[发明专利]一种制备高黏熔体的熔融缩聚反应方法及专用反应器和降膜元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备高黏熔体的熔融缩聚反应方法及熔融缩聚反应设备和降膜元件。

背景技术

缩聚反应实施方法有熔融缩聚、溶液缩聚、固相缩聚以及界面缩聚等，其中熔融缩聚不论从产品的质量、经济性、环保性以及工业化实施来看都具有明显的优势，因此绝大部分聚酯和聚酰胺等都采用熔融缩聚法生产，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚酰胺、聚碳酸酯等。熔融缩聚过程的实施关键在于反应器，理想的缩聚反应器要求物料流动和混合状态好，传热传质效率高，过程满足平推流，以便获得品质均一的聚合产品，同时实现较高的缩聚效率。当前开发新型反应器的设计构思是强化反应过程，以最小的反应器容积、最短的停留时间，达到所希望的反应程度。

在缩聚反应中，反应速率及聚合度与反应的平衡之间有着密切的关系。随着缩聚反应的进行，聚合度的提高，体系黏度急剧增加，小分子移走越来越困难，特别是在缩聚反应的后期，熔体黏度和聚合度较高，传质逐渐成为过程的控制因素，因此需采用特殊的内构件设计，实现过程流体强化成膜更新的流动方式，以获得传递性能优良的缩聚反应设备。强化缩聚反应器传递性能除了提高传质系数和传质推动力之外，可以通过增大传质面积和增强表面更新，即提高成膜效率（单位体积流率的熔体所产生的表面积）和表面更新频率（气液表面在单位时间内被更新的次数）。另外，缩聚反应是一个高黏基础上的变黏过程，采用单一的内构件往往无法满足不同黏度范围内反应过程对流动、混合、传递的要求。不同内构件上聚合物熔体传质界面的形成和界面更新通常是一对矛盾体：部分内构件易成膜但不易更新，而另一些则不易成膜但易更新；聚合物黏度较低时，流动性较强，成膜困难更新容易，但随着物系黏度的提高、弹性的增加，流体越来越易成膜但更新困难；高黏熔体流动困难，容易产生流动“死区”，出现结焦和色泽变黄。

目前公开的管状薄膜反应器，降膜元件为圆管，物料依靠重力顺着圆管表面成膜状向下流淌，同时，物料与圆管内部的换热介质进行热交换，自身反应生成的副产物不断逸出并被真空抽走。这种反应器具有结构简单、热交换充分、反应温度均匀等优点。但是，经研究发现，该类反应器熔体在换热圆管上由于重力作用自上至下下滑速度越来越快，停留时间较短，单位体积流率的熔体所产生的表面积小，成膜效率较低；随着熔体不断下滑可以引起液膜流动过程的不稳定，液膜产生波动，并向下游传播，其中波峰处的液膜较厚，且其速度大于层流膜的速度，不利于缩聚过程的有效脱挥；熔体沿换热管内外层速度有差异，产生轴向返混情况，熔体均化混合不足，停留时间不够均一，分子量分布较宽；该类反应器随着缩聚反应的进行物料物性不断变化，其内部结构并无改变，过程调节手段单一，单一结构的内构件对于变化中的物料的流体动力学以及传质特性并不始终匹配最优化。因此，如何合理设计缩聚反应器内构件的关键结构，特别是布膜器和降膜元件的结构，获得理想的结构化流场，使反应器熔体流动、成膜以及更新状况始终与过程不断变化的反应与传质要求相匹配，实现高效缩聚过程，是该类降膜缩聚反应器设计优化的关键。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有技术的不足，提供一种制备高黏熔体的熔融缩聚反应方法，能提高成膜效率，强化熔体的分散和混合，适应黏度变化的熔体特性，最终提高缩聚效率和产品品质。为此，本发明采用以下技术方案：

一种制备高黏熔体的熔融缩聚反应方法，其特征在于所述的方法包括：传热介质从缩聚反应器外部注入到缩聚反应器内，经过降膜元件内部后流出到缩聚反应器外部，然后通过外加热或冷却后循环运行；

熔融单体共混物或预聚物从进料口连续注入到缩聚反应器内部，经布膜器分配后，沿着降膜元件外壁成膜依靠重力下滑，降膜元件垂直安装，上段为波节管或者波纹管，下段为圆管，波节管由弧形段和直管段交替构成，波峰直径和直管直径之差与弧形段长L₁之比为0.05～1.0，波纹管选择圆弧型波纹管或者缩放型波纹管或者圆弧切线型波纹管或者正弦型波纹管，波峰直径和波谷直径之差与节距L之比为0.05～1.0；

各根降膜元件上的熔体汇聚到缩聚反应器底部，用搅拌器进一步进行搅拌反应，并且均化物料，完成反应后的熔体从底部出料口排出。

进一步地，上述布膜器为上下双层结构的贮料盘，贮料盘上层底板为布液板，熔体从布液板与降膜元件之间的环形间隙流下到达贮液盘下层；下层底板为布膜板，熔体从布膜板与降膜元件之间的环形间隙中流出，沿着降膜元件外壁成膜依靠重力下滑。