[0001] 本发明涉及对位芳纶生产技术领域，尤其涉及一种对位芳纶聚合装置及聚合方法。

[0002] 聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）由对苯二甲酰氯(TPC)与对苯二胺 (PPD)在N‑甲基吡咯烷酮(NMP)和助溶剂氯化钙复合溶剂中发生缩聚反应生成。对苯二甲酰氯(TPC)与对苯二胺(PPD)的缩聚反应需要在低温下进行，因两种单体的反应速度极快，放热量大，过高的温度会导致反应体系粘度急速增大，提前发生凝胶化，使反应单体在反应体系中的扩散受到限制，无法充分混合均匀，同时反应产生的副产物HCl气体无法及时排出，不利于聚合反应的正向进行，最终导致生成的高分子链的分子量低、分子量分布不均匀，影响后续纺丝工艺形成的纤维质量，因此对反应体系的温度控制尤其重要。

[0003] 申请号为201810647812.3的发明专利，公开了一种聚对苯二甲酰对苯二胺高浓度连续稳定聚合方法及其系统，将TPC熔体和PPD反应液通过单体混合器混合后进入聚合系统，聚合系统由一阶双螺杆挤出机和二阶双螺杆挤出机拼接组成，一阶双螺杆挤出机和二阶双螺杆挤出机以L形连接，一阶螺杆主要完成单体混合和预聚，二阶螺杆进行固相缩聚和破碎，最终获得对位芳纶树脂粉末。上述技术方案存在以下问题：1.TPC熔体和PPD反应液通过单体混合器进行混合，由于PPD预先与溶剂复配成反
应液后进料，而TPC以熔融状态直接进料，因此两者体积比相差悬殊，在单体混合器内短暂混合，混合均匀性差；
2.混合后的反应物料进入一阶双螺杆挤出机内进行混合和预聚，通过在机筒上通
入制冷液对反应物料进行冷却降温，由于双螺杆挤出结构自身生热大，加上预聚阶段反应的生热量大，而上述传统的冷却降温效果差，不能有效控制预聚反应温度，导致预聚反应速度加快，聚合体系粘度上升过快，TPC与PPD在短时间内难以混合到微观均匀，无法得到高分子量的PPTA；
3.一阶双螺杆挤出机和二阶双螺杆挤出机上均未配备相应的排气结构，PPTA聚合
中生成的小分子HCl无法及时排出，会腐蚀设备，影响设备使用寿命。

[0004] 综上所述，提供一种能够使反应物料充分混合均匀，有效控制反应温度和反应速度，及时排出含有HCl的废气，获得高质量对位芳纶树脂的聚合装置和聚合方法非常有必要。

[0018] 下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明
书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

[0019] 同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。实施例1

[0020] 结合附图1‑7，本实施例提供了一种对位芳纶聚合装置，包括对接的预聚反应器1和聚合反应器2，所述预聚反应器1包括水平设置的机筒11，所述机筒11内壁贴合设有瓦衬层12，内部设有锥形螺杆13，外部设有螺杆驱动电机14和销钉组件15，所述销钉组件15包括沿所述机筒11轴向排列的若干销钉151，所述销钉151密封穿过所述机筒11和瓦衬层12后抵接所述锥形螺杆13的主轴131，所述锥形螺杆13的螺纹132上设有供所述销钉151穿过的缺口133，所述瓦衬层12、主轴131和销钉151均为中空结构且均连通氮气冷却循环系统，所述瓦衬层12与主轴131内的氮气流动方向相反。上述技术方案中，销钉组件15和锥形螺杆13构成单螺杆往复式挤出结构，销钉151从机筒11圆周方向径向插入锥形螺杆13的螺纹槽中，在锥形螺杆13旋转时，将物料向出料方向输送，锥形螺杆13分别与瓦衬层12和销钉15相互配合对物料进行双重剪切和搅拌，螺纹132上的缺口133能够使物流产生小幅度的轴向回流，进一步提高物料的混合分散效果，由于锥形螺杆13对物料的推进作用大于回流作用，因此物料总体上仍旧向出料方向输送，相对于传统的单螺杆或双螺杆挤出机，单螺杆往复式挤出机的剪切混合效果更好，生热更低；瓦衬层12由耐磨材料制成，外环壁是与所述机筒11内壁贴合的圆形，内环壁是与锥形螺杆13的螺纹132贴合的锥形，在瓦衬层12、主轴131和销钉151内均通入低温氮气，对物料进行三重强降温，控温效果好，大幅度延缓了聚合速度，使物料有更加充分的混合时间，瓦衬层12和主轴131内的氨气流动方向相反，能够进一步提高冷却效果。

[0021] 图1中显示了本实施例中低温氮气的流动状态，参考图1和图3，机筒11靠近物料出口处设有与瓦衬层12连通的第一低温氮气进气管115以及与主轴131连通的第二低温氮气出气管119，靠近物料入口处设有与瓦衬层12连通的第一低温氮气出气管116，机筒11的物料入口端设有与主轴131密封可旋转套接的定环117，定环117的内环面上设有环形凹槽，主轴131上设有与环形凹槽连通的径向孔，定环117上设有第二低温氮气进气管118。氮气冷却循环系统中的低温氮气从第一低温氮气进气管115进入瓦衬层12的内腔中，沿物料流动方向的反向流动，最终从第一低温氮气出气管116回流至氮气冷却循环系统，同时，氮气冷却循环系统中的低温氮气从第二低温氮气进气管118进入主轴131的内腔中，沿物料流动方向流动，最终从第二低温氮气进气管118回流至氮气冷却循环系统。同理，本发明中瓦衬层12和主轴131内的低温氮气流动方向也可与前述方向相反，只要能够形成对流状态即可。

[0022] 在一个具体技术方案中，所述瓦衬层12的内腔是向物料入口方向渐缩的锥形腔，所述主轴131的内腔是向物料出口方向渐缩的锥形腔，两个反向的锥形腔，容积更大，能够进一步提高冷却效果，所述机筒11为圆柱形，沿物料流动的方向依次设有预聚进料仓111、预聚出气口112和预聚出料口113，所述预聚进料仓111侧壁相对设有TPC进料口1111和PDD进料口1112，顶部设有料仓出气口1113，所述预聚出料口113与聚合反应器2的进料口22连通，所述机筒11靠近预聚进料仓111的一端开口，开口处设有密封端盖114，所述瓦衬层12上设有与所述预聚进料仓111、预聚出气口112和预聚出料口113相应的通孔。上述技术方案中，TPC和PDD采用雾化对喷方式从TPC进料口1111和PDD进料口1112进入预聚进料仓111内，预聚出气口112和料仓出气口1113能够及时排出含HCl的废气；密封端盖114便于瓦衬层12和锥形螺杆13的安装和检修。

[0023] 在一个具体技术方案中，所述聚合反应器2包括竖直设置的壳体21，所述壳体21顶部设有进料口22、聚合出气口23和搅拌驱动电机24，内部设有与所述搅拌驱动电机24相连的搅拌破碎机构25，外壁贴合设有控温件26，底部设有锥形的储料仓27，所述储料仓27底部设有旋转出料阀28。上述技术方案中，搅拌破碎机构25可以为单螺杆、双螺杆或者其他任意适宜的搅拌破碎结构，能够对物料进行搅拌破碎，使聚合产物形成粉末状即可；控温件26包括但不限于传统的控温盘管或者直接向壳体21内吹送氮气的控温结构。

[0024] 在一个具体技术方案中，所述螺纹132沿物料流动方向分为螺纹牙宽度和螺距均递增的第一螺纹段1321、第二螺纹段1322和第三螺纹段1323，所述第一螺纹段1321和第三螺纹段1323与所述销钉151相配合，并设有相应的缺口133，所述缺口133交错设置，轴向不直接连通，所述第二螺纹段1322位于所述预聚出气口112正下方，轴向两端镜像设有除泡机构16。上述技术方案中，第一螺纹段1321、第二螺纹段1322和第三螺纹段1323的轴向长度比优选为1：（1/3～1/6）：（1～2）。缺口133轴向不直接连通，能够避免形成贯通的轴向直线流道，从而避免物料残留。第一螺纹段1321的螺纹牙宽度和螺距最小，该段的螺纹132密集，与瓦衬层12和销钉151相配合的剪切强度最大，能够在预聚初期物料粘度最小的时候将物料充分混合均匀，第二螺纹段1322位于预聚出气口112正下方，搭配除泡机构16，能够使反应过程中生成并以气泡形态混杂在反应物料中的HCl快速排出；第三螺纹段1323的螺纹牙宽度和螺距最大，该段的螺纹132疏松，能够将预聚后期粘度增大的预聚体快速输送至聚合反应器2内。

[0025] 在一个具体技术方案中，所述除泡机构16包括轴向依次排列的第一固定环161、滑动环162和第二固定环163以及使滑动环162紧贴第一固定环161的磁性件，所述第一固定环161靠近第一螺纹段1321或第三螺纹段1323处的销钉151，轴向圆周等距设有若干滑动孔
1611，所述滑动环162上设有若干与所述滑动孔1611相配合的滑动轴1621，所述滑动轴1621的自由端能够延伸出所述滑动孔1611，并能够在所述销钉151的推挤下滑动，使滑动环162紧贴第二固定环163。上述技术方案中，除泡机构16与第一螺纹段1321尾部的销钉151以及第三螺纹段1323头部的销钉151配合使用，第一固定环161、滑动环162和第二固定环163可以通过与瓦衬层12之间流出过流间隙、外环面开设过流槽或者在轴向开设过流孔等方式保证物料的正常流通，初始状态下，滑动环162在磁性件的磁力作用下与第一固定环161紧贴，此时滑动轴1621的自由端延伸出滑动孔1611，当锥形螺杆13旋转时，销钉151与滑动轴1621的自由端接触，对滑动轴1621产生轴向推力，使滑动环162克服磁性件的磁力作，靠近并紧贴第二固定环163，当销钉151随着锥形螺杆13的旋转远离滑动轴1621的自由端时，销钉151对滑动轴1621的轴向推力消失，在磁性件的磁力作用下滑动环162复位紧贴第一固定环
161，随着锥形螺杆13的不断旋转，销钉151和磁性件的磁力相配合，使滑动环162在第一固定环161和第二固定环163之间往复滑动，对流经除泡机构16的物料反复挤压，使其内部包含的气泡破碎，配合锥形螺杆13旋转产生的离心力，能够将含HCl的废气快速排出。

[0026] 在一个具体技术方案中，所述滑动轴1621的自由端为球面，所述第一固定环161上圆周等距设有若干第一流通孔1612，所述滑动环162上圆周等距设有若干第二流通孔1622，所述第二固定环163上圆周等距设有若干第三流通孔1631，所述第二流通孔1622分别与所述第一流通孔1612和第三流通孔1631交错设置，所述磁性件包括设于所述第一固定环161上的第一永磁体1613，设于所述滑动环162上的第二永磁体1623以及设于所述第二固定环163上的第三永磁体1632，所述第二永磁体1623与第一永磁体1613相吸，与第三永磁体1632相斥。上述技术方案中，滑动轴1621的自由端为球面，球面能够更好的与销钉151相配合，当然，自由端也可以采用与销钉151相配合的楔面，楔面可以增加滑动轴1621的轴向最大位移；第二流通孔1622分别与第一流通孔1612和第三流通孔1631交错设置，能够避免物料在滑动环162与第一固定环161之间以及滑动环162与第二固定环163之间产生轴向的贯通流道，影响消泡效果；滑动环162上的第二永磁体1623与第一固定环161上的第一永磁体1613相吸，与第二固定环163上的第三永磁体1632相斥，能够增强磁力效果。

[0027] 在一个具体技术方案中，所述销钉组件15还包括设于所述机筒11两侧的两个安装架152，每个所述安装架152上设有一排销钉151，两排所述销钉151交错设置，并在第一螺纹段1321和第三螺纹段1323内均匀分布，所述销钉151密封穿过所述机筒11和瓦衬层12，由上至下依次设有位于所述瓦衬层12内腔中的进气孔1514和位于内腔外的出气孔1515，所述进气孔1514面向氮气进入方向。上述技术方案中，瓦衬层12中流动的部分低温氮气可以直接从销钉151中喷入物料内部，一方面能够极大的提高对物料的降温效果，另一方面吹入物料内的氮气能够与反应生成的气态HCl快速混合形成大气泡，配合锥形螺杆13旋转产生的离心力，携带HCl气体快速从物料内部排出，降低对设备的腐蚀，进气孔1514面向氮气进入方向，能够促进氮气向销钉151内流动，此外，为了进一步提高销钉151的进气效果，如图1所示，瓦衬层12的锥形腔中的氮气流动方向优选为由锥形腔的大径端流向小径端，图1中单虚线箭头为氮气流动方向，双虚线箭头为含有氮气和HCl的废气流动方向，实线箭头为物料流动方向。

[0028] 在一个具体技术方案中，所述销钉151包括密封可旋转套设的套筒1511和中心杆1512，所述套筒1511底部封口并与所述安装架152可旋转连接，所述中心杆1512与所述安装架152固定连接，所述套筒1511侧壁设有周向长通孔1513和出气孔1515，所述中心杆1512侧壁设有与所述周向长通孔1513连通的进气孔1514，底部位于所述出气孔1515上方且轴向设有与所述进气孔1514连通的中心槽1516，所述周向长通孔1513圆周等距设有多个且相邻两个周向长通孔1513的间距小于所述进气孔1514的直径，所述套筒1511通过传动机构153与主轴131相连并随主轴131旋转。上述技术方案中，套筒1511在传动机构153的传动作用下发生旋转，瓦衬层12内的氮气从套筒1511的周向长通孔1513进入进气孔1514内，经过中心槽
1516最终从出气孔1515流入物料内部，由于套筒1511处于旋转状态，因此氮气也会以旋转状态喷入物料内，进一步提高物料混合和冷却效果。

[0029] 在一个具体技术方案中，所述传动机构153包括固定设于所述主轴131上的第一锥形齿轮1531，与所述第一锥形齿轮1531啮合的第二锥形齿轮1532，所述第二锥形齿轮1532固定连接转轴1533，所述转轴1533通过多个传动带1534与销钉151传动连接。本发明中的传动机构153可以采用其他任意适宜的结构。

[0030] 本实施例的工作原理和工作过程如下：氮气冷却循环系统分别将低温氮气通入预聚反应器1的瓦衬层12、主轴131和销钉151内，启动电机14，锥形螺杆13开始旋转，两种反应物料以雾化对喷方式在预聚进料仓111内混合，锥形螺杆13与瓦衬层12和销钉151相配合，对反应物料进行快速且高强度的剪切分散和冷却降温，锥形螺杆13的第一螺纹段1321剪切强度最大，搅拌和分散效果最好，同时搭配从销钉151内喷入物料的低温氮气，能够使处于预聚初期的物料快速的混合分散均匀，并保持低温状态流向第二螺纹段1322，第二螺纹段1322位于预聚出气口112正下方，设有除泡机构16，除泡机构16的滑动环162在第一固定环
161和第二固定环163之间往复滑动，对流经除泡机构16的物料反复挤压，使其内部包含的气泡破碎，配合锥形螺杆13旋转产生的离心力，能够将含HCl的废气快速排出后流向第三螺纹段1323，第三螺纹段1323内从销钉151喷入物料的低温氮气，能够在提高分散效率的同时快速对物料降温，避免物料在预聚反应后期因生热量过大导致反应速度加快，此外，第三螺纹段1323的输送效率高，能够快速将预聚后期粘度增大的预聚体输送至聚合反应器2内；从预聚反应器1内反应获得的预聚体进入聚合反应器2内进行聚合反应，搅拌驱动电机24驱动搅拌破碎机构25对反应物进行搅拌和破碎，控温件26对聚合反应器2进行加热，使其保持在聚合温度，反应产生的含有HCl的废气从聚合出气口23流出，聚合产物落入储料仓27内，通过旋转出料阀28进行出料，获得粉末状的对位芳纶树脂。
实施例2

[0031] 本实施例提供了一种对位芳纶聚合装纸，将实施例1中销钉组件15中的销钉151设计为固定结构，其余结构与实施例1相同，具体技术方案如下，所述销钉组件15还包括设于所述机筒11两侧的两个安装架152，每个所述安装架
152上设有一排销钉151，两排所述销钉151交错设置，并在第一螺纹段1321和第三螺纹段
1323内均匀分布，所述销钉151密封穿过所述机筒11和瓦衬层12，由上至下依次设有位于所述瓦衬层12锥形腔内的进气孔1514和位于锥形腔外的出气孔1515，所述进气孔1514面向氮气进入方向。

[0032] 位于第一螺纹段1321内的销钉151的出气孔1515面向反应物料的入口方向，位于第三螺纹段1323内的销钉151的出气孔1515面向反应物料的出口方向。

[0033] 本实施例中，位于第一螺纹段1321内的销钉151的出气孔1515面向反应物料的入口方向，能够增强反应物料的轴向逆流效果，增加反应物料在第一螺纹段1321的停留时间，提高预聚初期反应物料的混合效果；位于第二螺纹段1322内的销钉151的出气孔1515面向反应物料的出口方向，能够提高预聚后期反应物料的出料速度。实施例3

[0034] 结合附图1‑7，本实施例提供了一种对位芳纶聚合装置的聚合方法，包括以下步骤：步骤S100.混合溶剂制备：将无水氯化钙加入脱水后的N‑甲基吡咯烷酮中，搅拌混
合均匀后获得混合溶剂，混合溶剂中无水氯化钙的浓度为5～10wt%，将混合溶剂冷却至10～20℃；
步骤S200.对苯二胺反应液制备：将对苯二胺加入混合溶剂中，搅拌混合均匀后获
得对苯二胺反应液，对苯二胺反应液中对苯二胺的浓度为10～20wt%；
步骤S300.反应单体混合：将对苯二胺雾化喷头从PDD进料口1112密封伸入预聚进
料仓111内，将对苯二甲酰氯雾化喷头从TPC进料口1111密封伸入预聚进料仓111内，将对苯二胺反应液降温至‑5℃，通过计量泵送入对苯二胺雾化喷头内，同时将熔融状态的对苯二甲酰氯通过计量泵送入对苯二甲酰氯雾化喷头内，通过对苯二胺反应液和对苯二甲酰氯的雾化对喷混合获得反应物料，控制对苯二胺和对苯二甲酰氯的摩尔比为1：（1～1.03）；
步骤S400.预聚反应：通过氮气冷却循环系统向瓦衬层12和主轴131内通入流向相
反的低温氮气，反应物料先进入锥形螺杆13的第一螺纹段1321，在第一螺纹段1321内进行高速剪切分散，瓦衬层12内的部分低温氮气通过销钉151喷入反应物料内，直接对反应物料进行降温并促进混合分散，使该段物料温度维持在‑5～5℃；在第二螺纹段1322中，除泡机构16的滑动环162在第一固定环161和第二固定环163之间往复滑动，对流经除泡机构16的反应物料反复挤压，由于反应物料中包含大量氮气，氮气能够与反应生成的气态HCl快速混合形成大气泡，在除泡机构16的反复挤压下，反应物料内部的大气泡快速破碎，配合锥形螺杆13旋转产生的离心力，能够将含HCl的废气快速排出；第三螺纹段1323内从销钉151喷入物料的低温氮气，能够在提高分散效率的同时快速对物料降温，使该段物料温度维持在5～
20℃，第三螺纹段1323的输送效率高，能够快速将预聚后期粘度增大的预聚体输送至聚合反应器2内；
步骤S500.聚合反应：从预聚反应器1内反应获得的预聚体进入聚合反应器2内进
行聚合反应，搅拌驱动电机24驱动搅拌破碎机构25对反应物进行搅拌和破碎，控温件26对聚合反应器2进行控温，使聚合温度维持在75～80℃，反应产生的含有HCl的废气从聚合出气口23流出，聚合产物落入储料仓27内，通过旋转出料阀28进行出料，获得粉末状的对位芳纶树脂。

[0035] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。