一种高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及化学处理领域，尤其涉及一种高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置。

背景技术

共聚物分散阻垢剂是80年代前后开发的一类新型水处理剂，它不仅性能优越，而且对磷系、钼系水处理技术的发展起着重要作用。它的开发及应用使水处理技术向前迈进了一大步，并成为国内外水处理剂研制开发的热点。

在众多开发的共聚物分散阻垢剂中，丙烯酸-磺酸盐的共聚物因其卓越的性能而引起普遍重视，国内外已形成开发的热潮。

但是目前丙烯酸-磺酸盐的共聚物均为液体，存在包装困难、流转中仓储和运能消耗大以及现场应用复杂难以控制等诸多不足，造成了很大的浪费。

因此，有必要提供一种高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置，解决了目前丙烯酸-磺酸盐的共聚物通常为液体，存在包装困难、流转中仓储和运能消耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的高含量丙烯酸共聚物的制备方法，包括以下步骤：

S1：将摩尔比为1:1~10:1的丙烯酸单体与含磺酸不饱和单体的混合液投入反应釜，按单体原料质量的1~15%加入亚硫酸氢钠，升温至60~95℃，然后滴加单体原料总质量2~15%的引发剂，聚合反应6~8h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；

S2：温度保持在80~100℃下将S1得到的产品浓缩6~12h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在60~80%；

S3：在S2得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至40~60℃，继续搅拌2~3h；

S4：在S3所得的产品中加入晶核乙酸钠，冷却结晶、离心脱水、干燥后即得到最终产品。

优选的，所述S1中的含磺酸不饱和单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸及其盐或者烯丙基磺酸及其盐。

优选的，所述S1中的引发剂为过硫酸钠、过硫酸铵或双氧水。

本发明还提供一种高含量丙烯酸共聚物的制备装置，包括：

反应筒，所述反应筒包括外筒和内筒，所述内筒固定于所述外筒的内部，所述外筒和内筒之间形成导气腔；

搅拌件，所述搅拌件包括转动管，所述转动管的顶端贯穿内筒且延伸至导气腔的内部，所述转动管的顶端与所述导气腔的内部连通，所述转动管的表面且位于反应筒的内部固定连接有搅拌叶，所述搅拌的内部与所述转动管的内部连通；

旋转带动件，所述旋转带动件连接于所述转动管的底端且位于反应筒的外部；

驱动件，所述驱动件固定安装于所述反应筒的底部，所述驱动件与所述旋转带动件传动连接；

温度调节管件，所述温度调节管件连接于所述反应筒一侧的安装管上。

优选的，所述温度调节管件包括三通管，所述三通管的两端均连接有L形管，两个所述L形管的一端分别连接有冷却管和热气管，两个所述L形管上均安装有阀门。

优选的，所述旋转带动件包括连接管，所述连接管连接于所述转动管的底端，所述连接管的底端连接有旋转连接头，所述旋转连接头的一端连接有排气管。

优选的，所述驱动件包括安装架，所述安装架固定于所述反应筒的底部，所述安装架的底部固定安装有电机，所述电机输出轴一端通过联轴器固定连接有转动轴，所述转动轴的表面固定连接有主动齿轮。

优选的，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

优选的，所述反应筒的底部连接有环形出料管，所述环形出料管上螺纹连接有密封盖，所述密封盖包括环形盖，所述环形盖的内部安装有密封塞。

优选的，所述反应筒的顶部安装有加料管，所述反应筒上安装有温度传感器。

与相关技术相比较，本发明提供的高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置具有如下有益效果：

本发明提供一种高含量丙烯酸共聚物的制备方法，产生丙烯酸共聚物的结晶产品，包装简单、流转中仓储和运能消耗减少以及现场应用易于控制等，给产品使用带来了很大的便利。

附图说明

图1为本发明提供的高含量丙烯酸共聚物的制备装置的一种较佳实施例的结构示意图；

图2为图1所示的反应筒的结构示意图；

图3为图1所示的搅拌件的结构示意图；

图4为图1所示的密封盖的结构示意图；

图5为图1所示的导流罩的结构示意图；

图6为本发明提供的高含量丙烯酸共聚物的制备装置的第十二实施例的结构示意图；

图7为图6所示的导向件的结构示意图。

图中标号：

1、反应筒，101、外筒，102、内筒，103、导气腔，

2、搅拌件，21、转动管，22、搅拌叶，

3、旋转带动件，31、连接管，32、旋转连接头，33、排气管，34、从动齿轮，

4、驱动件，41、安装架，42、电机，43、主动齿轮，

5、温度调节管件，51、三通管，52、L形管，53、冷气管，54、热气管，55、阀门，

6、环形出料管，

7、密封盖，71、环形盖，72、密封塞，

8、导流罩，9、温度传感器，10、安装管，11、进气孔，12、带动板，13、伸缩管，14、伸缩杆，15、导向件，

211、上端管，212、下端管。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

第一实施例：

将摩尔比为1:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的2%加入亚硫酸氢钠，升温至75℃，然后滴加原料总质量5%的过硫酸钠，共聚反应6h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在95℃下将上述产品浓缩8h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在80%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌2h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第二实施例：

将摩尔比为2:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的5%加入亚硫酸氢钠，升温至70℃，然后滴加原料总质量8%的过硫酸钠，共聚反应6h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在90℃下将上述产品浓缩10h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%左右；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至50℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第三实施例：

将摩尔比为3:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠的混合液投入反应釜，按原料质量的5%加入亚硫酸氢钠，升温至80℃，然后滴加原料总质量10%的过硫酸钠，共聚反应5h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在90℃下将上述产品浓缩10h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在70%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至40℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第四实施例4：

将摩尔比为4:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的6%加入亚硫酸氢钠，升温至75℃，然后滴加原料总质量8%的过硫酸钠，共聚反应6h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在95℃下将上述产品浓缩6h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌2h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第五实施例：

将摩尔比为4:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的10%加入亚硫酸氢钠，升温至85℃，然后滴加原料总质量12%的过硫酸钠，共聚反应5h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在95℃下将上述产品浓缩8h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第六实施例：

将摩尔比为5:1的丙烯酸单体与烯丙基磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的6%加入亚硫酸氢钠，升温至90℃，然后滴加原料总质量15%的过硫酸铵，共聚反应5h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在80℃下将上述产品浓缩12h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至50℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第七实施例：

将摩尔比为5:1的丙烯酸单体与烯丙基磺酸钠的混合液投入反应釜，按原料质量的8%加入亚硫酸氢钠，升温至95℃，然后滴加原料总质量15%的过硫酸钠，共聚反应8h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在100℃下将上述产品浓缩6h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在80%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第八实施例：

将摩尔比为9:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合液投入反应釜，按原料质量的3%加入亚硫酸氢钠，升温至80℃，然后滴加原料总质量12%的过硫酸钠，共聚反应6h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在85℃下将上述产品浓缩12h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至40℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第九实施例：

将摩尔比为10:1的丙烯酸单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠的混合液投入反应釜，按原料质量的6%加入亚硫酸氢钠，升温至85℃，然后滴加原料总质量15%的过硫酸钠，共聚反应6h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在90℃下将上述产品浓缩10h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在75%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

第十实施例：

将摩尔比为10:1的丙烯酸单体与烯丙基磺酸钠的混合液投入反应釜，按原料质量的5%加入亚硫酸氢钠，升温至95℃，然后滴加原料总质量15%的过硫酸钠，共聚反应8h，得到淡黄色至琥珀色透明液体；温度保持在90℃下将上述产品浓缩12h，得到淡黄色至琥珀色粘稠液体，固体含量控制在80%；在得到的产品中加入溶剂无水乙醇，冷却至45℃，继续搅拌3h；然后加入晶核乙酸钠，冷却结晶；脱水；干燥后即得到最终产品。

本聚合物的阻垢性能测试条件及测试结果：

测试条件：

用静态阻垢法对样品的阻垢碳酸钙性能进行测定。试验用水为配制水：

将含一定质量浓度的药剂、ρ(Ca2+)=600mg/L，ρ(HCO3-)=500mg/L，ρ(CO32-)=100mg/L（均以CaCO3计）的500mL水样（pH=9）加入容量瓶中，之于（50±1）℃的水浴中，恒温10h后取出冷却过滤后，测定过滤液Ca2+含量，同时做空白实验。

阻垢Ca3（PO4）2性能的实验方法与上述阻垢碳酸钙性能进行测定的方法类似，但起始离子质量浓度为：ρ(Ca2+)=250mg/L，ρ(PO43-)=5mg/L。

阻垢CaSO4性能的实验方法与上述阻垢碳酸钙性能进行测定的方法类似，但起始离子质量浓度为：ρ(Ca2+)=2500mg/L，ρ(SO42-)=7200mg/L。

阻垢Zn（OH）2性能的实验方法与上述阻垢碳酸钙性能进行测定的方法类似，但起始离子质量浓度为：ρ(Ca2+)=250mg/L，ρ(Zn2+)=5mg/L，ρ(HCO3-)=250mg/L。

测试结果

本发明聚合物的用量达到5mg/L时，其阻碳酸钙垢的能力达到79.5%。

本发明聚合物的用量达到8mg/L时，其阻磷酸钙垢的能力达到92.5%。

本发明聚合物的用量达到10mg/L时，其阻硫酸钙垢的能力达到接近100%。

本发明聚合物的用量达到8mg/L时，其阻锌垢的能力达到89.5%。

分散氧化铁性能评定的测试条件及测试结果：

分散氧化铁性能试验条件：

起始各离子浓度为：ρ(Ca2+)=250mg/L，ρ(Fe2+)=10mg/L（用FeSO4·7H2O配制），pH=9，反应温度为50℃，反应时间为5h。用FeSO4·7H2O的水解产物作为氧化铁悬浮介质，水浴加热，冷却后，静置，取上层清液，用721分光光度计测透光率。

测试结果：

本发明聚合物的用量达到5mg/L时，分散效果最佳，透光率为73.5%，继续增加共聚物用量，分散效果变化不大。本发明共聚物有较好的分散能力，形成的水垢较软，容易被水冲走。

第十一实施例

请结合参阅图1、图2、图3、图4和图5。高含量丙烯酸共聚物的制备装置包括：用于反应的反应筒1，反应筒1包括内筒102和外筒101，内筒102和外筒101之间留有导气腔103，当反应，需要升温时，可以通过将热气流导入到导气腔103的内部，热气流通过导入到整个反应筒1的内部，增大于反应物的接触面积，提高升温速度，同理当导入冷气时，提高冷却结晶的速度，反应筒1的内筒102为导热性能好的金属材质支撑，外筒101的外侧设置有隔热层，减小热量的流失；

反应筒1的一侧设置有安装管10，安装管10的上连接有用于输入热气和冷气的温度调节管件5，当需要通入热气流时，打开热气管54上的阀门55，热气通过热气管54经三通管51进入到导气腔103的内部，同理当输入冷气时，，打开位于冷气管53上的阀门55即可，其中热气管的一端连接于加热设备上，加热设备的内部设置有电热阻丝，加热设备的另一端通过管道与风机连接，冷风管53的一端与设置制冷设备的输出端连接，其中制冷设备可以为空调等，当为空调时，空调设置为盒体中，盒体上设置有出气管，与冷风管53连接。

反应筒1的内部安装有搅拌件2，搅拌件2包括转动管21，转动管21表面连接有多组用于搅拌的搅拌叶22，每组搅拌叶22优选设置四个，搅拌叶22的内部设置为空腔，与转动管21连通，当气流进入到导气腔103的内部后，气流进入到转动管21内部，从而填充至搅拌叶22的内部，（其中搅拌叶22和转动管21均为导热性能好的金属材质），通过搅拌叶22对反应物进行加热或者冷却，搅拌叶转动极大的增大了与反应物的接触面积，从而可以快速对反应加热或者冷却，转动管21的上端与内筒102贯穿处通过机械密封，顶端外侧设置有凸缘，可以对整个转动管21支撑限位；

转动管21的底端与反应筒1的贯穿处通过机械密封，转动管21的底端设置有旋转带动件3，当气流进入到转动管21内部后，气流经旋转带动件3中的连接管31、旋转连接头32和排气管33排出，且可以排出至风机的安装位置，循环使用，其中通过设置旋转连接头32可以满足转动管21转动的同时，排气管33不需要跟随转动，其中排气管33优选使用软管；

反应筒1的底部安装有用于带动转动管21转动的驱动件4，其中连接管31上安装有从动齿轮34，与驱动件4中的主动齿轮43啮合，当工作时，电机42带动转动轴转动，从而带动主动齿轮43转动，主动齿轮43带动从动齿轮34转动，从而带动搅拌件2转动进行搅拌操作，其中转动轴的顶端与安装架41的顶部转动连接；

反应筒1的底部连接有用于出料的环形出料管6，用于对产品的出料，其中环形出料管6位于驱动件4和旋转带动件3的外侧，环形出料管6的外侧和内侧表面均设置有螺纹，环形出料管6上螺纹连接有密封盖7，密封盖7内表面的两侧均设置有对应的螺纹，通过螺纹连接，操作简单方便；

且通过在密封盖7的内部设置密封塞72，塞在环形出料管6的内部，提高密封性，密封盖7底部的两侧均安装有手柄，便于拧动密封盖7；

反应筒1的顶部安装有加料管，加料管上螺纹连接有密封盖。

反应筒1内壁的顶部安装有锥形的导流罩8，出料时，可以将反应物导流至环形出料管内部，便于出料，其中导流罩8套设在转动管21的表面。

反应筒1上安装有用于检测温度的温度传感器9。

与相关技术相比较，本发明提供的高含量丙烯酸共聚物的制备方法及装置具有如下有益效果：

通过将反应筒1分为外筒101和内筒102，之间设置导气腔103，且搅拌件2中转动管21与导气腔103的内部连通，通过温度调节管件5可以将热气流或者冷气流通入到导气腔103和转动管21的内部并进入到搅拌叶22内部，从而可以通过转动的搅拌叶以及反应筒1的内壁对反应物进行加热或者冷却，极大的提高对反应物的加热或者冷却的速度，可以对反应物进行冷却结晶操作。

第十二实施例

请结合参阅图6和图7，基于本申请的第十一实施例提供的高含量丙烯酸共聚物的制备装置，本申请的第二实施例提出另一种高含量丙烯酸共聚物的制备装置。

具体的，本申请的第二实施例提供的高含量丙烯酸共聚物的制备装置的不同之处在于，高含量丙烯酸共聚物的制备装置，所述转动管21包括上端管211和下端管212，所述上端管211和下端管212之间通过伸缩管13连接，伸缩管13为可以伸缩的塑料管，表面交错设置有凹折横与凸折横，其中搅拌叶22设置在上端管211上，且上端管211和下端管212之间连接有伸缩杆14，伸缩杆14优选设置两个，其中伸缩杆14包括外管，外管内部设置有截面为矩形的矩形腔，矩形腔内部设置有截面为矩形的内杆；

上端管211的顶端为封口设置，且上端管211的顶端贯穿反应筒1且延伸至反应筒1的外部，上端管211位于导气腔103的内部环形开设有多个进气孔11，上端管211的顶部固定连接有带动板12，所述反应筒1的顶部固定连接有导向件15，其中导向件15为环形块，且两侧底中间高，反应筒1外筒101的顶部设置有凸起部，凸起部的空腔高度大于导向件15的最高处高度。

当驱动件4带动旋转带动件3转动时，旋转带动件3带动下端管212转动，下端管212通过伸缩杆14带动上端管211转动，上端管211带动搅拌叶22主动，同时带动带动板12转动，带动板12转动的同时，沿导向件15的低端向高端移动再移动至底端，从而可以带动上端管211上下往复移动，即上端管211带动搅拌叶转动的同时可以带动搅拌叶22上下移动，从而可以增大搅拌叶22与反应液的接触面积，提高反应物的混合速度，以及加热或者冷却的效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。