脫揮發(fā)分設備和使用該脫揮發(fā)分設備的過程的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分的靜態(tài)脫揮發(fā)分設備。本發(fā)明還涉及一種用于使用所述設備來使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分的過程，以及所述設備在粘性液體的脫揮發(fā)分中的使用。
【背景技術】
[0002]用于移除揮發(fā)性組分的粘性液體的脫揮發(fā)分是具有商業(yè)利益的。例如，可以移除有害的或不需要的揮發(fā)性組分以改進粘性液體的純度或其它屬性，或者可能感興趣的是分離揮發(fā)性組分，并且允許對揮發(fā)性組分的回收和潛在的再循環(huán)。
[0003]在一種特定應用中，聚合物脫揮發(fā)分是一種分離過程，其中，“揮發(fā)物”從處于熔相、液相或溶液相的最終聚合物中被去除。被去除的“揮發(fā)物”可以包括溶劑、水、殘余的未反應單體(或多種單體)(例如，在聚苯乙烯情況下的苯乙烯)、副產品、雜質和/或其它揮發(fā)性的低分子量物質，例如，二聚物、三聚物以及其它低聚化合物。因此，為了達到適銷品質，聚合物必須在聚合步驟結束時脫氣，以便從原料樹脂中去除這樣的揮發(fā)物。取決于聚合物，此操作通常通過在可能從真空上至數(shù)巴(bar)的壓力下以相對高的溫度(100-350°C)加熱聚合物來實現(xiàn)。
[0004]在脫揮發(fā)分后，聚合物中“揮發(fā)物”的最終量一般需要是很低的，例如，通常在大約100 ppm和大約1000 ppm之間。低含量的揮發(fā)物是期望的，以改進聚合物的處理和其它屬性。對于一些特定聚合物，由于環(huán)境、健康和安全(EHS)的原因，去除有毒的單體和/或溶劑可能是十分重要的。例如，低水平的揮發(fā)物能夠負面地影響聚合物的擠制、注射成型或吹塑成型處理，或導致形成品質較差的聚合物制品。
[0005]在脫氣或脫揮發(fā)分過程中的聚合物物質和揮發(fā)性組分物質之間的分離是基于那些物質之間的揮發(fā)性差異。用于脫揮發(fā)分的驅動力是氣相中比聚合物中低的化學勢。此化學勢的差異引起濃度梯度在聚合物界面處的形成，從而導致從聚合物到氣相的擴散通量。
[0006]物質在介質中的化學勢是其在特定相中以及與溫度有關的濃度的函數(shù)。能夠通過同時增加聚合物的溫度以及降低物質的分壓力以使它脫揮發(fā)分成氣相，來加強質量傳遞的驅動力。然而，那些作用受到各種因素限制，如聚合物穩(wěn)定性和真空系統(tǒng)容量。
[0007]化學勢允許確定多相體系中溶質的理論平衡分布，但它沒有給出關于質量傳遞過程的任何動力學信息。實際上，溶質在兩相之間的轉移從不是瞬時的。達到平衡狀態(tài)所需的時間可能是相當大的，特別是在如下情況下，即:非常粘性的液體，例如，聚合物熔體或溶液，和/或化學勢在兩相之間存在小的差異，例如由于待脫揮發(fā)分的物質的粘性液體或聚合物中的低揮發(fā)性或低濃度。
[0008]通常期望增加質量傳遞的動力學，以便限制脫揮發(fā)分裝備的大小或聚合物在苛刻的脫揮發(fā)分條件下的停留時間，所述苛刻的脫揮發(fā)分條件經常造成聚合物降解。
[0009]脫揮發(fā)分(脫氣)通常在兩個步驟中發(fā)生。首先，在高溶質濃度下，溶質泡沫成核(nucleated)，在聚合物熔體中生長并且到達熔體/氣體界面，在那里，它們破裂并且溶質被釋放到氣相中。此已知為泡沫脫氣的初始步驟是相對快速的。然而，在溶質在聚合物熔體中的特定濃度閾值之下，發(fā)泡不再發(fā)生。通常是不與所述聚合物反應并且易于分離的揮發(fā)性化合物的洗提劑，能夠在脫揮發(fā)分步驟之前與所述聚合物混合，以便迫使發(fā)泡，并且因此，加強脫氣效率。但是，由于各種原因，例如，洗提劑與聚合物的化學不相容性(例如，引起聚合物的降解)或脫揮發(fā)分高架系統(tǒng)的容量不足，此技術并不總是適用的。
[0010]各種類型的脫揮發(fā)器設備是已知的。取決于所用脫氣裝備的類型，能夠加強聚合物相和氣相之間質量傳遞的方式。可用的裝備能夠被分類成兩個主要族，即動態(tài)技術和靜態(tài)技術，每一族具有其固有的缺點和優(yōu)點。此分類指的是加強質量傳遞的方式。
[0011]在“動態(tài)”裝備中，質量傳遞借助于移動部分(如螺桿、葉片或臂)來加強，以便確保高比率的表面更新(較高的界面濃度梯度)和比表面產生(通過其能夠發(fā)生擴散的更多表面)。在一種情況下，例如在擠出機或捏合機的情況下，這樣的設備可以具有旋轉部分，用于提供表面更新、蒸發(fā)冷卻和高效混合，以允許最佳的熱傳遞和質量傳遞。例如，US2010/0296360 Al中公開了這樣的脫揮發(fā)分擠出機。商業(yè)上可獲得的動態(tài)脫揮發(fā)分或脫氣裝備允許對高粘性液體(例如，聚合物)的脫揮發(fā)分，但它們具有顯著的缺點。在那些缺點之中，能夠注意到的是，它們具有非常高的價格、具有緊密公差的復雜的機械構造、高能量消耗、較高的泄漏率(因此需要過尺寸的真空系統(tǒng))以及對定期維護的需要。
[0012]相比之下，靜態(tài)脫揮發(fā)分裝備無法提供任何顯著的表面更新，而是替代地，它們主要基于借助于專門的裝備內部構件來產生高的比表面從而起作用。那些內部構件的幾何構型是關鍵的，這是因為它們將限定脫揮發(fā)分操作在聚合物降解和分離效果方面的品質。有利的是，這樣的靜態(tài)脫揮發(fā)器一般僅具有栗作為它們的移動部分，例如用于脫揮發(fā)分的聚合物的排出栗或用于熱傳遞介質的栗。
[0013]靜態(tài)脫揮發(fā)器的典型內部構件為通常稱為“分布器”的相分離室，其具有帶斜切邊緣的管的形狀。在此邊緣上安裝多孔板，聚合物熔體或溶液通過所述多孔板自由地流動。所述多孔板的開孔的數(shù)量和大小被設計成使得通過此板的壓降允許維持對所述分布器的特定水平的填充。它不應是空的，在那種情況下，聚合物的停留時間將會過低。它也不應是滿的，在那種情況下，分布器中的壓力將會增加，從而妨礙對聚合物的高效脫揮發(fā)分。
[0014]US 2007/0137488 Al中公開了一種現(xiàn)有技術水平的靜態(tài)脫揮發(fā)分設備。這種已知的靜態(tài)脫揮發(fā)分設備的缺點在于聚合物的停留時間中的大部分發(fā)生在分布器中，其中，聚合物作為暴露于真空或減壓下的具有非常低的比表面的“塊”存在。在實踐中，聚合物經常在分布器中發(fā)泡，從而完全地將它填充，并且因此，限制了脫氣過程的效率。在移動通過多孔板并且由此分散之后，聚合物隨后徑直流動到排出栗中并且被直接排空。因此，分散的聚合物在脫揮發(fā)分容器中的停留時間通常是非常有限的，對于較低粘性的液體，通常在數(shù)秒的范圍中。結果，所述脫揮發(fā)分通常不足以提供具有低揮發(fā)物濃度的高品質產品。
[0015]可以嘗試通過增加在靜態(tài)脫揮發(fā)器中的停留時間來獲得具有較低揮發(fā)物濃度的較高品質的產品；然而，為了實現(xiàn)低揮發(fā)物含量而在高溫下增加所述停留時間，通常導致熱敏粘性液體(例如，聚合物熔體和溶液)的降解。這是因為在常規(guī)的靜態(tài)脫揮發(fā)器中，聚合物的停留時間中的大部分發(fā)生在分布器中，其中，僅非常低的粘性液體的比表面被暴露于真空或減壓，并且因此，在靜態(tài)脫揮發(fā)器中總停留時間的大部分不是非常有效。
[0016]綜上所述，將需要具有一種靜態(tài)脫揮發(fā)分設備，其允許分散的粘性液體(例如，聚合物熔體或溶液)在脫揮發(fā)分裝備中的更高效的比表面產生和更長的停留時間。對于給定的停留時間或較低的停留時間，這樣的設備將允許更高效的脫揮發(fā)分，對于產品中給定的期望揮發(fā)性組分(例如，殘余的單體)濃度，這意味著較少的粘性液體(例如，聚合物)降解。

【發(fā)明內容】

[0017]由此現(xiàn)有技術出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分的靜態(tài)脫揮發(fā)分設備，所述靜態(tài)脫揮發(fā)分設備不遭受先前提及的缺陷，特別是效率較低的比表面產生，以及具有高比表面的分散液體的暴露于真空或減壓的僅相對短的停留時間。本發(fā)明的另外的目的包括提供一種將所述設備用于使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分中的過程，以及所述設備在包括揮發(fā)性組分的粘性液體的脫揮發(fā)分中的使用，所述粘性液體優(yōu)選為聚合物熔體或溶液。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，這些目的通過用于使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分的靜態(tài)脫揮發(fā)分設備來實現(xiàn)，其中，所述設備包括:
用于接收第一脫揮發(fā)分的粘性液體的容器，所述容器具有用于收集第二脫揮發(fā)分的粘性液體的下部儲池區(qū)域、用于排出氣體的上部區(qū)域和在所述下部儲池區(qū)域和所述上部區(qū)域之間的中部區(qū)域；
與所述下部儲池區(qū)域流體連通的排出栗，所述排出栗用于從所述下部儲池區(qū)域排出所述第二脫揮發(fā)分的粘性液體；
用于從容器排出氣體的抽取管路，其中，所述管路優(yōu)選地位于所述上部區(qū)域中；以及所述容器的所述上部區(qū)域中的相分離室，其中，所述相分離室包括:入口，其用于將在第一脫揮發(fā)分步驟中被處理以形成第一脫揮發(fā)分的粘性液體的粘性液體；第一排出區(qū)域的下部中的多個第一排出開口，其用于朝向所述下部儲池區(qū)域向下排出所述第一脫揮發(fā)分的粘性液體；以及所述第一排出區(qū)域的上部中的至少一個氣體排出開口，其用于向上排出氣體至所述抽取管路；
其中，分布器子單元位于所述中部區(qū)域中并且位于所述相分離室之下和所述下部儲池區(qū)域之上，其中，所述分布器子單元具有第二排出區(qū)域，其中，所述第二排出區(qū)域被實施成使得它被從所述相分離室的第一排出開口排出的第一脫揮發(fā)分的粘性液體接觸，并且其中，所述第二排出區(qū)域具有如下表面，即:所述表面實施成使得所述第一脫揮發(fā)分的粘性液體在所述表面上在第二脫揮發(fā)分步驟中被處理，以形成第二脫揮發(fā)分的粘性液體，并且其中，所述區(qū)域另外還具有與排出栗流體連通并且用于排出所述第二脫揮發(fā)分的粘性液體的多個第二排出開口。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，這些另外的目的首先通過一種用于使用本發(fā)明的設備來使包括揮發(fā)性組分的粘性液體脫揮發(fā)分的過程實現(xiàn)，其中，所述過程包括:
第一脫揮發(fā)分步驟，其中，在相分離室中處理粘性液體，以形成第一脫揮發(fā)分的粘性液體，以及
第二脫揮發(fā)分步驟，其中，第一脫揮發(fā)分的粘性液體在具有第二排出區(qū)域的分布器子單元中被處理，以形成第二脫揮發(fā)分的粘性液體，其中，第二排出區(qū)域具有如下表面，即:所述表面實施成使得所述第二脫揮發(fā)分步驟發(fā)生在所述表面上，并且所述第一脫揮發(fā)分的粘性液體在所述容器中的停留時間和/或所述第一脫揮發(fā)分的粘性液體在所述容器中的比表面由此增加。
[0020]所述設備和所述過程根據(jù)本發(fā)明被用于包括揮發(fā)性組分的粘性液體的脫揮發(fā)分中，所述粘性液體優(yōu)選為聚合物熔體或溶液。如將會論述的，這樣的液體和過程特別受益于本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明借助于分布器子單元來實現(xiàn)這些目的，并且提供對此問題的解決方案，所述分布器子單元位于所述中部區(qū)域中，并且位于所述相分離室之下和所述下部儲池區(qū)域之上，其中，所述分布器子單元具有第二排出區(qū)域，其中，所述第二排出區(qū)域被實施成使得它被從所述相分離室的第一排出開口排出的第一脫揮發(fā)分的粘性液體接觸，并且其中，所述第二排出區(qū)域具有如下表面，即:所述表面實施成使得所述第一脫揮發(fā)分的粘性液體在所述表面上在第二脫揮發(fā)分步驟中被處理，以形成第二脫揮發(fā)分的粘性液體，并且其中，所述區(qū)域另外還具有與排