[发明专利]碳纤维用丙烯腈聚合环管反应器

说明书

发明领域

本发明属化工设备领域。

技术背景

目前，无论生产服饰用腈纶纤维或碳纤维原丝，不论采用溶液聚合 或水相沉淀聚合工艺、有机溶剂或无机溶剂、间歇或连续操作方式，丙 烯腈聚合都采用釜式反应器。发明人通过化学反应工程分析，认为这并 非一种很好的选择：

1、丙烯腈聚合属自由基聚合，其特点是慢引发、快增长、速终止(化 学工业出版社出版、王国建编著《高分子合成新技术》P1)。活性基团寿 命极短，一旦生成，瞬间增长为大分子并立即终止，聚合物分子链失去 活性后不再增长。分子量主要取决于反应温度及反应物系组成，和反应 时间相关性小。延长反应时间的目的不是提高分子量，而是增加转化率。 全混流物料浓度恒定，停滞时间差异大，间歇或平推流物料停滞时间均 衡，物料浓度变化大。因此，自由基聚合全混流比间歇式或平推流可获 得更窄的分子量分布。

不同流型反应器自由基聚合分子量分布对比见附图1(摘自《化学反 应工程分析》P154页，朱开宏、袁渭康编著)。

进一步分析显示，单体转化率越高，两种流型分子量分布差异越大。

2、为改善原丝预氧化工艺性能，丙烯腈聚合时需加入共聚单体，共聚 单体竞聚率较丙烯腈高。随着反应进程，间歇或平推流式反应器内未转 化单体中共聚单体对丙烯腈比率渐减，各时刻生成的大分子中共聚组分 含量亦渐降，高转化率时生成的大分子近于丙烯腈均聚物，制约碳纤维 质量。

间歇或平推流式反应器不同转化率时刻生成聚合物中共聚组分含量 和转化率的关系见附图2(摘自东华大学出版社出版，张旺玺著《聚丙 烯腈及碳纤维》P43页)。

全混反应器单体中共聚单体和丙烯腈比率衡定，聚合物中共聚组分 比率均匀，有利碳纤维质量。

根据1、2两点可知，搅拌釜间歇操作时生成的聚合物分子量分布宽， 共聚组分分布不匀。

3、搅拌釜连续操作时釜内理应呈全混流动，但因物料粘度较高，釜内 温度场和浓度场不匀，与理想全混流相差甚远，仍难获得分子量分布窄、 共聚组分分布均匀的聚合物，产品质量均匀性、稳定性不佳，不得不依 靠大规模混批减少质量波动。为追求较高转化率连续流程需串联多台搅 拌釜，仍存在共聚组分分布不匀问题。如在后釜中补加共聚单体，无法 将补加物和原有物料迅速混匀，共聚单体局部浓度差可能造成聚合物中 共聚组分分布更大不匀。

4、搅拌釜靠夹套传热，釜径较大时传热面积不足，易因反应热累积发 生爆聚，装置大型化困难。

釜式反应器的上述弊端影响聚合物质量的均匀性和稳定性，并严重 制约单线规模。本发明的目的是提供一种新型环管聚合反应器，可生产 分子量分布窄、共聚组分分布均匀的聚合物并满足装置大型化的需求。

发明内容

1、本发明的环管反应器由带夹套的环管、循环泵及必要的附件组成。 环管内装立交盘静态混合元件(ZL03156621.9)，或立交盘和其他形式的 静态混合元件组合，两端分别接循环泵进、出口。循环泵可采用齿轮泵、 单螺杆泵、双螺杆泵或流量、压力符合要求的其它形式的泵。环管上设 原料或补加料进口和反应物出口。原料或补加料进口近循环泵入口以利 用循环泵加速原料或补加料和循环物料混合。反应物出口比原料或补加 料进口距循环泵入口较远，避免原料或补加料向出口短路。较低转化率 时可采用单级环管，较高转化率时可采用两级或多级环管串联。前后级 环管管径、管长可相同亦可不同，多级环管串联时可向后级环管补加共 聚单体和(或)引发剂使前后级环管生成的聚合物中组成稳定。环管反 应器亦可后接单程管，单程管内装立交盘静态混合元件，或立交盘和其 他形式内构件组合的静态混合元件。为进一步提高环管内物料状态均匀 性，实现理想全混，本发明环管反应器可增设动态混合器，动态混合器 置于循环泵入口前，将原料或补加料或来自前级环管的物料和循环物料 快速混匀。

2、与搅拌釜相比，本发明环管反应器有以下优点：

1)环管内温度、浓度均匀，接近理想全混。

设循环比为100∶1，进环管的原料温度35℃，出环管聚合物温度 60℃，原料和循环物料快速匀化后温度为0.99×60+0.01×35＝59.75℃， 即环管内最大温差为0.25℃；