CN101372522A - 一种脱除聚合物挥发分的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种脱除聚合物挥发分的方法及装置，该装置包括一个壳体，一个装有环形填料的转子，聚合物输送管道从壳体的物料进口进入填料，管道一端装有物料分布器延伸到填料中空腔内，分布器沿转子竖直高度方向有若干个与填料腔体内侧受液环相对应的出口，填料为同心环状多层组合定型填料。液态聚合物输送到填料的中空内腔，使液态聚合物在填料中空内腔中沿轴向分层均布，调节转子的转速，使转子的超重力水平达到30～1000g，液态聚合物按照定型填料的定制路径由内腔向外流过填料。本发明在超重力环境下，通过强制聚合物流体按定型填料的变化路径流过填料，强化界面更新和产生局部扰动，不需要解吸气体，工艺简化；脱挥效率高。

Description

一种脱除聚合物挥发分的方法及装置

技术领域

本发明涉及从聚合物中脱除挥发性成分的方法及装置，具体是采用超重力技术从高粘度聚合物中脱挥的方法和装置。

背景技术

脱挥是一种从聚合体系中分离低分子量组分(通常被统称为“挥发分”)的工艺过程，在脱挥过程中，都是利用气液界面的挥发分平衡浓度下降，使液相中的挥发分迅速转移到气相中，然而液体深处的挥发分则需要通过扩散达到界面处脱离液相转移到气相中去，因此挥发分的传递速率就成了控制脱挥速率的控制步骤。在恒定温度下，提高挥发分的传递速率的途径有三个，一是使液膜变薄，缩短扩散距离。二是增加液体的湍动强度，使气液界面不断更新。三是促使挥发分汽化并易于与液相分离。目前对于聚合物脱挥方法及装置大致可以分为静态型和旋转型。

静态脱挥是在脱挥区中依靠重力来输送聚合物，工业上经常采用的静态型脱挥器主要是闪蒸器、落条式脱挥器和蒸发釜等。如在闪蒸器中，通常是将需要脱挥的溶液用热媒在长管(有时为螺旋形长管)中加热，饱和或过饱和溶液在熔剂开始挥发的压力下送入闪蒸罐中，此时压力降低，促使挥发分汽化，将挥发分闪蒸出来，从闪蒸罐的上部除去蒸汽。含有大量挥发分的聚合物溶液通常在静态型脱挥器中进行脱挥，设备简单、经济，但也存在着平均停留时间偏长，流动性较差等缺陷。

中国专利CN86107755(美国纽约州的塞拉尼斯公司申请)提出了一种脱除熔融甲醛聚合物中挥发分的方法，该方法采用三段的转盘式脱挥器从熔融的甲醛聚合物中除去甲醛和其它挥发物质(如三乙胺和水)，甲醛残留量最低可达130ppm。转盘式脱挥器是由一系列安装于轴上的平行圆盘组成的，两个相邻圆盘之间的空间与筒体组成了脱挥室。当圆盘旋转时，浸入聚合物的一部分圆盘拖动聚合物在圆盘的表面形成涂层，当该部分圆盘旋离聚合物时使涂层暴露于真空条件下，脱除挥发性物质。通过圆盘旋转，圆盘表面的聚合物涂层不断更新，挥发性物质也被不断脱除。可以通过在圆盘顶部设置聚合物密封层实现分段脱挥。

超重力技术(国外称为Higee或RPB)是一种能够极大强化过程的新技术，其基本原理就是利用旋转产生模拟的、可调控的超重力(离心力场)环境下进行传递和传质过程。研究和分析表明，在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常重力场下的要快得多，气一液、液一液、液一固两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质(填料)中产生流动接触，巨大的剪切力使液体破碎成纳米级的膜、丝和滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使得不同相间物料之间的扩散距离大大缩短，相间传质速率比传统的塔器中提高1～3个数量级，相间传质过程得到极大强化。关于超重力装置在本申请人以前的专利(申请号91109255.2，91111028.3等)中已经公开，该技术在分离、解吸过程中的应用获得了良好的效果。作为本发明的参考，有关此类超重力设备特点的详细介绍，可参考下列技术资料和文献，如：陈建峰等著《超重力技术及应用—新一代反应与分离技术》，化学工业出版社；中国专利ZL95107423.7、中国专利ZL92100093.6、中国专利ZL91109225.2、中国专利ZL95105343.4中所述的超重力装置。

中国专利99807157.9公开了一种聚合物脱挥发分的离心方法和设备，该方法是将加热的液态热塑性聚合物利用离心力作用通过一个旋转填充床，另一种解吸气体通过填充床并与聚合物相对流动，从而使挥发成分在填充床中的液-气接触中从聚合物中脱出进入解吸气体中。该装置的基本结构与现有的超重力旋转床类似，包括一个旋转腔室，腔室中有用于气-液接触的填料，一个聚合物输送管道，把聚合物输送到旋转腔室，然后再利用离心力把腔室中的聚合物输送到旋转的填料中，与相对流动的解吸气强化气-液传质过程，达到聚合物脱挥的目的。但该发明存在的主要问题是：该脱挥方法采用气-液传质过程脱挥，需要通入解吸气体，存在解吸气体与挥发分分离的问题，工艺相对复杂；填料采用一般开放式无定形金属泡沫，流体在离心力作用下基本沿径向直接流动通过填料，流体路径短，挥发分从液相分离的效率不够高；此外，液态聚合物通过一个输送管送入中心腔室，完全靠离心力从腔室输送到填料中，对于该卧式结构的旋转床，液态聚合物基本可以实现沿填料轴向全高均布，然而，对于更具实际应用价值的立式旋转床，该布液结构难以保证粘度大流动性差的聚合物沿填料全高均匀进入填料层，进而影响脱挥效率。

发明内容

本发明提出一种聚合物脱除挥发分的方法和超重力脱挥装置，该方法利用超重力装置提高聚合物挥发界面的更新速率和减小挥发分在液相中的扩散阻力来达到脱挥的目的，不用解吸气体，工艺简单；该装置可以使高粘度聚合物均匀分布进入和通过立式填料层，并且使流体在通过填料时按规定方向流动，延长通过的路经，产生局部扰动，更强化挥发界面的更新，从而提高脱挥效率。

本发明提供的超重力聚合物脱挥方法是：保持超重力旋转床脱挥装置在0-760mmHg的真空度下，将加热后的液态聚合物输送到转子填料的中空内腔，使液态聚合物在填料中空内腔中沿轴向竖直分层均布，调节转子的转速，使转子的超重力水平达到30～1000g，沿填料芯筒的径向间隔装填不同形状类型的环形填料，组合排列成同心状多层定形填料，使液态聚合物按照多层定型填料的定制路径由内腔向外流过填料。

上述脱挥方法中，液态聚合物流过不同组合的定型填料构成的定制路经对于形成脱挥的比表面积、局部扰动程度及脱挥效率均有影响。优选的组合方案是由内斜型-栅格型-外斜型-栅格型填料沿径向依次顺序排列，使聚合物流体按该组合填料定制的路经由内腔向外流过填料，在不断变换路径时产生局部扰动，获得较优的脱挥效果。

上述脱挥方法中，超重力旋转床中的真空度主要起到公知的提高气液之间传质推动力的作用，具体真空度的大小可根据物料粘度及脱除后挥发分含量的要求进行调整，本发明优选大于710mmHg。

所述的超重力水平是指超重力旋转装置中转子旋转产生的离心加速度的大小，主要和转子的转速及转子的内外径有关。超重力水平g_r可以用下式表示：

$g_r={\mathrm{\ω}}^{2}r={\left(\frac{2\mathrm{\πn}}{60}\right)}^2\sqrt{\frac{(r_1^2+r_2^2)}{2}}$

式中：n为转子每分钟的转速；r₁、r₂分别为转子的内、外径。超重力水平gr通常用重力加速度g的倍数表示。

本发明的方法中超重力水平的大小根据脱挥聚合物的粘度及脱除后挥发分的含量的要求在30—1000g内控制选择，丙烯腈系聚合物优选在30—400g；聚苯乙烯系聚合物优选在80—300g。

本发明的方法中根据处理物料情况及脱挥要求的不同，可以采用1级或多级超重力脱挥装置串联实现聚合物体系的多级脱挥。

本发明提供一种优选的超重力聚合物脱挥装置，该装置是对现有的立式超重力旋转填充床的改进，主要包括密闭的壳体中有一个转子，在壳体上设有液体物料进口、挥发分气体出口以及物料出口，其中转子是由转子压盖、受液环、转鼓、填料芯筒、填料组成，填料中心是中空腔体，物料进口中有聚合物输送管道，管道一端装有物料分布器，分布器延伸到填料中空腔体内，填料腔体内侧沿竖直高度分层设置有多个受液环，延伸到填料中空腔内的物料分布器上的液体出口与各层受液环相对应，强制物料沿竖直高度方向分层均布在受液环内，使物料在离心力的作用下沿填料全高均匀由内到外流过填料。所述填料为同心环形状多层定型填料，即在填料芯筒的不同直径位置装填不同形状类型的环形填料，沿径向间隔组合排列成同心状多层定形填料，这样不仅可以提高比表面积，并可以根据需要调整组合排列顺序，预先设计构成聚合物流体通过的定制路径，使聚合物在通过不断变换的填料路径时产生局部扰动。在不同类型的填料层之间设置间隔环，将填料沿径向分隔开形成若干个空腔区，空腔区通过支撑环以及转子压盖上的开孔与装置的壳体内腔相通，在真空条件下，由液相聚合物中分离出来并且已扩散到相界面上的挥发分扩散到壳体内腔中，进而由挥发分气体出口排出。

所述的同心环形状多层定型填料是由不同角度的内斜型、外斜型及栅格型、中空腔体等定形填料的排列组合。每种填料的形状，如填料层倾斜角度、栅格大小可以按需要调节。

本发明的效果：

本发明的方法：利用超重力环境下定型填料的强大剪切及扰流作用强化聚合物挥发界面的更新速率，达到脱挥的目的，不需要解吸气体，工艺简化；在超重力环境下，使聚合物流体按定型填料的变化路径依次由内腔向外流过填料，通过不断变换的路径产生局部扰动，提高脱挥效率；

本发明的装置：采用立式超重力旋转床，针对高粘度聚合物流体设置竖直分层布液结构，使物料在离心力的作用下沿填料全高均匀由内到外流过填料；采用不同形状类型的填料组合的同心环形状多层定型填料结构，不仅可以提高比表面积，而且使聚合物流体在通过不同类型的填料层时产生局部扰动，进一步被填料分割、细化、暴露出大量且快速更新的表面积，使挥发分快速扩散到聚合物-蒸气的界面，并在界面蒸发，物料在超重力脱挥装置中的平均停留时间短，效率高；除此之外本发明的采用的立式超重力脱挥装置体积小，平衡性稳定性好，而且可以根据具体要求采用多级脱挥处理，大大提高脱挥效率。

附图说明

图1本发明超重力脱挥装置示意图；

图2是内斜型填料形状结构示意图；

图3是外斜型填料形状结构示意图；

图4是栅格型填料形状结构示意图；

图5本发明的装置转子压盖开孔结构示意图；

图6本发明的装置优选的组合定形填料示意图；

图7本发明的装置分布器结构示意图；

图8本发明的方法二级脱挥流程图；

具体实施方式：

本发明的超重力脱挥装置是可以采用现有的超重力装置(如申请号91109255.2、91111028.3、200520100685.3、01268009.5、02114174.6、200510032296.6等专利中公开的超重力旋转装置)进行改进。优选方式是对立式超重力旋转填充床装置的改进。如图1所示，在密闭的壳体2中有一个由电机带动的转子，转子由转子压盖13、受液环14、转鼓16、填料芯筒17、填料18组成，转子填料中心有中空腔体，受液环14是沿转子填料腔体内环沿高度方向分层设置的，在壳体上有液体物料进口4、挥发分气体出口15以及物料出口20，挥发分气体出口15与真空系统进口相连接，提供脱挥所需要的真空度。物料进口中有一个一端装有分布器5的聚合物输送管，分布器5延伸到填料中空腔内。填料腔体内侧沿竖直高度分层设置有多个受液环14，延伸到填料中空腔内的物料分布器5上的液体出口与各层受液环相对应，输送的物料先进入受液环，使物料在离心力的作用下沿轴向全高度方向均布，填料18为同心环状多层组合定型填料，可以是如图2-4所示的具有不同角度的内斜型、外斜型、栅格型以及中空腔体等不同形状类型的定形填料的排列组合，这样不仅可以提高比表面积，而且使聚合物流体按组合定制路径依次由内腔向外流过填料，在通过不断变换的路径时产生局部扰动，暴露出大量且快速更新的表面积，有利于挥发分从液相主体扩散到相界面上来。转子压盖13上的开孔(如图5所示)与装置腔体相通，转子压盖13上的开孔率可以根据挥发分的含量来设计，通常在50-80％，最优的范围为60-70％。由液相中分离出来并且已扩散到相界面上的挥发分，在真空条件下，通过开孔扩散到装置腔体中。

此外本装置可以采用磁力驱动系统，以确保体系的压力要求和设备的长期稳定运行。具体结构是将壳体2与磁缸10联接构成一腔体，转子通过轴与内磁体11相连，外磁体8与电机9的轴相连。电机9、外磁体8以及内磁体11构成磁力驱动系统，磁力驱动系统的下部设有冷却水套7，冷却水通过冷却水进口6以及冷却水出口12的流动过程带走热量，防止磁力驱动系统过热。旋转床壳体可以由外壳体1与内壳体2构成加热剂腔体，外体壳体1上设有加热剂进口19以及加热剂出口3供加热剂进出。

本发明的聚合物脱挥的过程包括以下步骤：

a、开启真空系统，使超重力脱挥装置内达到预定的真空度，根据处理对象的不同，此设备内的真空度在0-760mmHg，通常在710—759mmHg，优选在745—759mmHg。

b将聚合物物料加热到预定温度。

c将加热到所需温度的物料通过聚合物输送管输送到超重力脱挥装置中，并且通过分布器将物料沿填料轴向竖直高度方向分层均布，调节转子的转速，使转子的超重力水平达到30～1000g，使聚合物物料在离心力的作用下按照多层定型填料的预设路径由填料内腔流向转子填料外缘，在流动过程中进行挥发分的脱除。

本发明所采用的填料为具有不同角度的内斜型、外斜型、栅格型以及中空腔体等类型填料的排列组合，优选的组合型式为如图6所示的内斜型-栅格型-外斜型-栅格型排列。

本发明的分布器5的结构如图7所示，分布器与受液盘配用，分布器可以是单组式或多组式。

本发明超重力脱挥过程可以采用多级脱挥，如图8所示，即将多级超重力脱挥装置串联，完成一级脱挥后的物料送至下一级脱挥设备，按同样的操作步骤进行多级脱挥。

下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。但是本发明不限于所列出的实施例。

实施例1

采用本发明的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，首先开启连接超重力脱挥装置的真空系统，使超重力脱挥设备内的真空度达到755mmHg，将物料加热到66-68℃，由物料输送管送入同样温度的超重力脱挥设备中，通过分布器使物料沿转子的填料全高度方向均布在3个受液环中，填料按内斜型-栅格型-外斜型-栅格型规律排列，调整转子的转速使设备在184g的超重力条件下运转，完成丙烯腈系聚合物的一级脱挥过程，对处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从0.71wt％降至0.071wt％。

实施例2

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行二级脱挥，流程如图8所示。首先开启连接超重力脱挥装置的真空系统，使每级超重力脱挥设备内的真空度达到755mmHg，将物料加热到66-68℃，由物料输送管送入第一级温度为66-68℃的超重力脱挥设备中，通过分布器使物料沿转子的填料高度方向均布在2个受液环中，填料按内斜型-栅格型-外斜型-栅格型-律排列，调整转子的转速使设备在184g的超重力条件下运转，完成丙烯腈系聚合物的一级脱挥过程。经过一级脱挥处理后的物料经由物料输送泵送入第二级温度为66-68℃的超重力脱挥设备中，通过分布器使物料沿转子的填料高度方向均布在2个受液环中，填料按内斜型-栅格型-外斜型-栅格型规律排列，调整转子的转速使设备在184g的超重力条件下运转，完成丙烯腈系聚合物的二级脱挥过程。对处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从0.71wt％降至0.006wt％。

实施例3

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例1，填料按内斜型-中空腔体-外斜型-中空腔体规律排列，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从0.71wt％降至0.082wt％。

实施例4

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例1，填料按内斜型-外斜型规律排列，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从0.71wt％降至0.132wt％。

实施例5

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例1，调整超重力脱挥设备内的真空度达到712mmHg，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从0.87wt％降至0.5649wt％。

实施例6

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例1，调整超重力脱挥设备内的真空度达到742mmHg，调整转子转速使设备在30g的超重力条件下运转，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从1.35wt％降至0.19wt％。

实施例7

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例6，调整转子转速使设备在119g的超重力条件下运转，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从1.35wt％降至0.26wt％。

实施例8

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例6，调整转子转速使设备在400g的超重力条件下运转，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从1.35wt％降至0.51wt％。

实施例9

采用本发明上述的超重力脱挥装置对丙烯腈系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例8，调整物料以及超重力脱挥装置的温度为60-62℃，对脱挥处理前后的物料进行分析，丙烯腈含量从1.35wt％降至0.76wt％。

实施例10

采用本发明上述的超重力脱挥装置对聚苯乙烯系聚合物进行一级脱挥，首先开启连接超重力脱挥装置的真空系统，使超重力脱挥设备内的真空度达到755mmHg，将物料加热到220-230℃，由物料输送管送入同样温度的超重力脱挥设备中，通过分布器使物料沿转子的填料高度方向均布在3个受液环中，填料按内斜型-栅格型-外斜型-栅格型规律排列，调整转子的转速使设备在184g的超重力条件下运转，完成聚苯乙烯系聚合物的一级脱挥过程，对处理前后的物料进行分析，苯乙烯单体含量从566ppm降至15.2ppm。

实施例11

采用本发明上述的超重力脱挥装置对聚苯乙烯系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例10，填料按内斜型-中空腔体-外斜型-中空腔体规律排列，对脱挥处理前后的物料进行分析，苯乙烯单体含量从566ppm降至19.2ppm。

实施例12

采用本发明上述的超重力脱挥装置对聚苯乙烯系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例10，填料按内斜型-外斜型规律排列，对脱挥处理前后的物料进行分析，苯乙烯单体含量从566ppm降至26.2ppm。

实施例13

采用本发明上述的超重力脱挥装置对聚苯乙烯系聚合物进行一级脱挥，操作步骤及其他条件同实施例10，调整超重力脱挥设备内的真空度达到712mmHg，调整转子转速使设备在66g的超重力条件下运转，对脱挥处理前后的物料进行分析，苯乙烯单体含量从586ppm降至39.2ppm。

Claims (7)

1.一种脱除聚合物挥发分的方法，在超重力旋转床脱挥装置中，将加热后的液态聚合物输送到转子填料的中空内腔，在离心力作用下通过旋转的填充床，在旋转填料层中进行脱挥过程，其特征在于：保持超重力旋转床脱挥装置在0-760mmHg的真空度下，使液态聚合物在填料中空内腔中沿轴向竖直分层均布，调节转子的转速，使转子的超重力水平达到30～1000g，沿填料芯筒的径向间隔装填不同形状类型的环形填料，组合排列成同心状多层定形填料，使液态聚合物按照组合的多层定型填料的定制路径由内腔向外流过填料。

2.根据权利要求1脱除聚合物挥发分的方法，其特征在于：所述同心状多层定型填料的组合是按照内斜型-栅格型-外斜型-栅格型填料顺序排列。

3.根据权利要求1脱除聚合物挥发分的方法，其特征在于：所述超重力水平根据脱挥聚合物体系选择，对于丙烯腈系聚合物脱挥在30—400g；聚苯类聚合物选在80—300g。

4.一种脱除聚合物挥发分的装置，主要包括，立式密闭的壳体中有一个转子，转子上有环形填料，在壳体上设有液体物料进口、挥发分气体出口以及物料出口，物料进口中有聚合物输送管道，管道一端装有物料分布器，分布器延伸到填料中空腔内，其特征在于，转子由转子压盖、受液环、转鼓、填料芯筒、填料组成，填料腔体内侧沿竖直高度分层设置有多个受液环，延伸到填料中空腔内的物料分布器上的液体出口与各层受液环相对应，所述填料为同心环状多层组合定型填料，即在填料芯筒的径向间隔装填有不同形状类型的环形填料，在不同类型的填料层之间设置间隔环，将填料沿径向分隔开形成若干个空腔区，空腔区通过支撑环以及转子压盖上的开孔与装置的壳体内腔相通。

5.根据权利要求4脱除聚合物挥发分的装置，其特征在于：所述的同心环状多层组合定型填料是由不同角度的内斜型、外斜型、栅格型及中空腔体填料排列组合。

6.根据权利要求4脱除聚合物挥发分的装置，其特征在于：所述的转子压盖上的开孔率为50-80％。

7.根据权利要求4脱除聚合物挥发分的装置，其特征在于：用多台所述的装置串联组成多级脱挥装置。

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