CN102076403A - 用于连续制备单体乳液的混合装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于连续制备单体乳液的混合装置和方法，所述单体乳液可以用于通过自由基水性乳液聚合制备聚合物分散体。所述混合装置可以包括管套管喷射器(100)和适合的转子-定子混合器(102)。以基本上防止液体在进入用于乳液形成的转子-定子混合器的混合区域之前的进料比的进料不一致的方式，将液体经由管(110)和外管(108)输送到转子-定子混合器中。

Description

用于连续制备单体乳液的混合装置和方法
发明领域
本发明总体上涉及混合装置和它们的使用方法，并且特别是涉及用于连续制备乳液的混合装置。
发明背景
聚合物被用于各种应用中，如粘合剂、涂料、纸张涂层和织物涂层。许多这种聚合物是通过使用被称为乳液聚合的方法制备的。
乳液聚合物是一种通常从水、单体和乳化剂的乳液开始的自由基聚合。通常，乳液的形成遵循两步。首先，将至少两种包含不混溶液相的组分预混合。通常，此预混合在合适量的一种或多种乳化剂的存在下发生，以便产生分散液相在另一种连续液相中的小滴。其次，通过剪切力将从此预混合步骤中产生的小滴破坏，从而产生更小的小滴的更稳定的乳液。
然而，此预混合步骤对乳液聚合工艺增加设备成本，增加反应性单体混合物的滞留量(hold up)，可能对工艺增加停工时间和相关成本，并且由于增加在整个乳化系统中的停留时间而影响进料到聚合反应器中的反应性单体混合物进料的精度。
发明概述
本发明提供混合装置的实施方案，所述混合装置包括管套管(pipe-in-pipe)喷射器和转子-定子混合器。对于各种实施方案，管套管喷射器包括具有出口端的内管，所述出口端位于与转子-定子混合器的转子的前表面(leading surface)相距预定距离处，以使从管套管喷射器输送到转子-定子混合器中的两种以上不混溶液体形成乳液。对于各种实施方案，预定距离允许管套管喷射器以基本恒定的进料比并且以均匀的进料速率对转子-定子混合器的混合区域提供稳定的相分离液体流。令人惊讶地，用本发明的混合装置，可以在不需要以前必需的上游混合或预混合步骤的情况下，连续地制备稳定的单体乳液。
对于各种实施方案，混合装置的转子-定子混合器具有带前表面的转子、液体入口和混合区域。对于各种实施方案，管套管喷射器具有内管和外管，所述外管至少部分地环绕所述内管，其中两个管都具有端部和出口端。如本文中所述，转子的前表面是沿从内管管腔朝向转子延伸的中心轴在转子上交会的实际或假想的起点。对于各种实施方案，内管具有内径，其中内管的出口端可以位于与转子的前表面相距内管内径的约1.5至约0.5倍的预定距离处。
对于各种实施方案，由管套管喷射器的内管和外管提供的端部在相同的方向上延伸。在一个实施方案中，外管具有入口部，并且内管从外管的入口部延伸到外管的端部和出口端以外。对于各种实施方案，在内管的出口端位于与转子-定子混合器的转子前表面相距预定距离处的情况下，管套管喷射器可以与转子-定子混合器的液体入口连接。在另外的实施方案中，内管和外管的端部可以是同心或偏心的。
本发明还提供形成单体乳液的方法，所述单体乳液可以用于连续聚合工艺中。公开的方法可以包括以第一质量流量向转子-定子混合器供应第一液体；以第二质量流量向转子-定子混合器供应第二液体，所述第二质量流量为第二液体最终质量流量的约50％，其中第二液体与第一液体不混溶，并且第一液体和第二液体中的至少一种含有单体；在预定的时间区间，将第二液体的第二质量流量从最终质量流量的约50％增加至最终质量流量；并且对转子-定子混合器中的第一液体和第二液体提供足以由第一液体和第二液体形成连续的单体乳液的停留时间。
对于各种实施方案，第一液体和第二液体可以具有不同的密度值。一些公开的实施方案提供了，经由管套管喷射器的内管将具有更大密度的液体供应到转子-定子混合器中，并且经由管套管喷射器的外管将具有较小密度的液体供应到转子-定子混合器中。例如，在其中第一液体具有第一密度并且第二液体具有小于第一密度的第二密度的实施方案中，将第一液体以连续的流形式经由内管供应，而从环绕第一液体连续流的外管供应第二液体。
在另外的实施方案中，以基本上防止如本文中定义的第一液体和第二液体在进入转子-定子混合器的混合区域之前的进料比的进料不一致的方式，向转子-定子混合器供应第一液体和第二液体。如本文中所述，管套管喷射器通过使第一液体与第二液体保持分开直至与转子的前表面相距内管内径的约1.5至约0.5倍的预定距离处，而有助于基本上防止不混溶液体中的进料不一致。
本发明的实施方案还包括制备用于聚合工艺的连续单体乳液的方法。对于各种实施方案，该方法包括通过管套管喷射器的内管供应第一液体，所述管套管喷射器的内管的出口端位于与转子-定子混合器的转子前表面相距预定距离处；通过管套管喷射器的外管向转子-定子混合器供应第二液体，其中第一液体和第二液体中的至少一种含有单体，并且第一液体从被来自外管的第二液体环绕的内管中排出并且在与来自外管的第二液体共同的方向上流动；并且在转子-定子混合器的混合区域中由第一液体和第二连续地形成乳液。对于各种实施方案，可以将不混溶液体以基本恒定的进料比供应到混合区域，所述进料比是第二液体的质量流量∶第一液体的质量流量。对于各种实施方案，基本恒定的第二液体的质量流量与第一液体的质量流量的进料比可以为至少3∶1。基本恒定的第二液体的质量流量与第一液体的质量流量的进料比的其它值包括但不限于，至少5∶1并且约13.5∶1。
以上本发明的概述不意为描述本发明的每个公开的实施方案或者每种实施方式。随后的说明更具体地示例说明性实施方案。在整个申请中的若干地方，通过实例的列举提供了指导，所述实例可以以各种组合形式使用。在每种情况下，所述的列举仅作为有代表性的组，并且不应当被解释为穷举性的列举。
附图简述
图1示例根据本发明实施方案的混合装置的部件。
图2示例以部分展开图显示的根据本发明的一个实施方案的混合装置。
定义
如在本文中使用，″一个(a)″、″一种(an)″、″所述(the)″、″至少一个″和″一个或多个″可相互交换地使用。术语“包括”和“包含”及其变体在说明书和权利要求中出现这些术语的地方不具有限制性的含义。因而，例如，包括″一个″转子的混合装置可以解释为表示该混合装置包括″一个或多个″转子。
如在本文中使用，“内径”表示在限定内管管腔的内表面上沿垂直通过管腔中心轴的直线取的两点之间的距离。
如在本文中使用，转子-定子混合器的转子的“前表面”被定义为沿从内管管腔朝向转子延伸的中心轴在转子上交会的、实际或假想的起点。
如在本文中使用，“进料不一致”表示进入转子-定子混合器的混合区域中的不混溶液体连续相的进料比的波动和不稳定，其导致难以由转子-定子混合器形成和/或重新形成稳态乳液产物。如在本文中使用，“进料不一致(feed inconsistency)”和“进料不一致(feed inconsistencies)”可以相互交换地使用。
如在本文中使用，“混合区域”表示在其中通过部件如转子-定子混合器的转子的运动提供搅动(或能量)的容积(volume)。
如在本文中使用，“乳液”表示保持在悬浮液中的两种以上不混溶液体的混合物，该混合物具有对于预定用途足够的稳定性。
如在本文中使用，“和/或”表示一个、一个或多个、或者全部列举的要素。
同样在本文中，以端点列举的数值范围包括所有包含在该范围内的全部数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5，等)。
发明详述
在本文中的附图遵循这样的编号规定：最初的一个或多个数字对应于附图编号，并且其余数字标识该附图中的元件或部件。在不同的图中类似的元件或部件可以通过使用类似的数字来标识。例如，110可以表示图1中的元件“10”，并且类似的元件在图2中可以表示为210。如将理解的是，在本文的各种实施方案中显示的元件可以增加、交换、和/或免除以提供许多其它实施方案。此外，如将理解的是，在图中提供的元件的比例和相对尺度意为示例本发明的实施方案，并且不应当以限制性的含义来理解。
本发明提供了包括以下各项的实施方案：混合装置，使用所述混合装置形成用于连续、半连续或分批聚合工艺的单体乳液的方法，和/或使用该混合装置的用于聚合工艺的连续、半连续或分批单体乳液制备方法。这样的聚合工艺的实例包括但不限于，通过自由基水性乳液聚合制备聚合物分散体。
图1示例根据本发明实施方案的混合装置的部件。如示例的，混合装置的部件包括管套管喷射器100和转子-定子混合器102，所述转子-定子混合器102具有转子104和定子106。转子104也可以称为叶轮。
对于各种实施方案，管套管喷射器100包括外管108和内管110，其中外管108至少部分地环绕内管110。如示例的，外管108包括具有出口端114的端部112，并且内管110包括具有出口端118的端部116。
对于各种实施方案，内管的110的出口端118位于与转子-定子混合器102的转子104的前表面122相距预定距离120处。在一个实施方案中，预定距离120是从管套管喷射器100提供的不混溶液体(例如，来自外管108的有机液体和来自内管110的水性液体，其中两种液体是不混溶的)在进入转子-定子混合器102的混合区域124前保持接触、相分离和基本恒定的进料比的长度。
令人惊讶地，已经发现，对于本发明的实施方案，如本文中所述的，使不混溶液体在超过距离转子104的前表面122的预定距离120的距离内接触，导致不混溶液体的进料不一致，这实际上抑制乳液在转子-定子混合器102中的形成。对于各种实施方案，使内管110的出口端118位于与转子104的前表面相距预定距离处，有助于防止不混溶液体的进料不一致，从而允许由从管套管喷射器100输送到转子-定子混合器102中的两种以上不混溶液体形成乳液。
尽管不希望受理论约束，但是据认为使不混溶液体在超过预定距离120的距离内接触导致不混溶液体的“进料不一致”，这抑制乳液在转子-定子混合器102中的形成。当发生进料不一致时，进入混合区域124中的不混溶液体连续相的进料比可能有波动或不稳定。换言之，进料不一致可能导致进入混合区域124中的不混溶液体的非稳态进料比。由于在混合区域124中的停留时间短，进料比的波动或不稳定可以导致不混溶液体之一在混合区域124中的瞬间排放(purge)或缺乏。一旦发生这种情况，则可能难以由转子-定子混合器102形成或重新形成稳态乳液产物，这与转子速度和/或来自转子-定子混合器102的流的液体反压力(backpressure)无关。换言之，“进料不一致”可能导致不混溶液体在混合区域124中的进料比不一致，这导致在形成和/或保持乳液方面的困难。
之前用于使不混溶液体的进料比和/或进料速率的波动或不一致最小化的方法包括预混合步骤，所述预混合步骤用于在转子-定子混合器上游形成不混溶液体的“粗制”预分散体。形成“粗制”预分散体在于尝试减少和/或抑制不混溶液体的进料比和/或进料速率的波动，并从而将不混溶液体之一在混合区域中的瞬间排放的几率减到最小。然而，使用此预混合步骤需要额外的混合装置并且导致不混溶液体在系统中的停留时间增加，从而导致乳液滞留量更大以及到聚合反应器中的材料剂量更不精确。
然而，本发明的实施方案提供不同的方法以确保基本恒定进料比的不混溶液体以均匀的进料速率进料到转子-定子混合器102中，而不需要预混合步骤。根据各种实施方案，管套管喷射器100允许将基本恒定进料比的不混溶液体以均匀的进料速率供应到转子-定子混合器102的混合区域124中，其中不混溶液体不经历如将在本文中所讨论的预混合步骤中发现的预混合。对于各种实施方案，使管套管喷射器100的内管110的出口端118位于距离转子104的前表面122预定距离120处，有助于防止不混溶液体在进入转子-定子混合器102的混合区域124之前的进料不一致。因而，根据本发明的实施方案，不混溶液体的混合直接在转子-定子混合器102的混合区域124中发生。
对于各种实施方案，意识到的是预定距离120的优选值可以取决于本发明混合装置的许多不同的工艺参数和构造。例如，不混溶液体沿预定距离120接触的接触时间可以是各自的质量流量的函数。如果不混溶液体之一或两者的质量流量对于给定预定距离120太慢，则不混溶液体在进入混合区域124之前可能发生进料不一致。同样地，如果预定距离120对于不混溶液体的给定质量流量太长，则不混溶液体在进入混合区域124之前也可能发生进料不一致。
如理解的是，用于形成乳液的不混溶液体的质量流量，和后来在聚合反应过程中形成的聚合物分散体的质量流量，也可以作为其中发生聚合反应的反应器的传热速率能力(heat transfer rate capabilities)的函数。因此，给定反应器的传热速率能力，则可以确定不混溶液体所需的质量流量。这些质量流量可以随后用于确定制备所需的聚合物分散体需要的不混溶液体的体积流量。
因而质量流量可以与外管108和内管110中的每一个的横截面积和预定距离120的长度一起使用，以更好地确保不混溶液体沿预定距离120接触的接触时间足够短，以便充分地防止不混溶液体在进入混合区域124之前的进料不一致。如将理解的是，不混溶液体的质量流量的确定以及随后不混溶液体沿预定距离120的接触时间的确定可能需要对于所给定用于形成聚合反应用的乳液的不混溶液体视情况而进行。
对于各种实施方案，距离转子104的前表面122的预定距离120可以为内管110的内径125的约1.5至约0.5倍。因此，在其中内管110的内径125为约2.50cm(即，约1英寸)的实施方案中，预定距离120可以为约2.50cm。然而，应理解的是取决于本发明的混合装置不同的工艺参数、构造，和/或用于形成乳液的不混溶液体的组成等因素，预定距离120的值可以不同于在本文中列举的值。因此，例如，有可能的是距离转子的前表面122的预定距离120可以大于内管110的内径125的约1.5和/或小于内管110的内径125的约0.5倍。
在一些实施方案中，为了获得相对于转子104的前表面122的预定距离120，内管110从外管108的入口部126延伸并且延伸到外管108的出口端114之外。这样的配置使内管110的出口端118比外管108的出口端114更接近于转子104的前表面122。这允许内管110延伸到转子-定子混合器102的液体入口内，以使内管110的出口端118位于与转子104的前表面122相距预定距离120处。在一个备选实施方案中，当规定出口端114和出口端118都在距离转子104的前表面122不大于预定距离120时，出口端114和出口端118距离转子104的前表面122的距离可以基本上相等(即，基本上共平面)。
图1还提供了转子104的前表面122和转子-定子混合器102的混合区域124的示例。对于各种实施方案，混合区域124是在其中将来自转子-定子混合器102的能量赋予由管套管喷射器100供应的液体的区域，这将在本文中论述。在一个实施方案中，可以通过转子104运动结合定子106将来自转子-定子混合器102的能量赋予混合区域124中的液体。对于各个实施方案，在混合区域124中提供的能量导致两种以上不混溶液体形成乳液。
对于在本文中论述的实施方案，限定混合区域124的容积可以通过转子104的前表面122和转子叶片130以及平面128界定，所述平面128包括在转子-定子混合器102上最接近内管110的出口端118的点。例如，用于限定混合区域124的平面128的转子104的点可以是部分的转子叶片130，所述部分的转子叶片130位于最接近内管110的出口端118处，这是沿中心轴132测得的。在备选的实施方案中，混合区域124可以至少部分地由平面128限定，所述平面128包括定子106上最接近内管110的出口端118的点，这是沿中心轴132测得的。对于各种实施方案，有助于限定混合区域124的平面128可以基本上垂直于中心轴132。
对于各种实施方案，外管108和内管110各自的端部112和116都在共同方向134上延伸。在一个实施方案中，共同方向134朝向转子104的前表面122，其中从端部112和116排出的液体流的方向基本上在共同方向134上。对于各种实施方案，液体流的共同方向134可以与中心轴132平行。在各种实施方案中，对液体流提供共同方向134可以通过以下条件实现：外管108和内管110中的每一个保持均匀的横截面形状和面积，并且当液体通过内管110的出口端118时，具有足以确保各个液体沿共同方向134具有基本上稳定速度的长度。
对于各种实施方案，从管套管喷射器100输送的不混溶液体的相对位置可能影响是否能够使用本发明的混合装置形成乳液。例如，从管套管喷射器100输送的不混溶液体可以包含第一液体和第二液体，其中第一液体的密度大于第二液体的密度。根据本发明的实施方案，在其中通过内管110供应具有更大密度的第一液体的实施方案中，可以形成不混溶液体的乳液。反之，根据本发明的实施方案，当通过内管110供应具有更小密度的第二液体时，在类似的处理条件下(例如，第一和第二液体的质量流量、在混合区域中提供的剪切力、温度等)未必可以形成不混溶液体的乳液。因而，优选的是对于从管套管喷射器100输送的任意两种不混溶液体，更稠的液体应当经由内管110输送。
如图1中示例，外管108和内管110各自的端部112和116是同心的，其中它们在它们长度的至少一部分上具有关于它们各自的内表面的中心轴132。在一个另外的实施方案中，外管108和内管110各自的端部112和116可以是偏心的，其中外管108和内管110的端部112和116在它们长度的至少一部分上共有关于它们各自的内表面的平行轴。
图1示例形成外管108和内管110而具有关于中心轴132的圆形横截面形状的壁，但是管套管喷射器100可采用其它横截面形状。例如，外管108和/或内管110可以具有下列形状之一作为它们的横截面形状：圆形、部分圆形、抛物线形、椭圆形、部分椭圆形、多边形(例如，矩形)、或它们的组合。
此外，取决于许多不同的因素，外管108和内管110中的每一个的横截面面积可以相同或不同，所述因素包括：由转子-定子混合器102提供的混合区域124，转子104的前表面122和/或通过管110和112供应的各个液体的组成。然而，如本文中所述，通过外管108和内管110提供的不混溶液体在进入转子-定子混合器102的混合区域124之前不经历显著的进料不一致。此外，适宜的是不混溶液体的质量流量不引起来自管套管喷射器100的射流，或者在使得不混溶液体接触时将充分混合而导致进料不一致的流。因而，外管108和/或内管110的横截面面积可能对于特定应用不适宜。在另一个实施方案中，当三种以上的液流将要用于混合装置时，第二内管可以与内管110和外管108一起使用，其中所述第二内管与内管和外管110和108可以是同心的或是偏心的。
本发明的混合装置可以用于制备用于分批、半分批和连续聚合工艺的乳液。这样的聚合工艺的实例可以包括但不限于：乳液聚合工艺、微乳液聚合工艺、分散聚合工艺、悬浮聚合工艺、和/或其它多相自由基引发聚合工艺，该工艺包括在有或没有界面活性物质如表面活性剂或保护胶体的情况下分散于水中的多种烯键式不饱和单体。优选地，本发明的混合装置可以用于连续地制备如本文中所述被进料到用于自由基水性乳液聚合的反应器中的单体乳液。
图2示例根据本发明一个实施方案的混合装置236。如示例的，以部分展开图显示的混合装置236包括管套管喷射器200和转子-定子混合器202(如本文中所述)。对于各种实施方案，混合装置236可以用于在低至0℃和高达30℃的环境操作温度由不混溶液体形成乳液。
对于各种实施方案，转子-定子混合器202包括具有旋转驱动轴240的变速发动机238，所述旋转驱动轴240提供动力以驱动在转子-定子混合器202的相关定子206内部的转子204。在一个实施方案中，发动机238是电动机。
转子-定子混合器202还包括向如本文中所述的转子204和定子206提供的混合区域224引导的液体入口242，和引导离开混合区域224的液体出口244。转子-定子混合器202还包括入口凸缘246和出口凸缘248。对于各种实施方案，出口凸缘248可以用于将出口管250与转子-定子混合器202物理地连接，其中出口管250可以用于将在转子-定子混合器202中形成的乳液引导至反应容器中。
在一个实施方案中，管套管喷射器200还包括凸缘252，所述凸缘252允许将管套管喷射器200与转子-定子混合器202的入口凸缘246以液密方式物理地连接。对于各种实施方案，外管208的出口端214具有与转子-定子混合器202的液体入口242基本上相同的横截面形状和尺寸。
还显示管套管喷射器200具有内管210的出口端218，该出口端218从外管208的入口部226延伸并且延伸到外管208的出口端214之外。如本文中所述，这允许内管210延伸到转子-定子混合器202的液体入口242中，以使内管210的出口端218位于与转子204的前表面222相距预定距离处，如本文中所述。
如本领域技术人员将理解的是，各种转子-定子混合器202可以用于本文中所公开的混合装置236中。这样的转子-定子混合器的实例包括但不限于具有带齿转子和定子的那些和具有转子笼(rotor cage)型设计的那些。这些类型的转子-定子的实例包括但不限于，可从Chemineer，Inc.，Ika
Figure BPA00001281334900101
WerkeGmbH & Co.，Silverson Machines，Inc.和Kinematica，Inc等商购的那些。其它合适的转子-定子混合器的实例可以在工业混合手册：科学与实践(Handbook of Industrial Mixing：Science and Practice)，ISBN 0-471-26919-0，J Wiley and Sons，2004，第8章：转子定子混合装置中找到，该文献以全文形式结合在本文中。合适的转子-定子混合器的一个具体实例是由Chemineer，Inc的分公司Greerco制造的2英寸Greerco串联式剪切转子-定子管道混合器(tandem shear rotor-stator pipeline mixer)。
混合装置236还可以与工艺控制设备结合以控制由转子-定子混合器202形成乳液。例如，混合装置236的工艺控制部件可以调节从管套管喷射器200输送的不混溶液体的质量流量、转子204的转速、和在转子-定子混合器202中形成的液体反压力等。
例如，混合装置236可以与质量流控制单元254结合以监测并控制经由管套管喷射器200供应到转子-定子混合器202中的液体的质量流量。对于各种实施方案，质量流控制单元254可以包括软件、应用模块、专用集成电路(ASIC)逻辑、和/或指令，它们可储存在存储器中并可由处理器执行以从一个或多个装置接收信号并且控制一个或多个装置，所述一个或多个装置调节通过外管208和内管210供应到转子-定子混合器202的液体的质量流量。这样的装置的实例包括单不限于，液泵、温度传感器、流量计(例如，体积流量计和/或质量流量计)和调节阀。
对于各种实施方案，质量流控制单元254可以基于输入值参数来监测并控制不混溶液体通过它们各自的管套管喷射器200的外管208和内管210到转子-定子混合器202中的质量流量。例如，质量流控制单元254可以使用来自反应器的温度读数来调节通过管套管喷射器200输送的不混溶液体的质量流量。
质量流控制单元254还可以用于提供和保持基本恒定进料比的不混溶液体以均匀进料速率进料到转子-定子混合器202的混合区域224中。例如，质量流控制单元254可以监测并控制以至少1∶1的基本恒定的进料比通过内管210的第一液体的质量流量和通过外管108的第二液体的质量流量。在另一个实施方案中，质量流控制单元254可以监测并控制以至少3∶1的基本恒定的进料比通过内管210的第一液体的质量流量和通过外管108的第二液体的质量流量。质量流控制单元254可以监测并控制的其它可能的基本恒定的进料比包括但不限于至少4∶1、至少5∶1、和约13.5∶1。其它基本恒定的进料比也是可能的并且将取决于由混合装置236制备的乳液的所需组成。
各种实施方案还可以包括后转子-定子混合器控制单元(post rotor-stator mixer control unit)256。所述后转子-定子混合器控制单元256可以包括软件、应用模块、专用集成电路(ASIC)逻辑、和/或指令，它们可储存在存储器中并可由处理器执行以从一个或多个装置接收信号并且控制一个或多个装置，所述一个或多个装置可以用于调节在转子-定子混合器202中形成的乳液的液体反压力。这样的装置的实例包括但不限于，压力传感器、调节阀和粘度计。
对于各种实施方案，从转子-定子混合器202的液体出口244侧排出的乳液的液体反压力和乳液的粘度是可以使用后转子-定子混合器控制单元256监测、调节和/或保持的工艺参数。例如后转子-定子混合器控制单元256可以用于监测并调节乳液的液体反压力以影响不混溶液体在混合区域224中用于形成乳液的停留时间和/或用于指示乳液的形成。对于各种实施方案，在液体出口244中的粘度读数也可以什么时候形成乳液和是否形成乳液，其生长速率和/或乳液在混合装置236中的量。
对于不同的不混溶液体、基本恒定的进料比和流量，适宜的液体反压力可以具有不同的值，但是应当足以使供应到转子-定子混合器中的液体在用于乳化的转子-定子混合器内具有足够的停留时间。对于一些实施方案，还可以具有固定的或预定的液体反压力值。对于一些实施方案，优选的预定液体反压力可以在约30psi(磅/平方英寸)至约50psi的范围内。
对于各种实施方案，后转子-定子混合器控制单元256还可以用于控制与转子204连接的变速发动机238的转速。如将理解的是，转子204的转速影响转子-定子混合器赋予不混溶液体的剪切应力。通常，转子204的转速和由转子204赋予的剪切应力可以通过调节对转子-定子混合器输入的能量来调节，从而增加的能量导致提高的转速和通常增加的剪切应力。结合使用给定的不混溶液体的液体反压力值和/或质量流量，可以将变速发动机238的转速变化通过后转子-定子混合器控制单元256用于由不混溶液体获得乳液。
由转子-定子混合器202提供的剪切应力也可以在某种程度上取决于转子-定子混合器202的设计、部件和/或操作条件。用于乳液产生所需的转子-定子混合器的转速可以具有对于特定的应用不同的值，并且可以部分地取决于变量如供应到转子-定子混合器202中的液体的相比率和流量、不混溶液体在转子-定子混合器202中的停留时间、是否包含表面活性剂、以及在包含表面活性剂时所采用的表面活性剂的类型和表面活性剂的浓度。转子-定子混合器202的转速的调节可以用于调节在转子-定子混合器202的液体出口244侧的液体反压力和/或粘度。
优选地，如本文中所述，表面活性剂可以用于稳定在转子-定子混合器202中形成的乳液。对于各种实施方案，可以将表面活性剂溶解在第一液体或第二液体中。在另一个实施方案中，表面活性剂还可以经由另外的喷嘴进料到混合区域224中。优选地，将表面活性剂通过管套管喷射器200与供应到混合区域中的两种以上液体中更稠的液体一起提供。
混合装置236的实施方案可以用于由各种不混溶液体形成乳液。例如，混合装置的实施方案可以用于形成用于聚合工艺的连续单体乳液产物(production)。对于各种实施方案，单体乳液可以由第一液体和第二液体形成，其中第二液体与第一液体不混溶，并且第一液体和第二液体中的至少一种含有单体。第一液体和第二液体还具有不同的密度，其中第一液体具有第一密度并且第二液体具有小于第一密度的第二密度。
如本文中所述，从管套管喷射器200输送的第一液体和第二液体的相对位置可能影响乳液形成。优选地，对于各种实施方案，具有更大密度的液体应当通过内管210供应，并且具有更小密度的液体应当通过外管208供应。因此，对于本发明的实施方案，第二液体的连续流应当通过外管208供应，以环绕通过内管210供应的第一液体的连续流。在此配置的条件下，第一液体将从被来自外管208的第二液体环绕的内管210排出并在与来自外管208的第二液体共同的方向流动。然后可以在转子-定子混合器202的混合区域224中连续地形成第一液体和第二液体的乳液。
如本文中所述，可以对从管套管喷射器200输送的第一液体和第二液体提供足以形成单体乳液的停留时间。对于各种实施方案，如本文中所述，也可以调节由来自转子-定子混合器202的单体乳液施加的液体反压力，以提供足以形成单体乳液的停留时间。对于各种实施方案，对转子-定子混合器202中的第一液体和第二液体提供足以形成单体乳液的停留时间还可以包括调节由转子-定子混合器202输入的能量，以便由第一液体和第二液体形成单体乳液。
如本文中所述，为了形成用于乳液聚合工艺的单体乳液，第一液体和第二液体中的至少一种含有单体。第一液体和第二液体也是如本文中所述的不混溶的液体，如有机溶液和水溶液。例如，第一液体可以是水溶液并且第二液体可以是具有烯键式不饱和单体的有机溶液。
通过经由管套管喷射器200向转子-定子混合器202供应水溶液和具有烯键式不饱和单体的有机溶液可以制备多种单体乳液。如本文中所述，可以将基本恒定进料比的不混溶液体以均匀的进料速率提供到转子-定子混合器202的混合区域224。通常，当有机溶液和水溶液的进料比增加时，形成单体乳液变得愈加困难。令人惊讶地，所公开的实施方案在如在本文中提供的基本恒定的进料比的宽范围内以单一步骤提供连续单体乳液的形成。例如，在本文中提供的混合装置236的实施方案能够从具有至少3∶1；至少5∶1；乃至约13.5∶1的基本恒定的进料比的有机溶液和水溶液形成单体乳液。当使用本发明的混合装置236时，大于13.5∶1的有机溶液与水溶液的基本恒定的进料比也可以用于单体乳液形成。
混合装置236的实施方案可以用于形成用于连续聚合工艺的单体乳液。对于各种实施方案，最初形成单体乳液可以利用启动(start-up)技术完成，所述启动技术已经被发现在如本文中所述以多种多样的基本恒定的进料比输送的多种多样的不混溶液体形成乳液上取得了成功。
本发明的启动技术的实施方案与简单地将第一和第二液体以它们各自的均匀进料速率和基本恒定的进料比进料到转子-定子202中相反。这种方法导致在从第一和第二液体制备乳液时的不一致。反之，本发明启动技术的实施方案以稳态的方式一致地制备和保持以多种多样基本恒定的进料比输送的多种多样的不混溶液体的乳液。
如本文中所述，从管套管喷射器200输送的第一液体和第二液体的相对位置可以影响乳液形成。假定第一流体具有第一密度并且第二流体具有小于第一密度的第二密度，优选第二液体的连续流可以通过外管208供应，从而环绕通过内管210供应的第一液体的连续流。在此配置的条件下，第一液体将从被来自外管208的第二液体环绕的内管210中排出并且在与来自外管208的第二液体共同的方向流动。然后可以在转子-定子混合器202的混合区域224中连续地形成第一液体和第二液体的乳液。
首先，可以通过内管210供应第一液体(例如，如本文中讨论的水溶液)以在向转子-定子混合器202供应第二液体(例如，具有烯键式不饱和单体的有机溶液)前填充转子-定子混合器202。换言之，对于启动技术，单独供应第一液体以填充和提供通过转子-定子混合器202的液流。对于各种实施方案，用于填充转子-定子混合器202的第一质量流量可以是在形成单体乳液中第一液体的最终质量流量(其首先计算用以实现所需反应)。在一个实施方案中，在结合后转子-定子混合器控制单元256的情况下以第一质量流量向转子-定子混合器202中供应第一液体，有助于在向转子-定子混合器202供应第二液体之前在转子-定子混合器202中产生液体反压力。
对于各种实施方案，一旦第一质量流量的第一液体已经填充了转子-定子混合器202并且已经获得液体反压力，就将第二液体以低于其最终质量流量(其首选计算用以实现所需反应)的质量流量供应到转子-定子混合器202中。例如，可以将第二液体以第二质量流量供应到转子-定子混合器202中，所述第二质量流量为第二液体最终质量流量的约50％。第二液体的第二质量流量的其它值也是可以的。
对于各种实施方案，随后可以在预定的时间区间将第二液体的质量流量从第二质量流量增加至最终质量流量。对于各种实施方案，预定的时间区间可以是约5分钟、约6分钟或更长。预定的时间区间的其它值(例如，短于约5分钟的时间区间)也是可以的。可以对在启动技术过程中从管套管喷射器200输送的第一液体和第二液体提供足以形成单体乳液的停留时间，如本文中所述。
如本文中所述，混合装置的实施方案可以用于形成用于聚合工艺的连续单体乳液。对于各种实施方案，单体乳液可以由第一液体和第二液体形成，其中第二液体与第一液体是不混溶的，并且第一液体和第二液体中的至少一种含有单体。
这些单体的实例包括但不限于，至少一种烯键式不饱和单体。这样的烯键式不饱和单体的合适的实例包括但不限于：乙烯、苯乙烯或烷基取代的苯乙烯；乙烯酯类，如乙酸乙烯酯、异丙基乙酸乙烯酯(vinyl isopryl acetate)、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、新戊酸乙烯酯、新壬酸乙烯酯、己酸2-乙酯(2-ethyl hexanoate)、新癸酸乙烯酯、新十一烷酸乙烯酯(vinyl neo-endecanoate)、新十二烷酸乙烯酯和它们的混合物；卤乙烯，如氯乙烯和偏二氯乙烯；(甲基)丙烯酸酯单体，包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异癸酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸羟基乙酯、甲基丙烯酸羟基丙酯；(甲基)丙烯腈；(甲基)丙烯酰胺；丁二烯；丙烯、α-烯烃如1-癸烯；丁酸乙烯酯和其它乙烯酯类；和单烯键式不饱和(甲基)丙烯酸类单体。单烯键式不饱和(甲基)丙烯酸类单体的实例包括(甲基)丙烯酸的酯和腈，例如(甲基)丙烯酸的C1至C24烷基酯如(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、和(甲基)丙烯酸十八烷基酯；疏水支链单乙烯酯类；具有可水解Si-有机键的单体，包括乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三丙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基硅烷)、和乙烯基三异丙氧基硅烷。在其它术语如丙烯酸酯、丙烯腈或丙烯酰胺前使用的术语″(甲基)″分别表示丙烯酸酯、丙烯腈或丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯、甲基丙烯腈和甲基丙烯酰胺。
另外的合适单体的实例包括但不限于：含羧酸单体和酸酐单体，如丙烯酸、(甲基)丙烯酸、巴豆酸、衣康酸、富马酸、马来酸、衣康酸一甲酯、富马酸一甲酯、富马酸一丁酯和马来酸酐；含硫酸单体如(甲基)丙烯酸磺基乙酯、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸、磺基邻苯二甲酸、氨基或二氨基烷基或芳基磺酸，包括1，4-丁二醇-2-磺酸；含磷酸单体，包括(甲基)丙烯酸二氧磷基烷基酯。
另外的合适单体的实例还包括但不限于至少一种助粘单体(adhesion promoting monomer)。合适的助粘单体的实例包括但不限于可自由基聚合含氮化合物，其具有氨基、脲基(ureido group)、脲基(urea group)、硫脲基和N-杂环基。粘附单体的实例包括脲基(甲基)丙烯酸酯，含胺的(甲基)丙烯酸酯，如(甲基)丙烯酸氨基烷基酯、和(甲基)丙烯酸N，N-二烷基氨基烷基酯)；丙烯亚胺，在侧链上具有脲和硫脲中的至少一种的(甲基)丙烯酸酯。
另外的合适单体的实例还包括但不限于，至少一种含乙酰乙酸酯的单体。合适的含乙酰乙酸酯单体的实例包括但不限于：丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯、甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基丙酯、乙酰乙酸烯丙酯、甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基丁酯、甲基丙烯酸2，3-二(乙酰乙酰氧基)丙酯等。通常，可聚合羟基官能单体可以通过与双烯酮或其它合适的乙酰乙酰化剂转化为相应的乙酰乙酸酯。
对于各种实施方案，第一液体和/或第二液体还可以包括一种或多种适用于引发乳液聚合的引发剂、一种或多种表面活性剂和/或一种或多种其它添加剂。合适的引发剂是已知用于促进乳液聚合的引发剂，并且包括水溶性氧化剂，如有机过氧化物(例如，叔丁基过氧化氢、枯烯过氧化氢等)、无机氧化剂(例如，过氧化氢、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵等)和在水相中被水溶性还原剂活化的那些引发剂。以足以导致聚合的量采用这样的引发剂。备选地，可以在聚合工艺中采用氧化还原引发剂。
对于各种实施方案，表面活性剂也可以用于本发明的乳液形成和/或聚合反应。可用的表面活性剂包括但不限于，阴离子、阳离子和/或非离子乳化剂，例如烷基、芳基或烷基芳基硫酸盐、磺酸盐或磷酸盐的碱金属盐或铵盐；烷基磺酸；磺基琥珀酸盐；脂肪酸；烯键式不饱和表面活性剂单体；和乙氧基化醇或酚等。如将理解的是，用于乳液聚合反应中的表面活性剂的类型和量将取决于具体的组成、反应条件和所需的最终粒子尺寸，这在本领域中是已知的。
也可以在聚合反应中采用其它的本领域中已知可用于各种具体乳液聚合目的的成分，如酸、盐、链转移剂、螯合剂、保护胶体、缓冲剂、中和剂、pH调节剂、抗氧化剂、除臭剂、生物杀灭剂、交联剂、染料、颜料、消泡剂和增塑剂等。
可以将根据本发明制备的乳液在适于此目的的反应器中聚合。这样的反应器包括，例如搅拌式反应器、釜式级联和非搅拌式反应器，如管式反应器。
实施例
以下实施例示例但不限制本发明的各个方面。应当理解的是具体的实例、材料、量和程序应根据如本文中所述的本发明的范围进行广义的解释。除非另有指示，所有的份和百分数都是以重量计的。实施例使用下列材料。
单体乳液组分
丙烯酸正丁酯(ChemPoint，用百万分之十五(15ppm)的甲氧基对苯二酚(MEHQ)阻聚(inhibit))。
甲基丙烯酸正甲酯(n-methyl methacrylate)(Lucite International，用50ppm的MEHQ阻聚)。
甲基丙烯酸(Lucite International，用200ppm的MEHQ阻聚)。
苯乙烯(陶氏化学公司)。
丙烯酸2-乙基己酯(陶氏化学公司)。
乳化剂
磺基琥珀酸的乙氧基化醇[C10-C12]半酯二钠(陶氏化学公司).
壬基苯酚乙氧基化硫酸铵盐(4EO)(陶氏化学公司)。
去离子水。
混合装置部件
管套管喷射器：同心管，其中内管具有0.5英寸(1.27cm)的内径，并且外管具有1.0英寸(2.54cm)的内径。
转子-定子混合器：2英寸Greerco串联式剪切管道混合器(由Chemineer，Inc.的分公司Greerco制造)。将管套管喷射器安装到2英寸Greerco串联式剪切管道混合器的入口，以便使管套管喷射器的内管距离转子的前表面为内管直径的约1.2倍直径，这是沿从内管的管腔朝向转子延伸的中心轴测得的。
除非另外指出，以下实施例的所有测量和程序都是在约23℃的室温进行的。
单体乳液的制备
实施例1
第一液体具有软化水(261kg)和乳化剂(49kg)的质量组成。在供应到混合装置之前将第一液体的组分在上游容器中合并。第二液体具有丙烯酸正丁酯(409kg)、甲基丙烯酸正甲酯(366kg)和甲基丙烯酸(12kg)的质量组成。在供应到混合装置之前将第二液体的组分在上游容器中合并。第一液体具有比第二液体的密度大的密度。
用水填充混合装置的转子-定子混合器。用水填充转子-定子后将转子的转速设定至3,000转/分钟(rpm)。将第一液体以75千克/小时(kg/h)的质量流量经由管套管喷射器的内管进料到转子-定子混合器的混合区域。向转子-定子混合器独自地进料第一液体1分钟，以使转子-定子混合器的头部被第一液体填满并且混合室的内部组成为第一液体。由转子-定子混合器设定约30至40磅/平方英寸绝对压力(PSIA)的反压力。
在将第一液体进料到转子-定子混合器中后1分钟，将第二液体经由管套管喷射器的外管与第一液体同时进料到转子-定子混合器中。以90kg/h的初始质量流量进料第二流体，该初始质量流量为180kg/h的第二液体最终质量流量的50％。
在5分钟期间将第二液体的质量流量从90kg/h的初始质量流量线性增加至180kg/h的最终质量流量。将180kg/h的第二液体最终质量流量保持260分钟，以获得2.4∶1的基本恒定的进料比(第二液体的质量流量∶第一液体的质量流量)。将来自转子-定子混合器的反压力保持在约30至40磅/平方英寸绝对压力(PSIA)，以对转子-定子混合器中的第一液体和第二液体提供足以形成连续单体乳液的停留时间。
实施例2
第一液体具有7.2份软化水(基于100份的第二液体的单体的重量份)和0.6份的磺基琥珀酸的乙氧基化醇[C10-C12]半酯二钠。在供应到混合装置之前将第一液体的组分在上游容器中合并。第二液体具有53份丙烯酸正丁酯(基于100份单体的重量份)、11份苯乙烯、25份丙烯酸2-乙基己酯、11份甲基丙烯酸正甲酯。在供应到混合装置之前将第二液体的组分在上游容器中合并。第一液体具有比第二液体的密度大的密度。
用于操作转子-定子混合器以从第一和第二液体制备连续单体乳液的程序与以上在实施例1中描述的相同。对于给定的重量份，第二液体质量流量与第一液体的质量流量的基本恒定的进料比是13.3∶1。将来自转子-定子混合器的反压力保持在约30至40磅/平方英寸绝对压力(PSIA)，以对转子-定子混合器中的第一液体和第二液体提供足以形成连续单体乳液的停留时间。
实施例3
第一液体具有25份软化水(基于100份的第二液体的单体的重量份)和1份的壬基苯酚乙氧基化硫酸铵盐(4EO)。在供应到混合装置之前将第一液体的组分在上游容器中合并。第二液体具有46份丙烯酸正丁酯(基于100份单体的重量份)、2份甲基丙烯酸和52份甲基丙烯酸正甲酯。在供应到混合装置之前将第二液体的组分在上游容器中合并。第一液体具有比第二液体的密度大的密度。
用于操作转子-定子混合器以从第一和第二液体制备连续单体乳液的程序与以上在实施例1中描述的相同。对于给定的重量份，第二液体质量流量与第一液体的质量流量的基本恒定的进料比是4∶1。将来自转子-定子混合器的反压力保持在约30至40磅/平方英寸绝对压力(PSIA)，以对转子-定子混合器中的第一液体和第二液体提供足以形成连续单体乳液的停留时间。
实施例4
第一液体具有45份软化水(基于100份的第二液体的单体的重量份)和0.2份的壬基苯酚乙氧基化硫酸铵盐(4EO)。在供应到混合装置之前将第一液体的组分在上游容器中合并。第二液体具有37份丙烯酸正丁酯(基于100份单体的重量份)、2份甲基丙烯酸和61份甲基丙烯酸正甲酯。在供应到混合装置之前将第二液体的组分在上游容器中合并。第一液体具有比第二液体的密度大的密度。
用于操作转子-定子混合器以从第一和第二液体制备连续单体乳液的程序与以上在实施例1中描述的相同。对于给定的重量份，第二液体质量流量与第一液体的质量流量的基本恒定的进料比是2.2∶1。将来自转子-定子混合器的反压力保持在约30至40磅/平方英寸绝对压力(PSIA)，以对转子-定子混合器中的第一液体和第二液体提供足以形成连续单体乳液的停留时间。

Claims (10)

1.一种混合装置，所述混合装置包括：
转子-定子混合器，所述转子-定子混合器包括具有前表面的转子；和
管套管喷射器，所述管套管喷射器具有带端部的内管，所述内管具有出口端和内径，其中所述内管的所述出口端位于与所述转子的所述前表面相距预定距离处，所述预定距离为所述内管的内径的约1.5至约0.5倍。
2.根据前述权利要求中任一项所述的混合装置，其中所述转子-定子混合器包括液体入口，并且所述管套管喷射器包括外管，所述外管具有在与所述内管的端部共同的方向上延伸的端部，其中所述外管的端部将所述管套管喷射器与所述转子-定子混合器的所述液体入口连接。
3.一种形成用于连续聚合工艺的单体乳液的方法，所述方法包括：
将第一液体以第一质量流量供应到转子-定子混合器中；
将第二液体以第二质量流量供应到所述转子-定子混合器中，所述第二质量流量为所述第二液体的最终质量流量的约50％，其中所述第二液体与所述第一液体不混溶，并且所述第一液体和所述第二液体中的至少一种含有单体；
在预定的时间区间，将所述第二液体的所述第二质量流量从所述最终质量流量的约50％增加至所述最终质量流量；和
对所述转子-定子混合器中的所述第一液体和所述第二液体提供足以由所述第一液体和所述第二液体形成所述单体乳液的停留时间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转子-定子混合器包括具有前表面的转子，其中通过管套管喷射器的内管将所述第一液体以所述第一质量流量供应到所述转子-定子混合器中，并且通过所述管套管喷射器的外管将所述第二液体供应到所述转子-定子混合器中；并且
保持所述第一液体与所述第二液体分离，直至与所述转子的所述前表面相距预定距离，所述预定距离为所述内管的内径的约1.5至约0.5倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一液体具有第一密度，并且所述第二液体具有第二密度，所述第二密度小于所述第一液体的第一密度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预定的时间区间为约5分钟。
7.一种用于聚合工艺的连续单体乳液制备方法，所述方法包括：
通过管套管喷射器的内管供应第一液体，其中所述内管具有出口端，所述出口端位于与转子-定子混合器的转子的前表面相距预定距离处；
通过所述管套管喷射器的外管向所述转子-定子混合器供应第二液体，其中所述第一液体和所述第二液体中的至少一种含有单体，并且所述第一液体从被来自所述外管的所述第二液体环绕的内管排出，并且在与来自所述外管的所述第二液体共同的方向上流动；和
在所述转子-定子混合器中由所述第一液体和所述第二液体连续地形成乳液。
8.根据权利要求7所述的方法，其中供应第一液体并且供应第二液体包括提供至少3∶1的基本上恒定的进料比，所述进料比为所述第二液体的质量流量∶所述第一液体的质量流量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述内管具有内径，并且与所述转子的所述前表面相距的所述预定距离为所述内管的内径的约1.5至约0.5倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一液体具有第一密度并且所述第二液体具有第二密度，所述第二密度小于所述第一液体的第一密度。
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