專利名稱：供脫降聚合物中揮發(fā)分的改進型平板熱交換器設(shè)計的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有平板熱交換器的聚合物揮發(fā)分脫除設(shè)備以及在較高的物料流速下脫除聚合物溶液中揮發(fā)分的有關(guān)方法。
在許多聚合物的工業(yè)化制造過程中，從聚合物溶液中除去揮發(fā)性成分(稱為“脫除揮發(fā)分”)是一必需的步驟。具體說，對于由單體溶液聚合而得的聚合物必須從最終產(chǎn)品中除去溶劑和未反應(yīng)的單體。例如，由本體聚合或溶液聚合的聚苯乙烯、苯乙烯/丙烯腈共聚物(SAN)或橡膠改性的苯乙烯/丙烯腈共聚物(ABS、AES等)的聚合產(chǎn)物中必須除去殘留單體和揮發(fā)性物質(zhì)。
從聚合物中分離揮發(fā)性組分通常采用蒸發(fā)方法來完成。該方法包括在高于其沸點的溫度下加熱聚合物溶液并除去產(chǎn)生的蒸氣。脫除揮發(fā)性組分的方法之一是涉及將聚合物溶液通過一熱交換器，然后進入減壓區(qū)。適用這一目的的熱交換器稱為平板型加熱器或平板型熱交換器，它包括按層排列的多個加熱平板，平板間留有連接供給聚合物溶液的加熱器內(nèi)圈與供被加熱溶液通過并脫除揮發(fā)分的加熱器外周的通道。將加熱器放置在密閉的、部分抽空的外殼內(nèi)，可提高其操作性能。先有的平板型加熱器設(shè)計已經(jīng)在USP.3014702，4153501，4421162，4423767，4564063，4808262及5084134中公開。
比較有效的平板型加熱器采用加長的通道并在較低溫度下運行，低溫操作能改善聚合物溶液通過加熱通道時的分布。但是，通道長度超過152毫米或6英寸會導(dǎo)致流動不穩(wěn)定，特別是聚苯乙烯、SAN、ABS或AES聚合物溶液的揮發(fā)分脫除。已經(jīng)表明，流動不穩(wěn)定性是聚合物溶液通過加熱通道時流速的函數(shù)，并可通過在通道入口處壓力波動來檢測。壓力波動的大小隨流速增加而增大。這種流速的不穩(wěn)定性已由Maffetone等人在“Slit Devolatilization of Poly-mers”(AICHE Journal，37，724-34May1991)中作了論述。
如果有一種具有改進加熱通道設(shè)計的供聚合物脫揮發(fā)分的包括平板型熱交換器的改進的裝置，這種設(shè)備能允許較高的產(chǎn)物流速而不產(chǎn)生會引起流速不穩(wěn)定的壓力波動的話是很理想的。
根據(jù)本發(fā)明提供的改進的脫除聚合物中揮發(fā)分的設(shè)備包括具有聚合物溶液供給裝置的平板型熱交換器和液體/蒸氣收集、分離裝置，所述平板型熱交換器還包括限定多條通道的多塊平板，每條通道具有基本相同的高度，但是其寬度在整個長度范圍內(nèi)是不同的，每一通道包括三個區(qū)域第一區(qū)域是與聚合物溶液供給裝置連通的操作區(qū)，其特征為區(qū)域?qū)挾葟钠涫级穗S距離增加而減小，第二區(qū)域以第一區(qū)域末端為始端，其特征為至少有一個特定的橫截面，第三區(qū)域以第二區(qū)域末端為始端，其末端為能在減壓下運行的液體/蒸氣收集分離區(qū)，所述第三區(qū)域的特征為該區(qū)域?qū)挾葟氖级似痣S距離增加而增大，第三區(qū)域的最大寬度與第二區(qū)域的最大寬度之比為2∶1至20∶1。
本申請范圍也包括供聚合物溶液脫揮發(fā)分的方法。該方法包括將聚合物溶液供入上述的在聚合物脫揮發(fā)分條件下運行的具有平板型加熱器的聚合物脫揮發(fā)分裝置中，以使聚合物溶液中揮發(fā)性組分能從被脫除的聚合物中分離。
為了更好地理解本發(fā)明，可參看附圖

圖1描述本發(fā)明平板型加熱器的一個實施方案的一種單個加熱通道，圖2是設(shè)置有圖1通道的圓柱型平板加熱器的軸向視圖，圖3是設(shè)置有圖2平板結(jié)構(gòu)的本發(fā)明平板型加熱器的側(cè)視圖，圖4是設(shè)置有圖2平板結(jié)構(gòu)的本發(fā)明平板型加熱器的斜剖視圖，圖5描述了本發(fā)明平板型加熱器的另一個實施方案的單個加熱通道，圖6是設(shè)置有圖5通道并有與圖2不同的平板構(gòu)型的圓柱形平板型加熱器的軸向示圖，圖7是設(shè)置有圖5通道和圖6平板構(gòu)型的本發(fā)明平板型加熱器的側(cè)視圖，圖8是設(shè)置有圖5通道和圖6平板構(gòu)型的本發(fā)明平板型加熱器的斜剖視圖。
根據(jù)本發(fā)明適宜以聚合物溶液脫除揮發(fā)分的聚合物包括以溶液法制得的任何聚合產(chǎn)物或任何其它的含夾帶的揮發(fā)性組分的聚合物。實例包括烯烴聚合物，乙烯基芳族聚合物、縮聚聚合物等。優(yōu)選是乙烯基芳族聚合物。對本發(fā)明來說，乙烯基芳族聚合物可理解為包括一種或多種乙烯基芳族單體的所有均聚物與共聚物(包括接枝共聚物)及它們與加成聚合物的混合物。這類聚合物的實例包括聚苯乙烯、橡膠改性的或耐沖擊聚苯乙烯、苯乙烯/丙烯腈共聚物(包括橡膠改性型的如ABS或AES共聚物)以及前者與其它聚合物如聚碳酸酯或聚苯醚聚合物的混合物。優(yōu)選的乙烯基芳族聚合物是聚苯乙烯、耐沖擊改性的聚苯乙烯(HIPS)和ABS。上述聚合物溶液中可存在大量或少量的揮發(fā)性組分。典型的溶劑包括芳族或脂族惰性稀釋劑以及未反應(yīng)的單體。要脫除的揮發(fā)性溶劑量的范圍可從大量過量至僅僅是污染量。通常要脫除的揮發(fā)性組分量在2∶1至0.001∶1之間(以聚合物重量計)。
本發(fā)明的脫除揮發(fā)分裝置包括能容許較高的聚合物溶液流速而不產(chǎn)生壓力波動，因而是能增加產(chǎn)量并提高效率的改進型熱交換器?？捎萌魏芜m用的材料制造平板，但優(yōu)選是鋼、不銹鋼或鋁材。
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的平板型加熱器中的加熱通道(10)的形狀。加熱通道包括三個區(qū)域。第一區(qū)域一般是呈收縮狀的區(qū)域(12)，其進口寬度大于出口寬度；第二區(qū)域為限制性區(qū)域(14)，其中通道要達到最小寬度以滿足在該限制區(qū)的橫向上產(chǎn)生壓力下降，從而阻止在第一區(qū)揮發(fā)性組分的大量閃蒸；第三區(qū)域一般設(shè)計成發(fā)散狀的區(qū)域(16)以使聚合物溶液因壓力降低而產(chǎn)生閃蒸。整個加熱通道的全長通常為15.0至50.0厘米，更優(yōu)選為16至30厘米。
第一區(qū)域有一開口(18)，聚合物溶液從此開口進入加熱通道，第一區(qū)域的長度為加熱通道全長的5-20％，開口(18)的寬度為1.0至5.0厘米。第一區(qū)域最寬處的寬度與最窄處寬度之比在1.5∶1至10∶1之間。第一區(qū)域優(yōu)選具有足夠的與聚合物溶液相接觸的表面積，以使聚合物溶液的溫度升至最終的脫除溫度。但是，因為聚合物溶液在第一區(qū)域壓力沒有降低(由于降壓區(qū)與聚合物供給裝置之間有一限制區(qū))，所以基本上消除了平板加熱器中第一區(qū)域的閃蒸現(xiàn)象。基于這一事實，因此溶液流動是可被控制的且是有序的。由于基本消除了快速閃蒸，通道中交替地進行著充滿與排空，因此可達到均勻地脫除聚合物中的揮發(fā)分并消除壓力波動及脫揮發(fā)分裝置的顫動。
第二區(qū)域(14)始于第一區(qū)域的末端，其長度是通道全長的1.0至40％并與第三區(qū)域入口相接。第二區(qū)域的寬度可在其長度范圍內(nèi)保持一定，可先降至最小然后保持一定或降至最小然后再增加。第二區(qū)域最窄處優(yōu)選為0.25至2.0厘米之間，更優(yōu)選為0.5至1.0厘米之間。該區(qū)域最寬處寬度與最窄處寬度之比為1.0∶1至1.5∶1。第一區(qū)域最寬寬度與第二區(qū)域最窄寬度之比大于2∶1，優(yōu)選大于3∶1。
第三區(qū)域(16)始于第二區(qū)域的末端，其末端為用于排放聚合物溶液的出口(20)(在此出口處聚合物溶液基本上脫除揮發(fā)分并包括含夾帶脫除的溶劑或單體鼓泡的熔融聚合物)。第三區(qū)域的長度是通道全長的40至85％。第三區(qū)域末端寬度與其入口處寬度之比優(yōu)選為1.75∶1至10∶1。該區(qū)域從入口至末端的寬度增加不必保持恒定，也可呈正弦曲線形狀或其它曲線形狀增加。第三區(qū)域的最大寬度與限制區(qū)域最小寬度的比率大于2∶1也是優(yōu)選的。
圖2是沿圓柱形平板型加熱器(1)的軸向視圖。平板型加熱器包括多層圓盤形平板(22)與適當(dāng)形狀的墊塊(26)交替地堆疊，墊塊的排列方式是能使每一通道達到規(guī)定的外形尺寸并構(gòu)成規(guī)定的供接受來自聚合物供給裝置的待脫揮發(fā)分的聚合物溶液的中心料腔(24)。平板圍繞中心料腔排列使加熱通道沿徑向向平板加熱器的外周邊延伸。平板型加熱器中的通道條數(shù)可在少至8條到數(shù)千條之間。每一墊塊中有孔(28)供加熱介質(zhì)通過，必要時采用導(dǎo)管或管子(29)(沒有畫出)來防止平板(22)移動。
圖3是圖2平板加熱器的側(cè)視圖，圖中畫出了導(dǎo)管(29)和交替分層配置的圓盤(22)及墊塊(26)的排布，由此形成本發(fā)明實施方案中的通道(10)。
圖4是包括上述平板型加熱器(2)的聚合物脫揮發(fā)分裝置的斜剖視圖。加熱器裝置在外殼(3)內(nèi)。外殼與平板加熱器之間是低壓區(qū)(4)，在運行時低壓區(qū)(4)與連接在蒸氣出口(5)的除去揮發(fā)組分的設(shè)備，如冷凝器(未畫出)相連通，也與連接在聚合物出口(6)的聚合物卸料設(shè)備，如泵(未畫出)相連通。
圖5繪出了另一種具有曲線型加熱通道(10)的設(shè)計，三個區(qū)域(12)、(14)和(16)之間是漸變的。也繪出了進口(18)和出口(20)。
圖6是另一個平板加熱器實施方案的頂視圖，其中通道是由對稱成形的平板(23)交替疊層形成的，由同一層中相鄰平板之間的間隔構(gòu)成具有圖5所示曲線形狀的通道(10)。平板是用導(dǎo)管(29)(未畫出)穿過平板上多孔(28)而固定在一定的位置上的。所有平板形狀和大小大體上相同是優(yōu)選的。
圖7是圖6平板型加熱器的側(cè)視圖，圖中畫出了導(dǎo)管(29)的排列和限定通道(10)的對稱形平板(23)的交替疊層。
圖8是根據(jù)圖6或圖7平板型加熱器的對稱形平板(23)交替疊層的斜剖視圖，圖中畫出了孔(28)和通道(10)。
運行時，將適當(dāng)溫度的熱交換流體經(jīng)導(dǎo)管(29)泵入孔(28)內(nèi)，加熱堆疊的平板(23)。來自聚合物溶液供給裝置(未畫出)的聚合物溶液充滿中心料腔(20)，進入加熱通道(10)的入口(18)并向外流向出口進入低壓區(qū)域(4)。產(chǎn)生的揮發(fā)組分通過氣泡從溶液中釋放出來，優(yōu)選在加熱通道的第三區(qū)域內(nèi)發(fā)生氣泡。脫去揮發(fā)分的聚合物，(優(yōu)選以熔融態(tài))經(jīng)集中(如借助重力流動)和經(jīng)聚合物卸料裝置(未畫出)排放。完成聚合物脫揮發(fā)分可能需要采用一個以上熱交換器以兩步或多步連續(xù)操作來降低聚合物中揮發(fā)性物質(zhì)的含量。
在說明性實施例中提出的每條通道(10)具有矩形橫截面，可以理解為其各邊緣可能是磨圓的。例如，為了避免通道內(nèi)有尖角，與通道的頂和底相結(jié)合的邊緣是經(jīng)倒圓的。優(yōu)選的通道在全長范圍內(nèi)的高度是恒定的，從0.1厘米至1.0厘米，更優(yōu)選0.2至0.5厘米。
實施例下列實施例是為本發(fā)明提供更詳細的說明，但不是限制本發(fā)明。
在下面試驗中將含85％聚苯乙烯(Mw＝250000)、8％苯乙烯和7％乙基苯的聚合物溶液在130℃以不同的泵送速率泵送通過具有不同設(shè)計的脫除揮發(fā)分裝置。各加熱器的高度相同、通道數(shù)相同但通道的幾何形狀不同。脫揮發(fā)分裝置在減壓至5乇的低壓區(qū)內(nèi)運行。為了測定在脫除聚合物揮發(fā)分過程中聚合物供給裝置內(nèi)的任何壓力波動，用傳感器監(jiān)控加熱通道入口處的壓力。根據(jù)在不同流速時聚合物溶液流動的穩(wěn)定性來評估各種通道的幾何形狀。在所有試驗中，揮發(fā)性組分都降低至低于1％(重量)。
試驗1對具有長度為15.25厘米、高為0.254厘米、固定寬度為2.54厘米的矩形截面通道的平板加熱器在聚合物溶液流速范圍內(nèi)進行評估。實驗的結(jié)果匯于表1中。
表1流速平均壓力振動大小(千克/小時/通道)(千帕) (千帕)0.464 213 00.636 270 00.755 274 0由表1可見，具有這種長度的通道，在試驗的流速范圍內(nèi)沒有觀察到明顯的流動不穩(wěn)定性問題。
試驗2除加熱通道的長度增加到17.78厘米，寬度固定為2.54厘米外，其余試驗條件同試驗1。實驗結(jié)果匯于表2。
表2流速平均壓力 振動大小(千克/小時/通道)(千帕) (千帕)0.142 13000.281 186 410.380 199 69由表2可見，隨著通道長度增加，即使在降低聚合物溶液泵送速率的條件下，開始發(fā)生壓力波動現(xiàn)象。
試驗3除加熱通道的長度增加至22.86厘米，寬度固定在2.54厘米外，其余試驗條件同試驗1和2。實驗結(jié)果匯于表3。
表3流速平均壓力振動大小(千克/小時/通道)(千帕) (千帕)0.140 103 00.367 254 1370.448 268 82用這種長度的加熱通道，在較高的試驗流速條件下發(fā)生了顯著的壓力波動。
試驗4說明本發(fā)明的試驗是按下述方法進行的。除加熱通道經(jīng)改進設(shè)計為包括三個區(qū)域外，其余實驗條件同試驗1-3，第一區(qū)域的寬度呈下降趨向，長度為2.54厘米，最大寬度在開口處為2.54厘米，末端寬度為0.953厘米；連接在第一區(qū)域末端的第二限制區(qū)域的長度為5.08厘米，寬度固定為0.953厘米；連接在第二區(qū)域末端的第三區(qū)域的長度為11.43cm，從其起始寬度0.953厘米漸進地增加至末端的最大寬度為2.54厘米。通道的高度為0.254厘米，通道的全長為19.05厘米。實驗結(jié)果匯于表4。
表4流速平均壓力 振動大小(千克/小時/通道) (千帕)(千帕)0.556 405 00.658 426 00.817 481 0這種通道設(shè)計顯示出高的穩(wěn)定性，特別是在高的聚合物溶液流速下提高了穩(wěn)定性。
由前面的詳細說明顯而易見，本發(fā)明可容許有各種不同的實施方案并可包括不同于前面已詳述的那些模式的修正型式。為此，應(yīng)當(dāng)理解為前面所述的只是一種說明，不能認為或解釋為是對本發(fā)明的約束或限制，除了在下述權(quán)利要求中陳述的和規(guī)定之外。
權(quán)利要求
1.一種改進的脫除聚合物中揮發(fā)分的設(shè)備，包括具有聚合物溶液供給裝置的平板型加熱器及液體/蒸氣收集與分離裝置，所述平板型加熱器還包括限定多條通道的多塊平板，每條通道的高度大體上統(tǒng)一，但其在整個通道長度范圍內(nèi)寬度是不同的，每條通道包括三個區(qū)域第一區(qū)域，有一始端和末端，在運行時始端與聚合物溶液供給裝置相連，第一區(qū)域的特征為其寬度從始端起隨距離增加而減小，第二區(qū)域，有一始于第一區(qū)域末端的始端和末端，其特征為至少存在一個限制性的橫截面，第三區(qū)域以第二區(qū)域末端為始端，末端是能在減壓下操作的液體/蒸氣收集、分離區(qū)域，所述第三區(qū)域的特征為從始端起其寬度隨距離增加而增加，第三區(qū)域的最大寬度與第二區(qū)域最大寬度之比為2∶1至20∶1。
2.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中第一區(qū)域的長度是通道全長的5-20％，第二區(qū)域長度是通道全長的1-40％，第三區(qū)域長度是通道全長的40-85％。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中通道的全長為16-30厘米。
4.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中第一區(qū)域始端的寬度與末端的寬度之比為1.5∶1至10∶1，第二區(qū)域的寬度保持不變，第三區(qū)域末端寬度與始端寬度之比為1.75∶1至10∶1。
5.一種供脫除聚合物溶液揮發(fā)分的改進的聚合物脫揮發(fā)分方法，包括將含夾帶有揮發(fā)組分的聚合物溶液供入根據(jù)權(quán)利要求1的平板型加熱器的脫聚合物揮發(fā)分的設(shè)備中，在聚合物脫除揮發(fā)分的條件下從聚合物溶液中分離出揮發(fā)性組分。
6.權(quán)利要求5的方法，其中第一區(qū)的長度為通道全長的5-20％，第二區(qū)域長度為通道全長的1-40％，第三區(qū)域長度為通道全長的40-85％。
7.權(quán)利要求5的方法，其中通道總長度為16-30cm。
8.權(quán)利要求5的方法，其中第一區(qū)域的始端寬度對末端寬度之比為1.5∶1至10∶1；第二區(qū)域的寬度保持不變；第三區(qū)域末端的寬度與始端的寬度之比為1.75∶1至10∶1。
9.權(quán)利要求5的方法，其中聚合物是乙烯基芳族聚合物。
全文摘要
一種改進的脫除聚合物揮發(fā)分的設(shè)備包括具有聚合物溶液供給裝置(20)的平板型加熱器(22)，及液體/蒸氣收集與分離裝置，所述平板型加熱器還包括限定多條通道(10)的多塊平板，每條通道的高度大體相同，但在整個通道長度范圍內(nèi)寬度是不同的，每條通道包括三個區(qū)域第一區(qū)域(12)有一始端(18)和末端，所述始端與聚合物溶液供給裝置相連通，其特征為其寬度從始端起隨距離增加而減少，第二區(qū)域(14)有一始于第一區(qū)域末端的始端和末端，其特征為至少存在一個限制性的橫截面，第三區(qū)域(16)以第二區(qū)域末端為始端，末端是能在減壓下操作的液體/蒸氣收集、分離區(qū)域，所述第三區(qū)域的特征為從始端起其寬度隨距離增加而增加，第三區(qū)域的最大寬度與第二區(qū)域最大寬度之比為2∶1至20∶1。
文檔編號C08F6/10GK1143330SQ95192008
公開日1997年2月19日 申請日期1995年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月10日
發(fā)明者C·J·卡明斯, B·J·邁斯特 申請人:陶氏化學(xué)公司