CN101820989A - 制备水溶性聚合物的水分散体的装置及该装置的实施方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于分散水溶性聚合物的装置，包括：用于研磨和排放经分散的聚合物的室(6)，该室(6)包括转子(7)和定子(10)；在所述室的所有或部分外周上的通过二次水线路(13)供料的环(12)，该环与室(6)连通，用以将加压水喷射到定子(10)的刀刃(11)上。所述装置的实施方法。

Description

制备水溶性聚合物的水分散体的装置及该装置的实施方法
本发明涉及用于湿研磨水溶性聚合物以获得其分散体然后使其快速溶于水中的装置。本发明还涉及该装置的实施方法。
根据本发明，使聚合物穿过研磨器而悬浮于水中，该研磨器包括在具有非常靠近的刀片的定子中旋转的具有刀的转子；利用分散并稀释聚合物的第二水射流来防止该定子被所形成的聚合物凝胶堵塞。
在现有技术的水溶性聚合物中，尤其已知的是部分水解的丙烯酰胺聚合物及其共聚物，还有黄原胶、纤维素衍生物和瓜尔豆胶。这些聚合物由于它们的分子量和/或链间离子斥力而发展了粘度。控制粘度的机理涉及增加流体力学体积或涉及链间斥力。
尽管商业可得的丙烯酰胺(共)聚合物通常是粉末形式的，但它们在工业应用中通常以稀水溶液使用。这就需要在精确的物理和化学条件下将聚合物溶解于水的步骤。
但是，即使这些聚合物是亲水性的，它们也难以溶解。尤其是它们的溶解随其组成和分子量而变化。
因此，为了以溶液形式使用，利用润湿装置将粉末聚合物首先分散在水中。所用主要装置有多种类型：
-具有干或湿进料斗的喷射器，
-水/空气分散器，其中聚合物通过空气驱动系统输送到腔室内并在其中被喷嘴润湿，
-各种高速搅拌器。
然后将由此获得的水分散体通过搅拌连续或间歇地溶解。
这些分散系统的主要缺点在于，聚合物的分子量越高，所得的溶液的粘度就越高。这使得聚合物在水中的浓度通常受限为1～5克/升，因此需要极大的溶解罐用于大规模工业应用。
例如，对于平均粒径为0～1mm的粉末状的高分子量(约1500万)的丙烯酰胺(共)聚合物，在20℃温度下获得5g/l的溶液所需的溶解时间约为：
-4小时，对于非离子聚合物；
-1小时，对于阴离子聚合物；
-45分钟，对于阳离子聚合物。
为解决浓度、分散/溶解和制造成本/尺寸的这些问题，已经开发了多种方法。主要方法列出如下。它们基于两个准则：-改变聚合物的商业形式(cf1-5)和-改进溶解装置(cf6)。
1/通过干研磨减小粒径至标准粒度分布。
固体(粉末)形式的丙烯酰胺(共)聚合物主要是通过凝胶聚合接着进行切碎、干燥以及然后研磨的步骤生产的。本领域技术人员公知的是，对粉末的粒度分布的显著作用(减小)具有促进其水合以及由此溶解的结果。
但是，该方案具有很多限制因素，即：
-高研磨成本：因为软化点低(接近50℃)，因此需要使用具有大量冷却空气的大型研磨器或者使用低温系统，
-多尘的最终产品：由于产品由操作员直接使用，因此在没有先进设备的情况下难以控制空气中的颗粒率，
-“鱼眼”增加：在使用过程中，微细聚合物颗粒易于通过形成多个“鱼眼”而润湿在一起结成块状。其为尺寸从几毫米到几厘米不等的凝胶状颗粒，并且其只有在数小时至数天后才溶解。这些聚集体易于堵塞管线、计量泵和过滤器。
2/反相乳液(油包水)聚合
在本领域技术人员所公知的该过程中，单体在稳定化表面活性剂存在下用烃乳化聚合。为了溶解由此获得的聚合物，有必要直接在乳液中或在聚合物溶解过程中添加反相表面活性剂(高HLB)。因此，最终产物具有高浓度的有害表面活性剂和有机相，导致原材料(30～60％)、运输(30～40％)和存储的显著额外成本。这意味着乳液因其易于使用而广泛用于低消耗或中等消耗应用，但是对于大规模项目过于昂贵。
3/水分散聚合(又称为‘水包水乳液’)
该技术包括在以溶液或分散体形式含有盐和/或其它化学试剂的水中聚合单体或单体混合物。聚合过程中形成的亲水性聚合物在达到足够高的分子量时沉淀出来。在聚合完成时，回收在水混合物中悬浮的聚合物颗粒的分散液。该技术的优点显而易见。其制造成本保持很低，即与粉末聚合物的成本相当，这是因为所得的分散体几乎完全由聚合物、水和盐组成。另外，其具有与水包油型乳液相同的决定性优势，即聚合物在水中的迅速溶解作用。
然而这些产品也面临几个发展的障碍：
-低浓度(15～20％)，及由此产生的运输和存储的额外成本，
-有限的聚合物分子量，
-减少的保存期。
4/悬浮聚合
这种聚合方法包括在惰性液体中形成一种或多种单体的水溶液的悬浮液滴，在加入催化剂聚合之后，产生珠状聚合物。在聚合结束时，在共沸蒸馏步骤中移除水。然后过滤并干燥聚合物珠粒。共沸蒸馏步骤一般认为是关键的。用这种方法，粒径(100～400微米)可接近均匀地减小而不形成大量微粒。
同时，这种方案也具有很多限制因素，包括：
-通过这种方法形成的聚合物颗粒也具有在一定浓度以上形成鱼眼的强烈倾向，
-此外，该方法的主要限制在于使用该方法不能产生非常高的分子量。所得聚合物的分子量限于1000万～1200万，这在很多工业中是不够的。
5/使粉末悬浮在表面活性剂中
微细研磨的聚合物粉末可以悬浮置于含大量表面活性剂的烃中或者直接置于纯表面活性剂中。这些悬浮物快速溶解但是不稳定，而且具有与反相乳液相同的经济缺点。
6/湿研磨具有标准粒度分布的聚合物粉末
将标准粒度分布的聚合物悬浮置于水中然后研磨。为此，文件US4845192、US4877588和US4529794描述了一种装置，包括装配有固定刀和移动刀(安装在转子上)并以50～500微米间距安装的封闭笼，即具有50～500微米的间隙，该装置将产品切割成极小颗粒，一般小于200微米。这个装置由URSCHEL以商品名Comitrol制造。Comitrol 1500具有200mm的切割直径。
根据该方法，确定最终溶解时间的是切割尺寸。因此，该方法提供水溶性聚合物在装置中分散后的溶解时间的显著改善，这似乎是有利的。但是，其存在许多主要缺点：
-刀的间距及其角度对于获得满意的切割是至关重要的，
-满意的操作所需的速度非常高：10000～13000rpm(例如装有8英寸转子的Comitrol 1500设备)。在转子低速转动时，系统由于固定刀之间的间隙的堵塞而受阻：然后可能不发生溶解，
-固定刀和移动刀的磨损极快。平均而言，经过连续在线使用之后，发现刀必须每10至90天就更换。这导致的后果是所必需的研磨设备的数量加倍，并且需要艰难和漫长的维护，这是因为要在非常精确的条件下更换约200个刀片，而这经常会超出当地维护人员的能力范围。即使在使用高强度材料时也发生这种老化，
-此外，观察到这些速度、快速老化和轴承过热使得该设备与ATEX标准(与工作场所设备安全相关)不相容，陶瓷轴承可以减少这个问题但是不能彻底解决，
-最后，安装的电动机功率极高，例如对Comitrol 1500是30kW。
由于这些缺点似乎难以克服，因此20年来，使用这种类型的设备来分散水溶性聚合物还没有普及。
本发明克服所有上述缺点。
发明内容
根据本发明，出人意料地发现可以使用湿研磨单元将水溶性聚合物分散在水中，该湿研磨单元以工业速度即约20～40m/s周速转动(对200mm转子直径而言，平均速度为3000rpm)并且具有高流量(例如对于装配有200mm直径转子的研磨器为300kg/h)，其方法为用第一体积的水预润湿标准粒度的聚合物，然后立即将其切碎，然后加入第二体积的水将其分散。
本发明的主题是一种用于分散具有标准粒度分布为0.15～1mm的水溶性聚合物的装置，包括：
-润湿锥，其中通常用计量螺杆来计量聚合物，所述锥与一次进水线路连接；
-在所述锥的底端：
○用于研磨和排放经分散的聚合物的室，所述室包括：
■转子，其由电动机驱动并且装配有相对于转子半径任选倾斜的刀，
■固定的定子，其由相对于转子半径任选倾斜并且均匀间隔开的刀片构成，
■用于湿研磨聚合物的转子/定子组合件，
○在所述室的全部或部分外周上的通过二次水线路进料的环，所述环与所述室连通，用以将加压水喷射到定子的刀片上，因此使磨碎且溶胀的聚合物释放到所述刀片的表面上，
○用于降低转速和增加分散体在研磨室出口处浓度的组合件。
根据第一特征，聚合物通过溢流口在锥中润湿，在这种情况下该锥装配有双夹套，在其底部连接一次进水线路。作为替代方案，也可以利用本领域技术人员公知的任何其他手段(例如喷嘴或扁平射流)在锥中进行该润湿。
在实践中，转子装配有2～20个刀，有利的是4～12个刀。但是，刀的数目可以根据转子直径而变化。类似地，定子刀片的数目也可根据其直径而变化。在实践中，对于200mm的转子直径，刀片为50～300个，有利的是90～200个。此外并且根据另一特征，刀任选相对于转子半径或多或少地倾斜。有利的是，该倾斜为0～15°，优选2～10°。
根据另一特征，定子刀片之间的距离是50～800微米。为了有效研磨，转子刀与定子刀片之间的距离为50～300微米，有利的是100～200微米，实践中为约100微米。有利的是，定子刀片相对于转子半径的倾斜角度小于10°。这些刀片组装在外壳中，或者在金属或高强度化合物的质量块中切割。
在一个有利的实施方案中，转子刀不倾斜，而定子刀片倾斜。
另外，外周环通过孔、狭缝或等同物形式的穿孔与研磨排放室连通，在环上所述穿孔的尺寸和分布使得二次水可以在一定压力下被推进到定子刀片上，以防止凝胶聚合物堵塞刀片之间的空隙。因此，由转子泵抽作用施加的压力可以大幅下降而没有堵塞的风险。刀片的间距越小，连续操作所需的压力就越高。
本发明的另一主题是一种使用上述装置来分散水溶性聚合物尤其是丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺(共)聚合物的方法。
实践中，聚合物的分子量为至少1000万，有利的是大于1500万。
根据本方法，连续或间歇地：
-利用适于获得浓度为15～100g/l、有利的是20～80g/l的聚合物悬浮体的一次水的量在润湿锥中预润湿聚合物，
-然后，立即在研磨排放室中通过在转子刀和定子刀片之间切碎聚合物使经预润湿的聚合物的尺寸减小到实际为50～200微米的尺寸，而不使聚合物的分子量下降，
-然后，利用来自外周环的加压二次水来清理定子刀片之间的易于固定溶胀聚合物的空隙，
-移除分散的聚合物，通过用二次水稀释，该稀释的聚合物的浓度为3～30g/升、有利的是10～25g/升。
根据一个基本特征，提供用第一体积的水得到聚合物分散体的润湿步骤然后用第二体积的水稀释所分散的聚合物的稀释步骤的装置结构允许相当程度地降低转子的旋转速度。
有利的是，一次水占获得3～30g/升的聚合物浓度所需的全部水(一次水+二次水)的20～40重量％，而二次水占全部水(一次水+二次水)的60～80重量％。
因此，根据本方法的一个特征，对于200mm的切割直径，转子转速为2000～5000rpm，平均为约3000rpm。对于10cm的切割直径，转子转速为3000～6000rpm，对于40cm的切割直径，转子转速为1500～3000rpm。更一般地，根据转子直径(也称为切割直径)，对于
Figure GPA00001091702400071
1500设备，转子速度为20～40m/s，而不是90～150m/s。
此外，为了避免磨碎的聚合物堵塞定子刀片之间的空隙，将二次水推进通过环的穿孔，其压力为至少1巴，通常为主水压即3～6巴或更高，对于非常微细的间距，则通常为1～10巴。
如前所述，在本发明中必不可少的是在切碎之前预润湿聚合物，比例为其稀释至浓度3～30g/升所需水的总量的20～40％。这允许大幅提高设备的流量，对于200mm切割直径，可达到每小时300kg聚合物，本发明的方法分为两步：预润湿然后在研磨过程中最终稀释。
就这些实施的条件而言，关于设备的磨损没有特别要求，研磨单元的维护周期超过一年，通常为三年。
本发明的研磨单元可以应用于所有具有基本亲水特性的标准粒度分布的产品，例如纤维素盐或醚、黄原胶、瓜尔豆胶等。
结合附图，由下述实施例说明本发明及其优点。
图1是本发明的装置的示意性侧视图。
图2是沿图1的AA’的截面图。
实施例1：装置
根据图1，本发明的装置包括：
-润湿锥(1)，在其顶部通常经由计量螺杆连接至计量标准粒度分布的聚合物的柱(2)，锥(1)在其底部与向溢流口(4，4’)供料的一次进水线路(3)相连，
-在所述锥的底端，组合件(5)包括：
○用于研磨和排放经分散聚合物的室(6)(图2)，所述室包括：
■通过电动机(8)驱动的装配有刀(9)的转子(7)，
■固定的定子(10)，其包括均匀间隔并且相对于转子半径略微倾斜的刀片(11)，
○在所述室的全部或部分外周上的通过二次水线路(13)进料的环(12)，所述环(12)通过狭缝(14)与室(6)连通，以将加压水喷到定子(10)的刀片(11)上。
实施例2：应用
在该实施例中测试了三种具有不同尺寸的本发明的研磨装置。
技术特征和溶解条件在下表中给出，使用分子量为1900万和粒度分布为0～1000微米的丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物。
  研磨装置的技术特征  测试1‘PSU 300’  测试2‘PSU 100’   测试3‘PSU 1000’
  切割直径(以mm计)(转子尺寸)   200   100   400
  固定刀的数目   90   50   200
  固定刀的高度(以mm计)   16.6   16.6   33.2
  刀间距   300微米   200微米   400微米
  固定/移动刀的间距   100微米   100微米   100微米
  切割角   3°   2°   3°
  研磨装置的技术特征  测试1‘PSU 300’  测试2‘PSU 100’   测试3‘PSU 1000’
  移动刀的数目(即在转子上)   6   4   12
  转子速度   3000rpm   5000rpm   2000rpm
  转子功率   7.5kW   3kW   20kW
 分散特性
一次水的流量   10m3/h25℃   3m3/h25℃   20m3/h25℃
 阴离子聚丙烯酰胺的流量(阴离子率30％；分子量1900万；粒度分布0～1000微米) 300kg/h 110kg/h 1400kg/h
 在围绕定子的同心环中的二次水流量(压力4巴)   20m3/h25℃   8m3/h25℃   40m3/h25℃
 分散体的最终浓度   10g/l   10g/l   23.3g/l
 最终压力   1.5巴   1巴   1.8巴
 获得通常最大粘度的溶解时间   ＜10分钟   ＜5分钟   ＜5分钟
如可观察到的，本发明的研磨单元允许：
-甚至对于极高分子量聚合物在高浓度下也获得非常短的溶解时间，不形成鱼眼，也不需要后续过滤，
-在压力下传送这些分散体，这允许将它们输送到终端应用；如有必要，研磨单元也可以直接连接到更长距离的相同容积的容积式泵(Moyno、齿轮、叶片、螺旋型等)，
-很长时间连续操作而不损坏驱动轴承或者转子或定子，滚珠轴承的温度只升高几度(5～10℃)，然后保持稳定，
-建造不同尺寸的设备，因此即可适应需求又同时保持正常工业速度(例如，与URSCHEL装置相反的是，URSCHEL装置在类似于‘PSU 100’的小单元的情况下，要求使用约20000～30000rpm的过高速度)。

Claims (9)

1.一种用于分散水溶性聚合物的装置，所述水溶性聚合物具有0.15～1mm的标准粒径分布，所述装置包括：
-润湿锥(1)，在其中计量所述聚合物，所述锥与一次进水线路(3)连接；
-在所述锥的底端：
○用于研磨和排放经分散的聚合物的室(6)，所述室包括：
■转子(7)，其通过电动机(8)驱动并且装配有相对于所述转子的半径任选倾斜的刀(9)，
■固定的定子(10)，其由相对于所述转子的半径任选倾斜并且均匀间隔开的刀片(11)构成，
○在所述室的全部或部分外周上的通过二次水线路(13)供料的环(12)，所述环(12)与所述室(6)连通，用以将加压水喷射到所述定子的刀片上，由此使磨碎且溶胀的聚合物释放到所述刀片的表面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刀(9)相对于所述转子(7)的半径的倾斜角度为0～15°，优选2～10°。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的装置，其特征在于，所述定子(10)的刀片(11)之间的距离是50～800微米，而所述转子(7)的刀(9)与所述定子(10)的刀片(11)之间的距离为50～300微米，优选100～200微米。
4.一种实施根据权利要求1～3中任一项所述的装置以分散具有0.15～1mm的标准粒度分布的水溶性聚合物的方法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以连续或间歇模式：
-利用适于获得浓度为15～100g/l的聚合物悬浮体的一次水的量在所述润湿锥(1)中预润湿所述聚合物，
-然后，立即在研磨排放室(6)中通过在所述转子(7)的刀(9)和所述定子(10)的刀片(11)之间切碎所述聚合物来减小经预润湿的聚合物的尺寸，
-然后，利用来自外周环(12)的加压二次水来清理在其中易于固定溶胀聚合物的所述定子(10)的刀片(11)之间的空隙，
-取出经分散的聚合物，通过用二次水稀释，其浓度为3～30g/升、优选10～25g/升。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一次水占全部水(一次水+二次水)的20～40重量％，而二次水占全部水(一次水+二次水)的60～80重量％。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述转子(7)的圆周转速为20～40m/s。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述二次水在1～10巴、优选3～6巴的压力下被推动。
9.根据权利要求4～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述水溶性聚合物为丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺的(共)聚合物。
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