一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置的制作方法

1.本发明属于聚乳酸生产技术领域，涉及一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置。


背景技术：

2.聚乳酸是以乳酸为单体聚合而成的一种生物可降解的新型的聚酯类高分子化合物，其可在微生物或生物体内酶或酸、碱的催化下水解，最终形成二氧化碳和水，实现在自然界中的循环，对人体无害无毒，对环境无污染，是极具发展潜力的可降解材料。在应用方面，聚乳酸除了可被应用于医药医疗器械材料领域，还可被用于膜制品领域，例如可被制成农用地膜、购物袋、快递袋、包装袋、保鲜袋等，也可被用于加工成烃资源回收用井下工具构件、暂堵剂材料等。由此可见，聚乳酸作为一种新兴的可降解材料，具有可观的经济效益和良好的应用前景，也是解决塑料废弃物对环境污染以及缓解石油资源短缺的有效途径。
3.目前，聚乳酸的合成主要沿用两种方法：乳酸直接缩聚和乳酸通过中间体丙交酯间接缩聚。直接缩聚法由于体系中存在杂质且乳酸缩聚反应是可逆反应，很难得到高分子量的聚乳酸。间接缩聚法合成聚乳酸，不需引入特殊助剂，产物分子量可高达数十万乃至数百万。因此，间接缩聚法是目前全球使用最多的聚乳酸生产方法。但是，间接缩聚生产工艺冗长，反应条件苛刻，对设备要求很高。特别是乳酸原料裂解成环反应器生成的气相丙交酯时，乳酸并不能完全转化为丙交酯，会产生一部分更高分子量的乳酸低聚物，同时也会发生高温氧化炭化等副反应。这些副反应产物通常为深褐色的粘稠液体，随着物料体系粘度的增加，如不能及时给予排出，会造成反应釜底部的凝固和/或结焦，导致管线堵塞，进而严重影响丙交酯的收率和纯度。一般来说，在乳酸到丙交酯的单程转化过程中，会有30％转变为底物，若将其废弃排放，则增加了生产丙交酯的原料成本，且对环境造成破坏。因此，本领域迫切需要提供一种高效的水解乳酸低聚体裂解环化底物的方法，以提高丙交酯的总收率，以及减少对环境的污染。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置，包括一级转炉水解反应器，二级水解反应釜，液体过滤器和降膜蒸发器；
6.所述一级转炉水解反应器的进料端设有进料口，连接有裂解环化底物管道、乳酸预聚工艺蒸出水管道，以及回流水泵的出口，其出料端设有出料口，连接有二级水解反应釜的进料管道，出料端外侧也设有2#加热套，且2#加热套与1#加热套通过管道连通，以免物料在此凝固和形成堵塞；
7.所述二级水解反应釜内部设有搅拌器、进料管、盘管加热器和溢流堰；搅拌器连接
有2#驱动电机，带动搅拌器旋转搅拌；进料管的入口连接有一级转炉水解反应器出料端出口，其出口插入到二级水解反应釜的底部，靠近底面处；盘管加热器处于二级水解反应釜的液面以下，为水解反应提供热量；溢流堰设置在二级水解反应釜的上部，反应液由此溢流出反应釜；
8.所述液体过滤器的入口连接有二级水解反应釜的溢流堰出口，其固相出口连接有废固管道，其液相出口连接有所述降膜蒸发器上部液相入口；
9.所述降膜蒸发器底部的出口依次连接有1#气液分离器和循环泵的入口，循环泵的出口管道分成两个支路分别连接有降膜蒸发器上部液相入口和水解产物管道；1#气液分离器顶部的气相出口依次连接有一级冷凝器、2#气液分离器、二级冷凝器、3#气液分离器和真空泵的入口，3#气液分离器的液相出口依次连接有2#气液分离器和回流水泵的入口。
10.进一步地，一级转炉水解反应器本体呈筒状结构，外侧设有1#加热套，沿本体的轴向设置转轴，转轴连接有1#驱动电机，由1#驱动电机带动转轴，进而带动本体和螺带转动，所述螺带沿中心轴的轴向呈螺旋状缠绕布设在中心轴上；
11.进一步地，所述一级转炉水解反应器内的反应液粘度，要远大于二级水解反应釜内的反应液粘度，采用螺带驱动其流动性；二级水解反应釜内的反应液粘度，又远大于降膜蒸发器内的液体粘度，搅拌器采用适合高粘度液体的锚式搅拌器来驱动其流动性。
12.进一步地，所述二级冷凝器采用低温冷冻剂为冷媒，以避免容易凝固的物质进入真空泵。
13.进一步地，经过一级转炉水解反应器和二级水解反应釜充分水解后的反应产物的脱水，采用了适合高粘度、高热敏性的物料的降膜蒸发器，来对其进行真空蒸发。
14.进一步地，一级转炉水解反应器和二级水解反应釜内注入的反应水，分别来自于上游的乳酸预聚单元的管道和降膜蒸发器的工艺蒸出水，两者的水中都含有少量乳酸，呈酸性。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.本发明的负荷调整弹性大、操作简单、设备投资小、节能，通过一级转炉水解反应器内的螺带的转动，及时将上游裂解环化反应器中呈粘稠状半流体态的物料转移出来，可有效避免物料因反应程度的进一步加剧而裂解环化反应器在发生凝固和/或结焦现象，呈粘稠状半流体态的物料在螺带的带动下向前行进，在行进过程中其会逐渐水解，同时，炉体的转动会增大了受热的均匀性和促进反应物料的进一步混合和反应，最终进入二级水解反应釜前的反应液经一级水解反应后，其粘度已大大降低，从而降低了二级水解反应釜内锚式搅拌器搅拌时的阻力，节省了电能，同时由于二级水解反应釜内传质传热的改善，水解反应将更为迅速和彻底，最终可以有效提高丙交酯的收率，此外，自于上游的乳酸预聚单元和降膜蒸发器的工艺蒸出水中都含有少量乳酸，可以催化上述的水解反应，因此乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应将无需再额外添加任何的酸来催化，简化了工艺，减少了废水量，也节省了运行成本。
附图说明
17.图1为本发明的一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置的结构示图。
18.图中，1-二级水解反应釜；2-盘管加热器；3-溢流堰；4-搅拌器；5-进料管；6-一级
转炉水解反应器；7-1#加热套；8-螺带；9-回流水泵；10-降膜蒸发器；11-液体过滤器；12-1#气液分离器；13-循环泵；14-一级冷凝器；15-2#气液分离器；16-二级冷凝器；17-3#气液分离器；18-真空泵；19-2#加热套；20-出料端；21-进料端；22-1#驱动电机；23-本体；24-转轴；25-2#驱动电机；30-尾气管道；31-乳酸预聚工艺蒸出水管道；32-乳酸低聚体裂解环化底物管道；33-废固管道；34-水解产物管道。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
21.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
22.参见图1，图1为本发明的结构示意图，一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置，包括一级转炉水解反应器7、二级水解反应器1、液体过滤器11、降膜蒸发器10和真空泵18。来自上游乳酸低聚体裂解环化底物管道32的呈粘稠状半流体态的物料，经由一级转炉水解反应器6的进料端21设有的进料口进入一级转炉水解反应器6，同时，来源于乳酸预聚工艺蒸出水管道31，以及回流水泵9出口的含有少量乳酸呈现出酸性的工艺蒸出水，也由此加入到一级转炉水解反应器6的进料端21的入口中。
23.乳酸低聚体裂解环化底物属于聚酯类化合物，在一定温度和催化剂条件下，可与水发生水解反应。水解反应过程首先从水分子迁移至低聚物表面开始，水分子逐渐扩散进入酯键或亲水基团的周围，在介质中酸或碱等催化剂的作用下，酯键发生断裂并和水形成一个羧基和一个羟基。水解断链的过程使低聚物的聚合度逐渐降低，当降低到一定程度，低聚物开始溶解，形成单分子乳酸和可溶于乳酸溶液的乳酸低聚体等水解产物。
24.乳酸低聚体裂解环化底物与上述的工艺蒸出水进入一级转炉水解反应器6后，在螺带8的带动下向前行进，一级转炉水解反应器6的本体23呈筒状结构，外侧设有1#加热套7，为水解反应提供热量，同时，炉体6的转动会增大了受热的均匀性和促进反应物料的进一步混合和反应，当物料行进至一级转炉水解反应器6的出料端20的出料口时，一级水解反应完成，物料的粘度大大降低，物料的酸性进一步增加，同时，出料端20的外侧也设有2#加热套19，且2#加热套19与1#加热套7通过管道连通，以免物料在此凝固和形成堵塞。
25.之后，反应物料经由，一级转炉水解反应器6的出料端20的出口，进入二级水解反应釜1的进料管道5的入口，进料管道5的出口插入到二级水解反应釜1的底部，靠近底面处
排出；盘管加热器2则处于二级水解反应釜1的液面以下的位置，为水解反应提供所需要的热量；溢流堰3设置在二级水解反应釜1的上部，反应液由此溢流出反应釜，其高度决定了二级水解反应釜1的持液量即，二级水解反应的时间。
26.经由一级转炉水解反应器6对物料进行初步水解后，随着乳酸的生成，物料的酸性得到了进一步的增加，而物料的酸性又是影响乳酸低聚体裂解环化底物水解速率的一个重要因素，酯键发生水解断裂在碱性或酸性环境中的速率均大于在中性环境中的速率。因此，随着水解过程的进行，端羧基量逐渐增加，水解速率加快，反应会出现自催化现象，因此，二级水解反应釜1同样无需加入新鲜乳酸作为催化剂。同时，水和低聚物接触得越充分，越有利于低聚物的水解。为实现两相的充分接触，针对反应物料经一级水解后，粘度已大大降低的特性，二级水解反应釜1的搅拌器4采用普通锚式搅拌桨，就可以获得良好混合性能，且由于阻力的大大降低，相应的电耗也得到了有效降低。
27.经由二级水解反应釜1后，乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应已进行的很彻底，其中的有效成分，即便不能完全水解为乳酸单体，也已水解成为乳酸二聚体、三聚体等可溶性小分子量低聚物。
28.最后，反应物料经由二级水解反应釜1的溢流堰3出口，送入液体过滤器11，将其中不可利用的氧化炭化物和上游催化剂残留除去后，进入适合处理高粘度、高热敏性物料的降膜蒸发器10，来对其进行真空蒸发，脱除其中的水分，获得可以再利用的回收乳酸，其主要成分为乳酸、乳酸二聚体和乳酸三聚体等。
29.降膜蒸发器10蒸出的工艺水，经由两级冷凝回收后，重新返回到一级转炉水解反应器6中，作为水解反应原料使用。需要注意的是，二级冷凝器16采用低温的冷冻剂为冷媒，以免容易凝固的物质进入真空泵18，从而起到达到保护真空泵18的作用。
30.通过上述分析可以得出，一种乳酸低聚体裂解环化底物的水解反应装置设计巧妙，具有总占地面积小、节约征地、减少工程投资、节能，且操作简单，负荷调整弹性大、安全可靠等特点，可在工程中应用；并为聚乳酸生产技术领域，提供了一个新的优化解决结构。
31.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。