本發(fā)明涉及焦磷酸哌嗪制備領域，特別涉及一種高純度的焦磷酸哌嗪制備裝置及其方法。

背景技術：

焦磷酸哌嗪是一種具有極佳阻燃效果的磷-氮型膨脹阻燃劑，廣泛用于聚丙烯、聚乙烯、熱塑性彈性體等材料中，具有阻燃效果好、耐水解性能優(yōu)異等優(yōu)點。

現(xiàn)有技術中，有專利文件公開了通過焦磷酸鈉和磷酸在溶液中制備焦磷酸哌嗪的方法，但上述方法難以完全除掉副產(chǎn)物焦磷酸哌嗪鈉鹽及氯化鈉，影響最終阻燃產(chǎn)品的性能，同時由于該反應產(chǎn)率較低，使得該方法被逐漸淘汰。取而代之的是利用高溫脫水法制備焦磷酸哌嗪的方法，原料采用二磷酸哌嗪或磷酸哌嗪、磷酸或多聚磷酸，在可以進行加熱和脫水的裝備，如擠出機、真空捏合機、高速混合機中，加熱至150-300℃，在抽真空或惰性氣體氣氛中，脫水縮合得到焦磷酸哌嗪，得到的焦磷酸哌嗪需在惰性氣體保護下冷卻降溫后出料(焦磷酸哌嗪在高溫下與空氣接觸會發(fā)生氧化反應)。但在上述的各類裝置中，存在高溫脫水環(huán)節(jié)產(chǎn)品粘壁粘軸，影響熱量傳遞導致反應時間過長、反應完降溫時間很長，不能連續(xù)生產(chǎn)，從而造成能耗增加的問題。

因此，本發(fā)明所涉及的裝置就是要解決在高溫脫水制備焦磷酸哌嗪過程中產(chǎn)品粘壁粘軸的問題，同時能有效控制反應時間實現(xiàn)連續(xù)進料生產(chǎn)，使生產(chǎn)效率得到明顯提高。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種焦磷酸哌嗪制備裝置及其方法，解決在高溫脫水制備焦磷酸哌嗪過程中產(chǎn)品粘壁粘軸的問題，同時能有效控制反應時間實現(xiàn)連續(xù)進料生產(chǎn)，使生產(chǎn)效率得到明顯提高。

本發(fā)明的焦磷酸哌嗪制備裝置，包括用于物料循環(huán)運動的輸料管和用于調控輸料管反應溫度的溫控系統(tǒng)，還包括置于輸料管內并用于對物料進行推送的推料裝置，所述推料裝置為無軸螺旋葉片。

進一步，輸料管為由內管和外管構成的雙層管結構，內管和外管間形成用于溫控流體流通的流體流通空間。

進一步，溫控系統(tǒng)包括冷流體槽、熱流體槽和流體加熱裝置，冷流體槽與輸料管的流體流通空間啟閉式連通并可形成循環(huán)回路，流體加熱裝置設置在輸料管內并用于對溫控流體加熱，熱流體槽與所述流體流通空間啟閉式連通并用于儲存已被加熱的溫控流體；

當最初反應開始時，冷流體槽內低溫溫控流體進入輸料管的流體流通空間內，并由所述流體加熱裝置將溫控流體加熱至指定溫度；當反應結束后，流體流通空間內已被加熱的高溫溫控流體進入熱流體槽儲存，之后再使冷流體槽內的低溫溫控流體在冷流體槽與流體流通空間間形成循環(huán)實現(xiàn)對輸料管快速降溫；待輸料管溫度降至指定溫度并出料后，再加入物料并通氮氣將輸料管中空氣排出，然后使熱流體槽內所儲存的高溫溫控流體進入流體流通空間以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

進一步，輸料管包括至少一個輸料管段，無軸螺旋葉片對應每一輸料管段同軸設置一個，且每一無軸螺旋葉片與對應輸料管段的管壁間存在間隙設置。

進一步，間隙大小為1mm-3mm。

進一步，輸料管段共設置四個，并首尾相接形成可供物料和惰性氣體循環(huán)的所述輸料管。

進一步，溫控系統(tǒng)對應每一輸料管段設置一組。

進一步，輸料管上還設置有用于流通惰性氣體對反應進行保護的惰性氣體入口和惰性氣體出口。

進一步，冷流體槽上還設置有用于與溫控流體間形成熱交換進行降溫的熱交換裝置。

本發(fā)明還公開了一種利用焦磷酸哌嗪制備裝置的焦磷酸哌嗪制備方法，包括以下步驟：

步驟a、以二磷酸哌嗪作為原料，無軸螺旋葉片以轉速為40-2000rpm進行推送，并在輸料管內通入惰性氣體將管內空氣排出；

步驟b、使輸料管溫度逐漸升溫至200-300℃；

步驟c、反應0.5-4小時后，對輸料管降溫至80-120℃后得到產(chǎn)品；

步驟d、重復步驟a；

步驟e、再通過步驟b中已加熱過的高溫溫控流體對輸料管快速升溫進行下一反應實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的焦磷酸哌嗪制備裝置及其方法，采用無軸螺旋葉片推動輸料管中的物料運動，螺旋片與輸料管的管壁之間的摩擦力可以將粘附在管壁上的物料刮下，從而解決高溫下原料粘壁的現(xiàn)象；且物料可在輸料管內形成循環(huán)運動，利于連續(xù)進料生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

圖1為本發(fā)明的焦磷酸哌嗪制備裝置結構示意圖；

圖2為圖1中的A-A向剖視圖；

圖3為本發(fā)明中的冷流體槽結構示意圖。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明的焦磷酸哌嗪制備裝置結構示意圖，圖2為圖1中的A-A向剖視圖，圖3為本發(fā)明中的冷流體槽結構示意圖,如圖所示：本實施例的焦磷酸哌嗪制備裝置，包括用于物料循環(huán)運動的輸料管1和用于調控輸料管反應溫度的溫控系統(tǒng)，還包括置于輸料管1內并用于對物料進行推送的推料裝置，推料裝置為無軸螺旋葉片2；其中，物料在輸料管1內可循環(huán)運動，輸料管1上設置有進料口4和出料口3，在反應完成后，將最終得到的產(chǎn)品自出料口處排出；另外，無軸螺旋葉片2是指僅由熱拉成形的螺旋葉片構成，其不含中心軸，在輸送過程中，物料流動順暢，不會造成堵塞，且無軸螺旋葉片2輸料管1的管壁之間的摩擦力可以將粘附在管壁上的物料刮下，從而解決高溫下原料粘壁的現(xiàn)象，無軸螺旋葉片2由外部動力裝置驅動轉動，外部動力裝置包括電機12和減速器。

本實施例中，輸料管1為由內管和外管構成的雙層管結構，所述內管5和外管6間形成用于調控輸料管1溫度的溫控流體流通的流體流通空間7；溫控流體在流體流通空間7內對輸料管1的整體溫度升溫或降溫,內管與外管間徑向距離D為10mm。

本實施例中，溫控系統(tǒng)包括冷流體槽8、熱流體槽13和流體加熱裝置，冷流體槽8與輸料管的流體流通空間啟閉式連通并可形成循環(huán)回路，流體加熱裝置設置在輸料管內并用于對溫控流體加熱，熱流體槽13與所述流體流通空間啟閉式連通并用于儲存已被加熱的溫控流體；

當最初反應開始時，冷流體槽8內低溫溫控流體進入輸料管的流體流通空間內，并由所述流體加熱裝置將溫控流體加熱至指定溫度；當反應結束后，流體流通空間內已被加熱的高溫溫控流體進入熱流體槽13儲存，之后再使冷流體槽8內的低溫溫控流體在冷流體槽8與流體流通空間間形成循環(huán)實現(xiàn)對輸料管快速降溫；待輸料管溫度降至指定溫度并出料后，再加入物料并通氮氣將輸料管中空氣排出，然后使熱流體槽13內所儲存的高溫溫控流體進入流體流通空間以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；

其中，溫控流體可為水介質或油介質，冷流體槽8內最初儲放有低溫溫控流體，且冷流體槽8通過管道與輸料管連通，即設置有流體進管和流體出管，并在流體進管14和流體出管15上設置有控制閥門，以控制冷流體槽8與輸料管的啟閉連通；最初反應開始時，溫控流體通過泵自冷流體槽8內推送至輸料管的流體流通空間內，然后通過流體加熱裝置對其進行加熱，以使輸料管的反應溫度升高，流體加熱裝置可為電加熱裝置或其它現(xiàn)有加熱裝置；當反應一段時間結束后，通過針對熱流體槽13設置的加壓泵將已處于高溫的溫控流體泵入熱流體槽13內進行儲存，然后將冷流體槽8的低溫溫控流體再流入流體流通空間內以對輸料管溫度降溫，且冷流體槽8與流體流通空間形成可循環(huán)管路，以實現(xiàn)快速降溫，待降溫至指定溫度時，一個反應完成，將所得產(chǎn)品排出，然后進行下一個反應，在下一個反應的進料完成后，直接通過熱流體槽13將其儲存的高溫溫控流體導入輸料管的流體流通空間內使其快速升溫至所需反應溫度，從而實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)。

本實施例中，輸料管1包括至少一個輸料管段，所述無軸螺旋葉片2對應每一輸料管段同軸設置一個，且每一無軸螺旋葉片2與對應輸料管段的管壁間存在間隙設置；即無軸螺旋葉片2對應輸料管1段的數(shù)目設置，通過間隙的存在可方便將粘附在管壁上的物料刮下。

本實施例中，間隙d大小為1mm-3mm；在此間隙范圍內，有利于縮小葉片與輸料管1管壁之間的間隙，方便利用葉片與輸料管1之間的摩擦力將粘附在管壁上的物料刮下，又不會對物料的推送造成影響，并可以使熱量有效傳遞，減少能耗。

本實施例中，輸料管段共設置四個，并首尾相接形成可供物料和惰性氣體循環(huán)的所述輸料管1；如圖所示，輸料管段共設置四個，且一體成型，四個輸料管段的內管均首尾連通，分別為輸料管段1a、輸料管段1b、輸料管段1c和輸料管段1d，且形成正四邊形結構布置，物料和惰性氣體均可在輸料管1內形成循環(huán)。

本實施例中，溫控流體換熱裝置對應每一輸料管1段設置一組。

本實施例中，輸料管1上還設置有用于流通惰性氣體對反應進行保護的惰性氣體入口10和惰性氣體出口11；其中，惰性氣體選自氮氣、氬氣或氦氣中任意一種，優(yōu)選氮氣。

本實施例中，冷流體槽8上還設置有用于與溫控流體間形成熱交換進行降溫的熱交換裝置；熱交換裝置為冷流體槽內設置冷卻水通道16，冷卻水通道內通冷卻水與溫控流體形成熱交換。

本發(fā)明還公開了一種利用焦磷酸哌嗪制備裝置的焦磷酸哌嗪制備方法，包括以下步驟：

步驟a、以二磷酸哌嗪作為原料，無軸螺旋葉片2以轉速為40-2000rpm進行推送，并在輸料管1內通入惰性氣體將管內空氣排出；其中，無軸螺旋葉片2 以轉速優(yōu)選的為100-200rpm；

步驟b、使輸料管1溫度逐漸升溫至200-300℃；即制備過程中原料的高溫脫水的反應溫度范圍為200-300℃，℃，優(yōu)選為250-280℃；

步驟c、反應0.5-4小時后，對輸料管1降溫至80-120℃后得到產(chǎn)品；優(yōu)選的反應時間為1-2小時；

步驟d、重復步驟a；

步驟e、再通過步驟b中已加熱過的高溫溫控流體對輸料管快速升溫進行下一反應實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

其中，使輸料管溫度的升溫或降溫通過溫控系統(tǒng)實現(xiàn)，即步驟b為：當最初反應開始時，冷流體槽8內低溫溫控流體進入輸料管的流體流通空間內，并由所述流體加熱裝置將溫控流體加熱至指定溫度200-300℃；

步驟c為：當反應0.5-4小時后，流體流通空間內已被加熱的高溫溫控流體進入熱流體槽13儲存，之后再使冷流體槽8內的低溫溫控流體在冷流體槽8與流體流通空間間形成循環(huán)實現(xiàn)對輸料管快速降溫至80-120℃得到產(chǎn)品；

步驟d為：待輸料管溫度降至指定溫度并出料后，再加入物料并通氮氣將輸料管中空氣排出；

步驟e為：使熱流體槽13內所儲存的高溫溫控流體進入流體流通空間以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

該制備方法以具體實施例進行說明如下：

制備方法實施例一

將25kg二磷酸哌嗪加入輸料管1中，無軸螺旋葉片2轉速40rpm，通入氮氣將管內空氣排出，逐漸升溫至200℃，反應4小時，通過加壓泵9將熱油與外部油槽冷油快速交換，1小時后體系降溫至80℃，得到產(chǎn)品23.6kg，熱分解溫度332℃，純度97％。

制備方法實施例二

將100kg二磷酸哌嗪加入輸料管1中，無軸螺旋葉片2轉速80rpm，通入氮氣將管內空氣排出，逐漸升溫至250℃，反應2小時，通過加壓泵9將熱油與外部油槽冷油快速交換，1小時后體系降溫至100℃，得到產(chǎn)品97.0kg，熱分解溫度341℃，純度98％。

制備方法實施例三

將200kg二磷酸哌嗪加入輸料管1中，無軸螺旋葉片2轉速120rpm，通入氮氣將管內空氣排出，逐漸升溫至280℃，反應1小時，通過加壓泵9將熱油與外部油槽冷油快速交換，1小時后體系降溫至110℃，得到產(chǎn)品195.0kg，熱分解溫度335℃，純度100％。

制備方法實施例四

將300kg二磷酸哌嗪加入輸料管1中，無軸螺旋葉片2轉速200rpm，通入氮氣將管內空氣排出，逐漸升溫至300℃，反應0.5小時，通過加壓泵9將熱油與外部油槽冷油快速交換，1小時后體系降溫至120℃，得到產(chǎn)品294.0kg，熱分解溫度342℃，純度100％。

其中，上述制備方法的實施例中，焦磷酸哌嗪的純度、熱分解行為的測定分別根據(jù)以下方法進行：純度的測定方法，使用島津LC-20AT的液相色譜儀、昭和電工株式會社的OH pak柱，在溫度40℃、流速1.0ml/min進行測定；熱分解溫度的測定方法，使用德國Netzsch公司制造的209F1型熱重分析儀，在氮氣氛中，氣流速度60ml/min，升溫速率為10℃/min，將失重5％的溫度作為熱分解溫度。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。