專利名稱：使用微蒸發(fā)器從物質(zhì)混合物中去除揮發(fā)性化合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從活性或非活性物質(zhì)混合物中去除揮發(fā)性化合物的方法。
薄膜蒸發(fā)器在工業(yè)上被常規(guī)用于從非活性、熱敏感物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性物質(zhì)。例子包括螺旋狀管型蒸發(fā)器(helical coil-type evaporator)、降膜蒸發(fā)器和離心蒸發(fā)器。在螺旋狀管型蒸發(fā)器中，產(chǎn)品通常是過(guò)熱的，尤其是在該蒸發(fā)器的操作中在其出口保持壓力時(shí)。在降膜蒸發(fā)器或離心蒸發(fā)器中分別得到了厚達(dá)1毫米和0.1毫米的相對(duì)較大的薄膜厚度，而這一厚度導(dǎo)致了對(duì)質(zhì)量和熱傳遞的不良影響并從而需要更長(zhǎng)的滯留時(shí)間。
從M.K.Drost、Ch.Call、J.Cuta、R.Wegeng的《微溝槽燃燒器/蒸發(fā)器熱過(guò)程、微量熱物理工程學(xué)》(Microchannel combustor/evaporator thermal processes，Microscale Thermophysical Engineering，1-321-332，1997年)中可知微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器與陶瓷燃燒室相連，該微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器增強(qiáng)了從燃燒產(chǎn)物到該燃燒室表面的熱傳遞。在該篇文獻(xiàn)中，并未記述用于從多組分混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性化合物且蒸發(fā)效率在數(shù)千克/小時(shí)范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器。
本發(fā)明的目的是在操作條件為低粘度、在溫和條件下(即，盡可能在最低的溫度下，以最短的滯留時(shí)間和最窄的滯留時(shí)間分布)，從物質(zhì)的化合物中去除揮發(fā)性物質(zhì)。
本發(fā)明提供了一種借助于至少一種微蒸發(fā)器從活性或非活性物質(zhì)混合物中去除至少一種揮發(fā)性化合物的方法，該微蒸發(fā)器具有用于負(fù)載物質(zhì)混合物的溝槽，該溝槽的液力直徑為5-1000微米且最小比蒸發(fā)表面積為至少103平方米/立方米。
在某一優(yōu)選實(shí)施方式中，微蒸發(fā)器中的該溝槽所顯示的液力直徑為30-500微米。
在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，用于負(fù)載加熱介質(zhì)的溝槽也顯示5-1000微米，較佳為30-500微米的液力直徑。
用于輸送物質(zhì)混合物和加熱介質(zhì)的微蒸發(fā)器的溝槽可為任何幾何形狀。該溝槽的截面可為例如，圓形、半圓、多角形(angular)，尤其是矩形或三角形。不論該溝槽的幾何形狀是如何的，液力直徑在本發(fā)明中作為特征量使用。所給出的液力直徑為截面積(A)的4倍除以該截面的周長(zhǎng)(C)液力直徑＝4A/C由于微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的流通溝槽(flow channel)尺寸非常小，在微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器中進(jìn)行的熱傳遞和物質(zhì)傳遞(mass transfer)比起在常規(guī)的蒸發(fā)器(例如，降膜蒸發(fā)器等)中更為迅速且更為有效。本發(fā)明的微蒸發(fā)器的比蒸發(fā)表面積至少為103平方米/立方米。非微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器(例如，降膜蒸發(fā)器)的比蒸發(fā)表面積通常小于0.5-103平方米/立方米。所給出的比蒸發(fā)表面積是熱傳遞表面積與蒸發(fā)器有用體積的比值。常規(guī)而言，即，所給出的非微結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的有用容積為總體積減去內(nèi)部設(shè)備的體積。
通過(guò)本發(fā)明的方法，物質(zhì)混合物以液體形式進(jìn)入微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器。供熱使得揮發(fā)性成分蒸發(fā)，然后物質(zhì)混合物從微蒸發(fā)器的出口以二相的氣/液混合物形式排出。短滯留時(shí)間是指蒸發(fā)緩和發(fā)生，即，物質(zhì)混合物中更易揮發(fā)的物質(zhì)以盡可能小的過(guò)熱進(jìn)行沸騰。本發(fā)明中易于揮發(fā)的成分特征在于在操作條件下，它們?cè)谖⒄舭l(fā)器中或在微蒸發(fā)器的出口發(fā)生部分蒸發(fā)或完全蒸發(fā)。
蒸發(fā)過(guò)程中，在微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的溝槽中形成了由蒸汽泡組成的二相流動(dòng)，該蒸汽泡的最大尺寸受到溝槽尺寸的限制。這就產(chǎn)生了高的相界面，該相界面使得揮發(fā)性物質(zhì)迅速轉(zhuǎn)換為氣相，并從而確保了在短滯留時(shí)間中獲得高蒸發(fā)率。此外，由于周圍液相中渦旋的形成，溝槽中形成的汽泡流使到與相界面的物質(zhì)傳遞以及從溝槽壁到液相的熱傳遞增強(qiáng)。
在-100-500℃，優(yōu)選0-400℃，尤其優(yōu)選50-250℃的操作溫度下，通過(guò)本發(fā)明方法處理的物質(zhì)混合物通常的粘度最大為5帕斯卡·秒，較佳為最大100毫帕斯卡·秒。
本發(fā)明方法中的溫度優(yōu)選為-100-500℃，更優(yōu)選為0-400℃，尤為優(yōu)選為50-250℃。壓強(qiáng)優(yōu)選為0-100巴，尤為優(yōu)選0-10巴，最為優(yōu)選0-1巴。滯留時(shí)間優(yōu)選為0.001-60秒，尤為優(yōu)選為0.01-10秒。
微蒸發(fā)器，例如可用于本發(fā)明方法中的微蒸發(fā)器具有層狀結(jié)構(gòu)，例如，由薄金屬平板組成，各平板都具有大量的平行溝槽。平板彼此交叉排列，例如由此在一塊平板上的溝槽與其下和/或其上的另一塊平板上的溝槽相垂直。熱傳遞介質(zhì)和物質(zhì)混合物以交叉流動(dòng)規(guī)則(principle)導(dǎo)過(guò)微蒸發(fā)器加熱介質(zhì)和物質(zhì)混合物流過(guò)交替的(alternative)層。平板的厚度舉例為100-1000微米。溝槽的長(zhǎng)度舉例為0.5-20厘米，優(yōu)選1-10厘米，優(yōu)選的液力直徑為5-1000微米，尤為優(yōu)選30-500微米。
常規(guī)的加熱介質(zhì)(例如蒸汽、加壓水或熱傳遞油)，可用作加熱介質(zhì)。
微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器可用任何金屬材料制成，例如，鋼、不銹鋼、鈦、哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金、鉻鎳合金或其它金屬合金。
該方法可作為附加工藝步驟結(jié)合到連續(xù)過(guò)程中。該方法也可通過(guò)將環(huán)流重復(fù)循環(huán)以濃縮所需產(chǎn)物或者改變化學(xué)平衡，從而用作分批過(guò)程中的附加工藝步驟。該方法，例如，可作為蒸發(fā)階段結(jié)合到化學(xué)或制藥工業(yè)或食品工業(yè)的任何過(guò)程中。
通過(guò)將多個(gè)微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器連續(xù)排列，可在一個(gè)或數(shù)個(gè)階段中施行該方法。在多階段的過(guò)程中，該蒸發(fā)也可在不同的壓力和溫度水平下進(jìn)行。
本發(fā)明的方法用于活性或非活性物質(zhì)混合物。本發(fā)明中活性物質(zhì)混合物理解為所含成分會(huì)彼此反應(yīng)的物質(zhì)混合物。在此類物質(zhì)混合物中，易揮發(fā)成分可為，例如反應(yīng)的低分子量副產(chǎn)物、溶有反應(yīng)成分的溶劑。另一方面，本發(fā)明中非活性物質(zhì)混合物理解為所含成分不會(huì)彼此反應(yīng)的物質(zhì)混合物。在此類物質(zhì)混合物中，易揮發(fā)成分可同樣為例如，溶劑或低分子量副產(chǎn)物。
從活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性成分的過(guò)程的例子可引證包括在縮聚反應(yīng)中分離水或其它低分子量物質(zhì)，例如，在酯、酯類低聚物、聚酯或聚酰胺的生產(chǎn)中；在用碳酸二苯酯和芳族雙酚縮合制備低聚物或聚合物的反應(yīng)中分離苯酚；形成具有高蒸汽壓的可分離成分的反應(yīng)(例如，在用光氣和醇制備二烴基碳酸酯的反應(yīng)中分離HCl)；在熱解條件下產(chǎn)生有用的揮發(fā)性產(chǎn)物的熱解反應(yīng)，例如，將聚酯分離并回復(fù)到大環(huán)單內(nèi)酯或雙內(nèi)酯；在熱解條件下從有用產(chǎn)物產(chǎn)生活性氣體成分并分離活性氣體成分的熱解反應(yīng)，例如，從作為氨基甲酸乙酯熱解反應(yīng)冷凝物的異氰酸酯中分離氣態(tài)醇。
從非活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性成分的過(guò)程的例子可引證包括從聚異氰酸樹(shù)脂中分離揮發(fā)性單體(二異氰酸酯)；從含有溫度敏感物質(zhì)的物質(zhì)混合物中溫和去除溶劑(尤其是在精細(xì)化學(xué)中)；從聚合物溶液中分離溶劑和單體；從例如蒸餾殘?jiān)蟹蛛x有用的揮發(fā)性產(chǎn)物；從酒精飲料中分離乙醇。也可應(yīng)用于低溫工程中。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是由于在微蒸發(fā)器中的滯留時(shí)間短及由此造成的較低熱暴露，在本方法步驟中溫度敏感產(chǎn)物的降解相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸發(fā)器被降低了或甚至完全避免了。由此確保了較高的產(chǎn)率和較高的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，幾何形狀誘導(dǎo)的小泡形成提高了表面與體積比，由此使得非常有效的蒸發(fā)成為可能。在例如，從聚合物中去除殘留溶劑或殘留單體中這點(diǎn)是尤為重要的。
由于使用微蒸發(fā)器可使反應(yīng)平衡向所需產(chǎn)物移動(dòng)從而提高產(chǎn)率，因此從活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性成分時(shí)使用微蒸發(fā)器也是很有利的。
微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的致密設(shè)計(jì)是指用于實(shí)施該方法的空間需求和獲得成本是較低的。
本發(fā)明的方法可具體用于從聚異氰酸酯中分離單體二異氰酸酯(例如，用于聚氨酯涂覆體系(polyurethane coating system)中)。二異氰酸酯通常分類為毒性有效物，并在某些情況下顯示出相當(dāng)大的蒸氣壓。因此，出于健康和安全的原因，它們一定不能以單體形式在涂料體系中存在。它們首先必須通過(guò)適合的改性反應(yīng)轉(zhuǎn)化成較高分子量、無(wú)毒性的聚異氰酸酯。這一轉(zhuǎn)化通常在過(guò)量的二異氰酸酯存在下進(jìn)行。通過(guò)蒸餾從反應(yīng)混合物中去除未反應(yīng)的單體二異氰酸酯殘余物。
此處重要的一點(diǎn)在于蒸餾后在聚異氰酸酯中含有最低的可能的單體(即，具毒性的二異氰酸酯)殘余量。通過(guò)本發(fā)明的方法，單體二異氰酸酯分離獲得了低至低于0.5％的理想的殘留量。此處的優(yōu)點(diǎn)在于由于滯留時(shí)間短且滯留時(shí)間分布窄，聚異氰酸酯僅經(jīng)過(guò)了相對(duì)較低的熱暴露(heat exposure)。用這一方法避免了蒸餾中異氰酸酯基團(tuán)的副反應(yīng)，此外還獲得了特別淺的聚異氰酸酯。
下面通過(guò)參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。


圖1所示為本發(fā)明方法的第一個(gè)實(shí)施方式中，從非活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性化合物的流程圖。
圖2所示為本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施方式中，從活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性化合物的流程圖。
圖1所示為從非活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性化合物的流程圖。液態(tài)的物質(zhì)混合物由泵2通過(guò)排出物進(jìn)料入口1被輸送入微蒸發(fā)器3。微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器3包括大量平行的溝槽，它們呈層狀排列。微蒸發(fā)器3每隔一層輸送物質(zhì)混合物。排列在它們之間的層同樣具有大量平行的溝槽，在溝槽中負(fù)載有加熱介質(zhì)。用于排出物和加熱介質(zhì)的溝槽可例如，彼此平行或垂直地運(yùn)行。加熱介質(zhì)是從加熱介質(zhì)環(huán)路(未在此示出)中導(dǎo)入的，它由入口4進(jìn)入，從出口5排出。物質(zhì)混合物以氣/液混合物的形式從微蒸發(fā)器3中流出并進(jìn)入氣體分離室6，由此揮發(fā)性物質(zhì)以氣態(tài)形式7被除去。從這一氣體分離室6，產(chǎn)物9通過(guò)泵8輸送出該裝置。
圖2所示為從活性物質(zhì)混合物中蒸發(fā)揮發(fā)性化合物的流程圖。物質(zhì)的液體混合物(排出物)由泵2通過(guò)排出物進(jìn)料入口1被輸送入蒸發(fā)器。微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器3的設(shè)計(jì)類似于例如圖1中所述的設(shè)計(jì)。如圖1所示，加熱介質(zhì)是從加熱介質(zhì)環(huán)路(未在此示出)中導(dǎo)入的，由入口4進(jìn)入，從出口5排出。物質(zhì)混合物以氣/液混合物的形式從微蒸發(fā)器3中流出并進(jìn)入氣體分離室6，由此揮發(fā)性物質(zhì)以氣態(tài)形式7被除去。從這一氣體分離室，產(chǎn)物9通過(guò)泵8輸送出該裝置。該產(chǎn)物流的一部分任選地負(fù)載于環(huán)路10中從反應(yīng)器11中穿過(guò)并通過(guò)泵2回到微蒸發(fā)器3。
實(shí)施例按如下所述生產(chǎn)了粗產(chǎn)物，通過(guò)蒸發(fā)分離二異氰酸酯Desmodur W(H12-MDI，由Bayer供應(yīng)的市售產(chǎn)品，NCO含量為32.1重量％)在氮?dú)鈿夥障拢瑢?586.0千克的Desmodur W裝在進(jìn)行攪拌的罐中。將內(nèi)容物在攪拌下加熱到60℃，并在控制為60-80℃的溫度范圍內(nèi)依次加入21.5千克羥基值為385的環(huán)氧丙烷聚醚(起始物為1，1，1-三羥甲基丙烷)、92.6千克羥基值為200的環(huán)氧丙烷聚醚(起始物為雙酚A)和1470.0千克羥基值為28的環(huán)氧丙烷/環(huán)氧乙烷聚醚(環(huán)氧丙烷∶環(huán)氧乙烷＝82.5∶17.5，起始物為1，1，1-三羥甲基丙烷)。然后將該混合物加熱到100℃并反應(yīng)直至得到14.1重量％的NCO含量。將仍含有約40重量％Desmodur W的粗產(chǎn)物冷卻到50℃。
實(shí)施例1將粗產(chǎn)物在60℃溫度下，以60千克/小時(shí)的進(jìn)料速度加入到微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器3中，該蒸發(fā)器用30巴的氣流(230℃)加熱并連續(xù)連接有折向(deflecting)分離室6。該微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器3具有如下的溝槽尺寸長(zhǎng)×寬×高40毫米×200微米×100微米。其液力直徑為133微米。熱傳遞表面積為0.135平方米，比蒸發(fā)表面積為2·104平方米/立方米。在微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器3中的滯留時(shí)間為約0.3秒。在這一階段中，于0.8毫巴的壓力下，從折向分離室6中分離出21千克/小時(shí)的餾出物(Desmodur W)。然后，將用這一方法濃縮到Desmodur W含量為7.8重量％的粗產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到加熱至230℃的薄膜蒸發(fā)器(蒸發(fā)表面積為1平方米)中，該薄膜蒸發(fā)器在0.5毫巴的壓力下工作。在該薄膜蒸發(fā)器的出口獲得了NCO含量為2.55重量％的聚異氰酸酯樹(shù)脂，該樹(shù)脂僅含有殘留量為0.12重量％的所用的DesmodurW。
實(shí)施例2(比較例)將粗產(chǎn)物在60℃溫度下，以30千克/小時(shí)的進(jìn)料速度，通過(guò)用6巴的蒸汽(160℃)連續(xù)加熱的管道加入到降膜蒸發(fā)器中，該蒸發(fā)器連續(xù)連接有折向(deflecting)分離室。熱傳遞表面積為0.314平方米，比蒸發(fā)表面積為1.57·102平方米/立方米。用30巴的蒸汽將蒸發(fā)器和分離室加熱到230℃。在0.8毫巴下進(jìn)行蒸餾。在這一階段中獲得蒸餾量為9千克/小時(shí)的Desmodur W。
然后，如實(shí)施例1中所述，將用這一方法濃縮到Desmodur W含量為14.4重量％的粗產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到加熱至230℃的薄膜蒸發(fā)器(蒸發(fā)表面積為1平方米)中，該薄膜蒸發(fā)器在0.5毫巴的壓力下工作。在該薄膜蒸發(fā)器的出口獲得了NCO含量為2.90重量％的聚異氰酸酯樹(shù)脂，該樹(shù)脂含有殘留量為1.25重量％的所用的Desmodur W。
通過(guò)實(shí)施例1和實(shí)施例2的比較顯示與使用降膜蒸發(fā)器分離Desmodur W相比，使用微結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器可顯著地更有效地分離Desmodur W。
權(quán)利要求
1.一種借助至少一種微蒸發(fā)器從活性或非活性物質(zhì)混合物中去除至少一種揮發(fā)性化合物的方法，所述微蒸發(fā)器具有用于負(fù)載物質(zhì)混合物的溝槽，所述溝槽的液力直徑為5-1000微米且比蒸發(fā)表面積至少為103平方米/立方米。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微蒸發(fā)器中的溝槽具有30-500微米的液力直徑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微蒸發(fā)器具有用于負(fù)載加熱介質(zhì)的溝槽，所述溝槽的液力直徑為5-1000微米，優(yōu)選為30-500微米。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，溫度為-100-500℃，優(yōu)選為0-400℃，尤為優(yōu)選50-250℃。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，壓力為0-100巴，優(yōu)選0-10巴，尤為優(yōu)選0-1巴。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，滯留時(shí)間為0.001-60秒，優(yōu)選0.01-10秒。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一種單體二異氰酸酯作為揮發(fā)性化合物從含有至少一種聚異氰酸酯的物質(zhì)混合物中被去除。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助于至少一種微蒸發(fā)器從活性或非活性混合物中去除至少一種揮發(fā)性化合物的方法。所述微蒸發(fā)器包括用于引入混合物的溝槽，該溝槽的液力直徑為5－1000微米且最小比蒸發(fā)表面為10
文檔編號(hào)F28D9/00GK1832798SQ200480022452
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月2日
發(fā)明者K·-M·庫(kù)珀, O·維爾姆斯, H·斯藤貝克, A·桑呈 申請(qǐng)人:拜爾材料科學(xué)股份公司