一种用于实验室合成聚羧酸系酯类减水剂酯化大单体的制备系统的制作方法

本发明涉及聚羧酸系减水剂领域，尤其涉及一种用于实验室合成聚羧酸系酯类减水剂酯化大单体的制备系统。

背景技术：

聚酯型聚羧酸减水剂的制备通常采用两步合成法。第一步，将聚乙二醇单甲醚(称之为mpeg)与甲基丙烯酸(maa)或丙烯酸(aa)在催化剂、阻聚剂和抗氧化剂的作用下，进行酯化反应先制备出带有双键的酯化大单体(mpegmaa或mpegaa)；第二步，在水相引发剂、分子量调节剂作用下，酯化大单体再与具有特殊功能的活性小单体共聚而成。

关于酯化大单体的制备是通过酯化反应完成，该酯化反应是合成聚酯型减水剂的关键技术，酯化率是直接影响减水剂品质的重要因素。酯化反应为可逆反应，其逆反应为酯的水解反应。为了提高酯化反应的酯化率有两种方法，根据质量作用定律，一是加入过量某一反应物的量，二是在反应过程中不断分离出生成物酯和水，或两种措施并用效果更佳，以破坏其平衡，使反应向生成酯的方向进行。在工业生产中，酯化过程多采用加入脱水剂或长时间回流来提高酯化率。

以上措施存在以下之不足：

1、加入脱水剂法，该方法是在酯化釜中加入脱水剂，将酯化过程中生成的水被脱水剂带入水分离器中，分离出水来提高酯化率。但是脱水剂是低沸点有机物，如苯、甲苯、环己烷、四氯化碳等。此方法需要大量脱水剂，不经济，反应完后需要蒸出脱水剂，蒸出的脱水剂中夹杂有甲基丙烯酸或丙烯酸，二者还需要分离工序，脱水剂易着火，有毒，污染环境。

2、长时间回流法，此方法酯化率提高不大。因为酯化过程生成的酯和水没有脱离反应体系，随着酯化反应的进行，酯的水解反应也会同时进行，当反应达到平衡后，即酯化与酯的水解平衡，酯化率不再提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种将减压酯化过程生成的水不断蒸出以破坏酯化反应的可逆平衡，使酯化反应向生成酯的方向进行，来提高酯化率，且不使用脱水剂，提高反应效率的一种用于实验室合成聚羧酸系酯类减水剂酯化大单体的制备系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于实验室合成聚羧酸系酯类减水剂酯化大单体的制备系统，其特征在于：包括依次相连的酯化反应装置、馏液冷凝吸收装置、尾气吸收装置以及减压装置；所述酯化反应装置包括四口反应烧瓶、密封插入四口反应烧瓶内部的温度计和搅拌器以及密封连接四口反应烧瓶的蒸馏头；所述馏液冷凝吸收装置包括依次相连的冷凝管、真空接液管和内盛有稀碱溶液的单口吸收瓶，所述单口吸收瓶置于盛有冰水的冷却烧杯内，所述真空接液管还连接有冷却阱，所述冷却阱置于冰盐浴的保温瓶内；所述尾气吸收装置包括依次相连的第一缓冲瓶、盛有硅胶填料的第一吸收塔、盛有氢氧化钾填料的第二吸收塔、盛有分子筛填料的第三吸收塔以及第二缓冲瓶，所述第一缓冲瓶与冷却阱的出口相连；所述减压装置包括真空油泵，所述油泵与第二缓冲瓶出口相连。

进一步的技术方案在于：所述搅拌器包括密封插入四口反应烧瓶内部的搅拌杆、驱动搅拌杆沿其轴线旋转的搅拌电机、设于搅拌杆底部的第一搅拌组件以及设于搅拌杆下部的第二搅拌组件。

进一步的技术方案在于：所述第一搅拌组件包括固定于搅拌杆底部的固定环，所述固定环的圆心位于搅拌杆的轴线上，所述固定环上活动套接有两个活动环。

进一步的技术方案在于：所述第二搅拌组件包括固定设于搅拌杆下部的定位母和活动设于搅拌杆上能够沿搅拌杆上下滑动并位于定位母上方的活动母，所述活动母的外周套设有一外轮廓小于定位母的支架盘，所述支架盘包括纵截面为圆形的环形框架以及将环形框架与活动母固定的水平连接杆，所述环形框架上竖向铰接有多个长条状的搅拌扇叶，所述搅拌扇叶能够沿环形框架转动。

进一步的技术方案在于：所述四口反应烧瓶内还密封插入有挡流板。

进一步的技术方案在于：所述第一缓冲瓶包括缓冲瓶体、对缓冲瓶体进行密封的缓冲瓶塞和通过缓冲瓶塞固定并伸入缓冲瓶体内腔的导气管和二通管；所述缓冲瓶塞为分体式结构，包括第一半塞体和第二半塞体，所述第一半塞体上设有至少两个沿缓冲瓶塞轴线对称的凹陷槽，所述第二半塞体上设有与凹陷槽凹凸配合的凸起柱；所述第一半塞体和第二半塞体的对应位置上设有容置导气管的导气管容置槽和容置二通管的二通管容置槽，所述导气管容置槽和二通管容置槽的侧壁上设有当第一半塞体和第二半塞体拼接后分别被导气管和二通管挤压的第一弹性层。

进一步的技术方案在于：所述缓冲瓶体出气口设有止逆组件，所述止逆组件包括与缓冲瓶体出口同心设置且直径比缓冲瓶体出口端面的直径大0.2～0.6mm的止逆板，所述止逆板顶部与缓冲瓶体活动连接，所述止逆板能够沿连接处向上翻转使缓冲瓶体内气体向外排出。

进一步的技术方案在于：所述冷却阱包括壶胆状的冷却阱壳体，所述冷却阱壳体和真空接液管通过导气管连接，所述导气管的出气口与冷却阱壳体内腔底部连通；所述冷却阱壳体的内腔由下至上设有多块将其内腔隔断的冷凝板，所述冷凝板倾斜设置，相邻的两块冷凝板的倾斜方向相反，所述冷凝板向下倾斜的一侧设有连通该冷凝板上下两端的连通孔。

进一步的技术方案在于：每块冷凝板上设有一个连通孔，所述连通孔内径与冷却阱体内径的比值为1:8。

进一步的技术方案在于：所述冷却阱体为分体式结构，包括通过螺纹连接的上下两部分，所述冷却阱体内壁上设有对冷凝板下端面支撑定位的凸起定位块，每块冷凝板通过至少三个均布的定位块支撑固定。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明在酯化反应瓶中采用了双重搅拌及挡流板，反应物之间接触更紧密、更充分，使反应更完全彻底，再加上使用减压反应蒸馏法，能有效将反应生成的水脱离反应体系，破坏反应平衡，使反应向生成酯的方向进行，酯化率大大提高，进而提高了减水剂的质量；

2、本发明能将反应产生的酸性气体在吸收瓶中被稀碱溶液吸收及使用有效冷却阱，将没有吸收下来的气体进一步捕集并回收，用于第二步做减水剂工序中，防止了酸雾外泄污染真空油泵、环境以及原料的浪费；

3、本发明通过对缓冲瓶瓶口塞精细设计，使瓶塞上的导气管及二通管更便于安装和拆卸，瓶塞与导气管及二通管结合的更严密，避免了有害气体的外漏；

4、本发明不使用有机脱水剂，免除了脱水剂与酸分离工序，避免着火，有毒，污染环境，适合当今绿色环保发展的主题；

5、本发明环保，操作易于控制，得到的产品质量优，使用效果佳。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明搅拌器的结构示意图；

图3是本发明搅拌组件的俯视结构示意图；

图4是本发明缓冲瓶的结构示意图；

图5是本发明第一半塞体的结构示意图；

图6是本发明第二半塞体的结构示意图；

图7是图4中a部的放大结构示意图；

图8是本发明冷却阱的结构示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，一种用于实验室合成聚羧酸系酯类减水剂酯化大单体的制备系统，包括依次相连的酯化反应装置、馏液冷凝吸收装置、尾气吸收装置以及减压装置；所述酯化反应装置包括四口反应烧瓶11、密封插入四口反应烧瓶11内部的温度计12和搅拌器13以及密封连接四口反应烧瓶11的蒸馏头14；所述馏液冷凝吸收装置包括依次相连的冷凝管21、真空接液管22和内盛有稀碱溶液的单口吸收瓶23，所述单口吸收瓶23置于盛有冰水的冷却烧杯24内，所述真空接液管22还连接有冷却阱25，所述冷却阱25置于冰盐浴的保温瓶26内，利用冰盐浴对冷却阱25进行降温处理；所述尾气吸收装置包括依次相连的第一缓冲瓶31、盛有硅胶填料的第一吸收塔32、盛有氢氧化钾填料的第二吸收塔33、盛有分子筛填料的第三吸收塔34以及第二缓冲瓶35，所述第一缓冲瓶31与冷却阱25的出口相连；所述减压装置包括真空油泵41，所述油泵41与第二缓冲瓶35的出口相连。

减压酯化反应是将生成的水不断蒸出以破坏酯化反应的可逆平衡，使酯化反应向生成酯的方向进行，来提高酯化率。本系统在使用时，酯化反应装置中会有水及与水形成共沸物的甲基丙烯酸或丙烯酸不断蒸出，馏液冷凝吸收装置对蒸出的气体进行冷凝、吸收和捕集。由于在减压酯化反应中不可避免的会有微量水汽和酸气随减压系统往后下行，如果该气体进入真空油泵41中，水汽凝结后与油形成浓稠的乳浊液，破坏油泵的正常工作，酸气会腐蚀油泵机件，挥发的有机物被油吸收后就会增加油的蒸气压，影响减压酯化系统的真空减压效能。因此，增设了尾气吸收装置，在馏液冷凝吸收装置与真空油泵41之间按顺序安装冷却阱25和几种吸收塔，防止易挥发有机物、酸性气体和水汽进入真空油泵41中，腐蚀泵体机件致使影响真空减压效能。

安装冷却阱25的作用是将没有被单口吸收瓶23吸收下来的水汽和酸气进一步冷却下来进行回收利用。

第一吸收塔32、第二吸收塔33和第三吸收塔34在亚腰部放置三、四根玻璃棒，上面放玻纤网片，以防吸收剂掉入亚腰下部。顶端玻璃塞侧体带有侧勾，用于与侧口相通或关闭。第一吸收塔32中放入颗粒状硅胶吸收剂，其作用是进一步吸收水汽。第二吸收塔33中放入粒状氢氧化钾吸收剂，其作用是进一步吸收酸气。第三吸收塔34中放入条段状分子筛吸收剂，其作用是完全彻底地扑捉前面没有被吸收下来的挥发性有机物、酸气和水汽。

在第一缓冲瓶31与第一吸收塔32之间还设有压力计36，压力计36采用的是水银压力计，其用途是用来测量减压反应或减压蒸馏系统中的压力(即真空度)。

在减压酯化整个系统必须保持密封不漏气，凡是玻塞磨口之间衔接处都要涂好真空蜡脂，所选用的硅胶管或橡胶管必须是厚壁的。

如图2和图3所示，所述搅拌器13包括密封插入四口反应烧瓶11内部的搅拌杆131、驱动搅拌杆131沿其轴线旋转的搅拌电机134、设于搅拌杆131底部的第一搅拌组件132以及设于搅拌杆131下部的第二搅拌组件133。由于四口反应烧瓶11的端口口径较小，所以将搅拌器13的搅拌叶片设计成能够进入四口反应烧瓶11内，搅拌起来却能够伸展开的结构，并保证叶片的横向搅拌长度范围。

具体的，第一搅拌组件132包括固定于搅拌杆131底部的固定环1321，所述固定环1321的圆心位于搅拌杆131的轴线上，所述固定环1321上活动套接有两个活动环1322。其中，第一搅拌组件132的活动环1322受重力作用下垂，能够顺利安装进入四口反应烧瓶11内，在使用时旋转受离心力作用两活动环1322展开，增大了对反应液的搅拌面积，提高了对反应液的搅拌效果。

第二搅拌组件133包括固定设于搅拌杆131下部的定位母1331和活动设于搅拌杆131上能够沿搅拌杆131上下滑动并位于定位母1331上方的活动母1332，所述活动母1332的外周套设有一外轮廓小于定位母1331的支架盘1333，所述支架盘1333包括纵截面为圆形的环形框架1335以及将环形框架1335与活动母1332固定的水平连接杆1336，所述环形框架1335上竖向铰接有多个长条状的搅拌扇叶1334，所述搅拌扇叶1334能够沿环形框架1335转动。

第二搅拌组件133同样处于合拢状态时密封插入四口反应烧瓶11内，当进入四口反应烧瓶11内后，由于搅拌扇叶1334上端的活动母1332重量较大使之能够快速向下运动，使得搅拌扇叶1334沿环形框架1335转动展开，活动母1332直至被其下方的定位母1331限位停止下滑，而此时，由于支架盘1333的外轮廓小于定位母1331，所以搅拌扇叶1334也被定位母1331上端面支撑限位，使搅拌扇叶1334始终处于向外展开状态。

启动搅拌电机134，搅拌杆131带动活动环1322和搅拌扇叶1334旋转，对反应液进行加速搅拌，使酯化过程中生成的水及与水形成共沸物甲基丙烯酸或丙烯酸在减压装置下不断蒸出。在此过程中，温度计12检测四口反应烧瓶11内的反应温度，蒸馏头14将蒸出的气体导出四口反应烧瓶11，并经冷凝管21冷凝，进入吸收瓶内。

四口反应烧瓶11内还密封插入有挡流板15，挡流板15对搅拌运动的反应液进行阻挡，反应液冲击挡流板15后，反应液上下循环翻滚，使上层反应液与下层反应液混合更均匀、更充分，反应更完全彻底，优选的，所述挡流板15与搅拌器13轴线所在的竖直面呈夹角设置，能够有效的对搅拌运动的液体进行阻挡，提高了液体对挡流板15的冲击面积，使搅拌效率更高。

如图4～图7所示，第一缓冲瓶31包括缓冲瓶体311、对缓冲瓶体311进行密封的缓冲瓶塞312和通过缓冲瓶塞312固定并伸入缓冲瓶体311内腔的导气管313和二通管314；所述缓冲瓶塞312为分体式结构，包括第一半塞体3121和第二半塞体3122，所述第一半塞体3121上设有至少两个沿缓冲瓶塞312轴线对称的凹陷槽3123，所述第二半塞体3122上设有与凹陷槽3123凹凸配合的凸起柱3124；所述第一半塞体3121和第二半塞体3122的对应位置上设有容置导气管313的导气管容置槽3125和容置二通管314的二通管容置槽3126，所述导气管容置槽3125和二通管容置槽3126的侧壁上设有当第一半塞体3121和第二半塞体3122拼接后分别被导气管313和二通管314挤压的第一弹性层3127。

通过将缓冲瓶塞312设计成分体式结构，便于导气管313和二通管314的安装和拆卸，并且导气管312和二通管314通过挤压第一弹性层3127，使导气管312和二通管314与缓冲瓶塞312牢固配合。

为了使第一半塞体3121和第二半塞体3122配合牢固，所凹陷槽3123的周壁上设有一圈第二弹性层3128，所述凸起柱3124的前端为半球形或锥形，能够顺利插入凹陷槽3123内。

缓冲瓶体311出气口设有止逆组件，所述止逆组件包括与缓冲瓶体311出口同心设置且直径比缓冲瓶体311出口端面的直径大0.2～0.6mm的止逆板315，所述止逆板315顶部与缓冲瓶体311活动连接，所述止逆板315能够沿连接处向上翻转使缓冲瓶体311内气体向外排出。止逆板315顶部与缓冲瓶体311通过伸缩弹簧316活动连接。避免污染物反吸进入缓冲瓶体311内，提高了对有效物质的收集。其中，连接缓冲瓶体311出气口的管道在止逆组件位置设有鼓腔，不会影响止逆组件的使用。

其中第二缓冲瓶35可选用与第一缓冲瓶31完全相同的结构。

如图8所示，所述冷却阱25包括壶胆状的冷却阱壳体251，所述冷却阱壳体251和真空接液管22通过导气管252连接，所述导气管252的出气口与冷却阱壳体251内腔底部连通；所述冷却阱壳体251的内腔由下至上设有多块将其内腔隔断的冷凝板253，所述冷凝板253倾斜设置，相邻的两块冷凝板253的倾斜方向相反，所述冷凝板253向下倾斜的一侧设有连通该冷凝板253上下两端的连通孔254。

冷却阱25采用不锈钢材质，通过在冷却阱体251内部设计冷凝板253，整体提高了气体在上升过程中与冷却阱体251的接触面积，冷凝板253上下交错倾斜设置，增加了气体在上升过程中与冷凝板253的接触面积，而且连通孔左右交错设置，使气体在冷却阱体251内呈曲线螺旋上升，使气体与每块冷凝板253的下端面完全接触，冷凝效果更好，提高了对气体的吸附冷凝效率，同时连通孔设于冷凝板向下倾斜的一侧，便于冷凝液的收集。

其中，每块冷凝板253上设有一个连通孔254，能够使被捕集的气体和冷凝液通过即可，连通孔254过大，气体流速增大，降低了气体与冷凝板253和冷却阱体251的接触时间，降低了冷凝效果，所以优选的连通孔254内径与冷却阱体251内径的比值为1:8。并且为了增加气体与连通孔254的接触面积，连通孔254的横截面呈多边形。

为了便于冷凝板253的安装和清理，冷却阱体251为分体式结构，包括通过螺纹连接的上下两部分，为了增加连接处的密封，可以在连接处增设密封垫，所述冷却阱体251内壁上设有对冷凝板253下端面支撑定位的凸起定位块255，每块冷凝板253通过至少三个均布的定位块255支撑固定。

冷却阱体251的内表面设有螺旋向下的刻纹，能够加速冷凝液珠的落下。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明做出稍许简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。