一种制备橡胶的微界面强化反应系统及方法
技术领域
本发明涉及制备橡胶的技术领域，具体而言，涉及一种制备橡胶的微界面强化反应系统及方法。
背景技术
橡胶是指具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状，橡胶可分为天然橡胶与合成橡胶二种，天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成，合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得。
目前，橡胶生产工艺中通常采用搅拌床反应器、釜式反应器、管式反应器、塔式反应器等作为聚合反应器，然而其所提供的相界面积和传质系数有限，气体利用率低以致反应效率偏低，故反应性能较难获得突破性的提高，进而影响了反应的整体效率；另外，由于气液相之间混合不均匀、导致分子量的分布也不均匀，得到的橡胶的聚合度不高，影响了产品的质量。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种制备橡胶的微界面强化反应系统，该微界面强化反应系统通过在聚合反应器的的侧壁连接微界面发生器，一方面增大了气相与液相物料之间的传质面积，气体利用率高，提高了反应效率，减少了能耗；另一方面气液相混合更均匀、得到的橡胶分子量聚合度更加均匀，提高了产品质量。
第二目的在于提供一种采用上述微界面强化反应系统制备橡胶的微界面强化反应方法，反应得到的橡胶质量好、收率高。
为了实现本发明的上述目的，特采用了以下技术方案：
本发明提出了一种制备橡胶的微界面强化反应系统，包括混合罐和聚合反应器，所述混合罐上设置有气相原料进口以及混合原料出口，所述聚合反应器的侧壁开设有进料口，底部开设有出料口；所述混合原料出口连接有微界面发生器，所述微界面发生器与所述进料口连接；所述出料口连接闪蒸装置以用于闪蒸分离聚合过程中未反应的原料和物料，所述闪蒸装置的顶部连接有冷凝器，所述闪蒸装置的底部设置有用于胶液排出的分离产物出口，所述分离产物出口连接汽提塔以用于将胶液转化为胶乳，所述胶乳从所述汽提塔的底部出去进入絮凝器槽以用于将胶乳转化为浆状物，所述浆状物从絮凝器槽的底部出去进入胶化粒槽以用于将浆状物转化为胶粒，所述胶粒从胶化粒槽底部出去进入干燥箱以用于去除胶粒中的水分。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述微界面发生器底部设置有液相物料进口，顶部与循环管连接，所述循环管连接冷凝器以用于将所述闪蒸装置闪蒸分离出的未反应原料和物料循环利用。所述液相物料进口通入乳化剂、活化剂、催化剂。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述闪蒸装置包括依次串联的第一闪蒸罐和第二闪蒸罐，所述第一闪蒸罐用于闪蒸分离出的大部分未反应原料和物料，所述第二闪蒸罐用于闪蒸分离出的残余未反应原料和物料，所述分离产物出口设置在所述第二闪蒸罐的底部。通过串联设置两个闪蒸罐，能在控制生产成本的情况下最大化的闪蒸分离未反应的原料和物料。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述出料口与所述闪蒸装置之间设置有缓冲罐，所述缓冲罐用于缓冲在聚合反应器中反应生成的产物，产物通过在缓冲罐中缓冲后，以便更平稳的进料避免波动，进而提高安全性。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述第一闪蒸罐与所述第二闪蒸罐的顶部同时与所述冷凝器连接。经第一闪蒸罐和第二闪蒸罐闪蒸分离出的未反应的原料和物料，经过冷凝器冷凝液化后通过循环管通入微界面发生器循环使用，降低了生产的成本。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述干燥箱与收集箱连接，用于收集制成的橡胶。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应系统中，所述汽提塔顶部设置有排气管。
一种制备橡胶的微界面强化反应方法，包括如下步骤：
气相原料、液相物料混合分散破碎成微气泡，进行聚合反应，然后闪蒸、气提、絮凝、胶化，最后干燥。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应方法中，在加入引发剂的情况下，所述聚合反应的温度为45-55℃；在不加入引发剂的情况下，所述聚合反应的温度为5-7℃。
进一步地，上述制备橡胶的微界面强化反应方法中，所述聚合反应的压力为0.25-0.3MPa。
本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。
另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。
此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。
由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。
综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术，虽然有的气泡破碎器属于气动式气泡破碎器类型，有的气泡破碎器属于液动式气泡破碎器类型，还有的属于气液联动式气泡破碎器类型，但是类型之间的差别主要是根据具体工况的不同进行选择，另外关于微界面发生器与反应器、以及其他设备的连接，包括连接结构、连接位置，根据微界面发生器的结构而定，此不作限定。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的制备橡胶的微界面强化反应系统通过在聚合反应器的的侧壁连接微界面发生器，一方面增大了气相与液相物料之间的传质面积，气体利用率高，提高了反应效率，减少了能耗；另一方面气液相混合更均匀、得到的橡胶分子量聚合度更加均匀，提高了产品质量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的制备橡胶的微界面强化反应系统的结构示意图。
图中：
1-混合罐； 11-气相原料进口；
12-混合原料出口；2-聚合反应器；
21-微界面发生器；22-液相物料进口；
23-进料口；24-出料口；
3-缓冲罐； 4-闪蒸装置；
41-第一闪蒸罐；42-第二闪蒸罐；
43-分离产物出口；5-冷凝器；
51-循环管；6-汽提塔；
61-排气管；7-絮凝器槽；
8-胶化粒槽； 9-干燥箱；
10-收集箱。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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，可以是两个元件内部的连通。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。
参阅图1所示，为本发明实施例的制备橡胶的微界面强化反应系统，其包括：混合罐1和聚合反应器2，所述混合罐1上设置有气相原料进口11以及混合原料出口12，所述聚合反应器2的侧壁开设有进料口23，底部开设有出料口24，所述混合原料出口12连接有微界面发生器21，所述微界面发生器21与所述进料口23连接，所述出料口24连接闪蒸装置4以用于闪蒸分离聚合过程中未反应的原料和物料，所述闪蒸装置4的顶部连接有冷凝器5，所述闪蒸装置4的底部设置有用于胶液排出的分离产物出口43，所述分离产物出口43连接汽提塔6以用于将胶液转化为胶乳，所述胶乳从所述汽提塔6的底部出去进入絮凝器槽7以用于将胶乳转化为浆状物，所述浆状物从絮凝器槽7的底部出去进入胶化粒槽8以用于将浆状物转化为胶粒，所述胶粒从胶化粒槽8底部出去进入干燥箱9以用于去除胶粒中的水分。
具体而言，所述微界面发生器21起到混合气相原料和液相物料并将上述气相原料和液相物料分散破碎成微气泡的作用，所述气相原料和液相物料在聚合反应器2进行充分乳化后进行聚合反应形成聚合反应产物，所述聚合反应产物包括胶液、未反应的原料和物料。
本实施例中，所述微界面发生器21底部设置有液相物料进口22，顶部与循环管51连接，所述循环管51连接冷凝器5以用于将闪蒸分离出的未反应原料和物料循环利用。
所述气相原料的种类不限，只要能达到制备橡胶即可，可以选择丁二烯、丁二烯和苯乙烯、丁二烯和丙烯腈经乳液、乙烯和丙烯等中的任意一组。若加入的是乙烯、丙烯、丁二烯等为气态的物质，则直接通入微界面发生器21中；若加入的是苯乙烯、丙烯腈经乳液等为液态的物质，则可以将丁二烯、丙烯腈经乳液等气化成气态通入微界面发生器21中。气相原料在混合罐1中先进行充分混合后，再通入微界面发生器中进行分散破碎。
所述液相物料包括乳化剂、脱氧剂、还原剂、螯合剂以及溶剂等，所属乳化剂是C8-C20的烷基硫酸钠、C8-C20的烷基苯硫酸钠、歧化松香酸钾、脂肪酸钠等或它们的混合物；所述脱氧剂是二亚硫酸钠等；所述还原剂为硫酸亚铁或螯合铁盐等；所述螯合剂为乙二胺四乙酸或其二钠盐等。
所述聚合反应器2内还可加入引发剂，所述引发剂为K2S208，所述聚合反应器2内还设置调温设备，若加入K2S208引发剂的情况下，所述调温设备调节聚合反应器2内的温度为45-55℃；在不加入引发剂的情况下，所述调温设备调节聚合反应器2内的温度为5-7℃。
具体而言，所述出料口24与闪蒸装置4之间设置有缓冲罐3，所述闪蒸装置4包括依次串联的第一闪蒸罐41和第二闪蒸罐42，所述第一闪蒸罐41侧壁与所述缓冲罐3的顶部连接，所述第一闪蒸罐41用于闪蒸分离出的大部分未反应原料和物料，所述第二闪蒸罐42用于闪蒸分离出的残余未反应原料和物料，所述分离产物出口43设置在所述第二闪蒸罐42的底部。
进一步的，所述缓冲罐3用于缓冲在聚合反应器2中反应生成的产物，产物通过在缓冲罐3中缓冲后，以便更平稳的进料避免波动，进而提高安全性。
进一步的，所述第一闪蒸罐41与所述第二闪蒸罐42的顶部同时与所述冷凝器5连接，经第一闪蒸罐41和第二闪蒸罐42闪蒸分离出的未反应的原料和物料，经过冷凝器5冷凝液化后通过循环管51通入微界面发生器21循环使用，增大反应原料的利用率，降低了生产的成本。
具体而言，经第二闪蒸罐42底部的所述分离产物出口43排出的所述胶液进入所述汽提塔6，所述汽提塔6用于将胶液转化为胶乳，所述汽提塔6的顶部设置有排气管61，用于排出汽提塔6中汽提过程中产生的水蒸气。
本实施例中，所述塔底用0.1MPa的蒸汽直接加热，塔顶压力为12.9kPa，塔顶温度50℃，水蒸汽由塔顶出来，从排气管61排出，塔底得到胶乳。
具体而言，所述胶乳从所述汽提塔6的底部出口出去进入絮凝器槽7，所述絮凝槽7中加入24％-26％的食盐水，用于将所述胶乳破乳而形成浆状物。
进一步地，所述浆状物从絮凝器槽7的底部出去进入胶化粒槽8，所述胶化粒槽8内加入0.5％质量百分比浓度的稀硫酸，所述胶化粒槽8内还设置搅拌机，在搅拌机的剧烈搅拌下生成胶粒。
具体而言，所述胶粒从胶化粒槽8底部出去进入干燥箱9，所述干燥箱9为双层履带式，分为若干干燥室分别控制加热温度，干燥室内的最高温度为90℃，干燥室的出口处为70℃。履带为多孔的不锈钢板制成，为防止胶粒粘结，可以在进料端喷淋硅油溶液，胶粒在上层履带的终端被刮刀刮下落入第二层履带继续通过干燥室干燥，干燥至橡胶产品的含水率<0.1％即干燥完成。
具体而言，还包括收集箱10，所述收集箱10与所述干燥箱9连接，所述收集箱10用于收集制成的橡胶。
以下简要说明本发明制备橡胶的反应系统的工作过程和原理。
合成橡胶所用的气相原料从所述气相原料进口11进入到混合罐，经混合罐1混合后从混合原料出口12排出，经进料口23进入的混合原料和经液相物料进口22进入的液相物料(包括乳化剂、脱氧剂、还原剂、螯合剂以及溶剂等)在微界面发生器21内混合后分散破碎成微气泡，分散破碎后的微气泡通入聚合反应器2内进行充分乳化后进行聚合反应得到聚合反应产物；聚合反应产物随后经聚合反应器2底部的出料口24进入到所述第一闪蒸罐41用于闪蒸分离聚合反应产物中的大部分未反应原料和物料，然后经第一闪蒸罐41的底部出口进入到第二闪蒸罐42用于闪蒸分离残余的未反应原料和物料以制成胶液，所述未反应的原料经所述第一闪蒸罐41与所述第二闪蒸罐42顶部连接的冷凝器5冷凝液化后进入微界面发生器21循环使用；所述胶液经分离产物出口43进入到所述汽提塔6以用于将胶液转化为胶乳，水蒸气从所述汽提塔6顶部的排气管61排出；所述胶乳从所述汽提塔6的底部出去进入到所述絮凝器槽7以用于将胶乳转化为浆状物；所述浆状物从絮凝器槽7的底部出去进入到所述胶化粒槽8以用于将浆状物转化为胶粒；所述胶粒从胶化粒槽8底部出去进入到所述干燥箱9以用于去除胶粒中的水分；去除水分的胶粒进入收集箱10完成橡胶的制备。其中，在聚合反应器2内加入引发剂的情况下，所述聚合反应的温度为45-55℃；在聚合反应器2内不加入引发剂的情况下，所述聚合反应的温度为5-7℃。
因此，本发明的制备橡胶的微界面强化反应系统通过在聚合反应器2的侧壁连接微界面发生器21，一方面增大了气相与液相物料之间的传质面积，气体利用率高，提高了反应效率，减少了能耗；另一方面气液相混合更均匀、得到的橡胶分子量聚合度更加均匀，提高了产品质量。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
