一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置及反应工艺的制作方法

本发明涉及聚乙烯醇反应设备，特别涉及一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置及反应工艺。

背景技术：

1、乙酰乙酰化聚乙烯醇（aa-pva）是将乙酰乙酰基引入聚乙烯醇（pva）分子链上得到的一种功能化改性聚合物。由于乙酰乙酰基具有较高的反应活性，aa-pva相比普通pva表现出更优异的性能，广泛应用于粘合剂领域，如作为偏光片水胶粘合pva光学膜和支撑膜，具有高透明性、优良成膜性，同时提高偏光片耐湿热性能。其作为聚乙酸乙烯酯乳液聚合的保护胶体时，可显著提高接枝率，改善乳液的稳定性和流变性能。aa-pva还易于与联氨、己二胺、氨基脲、羟胺或酰胺类化合物在室温下发生交联反应，能有效提升胶粘剂的初粘强度、终强度、耐水性和湿强度，在木材加工、纸品粘接、建筑材料、包装等领域具有重要应用价值。

2、目前，工业上制备aa-pva的主流方法为双烯酮法。该方法虽能实现较高的乙酰乙酰化度，但存在显著缺点：双乙烯酮活性高、易发生副反应；热稳定性差，运输和储存过程中安全风险大；更重要的是，双乙烯酮具有强毒性，使用过程中易对操作人员健康和环境造成危害，不符合当前绿色化工和安全生产的要求。

3、为克服双烯酮法的安全与环保问题，近年来部分工艺开始采用酯交换法，以乙酰乙酸酯为改性剂与pva进行酯交换反应。该方法原料相对稳定、反应条件温和、无剧毒物质参与，具有较好的工业化潜力。然而，现有的酯交换法多采用单反应釜或捏合机工艺，由于pva原料本身含有一定小分子醇类（如甲醇）和水分，水分易导致酯发生水解，小分子醇则会与pva竞争，发生酯交换副反应；同时，反应生成的醇副产物难以及时有效移除，会抑制酯交换可逆反应的正向进行，从而造成改性转化率较低、反应周期较长、产品批次稳定性差等问题。现有部分酯交换工艺尝试采用减压方式脱除反应生成的醇类副产物，但该方法存在设备投资大、能耗高、系统密封要求严、真空度波动导致改性度控制不稳定、批次重复性差等问题。同时，n-甲基吡咯烷酮等高沸点极性非质子溶剂对醇类有很强的氢键和偶极-偶极相互作用，导致即使降低体系压力，醇类副产物蒸气压也远低于理想状态下的预期值。副产物难以从液相中“逃逸”到气相，脱除效率低，以上均限制了酯交换方法的推广应用。

4、综上所述，现有技术中的酯交换法采用单反应釜或捏合机工艺制备乙酰乙酰化聚乙烯醇时，存在聚乙烯醇原料中残余小分子醇类、水分引发的副反应，以及酯交换反应生成的醇类副产物（如叔丁醇副产物）难以及时有效移除导致反应平衡受限、转化率偏低、反应周期长的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置，可以解决现有技术中酯交换法采用单反应釜或捏合机工艺制备乙酰乙酰化聚乙烯醇时，存在聚乙烯醇原料中残余水分和小分子醇引发酯水解副反应和竞争酯交换副反应，以及酯交换反应生成的醇类副产物（如叔丁醇副产物）难以及时有效移除导致反应平衡受限、转化率偏低、反应周期长的问题。

2、第一方面，本发明提供一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置，包括：

3、溶解釜，其用于溶解聚乙烯醇原料，所述溶解釜的上部设有第一氮气入口，所述第一氮气入口用于通入氮气以吹扫脱除聚乙烯醇原料中残余的水分和小分子醇；

4、反应釜，其与所述溶解釜相连通，用于接收来自所述溶解釜的聚乙烯醇溶液并进行酯交换反应，其中，所述反应釜的上部设有第二氮气入口，所述第二氮气入口用于通入氮气以携带移除酯交换反应生成的醇类副产物；

5、以及冷凝器，其与所述反应釜的气相出口相连通；

6、其中，所述溶解釜和所述反应釜内均设置有搅拌组件，所述搅拌组件用于物料搅拌，还用于将通入的氮气分散至反应体系中。

7、进一步地，所述搅拌组件包括转轴和固定于所述转轴上的搅拌叶轮，所述搅拌叶轮包括上层叶轮和下层叶轮，所述上层叶轮和下层叶轮沿转轴的轴向间隔设置；

8、所述转轴为中空结构，所述转轴的上端设有进气口，所述转轴的下端与下层叶轮的内部空腔相连通，所述下层叶轮上开设有出气孔，所述出气孔与所述内部空腔相连通，实现氮气对反应物料的鼓泡置换与惰性保护。

9、进一步地，所述搅拌叶轮的直径与反应釜的内径之比为0.40~0.45。

10、进一步地，所述溶解釜的上部还设有第一气体出口，其下部设有第一夹套加热/冷却系统；

11、所述溶解釜顶部还设有pva加料口和溶剂入口，其底部设有物料转移出口；

12、所述物料转移出口与所述反应釜连通。

13、进一步地，所述反应釜的上部还设有加料入口和pva溶液入口；

14、所述反应釜上还设有第二夹套加热/冷却系统。

15、进一步地，所述反应釜中的装料系数为50%~65%；

16、所述溶解釜、反应釜中，高度与直径之比均独立地为1.40~1.75。

17、进一步地，所述冷凝器的出口连通有叔丁醇回收罐。

18、第二方面，本发明还提供一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应工艺，采用本发明第一方面的实施例提供的高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置实施，包括以下步骤：

19、s1、在溶解釜中加入溶剂和聚乙烯醇原料，溶解聚乙烯醇原料，并通入氮气进行吹扫，脱除聚乙烯醇原料中残余的水分和小分子醇，制备得到聚乙烯醇溶液；

20、s2、将聚乙烯醇溶液转移至反应釜，加入乙酰乙酰化改性试剂进行酯交换反应，同时通入氮气进行吹扫，并通过冷凝器移除副产物。

21、进一步地，所述聚乙烯醇的聚合度为500~3000，醇解度不小于88%；

22、所述溶解釜中加入的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二乙基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、2-吡咯烷酮、n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种；

23、所述乙酰乙酰化改性试剂为乙酰乙酸甲酯、乙酰乙酸乙酯、乙酰乙酸正丙酯、乙酰乙酸异丙酯、乙酰乙酸烯丙酯、乙酰乙酸异丁酯、乙酰乙酸仲丁酯、乙酰乙酸叔丁酯、乙酰乙酸正己酯、乙酰乙酸正庚酯、乙酰乙酸正辛酯、苄基乙酰乙酸酯中的一种或多种。

24、进一步地，所述溶解釜100中，溶解聚乙烯醇原料的过程中，溶解温度为90℃~140℃，溶解时间为3~6小时；

25、所述反应釜200中，酯交换反应过程中，反应温度为70℃~130℃。

26、本发明提供一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

27、该高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置中，溶解釜用于溶解聚乙烯醇（pva）原料。溶解釜的上部设有第一氮气入口，第一氮气入口用于向溶解釜内通入氮气，以吹扫脱除聚乙烯醇原料中残余的水分和小分子醇。pva原料本身含有一定小分子醇和水分，若直接参与后续酯交换反应，易导致乙酰乙酸酯改性剂发生水解副反应、小分子醇与pva竞争酯交换反应，从而降低改性转化率并影响产品质量。通过在溶解阶段即引入氮气吹扫，可在pva溶解过程中将原料中残余的水分和小分子醇随氮气气流带出，从源头减少水分和小分子醇对后续反应的不利影响。

28、反应釜与溶解釜相连通，用于接收来自溶解釜的聚乙烯醇溶液并进行酯交换反应。反应釜的上部设有第二氮气入口，第二氮气入口用于向反应釜内通入氮气，以携带移除酯交换反应生成的醇类副产物（如叔丁醇副产物）。酯交换反应是可逆反应，反应生成的叔丁醇若不能及时从反应体系中移除，将抑制反应正向进行，导致改性转化率偏低、反应周期延长。通过持续通入氮气进行吹扫，可将生成的醇类副产物（如叔丁醇副产物）从液相中携带至气相并随氮气气流排出，从而打破反应平衡，推动反应向产物方向进行，有效提高乙酰乙酰化改性转化率。

29、冷凝器与反应釜的气相出口相连通。反应釜中随氮气排出的气相物料（主要为叔丁醇和部分溶剂蒸汽）进入冷凝器进行冷凝处理。经冷凝后的液态叔丁醇可进一步回收利用，而氮气则经尾气处理后排放。

30、溶解釜和反应釜内均设置有搅拌组件。搅拌组件既用于物料的搅拌混合，以确保pva在溶解釜中充分溶解、以及在反应釜中与乙酰乙酸酯改性剂均匀接触反应；同时还用于将通入的氮气分散至反应体系中。搅拌组件通过旋转产生的剪切力和湍流作用，将经由氮气入口通入的氮气破碎为微小气泡并均匀分散于液相中，从而显著增大气-液接触面积，提高氮气吹扫脱水和脱除副产物的效率。

31、本发明提供一种高效制备乙酰乙酰化聚乙烯醇的反应装置，溶解釜中的氮气吹扫在源头上脱除了pva原料中残余的水分和小分子醇，消除了水解、酯交换副反应的条件；反应釜中的氮气吹扫则持续将生成的醇类副产物（如叔丁醇副产物）从反应体系中携带移除；从而有效提高了改性转化率、缩短了反应周期，同时产品性能稳定，操作安全环保。