业化，但因为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维用途广泛，在我国潜在需求量非常大，而 目前我国使用的对位芳纶纤维全部靠进口，进口价格近几年也疯涨(8年内涨了15 倍)。所以实现我国对位芳纶纤维产生产工业化就显得尤为重要。发明内容本发明旨在针对由于上述原因目前没有合适的混合设备使反应的两个单体在溶 剂和助溶剂中以精确化学计量系数为配比连续稳定的混合好后进入到聚合反应器 中，以致不能连续稳定地生产高分子量的树脂的现状，提供一种用于高温差快速反 应的物料混合器，使混合反应顺利进行。并将本发明应用到芳纶生产中，实现聚对 苯二甲酰对苯二胺树脂连续稳定化地工业生产。一种用于高温差快速反应的物料混合器，适用于高温差的快速反应的组分在混 合器内的连续混合，包括壳体、壳体内的混合仓、通向混合仓的两流体通道及进料口、混合仓下端的出料口，其特征在于混合仓位于进料口的下端，在混合仓的上 端有一个与其等径的活塞仓，其内设一中空活塞，活塞的两侧壁有竖向的导槽；在 进料口的上端有一根横插的固定插销，穿过活塞两侧的导槽；活塞内腔安置一擦刮 器，与固定插销连为一体；所述两进料口在活塞向下运动时与活塞导槽的位置对应。所述活塞仓可以更换。所述两进料口至少其一处设置有针型阀。所述两流体通道至少其一的外部设置有冷却或加热物料的夹套。 所述混合仓的外部设置有冷却或加热物料的夹套。 所述两进料口在混合仓内壁上正向相对布置。下面对本发明的构造和各部件的工作原理进行阐述本专利是用于高温差的快速反应组分在混合器内连续的混合，而且在混合器轴 向的每一个横切面组分组成都是均一的，出料口就是上面所说的混合器末端。在混 合器内壁上正向相对的地方开有两个进料口 ，两股物料分别从进料口喷射进入到混 合仓中并且在混合仓内中间位置碰撞混合，同时还避免了流体直接流向混合仓的底 部。在进料口上方装有一个中空活塞，当活塞向下运动时，其作用是用来刮掉混合 仓壁上的物料并将该物料推倒后面的反应器中，而活塞上相对进料口的方向上开的 两个导槽的作用是当活塞向下运动时从喷射口进来组分流体可以该导槽连续稳定地 进入到混合仓中。本专利中上述提到的中空活塞内装有一个刮擦器，该刮擦器通过一个插销穿过 活塞导槽固定在混合器上，当活塞运动时刮擦器和混合仓是静止不动的，刮擦器的 作用是用来刮掉从导槽进入到混合仓中的物料。本发明中该混合器的进料管道和喷射口附近带有夹套，夹套里通加热或冷却介 质以确保物料在进入混合仓前不会凝固或沉淀析出从而堵塞管道。本专利中混合仓也是带有夹套，可以根据工艺条件需要进行加热或冷却以确保 混合组分在合适的温度下混合。采用本发明的聚合过程是该设备可用于生产聚对苯二甲酰对苯二胺树脂连续聚合的过程。即是指含 4. 5% 8%的对苯二胺、剛P-CaCl2和部分对苯二甲酰氯制备的预聚物溶液和另一部分剩下的熔融态的对苯二甲酰氯两种反应组分连续进入到混合器并且以高速碰撞后生 成一种以化学计量系数为准的二胺和酰氯混合溶液。在混合器内停留l秒钟后进入 到第一级聚合反应器并在此进行猛烈的搅拌以使组分分散开来，同时冷却该混合物， 在此停留一段时间之后将混合物推进到第二级聚合反应器中，第二级聚合反应器必须提供一个足够的剪切力以使凝胶液化(剪切速率不低于100sec-l)，同时还控制 混合物温度不高于8(TC ，反应5 30min后成面包屑状产品进入后续纯化处理工段。 本发明有益效果表现在用于混合的物料温差可以相差很大，物料因此就可以以液态或熔融态的利于计 量的液态形式进入混合器中，可以满足以化学计量系数为配比的组分间的连续混合； 混合后的物料温度可控范围很大，因混合器本身带夹套可根据实际需要对混合物进 行冷却或加热；可满足混合后物料混合后变得粘稠甚至成固体沉淀出来的物料混合， 粘稠或者是固体沉淀出来黏附在混合器壁上的物料可通过活塞的运动刮进后续的工 段中，从而避免混合器的堵塞。
图l包括本发明混合器在内的聚合过程简易示意图。 图2本发明混合器的主视剖面结构示意3上述图2中活塞的左视4上述图3中5-5位置处的横切面视图具体实施方式
图l是一个聚合过程中的简要描述。在这个过程中两个溶液(一个是预聚物溶 液A，另一个是熔融态物料B)进入到混合器l中快速混合。之后混合物快速地进 入到第一级聚合反应器2中。第一级聚合反应器2提供混合物在反应变成凝胶前地 猛烈混合，并且冷却该混合物，使混合物控制在我们所需要的温度。从第一级聚合 反应器出来的混合物进入到第二级反应器3，第二级反应器对混合物提供高剪切作 用力并冷却反应物料以控制反应温度。如果需要的话，第一级聚合反应器2和第二 级反应器3可以合并在一个聚合反应器。图2是图1中混合器1的详细结构示意图。它有一个可移动的针型阀20，用来 调节后面通过通道18进入到通道19再进入到喷射孔11的液体的压力。夹套17、 21根据实际需要提供一种加热或者冷却液体的方式。第二种流体通过通道13后再 进入到喷射孔12中，通道13也可以根据实际情况需要安装夹套进行冷却或加热。 插销8穿过活塞4上的两个导槽固定在混合器外壳上。混合仓14的横切面最好是 圆形的，其它形状也是可用。喷射孔11和12的尺寸大小最好是以提供一个合适操 作的流体速度为基础，即两股物料的质量速度(等于流体密度X线性速度)是大致 相等的，这样才便以在混合仓中间的碰撞(在两个喷射孔相距的中间位置)。阀门 控制20可能用来调节物料在进入每个孔之前的压降(和能耗损失)时使用。混合仓14也带有夹套15，可以根据实际情况进行冷却加热物料，混合仓14的 长度应该是混合仓直径的6 12倍(最佳倍数是8 10倍)。图3和4描述的是带导槽6的中空活塞4能够在固定插销8上下滑动。可更换 的壳体5提供一个类似密封活塞4的作用。当活塞向下运动到出口位置16处时(参 看图2，目的是为了刮掉混合仓壁上残留的物料)，两股物料继续通过活塞上两个 导槽6向下流动到中心位置9处。与插销8相联接的察刮器10是用来当活塞提起 的时候清理掉9处的聚合物和凝胶，而插销8是用来当活塞提起的刮掉导槽里的聚 合物和凝胶。刮察器10可能是一个棒状的形状并与中空活塞紧密相贴，并固定在 混合仓内流体进料口的上游位置。该混合器最好垂直使用，出口位置16直接与第一级聚合反应器2相连接。实施例1本实例是指在溶剂NMP-CaCl2中生产聚对苯二甲酰对苯二胺树脂的过程，同时 本过程的两台聚合反应器均为双螺杆反应器。溶解在醒P-CaCl2中含4.5。/。 8。/6对苯二胺，冷却到需要的温度，加入部分对苯 二甲酰氯(占总量的20% 50%)反应生成的预聚物A溶液，将该预聚物冷却到到O 'C 15'C待用，同时加热熔融B物料对苯二甲酰氯，温度控制在85'C 12(TC，待准备工作后好将两股物料以化学计量系数为配比喷射进入到混合器内，在混合仓中 间位置进行猛烈地碰撞混合，生成较稀(粘度在100cp以内)的混合物在混合器内 大约停留1秒钟后进入到第一个聚合反应器中(混合器活塞以2 5次/min的运动 频率刮料)。进入到第一级聚合反应器的物料在那里被猛烈混合，同时被冷却(温 度控制在不高于60'C)，在第一级聚合反应器里面物料停留4 60秒钟后(此时已 部分聚合的物料的粘度大概为10 100p)，混合物被送入到第二级聚合反应器中继 续被高剪切率(不低于100Ssec-1)混合，同时温度控制在不高于7(TC，反应l 15min后出料，最终产品是一种面包屑干粉固态物质，取样分析。分析测试结果如下表测试结果均满足要求，表明这种类型的混合器非常适用 芳纶II的连续稳定聚合。表1树脂测试结果取样时间/h 树脂特性粘度16.326.546. 786.5246.4366.8486.权利要求
1、一种用于高温差快速反应的物料混合器，适用于高温差的快速反应的组分在混合器内的连续混合，包括壳体、壳体内的混合仓、通向混合仓的两流体通道及进料口、混合仓下端的出料口，其特征在于混合仓位于进料口的下端，在混合仓的上端有一个与其等径的活塞仓，其内设一中空活塞，活塞的两侧壁有竖向的导槽；在进料口的上端有一根横插的固定插销，穿过活塞两侧的导槽；活塞内腔安置一擦刮器，与固定插销连为一体；所述两进料口在活塞向下运动时与活塞导槽的位置对应。
全文摘要
本发明公开了一种用于高温差快速反应的物料混合器，使混合反应顺利进行。并将本发明应用到芳纶生产中，实现聚对苯二甲酰对苯二胺树脂连续稳定化地工业生产。该混合器包括壳体、壳体内的混合仓、通向混合仓的两流体通道及进料口，混合仓的上端设活塞仓，活塞的两侧壁有竖向的导槽，进料口的上端有一插销穿过活塞两侧的导槽。采用本发明能使反应的两个单体在溶剂和助溶剂中以精确化学计量系数为配比连续稳定的混合好后进入到聚合反应器中，连续稳定地生产高分子量的树脂。
文档编号C08G69/00GK101215376SQ20071005105
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者崔晓静, 涛 彭, 李兰英, 王凤德, 锋 邱 申请人:中蓝晨光化工研究院有限公司