本發明涉及聚羧酸系減水劑領域，尤其涉及一種用于實驗室合成聚羧酸系酯類減水劑酯化大單體的制備系統。

背景技術：

聚酯型聚羧酸減水劑的制備通常采用兩步合成法。第一步，將聚乙二醇單甲醚(稱之為mpeg)與甲基丙烯酸(maa)或丙烯酸(aa)在催化劑、阻聚劑和抗氧化劑的作用下，進行酯化反應先制備出帶有雙鍵的酯化大單體(mpegmaa或mpegaa)；第二步，在水相引發劑、分子量調節劑作用下，酯化大單體再與具有特殊功能的活性小單體共聚而成。

關于酯化大單體的制備是通過酯化反應完成，該酯化反應是合成聚酯型減水劑的關鍵技術，酯化率是直接影響減水劑品質的重要因素。酯化反應為可逆反應，其逆反應為酯的水解反應。為了提高酯化反應的酯化率有兩種方法，根據質量作用定律，一是加入過量某一反應物的量，二是在反應過程中不斷分離出生成物酯和水，或兩種措施并用效果更佳，以破壞其平衡，使反應向生成酯的方向進行。在工業生產中，酯化過程多采用加入脫水劑或長時間回流來提高酯化率。

以上措施存在以下之不足：

1、加入脫水劑法，該方法是在酯化釜中加入脫水劑，將酯化過程中生成的水被脫水劑帶入水分離器中，分離出水來提高酯化率。但是脫水劑是低沸點有機物，如苯、甲苯、環己烷、四氯化碳等。此方法需要大量脫水劑，不經濟，反應完后需要蒸出脫水劑，蒸出的脫水劑中夾雜有甲基丙烯酸或丙烯酸，二者還需要分離工序，脫水劑易著火，有毒，污染環境。

2、長時間回流法，此方法酯化率提高不大。因為酯化過程生成的酯和水沒有脫離反應體系，隨著酯化反應的進行，酯的水解反應也會同時進行，當反應達到平衡后，即酯化與酯的水解平衡，酯化率不再提高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種將減壓酯化過程生成的水不斷蒸出以破壞酯化反應的可逆平衡，使酯化反應向生成酯的方向進行，來提高酯化率，且不使用脫水劑，提高反應效率的一種用于實驗室合成聚羧酸系酯類減水劑酯化大單體的制備系統。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

一種用于實驗室合成聚羧酸系酯類減水劑酯化大單體的制備系統，其特征在于：包括依次相連的酯化反應裝置、餾液冷凝吸收裝置、尾氣吸收裝置以及減壓裝置；所述酯化反應裝置包括四口反應燒瓶、密封插入四口反應燒瓶內部的溫度計和攪拌器以及密封連接四口反應燒瓶的蒸餾頭；所述餾液冷凝吸收裝置包括依次相連的冷凝管、真空接液管和內盛有稀堿溶液的單口吸收瓶，所述單口吸收瓶置于盛有冰水的冷卻燒杯內，所述真空接液管還連接有冷卻阱，所述冷卻阱置于冰鹽浴的保溫瓶內；所述尾氣吸收裝置包括依次相連的第一緩沖瓶、盛有硅膠填料的第一吸收塔、盛有氫氧化鉀填料的第二吸收塔、盛有分子篩填料的第三吸收塔以及第二緩沖瓶，所述第一緩沖瓶與冷卻阱的出口相連；所述減壓裝置包括真空油泵，所述油泵與第二緩沖瓶出口相連。

進一步的技術方案在于：所述攪拌器包括密封插入四口反應燒瓶內部的攪拌桿、驅動攪拌桿沿其軸線旋轉的攪拌電機、設于攪拌桿底部的第一攪拌組件以及設于攪拌桿下部的第二攪拌組件。

進一步的技術方案在于：所述第一攪拌組件包括固定于攪拌桿底部的固定環，所述固定環的圓心位于攪拌桿的軸線上，所述固定環上活動套接有兩個活動環。

進一步的技術方案在于：所述第二攪拌組件包括固定設于攪拌桿下部的定位母和活動設于攪拌桿上能夠沿攪拌桿上下滑動并位于定位母上方的活動母，所述活動母的外周套設有一外輪廓小于定位母的支架盤，所述支架盤包括縱截面為圓形的環形框架以及將環形框架與活動母固定的水平連接桿，所述環形框架上豎向鉸接有多個長條狀的攪拌扇葉，所述攪拌扇葉能夠沿環形框架轉動。

進一步的技術方案在于：所述四口反應燒瓶內還密封插入有擋流板。

進一步的技術方案在于：所述第一緩沖瓶包括緩沖瓶體、對緩沖瓶體進行密封的緩沖瓶塞和通過緩沖瓶塞固定并伸入緩沖瓶體內腔的導氣管和二通管；所述緩沖瓶塞為分體式結構，包括第一半塞體和第二半塞體，所述第一半塞體上設有至少兩個沿緩沖瓶塞軸線對稱的凹陷槽，所述第二半塞體上設有與凹陷槽凹凸配合的凸起柱；所述第一半塞體和第二半塞體的對應位置上設有容置導氣管的導氣管容置槽和容置二通管的二通管容置槽，所述導氣管容置槽和二通管容置槽的側壁上設有當第一半塞體和第二半塞體拼接后分別被導氣管和二通管擠壓的第一彈性層。

進一步的技術方案在于：所述緩沖瓶體出氣口設有止逆組件，所述止逆組件包括與緩沖瓶體出口同心設置且直徑比緩沖瓶體出口端面的直徑大0.2～0.6mm的止逆板，所述止逆板頂部與緩沖瓶體活動連接，所述止逆板能夠沿連接處向上翻轉使緩沖瓶體內氣體向外排出。

進一步的技術方案在于：所述冷卻阱包括壺膽狀的冷卻阱殼體，所述冷卻阱殼體和真空接液管通過導氣管連接，所述導氣管的出氣口與冷卻阱殼體內腔底部連通；所述冷卻阱殼體的內腔由下至上設有多塊將其內腔隔斷的冷凝板，所述冷凝板傾斜設置，相鄰的兩塊冷凝板的傾斜方向相反，所述冷凝板向下傾斜的一側設有連通該冷凝板上下兩端的連通孔。

進一步的技術方案在于：每塊冷凝板上設有一個連通孔，所述連通孔內徑與冷卻阱體內徑的比值為1:8。

進一步的技術方案在于：所述冷卻阱體為分體式結構，包括通過螺紋連接的上下兩部分，所述冷卻阱體內壁上設有對冷凝板下端面支撐定位的凸起定位塊，每塊冷凝板通過至少三個均布的定位塊支撐固定。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：

1、本發明在酯化反應瓶中采用了雙重攪拌及擋流板，反應物之間接觸更緊密、更充分，使反應更完全徹底，再加上使用減壓反應蒸餾法，能有效將反應生成的水脫離反應體系，破壞反應平衡，使反應向生成酯的方向進行，酯化率大大提高，進而提高了減水劑的質量；

2、本發明能將反應產生的酸性氣體在吸收瓶中被稀堿溶液吸收及使用有效冷卻阱，將沒有吸收下來的氣體進一步捕集并回收，用于第二步做減水劑工序中，防止了酸霧外泄污染真空油泵、環境以及原料的浪費；

3、本發明通過對緩沖瓶瓶口塞精細設計，使瓶塞上的導氣管及二通管更便于安裝和拆卸，瓶塞與導氣管及二通管結合的更嚴密，避免了有害氣體的外漏；

4、本發明不使用有機脫水劑，免除了脫水劑與酸分離工序，避免著火，有毒，污染環境，適合當今綠色環保發展的主題；

5、本發明環保，操作易于控制，得到的產品質量優，使用效果佳。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明攪拌器的結構示意圖；

圖3是本發明攪拌組件的俯視結構示意圖；

圖4是本發明緩沖瓶的結構示意圖；

圖5是本發明第一半塞體的結構示意圖；

圖6是本發明第二半塞體的結構示意圖；

圖7是圖4中a部的放大結構示意圖；

圖8是本發明冷卻阱的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1所示，一種用于實驗室合成聚羧酸系酯類減水劑酯化大單體的制備系統，包括依次相連的酯化反應裝置、餾液冷凝吸收裝置、尾氣吸收裝置以及減壓裝置；所述酯化反應裝置包括四口反應燒瓶11、密封插入四口反應燒瓶11內部的溫度計12和攪拌器13以及密封連接四口反應燒瓶11的蒸餾頭14；所述餾液冷凝吸收裝置包括依次相連的冷凝管21、真空接液管22和內盛有稀堿溶液的單口吸收瓶23，所述單口吸收瓶23置于盛有冰水的冷卻燒杯24內，所述真空接液管22還連接有冷卻阱25，所述冷卻阱25置于冰鹽浴的保溫瓶26內，利用冰鹽浴對冷卻阱25進行降溫處理；所述尾氣吸收裝置包括依次相連的第一緩沖瓶31、盛有硅膠填料的第一吸收塔32、盛有氫氧化鉀填料的第二吸收塔33、盛有分子篩填料的第三吸收塔34以及第二緩沖瓶35，所述第一緩沖瓶31與冷卻阱25的出口相連；所述減壓裝置包括真空油泵41，所述油泵41與第二緩沖瓶35的出口相連。

減壓酯化反應是將生成的水不斷蒸出以破壞酯化反應的可逆平衡，使酯化反應向生成酯的方向進行，來提高酯化率。本系統在使用時，酯化反應裝置中會有水及與水形成共沸物的甲基丙烯酸或丙烯酸不斷蒸出，餾液冷凝吸收裝置對蒸出的氣體進行冷凝、吸收和捕集。由于在減壓酯化反應中不可避免的會有微量水汽和酸氣隨減壓系統往后下行，如果該氣體進入真空油泵41中，水汽凝結后與油形成濃稠的乳濁液，破壞油泵的正常工作，酸氣會腐蝕油泵機件，揮發的有機物被油吸收后就會增加油的蒸氣壓，影響減壓酯化系統的真空減壓效能。因此，增設了尾氣吸收裝置，在餾液冷凝吸收裝置與真空油泵41之間按順序安裝冷卻阱25和幾種吸收塔，防止易揮發有機物、酸性氣體和水汽進入真空油泵41中，腐蝕泵體機件致使影響真空減壓效能。

安裝冷卻阱25的作用是將沒有被單口吸收瓶23吸收下來的水汽和酸氣進一步冷卻下來進行回收利用。

第一吸收塔32、第二吸收塔33和第三吸收塔34在亞腰部放置三、四根玻璃棒，上面放玻纖網片，以防吸收劑掉入亞腰下部。頂端玻璃塞側體帶有側勾，用于與側口相通或關閉。第一吸收塔32中放入顆粒狀硅膠吸收劑，其作用是進一步吸收水汽。第二吸收塔33中放入粒狀氫氧化鉀吸收劑，其作用是進一步吸收酸氣。第三吸收塔34中放入條段狀分子篩吸收劑，其作用是完全徹底地撲捉前面沒有被吸收下來的揮發性有機物、酸氣和水汽。

在第一緩沖瓶31與第一吸收塔32之間還設有壓力計36，壓力計36采用的是水銀壓力計，其用途是用來測量減壓反應或減壓蒸餾系統中的壓力(即真空度)。

在減壓酯化整個系統必須保持密封不漏氣，凡是玻塞磨口之間銜接處都要涂好真空蠟脂，所選用的硅膠管或橡膠管必須是厚壁的。

如圖2和圖3所示，所述攪拌器13包括密封插入四口反應燒瓶11內部的攪拌桿131、驅動攪拌桿131沿其軸線旋轉的攪拌電機134、設于攪拌桿131底部的第一攪拌組件132以及設于攪拌桿131下部的第二攪拌組件133。由于四口反應燒瓶11的端口口徑較小，所以將攪拌器13的攪拌葉片設計成能夠進入四口反應燒瓶11內，攪拌起來卻能夠伸展開的結構，并保證葉片的橫向攪拌長度范圍。

具體的，第一攪拌組件132包括固定于攪拌桿131底部的固定環1321，所述固定環1321的圓心位于攪拌桿131的軸線上，所述固定環1321上活動套接有兩個活動環1322。其中，第一攪拌組件132的活動環1322受重力作用下垂，能夠順利安裝進入四口反應燒瓶11內，在使用時旋轉受離心力作用兩活動環1322展開，增大了對反應液的攪拌面積，提高了對反應液的攪拌效果。

第二攪拌組件133包括固定設于攪拌桿131下部的定位母1331和活動設于攪拌桿131上能夠沿攪拌桿131上下滑動并位于定位母1331上方的活動母1332，所述活動母1332的外周套設有一外輪廓小于定位母1331的支架盤1333，所述支架盤1333包括縱截面為圓形的環形框架1335以及將環形框架1335與活動母1332固定的水平連接桿1336，所述環形框架1335上豎向鉸接有多個長條狀的攪拌扇葉1334，所述攪拌扇葉1334能夠沿環形框架1335轉動。

第二攪拌組件133同樣處于合攏狀態時密封插入四口反應燒瓶11內，當進入四口反應燒瓶11內后，由于攪拌扇葉1334上端的活動母1332重量較大使之能夠快速向下運動，使得攪拌扇葉1334沿環形框架1335轉動展開，活動母1332直至被其下方的定位母1331限位停止下滑，而此時，由于支架盤1333的外輪廓小于定位母1331，所以攪拌扇葉1334也被定位母1331上端面支撐限位，使攪拌扇葉1334始終處于向外展開狀態。

啟動攪拌電機134，攪拌桿131帶動活動環1322和攪拌扇葉1334旋轉，對反應液進行加速攪拌，使酯化過程中生成的水及與水形成共沸物甲基丙烯酸或丙烯酸在減壓裝置下不斷蒸出。在此過程中，溫度計12檢測四口反應燒瓶11內的反應溫度，蒸餾頭14將蒸出的氣體導出四口反應燒瓶11，并經冷凝管21冷凝，進入吸收瓶內。

四口反應燒瓶11內還密封插入有擋流板15，擋流板15對攪拌運動的反應液進行阻擋，反應液沖擊擋流板15后，反應液上下循環翻滾，使上層反應液與下層反應液混合更均勻、更充分，反應更完全徹底，優選的，所述擋流板15與攪拌器13軸線所在的豎直面呈夾角設置，能夠有效的對攪拌運動的液體進行阻擋，提高了液體對擋流板15的沖擊面積，使攪拌效率更高。

如圖4～圖7所示，第一緩沖瓶31包括緩沖瓶體311、對緩沖瓶體311進行密封的緩沖瓶塞312和通過緩沖瓶塞312固定并伸入緩沖瓶體311內腔的導氣管313和二通管314；所述緩沖瓶塞312為分體式結構，包括第一半塞體3121和第二半塞體3122，所述第一半塞體3121上設有至少兩個沿緩沖瓶塞312軸線對稱的凹陷槽3123，所述第二半塞體3122上設有與凹陷槽3123凹凸配合的凸起柱3124；所述第一半塞體3121和第二半塞體3122的對應位置上設有容置導氣管313的導氣管容置槽3125和容置二通管314的二通管容置槽3126，所述導氣管容置槽3125和二通管容置槽3126的側壁上設有當第一半塞體3121和第二半塞體3122拼接后分別被導氣管313和二通管314擠壓的第一彈性層3127。

通過將緩沖瓶塞312設計成分體式結構，便于導氣管313和二通管314的安裝和拆卸，并且導氣管312和二通管314通過擠壓第一彈性層3127，使導氣管312和二通管314與緩沖瓶塞312牢固配合。

為了使第一半塞體3121和第二半塞體3122配合牢固，所凹陷槽3123的周壁上設有一圈第二彈性層3128，所述凸起柱3124的前端為半球形或錐形，能夠順利插入凹陷槽3123內。

緩沖瓶體311出氣口設有止逆組件，所述止逆組件包括與緩沖瓶體311出口同心設置且直徑比緩沖瓶體311出口端面的直徑大0.2～0.6mm的止逆板315，所述止逆板315頂部與緩沖瓶體311活動連接，所述止逆板315能夠沿連接處向上翻轉使緩沖瓶體311內氣體向外排出。止逆板315頂部與緩沖瓶體311通過伸縮彈簧316活動連接。避免污染物反吸進入緩沖瓶體311內，提高了對有效物質的收集。其中，連接緩沖瓶體311出氣口的管道在止逆組件位置設有鼓腔，不會影響止逆組件的使用。

其中第二緩沖瓶35可選用與第一緩沖瓶31完全相同的結構。

如圖8所示，所述冷卻阱25包括壺膽狀的冷卻阱殼體251，所述冷卻阱殼體251和真空接液管22通過導氣管252連接，所述導氣管252的出氣口與冷卻阱殼體251內腔底部連通；所述冷卻阱殼體251的內腔由下至上設有多塊將其內腔隔斷的冷凝板253，所述冷凝板253傾斜設置，相鄰的兩塊冷凝板253的傾斜方向相反，所述冷凝板253向下傾斜的一側設有連通該冷凝板253上下兩端的連通孔254。

冷卻阱25采用不銹鋼材質，通過在冷卻阱體251內部設計冷凝板253，整體提高了氣體在上升過程中與冷卻阱體251的接觸面積，冷凝板253上下交錯傾斜設置，增加了氣體在上升過程中與冷凝板253的接觸面積，而且連通孔左右交錯設置，使氣體在冷卻阱體251內呈曲線螺旋上升，使氣體與每塊冷凝板253的下端面完全接觸，冷凝效果更好，提高了對氣體的吸附冷凝效率，同時連通孔設于冷凝板向下傾斜的一側，便于冷凝液的收集。

其中，每塊冷凝板253上設有一個連通孔254，能夠使被捕集的氣體和冷凝液通過即可，連通孔254過大，氣體流速增大，降低了氣體與冷凝板253和冷卻阱體251的接觸時間，降低了冷凝效果，所以優選的連通孔254內徑與冷卻阱體251內徑的比值為1:8。并且為了增加氣體與連通孔254的接觸面積，連通孔254的橫截面呈多邊形。

為了便于冷凝板253的安裝和清理，冷卻阱體251為分體式結構，包括通過螺紋連接的上下兩部分，為了增加連接處的密封，可以在連接處增設密封墊，所述冷卻阱體251內壁上設有對冷凝板253下端面支撐定位的凸起定位塊255，每塊冷凝板253通過至少三個均布的定位塊255支撐固定。

冷卻阱體251的內表面設有螺旋向下的刻紋，能夠加速冷凝液珠的落下。

以上僅是本發明的較佳實施例，任何人根據本發明的內容對本發明做出稍許簡單修改、變形及等同替換均落入本發明的保護范圍。