JP2021525353A - 装置およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

本明細書において、ポリマー溶液をシェルに導入するための入口ポート、およびポリマー溶液をシェルから除去するための出口ポートを有するシェルであって、ポリマー溶液は、ポリマーおよびポリマーを溶解するように作用する溶媒を含むシェルと、上下に積み重ねられて、シェルの入口ポートと流体連通する中央通路を画定し、各導管が中央通路から半径方向外向きに延在する複数の導管をさらに画定する、シェル内の複数のプレートであって、複数の導管は、中央通路と流体連通する、複数のプレートと、を備える装置が開示され、装置は、装置を通って移動する間、ポリマー溶液を単相に維持するのに有効な圧力および温度で操作される。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、ポリマーを含む高粘度溶液を加熱または冷却するための装置およびプロセスに関する。

ポリマーおよびポリマー生成物（以下「ポリマー」と呼ぶ）は、多くの場合、溶媒および他の揮発性成分（例えば、モノマーおよび副生成物）の存在下で製造される（溶媒および揮発性成分を以下「揮発性物質」と呼ぶ）。ポリマーと可溶化溶媒との組み合わせは、ポリマー溶液と呼ばれる。ポリマーの製造中に、ポリマー溶液に熱を加える、またはポリマー溶液から熱を取り除くことが必要となる場合がある。

溶液重合は、断熱反応器または非断熱反応器で達成することができ、反応熱の一部が熱交換器の使用によって除去される。後者の利点の１つは、熱交換器が存在しないプロセスと比較して、生産速度を上げることができることである。所望のポリマーが得られた後、ポリマーから揮発性物質を除去することが望ましい。ポリマーからの揮発性物質の除去は、「脱揮」と呼ばれる。ポリマー溶液からの揮発性物質の分離は、一般に蒸発によって達成され、ポリマー溶液は、揮発性物質の沸点よりも高い温度に加熱され、同時に（加熱と並行して）または連続して（加熱後に）発生した揮発性物質がポリマー溶液から抽出される。

この目的で使用される熱交換器は、シェルアンドチューブ熱交換器であり、熱交換器のシェル側で冷却水を循環させることによって熱が除去される容器内に複数のチューブを備える。これらの熱交換器の潜在的な問題の１つは、プロセスから除去する必要のある熱量に対して使用される高い圧力降下である。圧力降下を最小限に抑えながら、反応熱を除去することが望ましい。

さらに、シェルアンドチューブ熱交換器は、発生する高い圧力降下と熱伝達率の低下により、１０，０００〜１，０００，０００センチポアズの高粘度のポリマー溶液を処理できない。したがって、ポリマーおよび溶媒を単相に保ちながら、１５０℃を超える温度で前述の高粘度ポリマー溶液を処理できる熱交換器を有することが望ましい。

本明細書において、ポリマー溶液をシェルに導入するための入口ポート、およびポリマー溶液をシェルから除去するための出口ポートを有するシェルであって、ポリマー溶液は、ポリマーおよびポリマーを溶解するように作用する溶媒を含むシェルと；上下に積み重ねられて、シェルの入口ポートと流体連通する中央通路を画定し、各導管が中央通路から半径方向外向きに延在する複数の導管をさらに画定する、シェル内の複数のプレートであって、複数の導管は、中央通路と流体連通する、複数のプレートとを備える装置が開示され、装置は、シェルの入口ポートからシェルの出口ポートに装置を通って移動する間、ポリマー溶液を単相に維持するのに有効な圧力および温度で操作される。

また、本明細書において、ポリマー溶液をシェルに導入するための入口ポート、およびポリマー溶液をシェルから除去するための出口ポートを有するシェルと；上下に積み重ねられて、シェルの入口ポートと流体連通する中央通路を画定し、各導管が中央通路から半径方向外向きに延在する複数の導管をさらに画定する、シェル内に配置された複数のプレートであって、複数の導管は、中央通路と流体連通する、複数のプレートとを備える装置に、単相のポリマー溶液を排出することと；シェルの入口ポートから出口ポートに装置を通って移動する間、ポリマー溶液を単相に維持するのに有効な圧力および温度で装置を操作することと；装置の出口ポートから単相のポリマー溶液を除去することであって、ポリマー溶液は入口ポートの温度より高い温度である、ポリマー溶液は入口ポートの温度より低い温度である、またはポリマー溶液は入口および出口ポートにおいて同じ温度を維持するが、反応熱がポリマー溶液から除去される、除去することとを含む方法も開示される。

例示的な装置の概略図である。 支持チューブの側面図およびお上面図である。 例示的な装置の別の概略図である。 装置内の例示的なプレートの上面図である。 装置内の別の例示的なプレートの上面図ある。 図３Ａに見られる断面ＸＹＹ’Ｘ’の拡大概略上面図である。 図３Ｂからのプレートの断面の別の拡大概略上面図である。 図４Ａに見られる断面ＡＡ’の拡大概略側面図である。 ポリマー溶液の上から下（内側から外側）への流れを含む例示的な脱揮装置の概略図である。 ポリマー溶液の下から上（外側から内側）への流れを含む例示的な脱揮装置の概略図である。

本明細書において、ポリマーを含む高粘度溶液の温度を上昇もしくは低下させる、または反応熱を除去するための装置およびプロセスが開示される。装置は、装置を通過する輸送中にポリマー溶液を単相に維持しながら、その温度をその初期温度（例えば、装置の入口ポートの温度）から１０℃超の量だけ上昇もしくは低下させる、または代替として、ポリマーを一定の温度に維持する（反応性ポリマー溶液システムにおいて）と同時に、その圧力を可能な限り少量だけ低下させるように効果的に設計される。

要するに、それは、ポリマー溶液の温度を上昇、低下、または一定に維持することを容易にすると同時に、ポリマー溶液の圧力を可能な限り少量だけ低下させる。開示された装置は、ポリマー溶液の圧力の変化を容易にしながら、装置を通って輸送されるポリマー溶液を加熱、冷却、または一定の温度に維持（入口ポートから出口ポートまで）するために使用することができる。

一実施形態において、装置は、シェルアンドプレート熱交換器である。一実施形態において、装置はシェルを備え、その中に互いに積み重ねられた複数のプレートが配置され、一対の隣接するプレートが（関連する壁と共に）互いに接触したときに複数の放射状に配置された導管を形成し、導管は、ポリマー溶液をシェルの中心からシェルの外側に、または代替として外側からシェルの中心に輸送するのを容易にすると同時に、その温度を上昇させ、同時にその圧力を低下させる。代替として、装置は、プレートが円筒形のシェル内に懸架された平板熱交換器として説明することができる。

したがって、この装置は、圧力制御可能なシステムを含み、全て溶媒と単相のポリマーを維持しながら、ポリマー溶液の温度が１２０℃から３００℃、好ましくは１８０℃から２６０℃に上昇し、圧力が入口圧力から７０キログラム力毎平方センチメートル（ｋｇｆ／ｃｍ^２）未満だけ、好ましくは３５ｋｇｆ／ｃｍ^２未満だけ低下する。一実施形態において、入口圧力は、３５〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、出口圧力は、２０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。単相は、液相である。ポリマー溶液は、本開示の終わりまで以下に詳述するように測定される、１００〜２，０００，０００センチポアズ、好ましくは５０，０００〜１，０００，０００センチポアズ、より好ましくは１００，０００〜６００，０００センチポアズの溶液粘度を有する高粘度溶液である。

別の実施形態において、装置は、重合等の圧力制御可能な反応性発熱システムを含み、ポリマー溶液は、全て溶媒と単相のポリマーを維持しながら、１２０℃〜３００℃、好ましくは１５０℃〜２３０℃の範囲の所望の温度に保たれ、圧力は、入口圧力から５０キログラム毎平方センチメートル（ｋｇｆ／ｃｍ^２）未満だけ、好ましくは２５ｋｇｆ／ｃｍ^２未満だけ低下する。一実施形態において、入口圧力は、３５〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、出口圧力は、２０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。単相は、液相である。ポリマー溶液は、本開示の終わりにまで以下に詳述するように測定される、５００〜２０，０００センチポアズ、好ましくは１，０００〜１０，０００センチポアズの溶液粘度を有する高粘度溶液である。これらの装置のうちの１つまたは複数は、重合反応器システムの一部であってもよい。

また、本明細書において、圧力制御デバイスと流体連通する装置と、ポリマー溶液からの揮発性物質（例えば、溶媒、揮発性副生成物、揮発性反応物等）の脱揮を可能にする別個の低圧フラッシュ容器とを含む脱気装置も詳述される。一実施形態において、圧力制御デバイスは、ポリマー溶液を単相に保つために装置内の圧力を制御するように可変的に開くことができる弁である。一実施形態において、脱揮装置は、高粘度ポリマー溶液を装置に充填することを容易にするポンプをさらに含み得る。

図１Ａおよび２は、例示的な装置の概略図を示し、図３Ａおよび３Ｂは、装置内に配置されたプレートの１つの例示的な実施形態の上面図である。ここで図１Ａ、２、３Ａおよび３Ｂを参照すると、装置１００は、ポリマー溶液を装置の中心からその外側周縁部に輸送する複数のプレート１０４（本明細書ではプレートスタックとも呼ばれる）が配置されたシェル１０２を備える。一実施形態において、各プレート１０４は、プレートの内周１０７から外周１０９まで半径方向外向きに延在し、装置の中心からその外側周縁部に（図１Ａを参照）ポリマー溶液を輸送する、または代替として、その外側周縁部からその中心に（図２を参照）反対方向にポリマー溶液を輸送する複数のチャネル１０６（図３Ａを参照）および／または４０６（図３Ｂを参照）を有する。各プレート１０４は、その床に形成された（例えば、床に機械加工された）チャネル１０６を有し得るか、または代替として、壁１０８と組み合わされたときに形成されたチャネル１０６を有し得ることに留意されたい。プレートと複数のチャネルを備えた壁（１つのプレートの底部から隣接するプレートの底部まで測定）との組み合わせは、「レイヤー」とも呼ばれる。換言すれば、壁１０８は、プレート１０４の一体部分であってもよく、またはプレート１０４に接触してチャネル１０６を作成する別個のユニットであってもよい。装置１００が組み立てられると、プレートの床と壁との間のチャネルもまた、上部隣接プレート（屋根として機能する）の底部によって境界が定められ、ポリマー溶液をシェルの中心から外側周縁部に、または代替としてシェルの外側周縁部から中心に導く「導管」を形成する。

図１Ａおよび２において、シェル１０２は、ポリマー溶液２００（図１Ａを参照）および／または５００（図２を参照）がそれを介して装置に充填される入口ポート１２０と、ポリマー溶液がそれを介して除去される出口ポート１３０とを備える。入口ポート１２０および出口ポート１３０は、互いに直接流体連通していない。プレートのスタックの底部に配置されたプレート１５２（中央の穴がない）は、ポリマー溶液が装置の入口ポート１２０から出口ポート１３０に直接流れるのを防ぐ。シェル１０２は、シェルの上部に配置された入口ポート１２０およびシェルの底部に配置された出口ポート１３０以外の他のポートを含まない。ポリマー溶液は、第１の温度（Ｔ_１）および第１の圧力（Ｐ_１）で入口ポート１２０に充填され、第２の温度（Ｔ_２）および第２の圧力（Ｐ_２）で出口ポート１３０から除去される。一実施形態において、Ｔ_１はＴ_２よりも低く、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。別の実施形態において、Ｔ_１はＴ_２よりも高く、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。さらに別の実施形態において、Ｔ_１はＴ_２と同じであるが、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。

ポリマー溶液の流れは、本出願において上から下または下から上として描写および詳述されているが、装置は水平に（図１Ａ、２、６および７に示されているように垂直ではなく）取り付けることができ、したがって流れは、左から右または右から左として説明され得ることに留意されたい。したがって、上から下または下から上への流れの説明は、読者が装置の機能の様式を理解できるようにする１つの手法にすぎない。

別の実施形態において、ポリマー溶液は、単相で入口ポート１２０で装置に導入され、単相で出口ポート１３０で装置から出る。装置を通るポリマー溶液の移動中、ポリマー溶液は、２０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは４０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは６０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは７０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、より好ましくは８０ｋｇｆ／ｃｍ^２超に維持される装置内の圧力に起因して、常に単相である。装置内の圧力は、溶媒、未反応のモノマー、および反応物の副生成物が装置内で気化しないように維持される。

図２では、シェル１０２は、ポリマー溶液５００がそれを通して装置に充填されるシェルの底部に位置する入口ポート１２０と、ポリマー溶液がそれを通して除去されるシェルの上部に位置する出口ポート１３０とを備える。入口ポート１２０および出口ポート１３０は、互いに直接流体連通せず、流体は、装置の周縁部に沿って導管（１０４）を通って移動しなければならない。プレートのスタックの底部に配置されたプレート１５２（中央の穴がない）は、ポリマー溶液が装置の底部から上部に直接流れるのを防ぐ。シェル１０２は、シェルの底部に位置する入口ポート１２０およびシェルの上部に位置する出口ポート１３０以外の他のポートを含まない。ポリマー溶液は、第１の温度（Ｔ_１）および第１の圧力（Ｐ_１）で入口ポート１２０に充填され、第２の温度（Ｔ_２）および第２の圧力（Ｐ_２）で出口ポート１３０から除去される。一実施形態において、Ｔ_１はＴ_２よりも低く、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。別の実施形態において、Ｔ_１はＴ_２よりも高く、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。さらに別の実施形態において、Ｔ_１はＴ_２と同じであるが、Ｐ_１はＰ_２よりも高い。

図２に示される構成では、ポリマー溶液は、単相で入口ポート１２０で装置に導入され、単相で出口ポート１３０で装置から出る。装置を通るポリマー溶液の移動中、ポリマー溶液は、２０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは４０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは６０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、好ましくは７０ｋｇｆ／ｃｍ^２超、より好ましくは８０ｋｇｆ／ｃｍ^２超に維持される装置内の圧力に起因して、常に単相である。溶媒、未反応のモノマー、および反応物の副生成物は、装置内で気化することはない。

図１Ａに示される構成では、プレートスタック内のプレートは、チューブ束内のチューブ１４０によって、および支持スロットチューブ１５８（以下、支持チューブ１５８）によって所定位置に支持される。支持チューブ１５８は、プレートスタックに構造的支持を提供し、プレートを所定位置に保持し、装置の動作中のプレートへの損傷を防止する。これにより、プレートスタックは動作中に装置で使用される高圧に耐えることができる。図２に示される構成では、支持チューブ１５８は存在しない。

以下に詳述するように、プレートが垂直に積み重ねられると、それらは、ポリマー溶液がそれを通して輸送される通路３００を形成する。支持チューブ１５８は、装置の中央通路３００に位置し、エンドプレート１５２に接触して、それに構造的支持を提供する。

支持チューブ１５８は、その中に配置された開口部１５６を有する管状シェル１５７を備える。開口部１５６は、ポリマー溶液が環１５９に流れ込むのを可能にし、環１５９は、ポリマー溶液で満たされ、それを通路３００から導管に（図１Ｂを参照）、または導管から通路３００に（図２を参照）分配するのを助ける。リングプレートアセンブリ１０４は、支持チューブ１５８の端部に位置するロックナット（１６２）によって所定位置に一緒に保持され得る。

以下の段落は、図１Ａに見られるようなポリマー溶液の上から下の流れを詳述している。図２に示されるように、ポリマー溶液が下から上に流れる構成は、後で詳述される。

上から下の流れ
「上から下」の流れという用語は、図１Ａ（装置が垂直に取り付けられている場合）におけるポリマー溶液流の流れを詳述するために使用される。ポリマー溶液が装置の内側から装置の外側周縁部に流れるため、それは内側から外側の流れと呼ばれることもある。「上から下」の流れまたは「内側から外側」の流れという用語は、装置がどのように機能するかを読者に説明するための１つの手法にすぎない。装置が垂直ではなく水平に取り付けられている場合、流れは左から右または右から左に発生する可能性もある。

図１Ａおよび図３Ａでは、複数のプレートの各プレート１０４（最下部のプレート１５２を除く）は、ポリマー溶液が装置の上部から底部に移動することを可能にする開口部１１２を有する。プレート１０４が垂直に積み重ねられると、各プレートからの開口部１１２が垂直に整列して、ポリマー溶液が装置内で輸送される通路３００を形成する。一実施形態において、開口部１１２は、それぞれのプレート１０４の中心に位置し、各プレート１０４は、図３Ａおよび３Ｂに見ることができるようにリング形状である。

シェル１０２は、任意の断面形状を有し得るが、上から見たときにその断面領域が円形であることが好ましい。例示的な実施形態において、シェル１０２は、好ましくは、２００〜７００センチメートル、好ましくは２５０〜４００センチメートルの高さを有し、１２０〜４００センチメートル、好ましくは１５０〜１８０センチメートルの内径ｄ_１を有する円筒である。本明細書において言及される内径ｄ_１は、シェル内面で測定された直径である。シェル１０２の例示的な構成材料は、金属である。適切な金属の例は、炭素鋼、ステンレス鋼または他の金属合金である。

各プレート１０４（図３Ａおよび３Ｂを参照）は、シェルの内径ｄ_１よりわずかに小さい外径ｄ_３を有する。シェルの内面とプレート１０４の外側周縁部との間の空間は、装置１００を通って移動する間のポリマー溶液の通過を可能にする。これについては後で説明する。シェルの内径ｄ_１（上記参照）とプレートの外径ｄ_３との間の平均差は、１〜１５０センチメートル、好ましくは１０〜５０センチメートルである。

プレート１０４の開口部１１２は、１０〜１５０センチメートル、好ましくは４０〜１００センチメートルの直径ｄ２を有する。環状空間１５９は、１０〜６０センチメートル、好ましくは２０〜５０センチメートルの幅を有する。支持チューブ１５８は、５〜５０センチメートル、好ましくは５〜２０センチメートルの厚さを有する。支持チューブ１５８の長さおよび表面に沿って２〜４０の開口部１５６、好ましくは６〜３６の開口部があってもよい。

プレート１０４の例示的な構成材料は、金属である。プレート１０４で使用するのに適切な金属の例は、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼または他の金属合金である。一実施形態において、プレート１０４の内周１０７および外周１０９は、両方とも互いに同心であり、シェル１０２の内面とも同心である。

ここで図１Ａ、３Ａおよび４Ａを参照すると、各プレートは、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで延在する半径の少なくとも一部にわたって幅が増加する複数のチャネル１０６を含む。図４Ａは、図３Ａに示される断面ＸＹＹ’Ｘ’の拡大概略上面図であり、チャネル１０６の１つの可能な設計を表す。一実施形態において、各プレートは、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで幅が増加する複数のチャネル１０６を含む。一実施形態において、各チャネルは、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで一定の幅を有してもよい。

入口ポート１２０から装置に入るポリマー溶液２００は、通路３００に沿って移動して複数のプレート１０４に接触し、そこで複数のチャネル１０６に沿って半径方向外向きに移動する。プレート１０４内のチャネル１０６の各連続する対の間には、熱伝達流体１５０がそれを通して輸送されるチューブ１４０のバンクを収容するための穴１１０を含む壁１０８が配置される（図１Ａを参照）。

熱伝達流体１５０は、ポリマー溶液が装置１００を通って輸送されるときに、ポリマー溶液の加熱または冷却を容易にする（図１Ａを参照）。熱伝達流体１５０は、チューブ束１４０のチューブを通って、装置の底部から上部に、または代替として装置の上部から底部に輸送され得る。さらに別の実施形態において、チューブ１４０は、流体が装置１００を通って前後に輸送されるように配置され得る。一部のチューブは、流体を上から下に輸送し、次いで共通のヘッダーに接続し、次いで流体を下から上に輸送することができる。

図４Ａに見られるように、チャネル１０６は、半径方向に徐々に増加する幅を有し、一対の壁１０８Ａおよび１０８Ｂによって境界が定められ、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで延在する。この実施形態において、チャネル１０６は、内周１０７から外周１０９まで幅が減少しない。

図４Ａに示される実施形態において、壁１０８Ａおよび１０８Ｂは、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで直線的に半径方向外向きに延在する。壁１０８Ａおよび１０８Ｂは、内周１０７で互いにより近く、外周１０９でより遠く離れている。したがって、このチャネル１０６は、プレートの内周１０７から外周１０９まで徐々に拡大する幅「ｗ」を有する。上記のように、壁１０８Ａおよび１０８Ｂは、プレート１０４と一体であってもよく（すなわち、壁１０８およびプレート１０４は、モノリシック部品である）、または代替として、平板１０４と組み立てられる別個の独立した部品であり、チャネル１０６を形成してもよい。

内周におけるチャネル幅「ｄ_５」は、外周におけるチャネル幅「ｄ_６」未満である。ｄ_６対ｄ_５の比は、２：１〜６：１、好ましくは２．２：１〜３．５：１である。一実施形態において、距離ｄ_６は、４〜８センチメートル、好ましくは５〜７センチメートルであり、距離ｄ_５は、１〜４センチメートル、好ましくは２〜３センチメートルである。チャネル１０６は、壁１０８の上部から０．１０〜０．７５センチメートル、好ましくは０．２〜０．４センチメートルの深さを有する床を有する。

したがって、ポリマー溶液は、開口部１１２（図１Ａを参照）から外周１０９に移動するときに、拡大し続けるチャネルに接触する。この設計は、流体がスロットを通って移動する際のその圧力降下を小さくし、熱伝達領域を大きくして最適な熱伝達を可能にするという点で有利である。

壁１０８は、チャネル１０６の間に位置付けられ、特定のプレート上の連続するチャネルを互いに分離する。壁１０８およびチャネル１０６は、プレート１０４の表面全体に均一に分布している（図３Ａおよび３Ｂを参照）。上記のように、各壁１０８は、流体１５０がそれを通って流れるチューブ１４０を収容する複数の穴１１０を含む（図１Ａを参照）。

一実施形態において、単一のプレート１０４は、３０〜９０、好ましくは５５〜６５のチャネル、および３０〜９０、好ましくは５５〜６５の壁１０８を備え、壁およびチャネルはプレート１０４の周りで互いに均等に交互している。各壁１０８は、チューブ１４０のバンクを含む。各壁１０８は、８〜４０のチューブ、好ましくは１０〜３５のチューブを含む。一実施形態において、チューブは、金属チューブであり、炭素鋼を含み得る。

壁１０８は、１．５〜３センチメートル、好ましくは２〜２．５センチメートルの厚さ「ｔ」を有する。一実施形態において、壁の厚さは、チューブ束内のチューブ１４０の外径よりも２〜１０％大きく、好ましくは３〜５％大きい。チューブ束内の各チューブ１４０は、１〜３センチメートルの内径および１．５〜４．０センチメートルの外径を有する。チューブの好ましい内径は、１．５〜２センチメートルであり、好ましい外径は、２．０〜２．２センチメートルである。

図３Ｂおよび４Ｂは、チャネル１０６の幅「ｗ」がプレート半径の一部にわたって減少し、次いでプレート半径の一部にわたって増加するようにする別の例示的な壁１０８の設計を示す。この実施形態において、壁１０８は、プレート１０４（例えば、モノリシックユニット）と一体であってもよく、またはプレート１０４とは別個であってもよい。ここで図１Ａ、３Ｂおよび４Ｂを参照すると、各プレートは、プレート１０４の内周１０７から外周１０９まで延在する半径の少なくとも一部にわたって幅が減少する複数のチャネル１０６を含む。プレート半径の一部にわたり減少した後、チャネルが外周１０９に進むにつれて幅が増加する。

図４Ｂには、その出口よりも入口で広い第１の概して収束するゾーン４０２と；チャネルが制限ゾーンにわたり圧力効果をもたらすのに十分な最小幅を達成し、それにより最初のゾーンにある間に揮発性成分の実質的なフラッシュを防ぐ第２の制限ゾーン４０４と；ポリマー溶液を単相で継続的に保持しながら、ポリマー溶液中の圧力のわずかな低下を可能にするように設計された第３の概して拡大するゾーン４０６の、３つのゾーンを含むチャネル１０６の形状が示されている。図４Ｂのプレート１０４の内周１０７と外周１０９との間の距離（チャネル１０６の長さを表す）は上に詳述されており、図３Ａおよび４Ａに詳述されたものと同じである。

ここで図４Ｂを参照すると、距離ｄ_９はｄ_７よりも大きく、これは一方でｄ_８よりも大きい。第１のゾーン４０２は、ポリマー溶液がチャネル１０６に入る開口部４１８を有する。第１のゾーンの長さは、チャネルの全長の５〜２０％であり、内周１０７の幅は、１．０〜５．０センチメートル（ｃｍ）である。第１のゾーンの最も狭い点の幅に対するゾーンの最も広い点の幅の比率は、１．５：１〜１０：１で変化する。

第２のゾーン４０４は、第１のゾーンの末端で始まり、長さが、第３のゾーンの入口に接続するチャネルの全長の約１．０％〜４０％で変化する。第２のゾーンの幅は、その全長にわたって一定のままであり、最小に減少し、次いで一定のままであるか、または最小に減少し、その後再び増加してもよい。好ましくは、その最も狭い点で、第２のゾーンは、幅が０．２５〜４．００センチメートル、より好ましくは幅が１〜２センチメートルである。ゾーンの最も狭い点の幅に対するゾーンの最も広い点の幅の比は、好ましくは１．０：１〜１．５：１である。また、好ましくは、第２のゾーンの最も狭い幅に対する第１のゾーンの最も広い幅の比は、２：１より大きく、好ましくは３：１より大きい。

第３のゾーン４０６は、第２のゾーンの末端で始まり、ポリマー溶液の排出のための出口４２０で終わる。第３のゾーンの長さは、チャネルの全長の約４０〜８５％である。その入口での第３のゾーンの幅に対するその末端での幅の比は、好ましくは１．７５：１〜１０：１である。ゾーンの幅は、入口から終点まで絶えず増加する必要はないが、正弦曲線または他の湾曲した形状に従い得る。また好ましくは、制限ゾーンの最小幅に対する第３のゾーンの最大幅の比は、２：１より大きい。

図１Ａに見られるように、プレートは、装置に充填されたポリマー溶液への熱伝達を容易にするために、シェル内で互いに積み重ねられている。図５は、図４Ａからの断面ＡＡ’の描写であり、互いに積み重ねられた６つのプレート１０４（１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ、１０４Ｅおよび１０４Ｆ）のスタックを示す。図５は、プレート１０４のスタックの外側周縁部の一部を示す側面の部分断面図を示している。スタックは、各導管１１４の壁、床および天井を画定するように積み重ねられて配置され、また加熱されるポリマー溶液を受容するための通路３００（図１Ａを参照）を画定するように互いに固定されたディスクの形状の複数のプレート１０４を含む。１つのプレート１０４Ｅのベースは、隣接するプレート１０４Ｆの壁の上面に接触して、ポリマー溶液がそれを通して輸送される床１６０、屋根１５０、および壁１０８を含む導管１１４を形成する。

各導管は、その全長にわたって一定の幅を有するか、またはその全長にわたって変化する幅を有し得る。それぞれのチャネルについて上で論じたように、幅は、プレートの内周から外周に向かって長さが徐々に増加してもよい。一実施形態において、それは、長さの一部にわたって幅が増加し、導管の残りの長さにわたって幅が減少してもよい。別の実施形態において、それは、長さの一部にわたって幅が減少し、導管の残りの長さにわたって幅が増加してもよい。

チューブ１４０（図示せず）は、壁１０８の穴１１０を通過し、チャネル１０６に熱を伝達するように構成される。一実施形態において、チューブ１４０は、プレート１０４を一緒に固定してスタックを形成する（壁１０８およびプレート１０４が単一の一体型構成要素である場合）。別の実施形態において、チューブ１４０は、壁１０８およびプレート１０４を一緒に固定してスタックを形成する（壁１０８がプレート１０４とは別個の構成要素である場合）。熱は、チューブ１４０内の流体１５０によって壁１０８に伝達され、壁からチャネル１０６の床１６０およびチャネル１５０の屋根に伝達される。

上記のように、プレート１０４は、シェル１０２内で互いに垂直に積み重ねられている。各プレートは、０．１〜１．０センチメートル、好ましくは０．２〜０．３センチメートルの間隔で隣接するプレートから離間している。シェル１０２内（したがって装置内）の（スタック内の）プレートの総数は、５０〜１０００、好ましくは７００〜８００である。一実施形態において、シェル内のチャネルの総数は、１，０００〜１００，０００であり、シェル内の壁の総数は、１，０００〜１００，０００である。

ここで、図１Ａ、３Ａ、３Ｂ、４Ａおよび４Ｂを参照すると、装置を操作する１つの様式において、入口ポート１２０に入るポリマー溶液２００は、装置における数字２００Ａ〜２００Ｂ〜２００Ｃ〜２００Ｄ〜２００Ｅで示される経路を、出口ポート１３０で装置から出るまで移動する（図１Ａを参照）。ポリマー溶液２００は、入口ポート１２０で温度Ｔ_１および圧力Ｐ_１で装置に入り、最初に通路３００に沿って垂直下向きに移動する。プレート１５２は、入口ポート１２０から出口ポート１３０へのその垂直の通過を防ぐ。次いで、ポリマー溶液２００は、通路３００からプレートスタック１０４に向かって経路２００Ａに沿って半径方向外向きに移動し、そこで複数のチャネル１０６に入り、プレート内に位置付けられた経路２００Ｂ（図３Ａおよび３Ｂを参照）に沿って移動する。同時に、流体１５０は、チューブ１４０を通って輸送され、熱を流体からポリマー溶液に伝達し、経路２００Ｂに沿ってチャネル１０６内を半径方向外向きに移動する。プレートスタックを通って移動する間、ポリマー溶液の温度はＴ_１より高い温度に上昇し、同時に圧力はＰ_１未満の圧力に低下する。

この装置は、冷却器としても使用できることに留意されたい。装置を使用して冷却を行う場合、ポリマー溶液の温度は、装置を通して輸送される間に低下する。別の実施形態において、冷却器が反応系で使用される場合、それを使用して、反応（例えば、発熱反応）中に発生する熱を抽出することができ、ポリマー溶液の温度は、除去される熱の量に対する反応から放出される熱の量に応じて上昇または低下し得る。ポリマー溶液は、プレートスタックを通って移動する間、単相のままである。一実施形態において、単相は、液相である。

複数のチャネル１０６の外周１０９から放出されるポリマー溶液は、シェルとプレートスタックの外周との間の空間を、経路２００Ｃに沿って装置の底部まで移動する。次いでそれは、装置の底部から経路２００Ｄに沿って出口ポート１３０に輸送され、次いで、単相のままで、経路２００Ｅに沿って出口ポート１３０を介して装置から輸送される。

装置を出るポリマー溶液は、（反応性の発熱系において）入口温度Ｔ_１よりも高い、低い、またはそれと同じであってもよい出口温度Ｔ_２、および入口圧力Ｐ_１よりも低い出口圧力Ｐ_２を有する。

下から上の流れ
「下から上」の流れという用語は、図２、３Ａおよび３Ｂ（装置が垂直に取り付けられている場合）におけるポリマー溶液流の流れを詳述するために使用される。ポリマー溶液が装置の外側周縁部から装置の内側に流れるため、それは外側から内側の流れと呼ばれることもある。「下から上」の流れまたは「外側から内側」の流れという用語は、装置がどのように機能するかを読者に説明するための１つの手法にすぎない。装置が垂直ではなく水平に取り付けられている場合、流れは左から右または右から左に発生する可能性もある。

図２、３Ａおよび３Ｂは、ポリマー溶液が装置の底部から上部に流れる場合の実施形態を示す。シェル１０２内のプレート１０４の配置は、この構成（図２を参照）についても、図１Ａの場合と同じである。しかしながら、流れの方向は、図１Ａの流れの方向とは異なる。図２に示されるように、ポリマー溶液は、デバイスの底部に位置する入口ポート１２０を介して装置に導入され、デバイスの上部に位置する出口ポート１３０から出る。プレートスタックの底部に位置する平板１５２は、ポート１２０からポート１３０へのポリマー溶液の直接の流れを防ぐ。ポリマー溶液は、入口ポート１２０で経路５００に沿って移動し、経路５００Ａおよび５００Ｂを介して平板１５２と装置の外側シェル１０２との間を上向きに移動する。次いで、ポリマー溶液はプレートスタックに入り、経路５００Ｃ（図３Ａおよび３Ｂを参照）に沿って導管を通って半径方向内向きに各プレートの外周１０９から内周１０７に向かって移動する。ポリマー溶液は、図１Ａと同様の様式で導管を通って移動するときに加熱または冷却される。「下から上」の流れが装置で使用される場合、装置で支持チューブ１５８は使用されない。チューブおよびタイロッドは、この構成でプレートを一緒に保持する。

プレートスタックを通って移動する間、ポリマー溶液の温度はＴ_１より高い温度に上昇し、同時に圧力はＰ_１未満の圧力に低下する。別の実施形態において、ポリマー溶液の温度はＴ_１よりも低い温度に低下し、同時に圧力はＰ_１未満の圧力に低下する。一実施形態において、ポリマー溶液は、プレートスタックを通って移動する間、単相（例えば、液相）のままである。別の実施形態において、単相は、液相である。

この装置は、冷却器としても使用できることに留意されたい。装置を使用して冷却を行う場合、ポリマー溶液の温度は、装置を通して輸送される間に低下する。別の実施形態において、冷却器が反応系で使用される場合、それを使用して、反応（例えば、発熱反応）中に発生する熱を抽出することができ、温度は、除去される熱の量に対する反応から放出される熱の量に応じて上昇または下降し得る。

プレートスタックから放出されるポリマー溶液は、経路５００Ｄを介して装置１００の中心にある通路３００に入る。これは、中心から経路５００Ｅを介して装置の出口１３０に輸送される。一実施形態において、出口１３０は、ポリマー溶液をさらに輸送する導管に接続されてもよい。導管は、反応器システムの一部であってもよい。別の実施形態において、出口１３０は導管に接続され、導管は次いで、ポリマー溶液が減圧を受けて相分離するバルブに接続される。

操作条件
例示的な実施形態において、入口温度Ｔ_１は、１２０〜２３０℃であり、入口圧力Ｐ_１は、３５〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、出口温度Ｔ_２は、１５０〜３００℃であり、出口圧力Ｐ_２は、２０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。

ポリマー溶液は、一般に、ポリマー溶液の総重量に基づいて１０〜９５重量パーセント（重量％）、好ましくは２０〜８５重量％のポリマーを含む。この溶液は、１，０００〜２，０００，０００センチポアズ、好ましくは５０，０００〜１，０００，０００センチポアズ、より好ましくは１００，０００〜６００，０００センチポアズの粘度を有する。溶液の平均粘度は、以下に詳述するように測定して、３００，０００〜３５０，０００センチポアズであってもよい。ポリマー溶液は、４０，０００〜２，０００，０００キログラム毎時、好ましくは１００，０００〜２００，０００キログラム毎時、より好ましくは５０，０００〜１５０，０００キログラム毎時の流量で装置を通して輸送される。流量は、０．５〜５０キログラム／時／導管、好ましくは１〜５キログラム／時／導管、より好ましくは３〜４．５キログラム／時／導管である。

流体１５０は、２８０〜３００℃の最高入口温度および２００〜２２０℃の最低出口温度を有する。流体は一般に、ポリマー溶液の加熱中に５〜１０℃の温度だけ低下する。装置を加熱器として使用する場合、流体の最高入口温度は常に最低出口温度よりも高い。代替として、装置を冷却器として使用することもでき、その場合、流体の最低出口温度は常に最高入口温度よりも高く、冷却流体は一般に５〜１０℃の温度だけ上昇する。

溶媒と混合されるポリマーは、熱可塑性ポリマー、軽度に架橋されたポリマー、または熱可塑性ポリマーと軽度に架橋されたポリマーとのブレンドであってもよい。ポリマーは、オリゴマー、ホモポリマー、コポリマー、ブロックコポリマー、交互コポリマー、ランダムコポリマー、グラフトコポリマー、スターブロックコポリマー、デンドリマー等、またはそれらの組み合わせであってもよい。

溶媒と混合することができるポリマーの例には、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリットイミド、ポリキノキサリン、ポリベンズイミダゾール、ポリオキシンドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハライド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリノルボルネン、ポリサルファイド、ポリチオエステル、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリウレタン、ポリシロキサン等、またはそれらの組み合わせが含まれる。

例示的なポリマーは、ポリオレフィンである。ポリオレフィンの例には、ポリプロピレンおよび他のプロピレンベースのポリマー、ポリエチレンおよび他のエチレンベースのポリマーを含む１つまたは複数のＣ_２〜Ｃ_１０オレフィンのホモポリマーおよびコポリマー（グラフトコポリマーを含む）、ならびにオレフィンブロックコポリマーが含まれる。そのようなオレフィンベースのポリマーには、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、線状低密度ポリエチレン（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＤＯＷＬＥＸ」の商標で販売されているＬＬＤＰＥ等）、強化ポリエチレン（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＥＬＩＴＥ」の商標で販売されているもの等）、メタロセン、拘束幾何、多価アリールオキシエーテル等の分子またはシングルサイト触媒を介して製造されたポリマーが含まれる。そのようなポリマーの例は、線状または実質的に線状のエチレンコポリマー（例えば、Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＡＦＦＩＮＩＴＹ」および「ＥＮＧＡＧＥ」の商標で販売されているもの、ならびにＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＥＸＡＣＴ」および「ＥＸＣＥＥＤ」の商標で販売されているもの等）、プロピレンベースのコポリマー（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＶＥＲＳＩＦＹ」の商標で販売されているもの、およびＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＶＩＳＴＡＭＡＸＸ」の商標で販売されているもの等）、およびオレフィンブロックコポリマー（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＩＮＦＵＳＥ」の商標で販売されているもの等）、および他のポリオレフィンエラストマー（Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＮＯＲＤＥＬ」または「ＮＯＲＤＥＬ ＩＰ」の商標で販売されているＥＰＤＭ等）である。

溶媒は、製造されるポリマーに応じて異なる。水、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ニトロメタン、ニトロベンゼン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等の非プロトン性極性溶媒、またはそれらの組み合わせを使用して、いくつかのポリマーを溶媒和することができる。メタノール、アセトニトリル、ニトロメタン、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等の極性プロトン性溶媒、またはそれらの組み合わせも使用することができる。ベンゼン、トルエン、塩化メチレン、四塩化炭素、ヘキサン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等の他の非極性溶媒、またはそれらの組み合わせを使用して、いくつかのポリマーを溶媒和することができる。少なくとも１種の非プロトン性極性溶媒および少なくとも１種の非極性溶媒を含む共溶媒を利用して、溶媒の膨潤力を改変し、それによって溶媒の溶媒和力を調整することもできる。ポリオレフィンの例示的な溶媒は、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌのＩｓｏｐａｒ（商標）Ｅである。

前述のポリマーは、溶液、高圧、またはスラリー重合反応器で製造され、そこではモノマーおよび生成されたポリマーが溶媒または希釈剤に同伴される。大量または少量の揮発性成分を含む他のポリマー溶液も（意図的または非意図的に）製造され得る。典型的な揮発性成分には、溶媒（芳香族または脂肪族不活性希釈剤等）、未反応のモノマーおよび／またはコモノマー、および低分子量反応副生成物が含まれる。ポリマー溶液から除去される溶媒、未反応モノマー、未反応コモノマー、および／または他の揮発性成分の量は、大過剰から単なる汚染量までの範囲となり得る。溶液、高圧、またはスラリー重合プラントで製造された溶融ポリマーは、最初のフラッシュ脱揮段階の後でも、装置で処理される時点で、溶解または同伴された揮発性成分を１０〜６０重量パーセント以上含むことが多い。典型的には、脱揮されたポリマーに残っている残留揮発性成分の量は、ＡＳＴＭＤ−４５２６によって測定されるように、脱揮されたポリマーの総重量に基づいて約０．５重量％未満、好ましくは０．１重量％未満、より好ましくは０．０５重量％未満であるべきである。

脱揮される流動性材料中の揮発性成分の開始濃度、および脱気された製品で許容される残留揮発性物質のレベルに応じて、複数の段階（２つまたは３つの段階等）の脱揮装置を使用することができる。さらに、脱揮装置は、単純なフラッシュ脱揮、イオン液体抽出、超臨界流体を使用した抽出、蒸留、水蒸気ストリッピングまたは二酸化炭素ストリッピング等の他の既知の脱揮技術と組み合わせて、別々の脱揮段階で、または（例えば、水蒸気ストリッピングもしくは二酸化炭素ストリッピングの場合）同じ脱揮段階内で本発明の装置と組み合わせて使用することができる。

一実施形態において、上で詳述した装置を、ポンプおよび圧力調整デバイスと併用して、脱揮装置を形成することができる。これは、図６および７に示されている。図６は、流れが上から下である場合の脱揮装置を示し、図７は、流れが下から上である場合の脱揮装置を示している。脱揮装置４００は、装置４０４の上流に位置するポンプ４０２を備える。ポンプ４０２は、３５〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力でポリマー溶液を装置４０４に汲み出すように動作可能である。装置は、上記のように機能して、ポリマー溶液の温度を上昇させると同時にその圧力を低下させ（またポリマー溶液を単相に維持し）、次いでポリマー溶液を単相で圧力調整デバイス４０６に排出する。ポリマーをより低い温度に冷却するように動作する追加の熱交換器（図示せず）（冷却器として機能する）が、必要に応じて装置と流体連通してもよい。

圧力調整デバイスは、装置の下流に位置し、装置全体にわたってポリマー溶液を単相に保つように動作する。揮発性物質含有量が大幅に減少したポリマーは、第１のタンク（図示せず）に収集され、さらに下流のプロセスに供されてもよく、一方溶媒は収集されてリサイクルされる。一実施形態において、脱揮装置は、圧力調節デバイスの下流に位置するフラッシング容器（図示せず）を含んでもよい。

一実施形態において、ポンプ４０２は、容積式ポンプである。圧力調整デバイスは、好ましくは弁である。圧力調整デバイスは、揮発性物質をポリマーから分離することが望ましくなるまで、ポリマー溶液を単相に保つために使用される。例示的な弁４０６は、ゲート弁、ボール弁、仕切弁等である。一実施形態において、圧力調整デバイスは、ノズルまたはオリフィスであってもよい。

溶融ポリマー中の揮発性成分の濃度が非常に高い、溶融ポリマーからの溶媒、未反応モノマーおよびコモノマーの除去のためのいくつかの実施形態において、適切な脱揮は、２つ以上のステップで溶融ポリマー中の揮発性物質含有量を低減するために直列の２つ以上の装置の使用を必要とし得る。

本明細書の説明のほとんどは、加熱装置に適用されるが、ポリマー溶液を冷却するため、またはポリマー反応から重合熱を除去するために同じタイプの設計を使用できることは、当技術分野に精通している人々には明らかなはずである。この冷却装置は、加熱流体の代わりに冷却流体がチューブ１５０内で使用されることを除いて、同様の様式で操作される（図１Ａを参照）。使用される冷却液は、ポリマー溶液よりも低い温度である。最小限の圧力降下での流体と粘性ポリマー溶液との間の改善された熱伝達の概念は、依然として有利であると考えられるであろう。本明細書に詳述される装置は、以下の非限定的な例で説明される。

実施例１
これは、本明細書に開示される装置を実証する例である。平板熱交換器は、外径ｄ_１が１６０．２センチメートル（図１Ａを参照）、内径ｄ_２が９０センチメートル、全高が３６０センチメートル（図１Ａを参照）の円筒シェル構成で設計されている。交換器は、複数の層を備える。層は、プレートおよび壁を備える。交換器の各層は、６０のチャネルを備える。各チャネルは、０．２５４センチメートルの高さを有し、各層は、高さ０．２５４センチメートルのプレートで区切られている。

チューブのバンクは流体を運び、熱交換器の層に垂直に配置される。熱交換器は、チューブの６０のバンクを含む。チューブの各バンクは、内径１．４２センチメートル、外径２．２３センチメートルの１３の炭素鋼チューブを含む。各壁の厚さは、２．２８センチメートルである。各チャネルは、２．５センチメートルの内周の幅、６．３センチメートルの外周の幅、および０．２５４センチメートルの高さを有する。導管の総数は層ごとに６０であり、合計４３，２００の導管を構成する。

流体を介した対流およびチューブ壁を横切る伝導の標準的な熱伝達計算を使用して、この交換器の全体的な熱伝達係数Ｕは、Ｕ＝１３０Ｗ／ｍ^２・Ｋと計算される。４３，２００チャネルの内部熱伝達面積（Ａ）の合計は１，４３０ｍ^２であり、Ｕ×Ａ（ＵＡ）値の積が１８５，９００Ｗ／Ｋの熱交換器となる。

この装置を１５９，０００ｋｇ／時で流れるポリマー溶液、ならびに１６０℃から２５０℃への溶液温度上昇および２９０℃から２８３℃への流体温度低下（装置内のポリマー溶液の過程で）を考慮すると、この交換器の対数平均温度差は７４℃であり、総熱負荷は１３８０万ワットと計算される。

各導管を通る総流量は、約３．７キログラム／時である。３３０，０００ｃＰの溶液粘度を想定し、標準的な圧力降下（ベルヌーイ）計算を用いて、圧力降下は交換器を通して３１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２と計算される。

理論に限定されないが、ポリマー溶液が加熱器内で単相に保たれるため、詳細な装置設計が効果的に機能し、計算可能な最大熱伝達率が可能となる。溶液の相が変化すると、熱伝達率が大幅に低下し、気化により溶液の熱が失われる。これらの両方が回避され、装置内のポリマー溶液が、装置内での滞留時間を通して単相のままであることが保証される。装置内のポリマー溶液は、２つ（またはそれ以上）の相に分離することはない。

この設計は、１００，０００〜２，０００，０００センチポアズの高い溶液粘度、３２５，０００〜３７５，０００センチポアズの平均溶液粘度を処理できるという点で有利である。また、ポリマーおよび溶媒の総重量に基づいて３０重量％を超える、好ましくは４０重量％を超える、より好ましくは５０重量％を超えるポリマー濃度で、１４０，０００〜１７０，０００キログラム／時の高流速を処理できる。この設計により、入口ポートから出口ポートへの３５〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２のポリマー溶液の圧力降下が可能になると同時に、ポリマー溶液の温度が４０℃超、好ましくは５０℃超、より好ましくは６０℃超の量だけ初期入口温度から上昇する。

この設計の利点の１つは、入口ポートから出口ポートへの１４〜５０ｋｇｆ／ｃｍ^２のポリマー溶液の圧力降下を、既存の容積式ポンプ（ギアポンプまたはスクリューポンプ等）で処理できることである。

実施例２
これは比較例であり、上記の例と同じ流体および流速のシェルアンドチューブ熱交換器で実行される。シェルアンドチューブ熱交換器では、標準設計が使用され、ポリマー溶液がチューブを流れ、媒体がシェルを流れる。各チューブは、内径２．０センチメートル、外径２．５センチメートル、全長２６０センチメートルで設計されている。各チューブには、アスペクト比１．５のねじりテープ型混合エレメントが充填されている。直径３００センチメートルのシェルの中に合計８，０００のチューブがはめ込まれている。

これらのミキサーの熱伝達および圧力損失の計算は両方とも、Ｊｏｓｈｉの方法で計算される。このようにして、ヌセルト数は１８．０と計算され、全体の熱伝達係数Ｕは１１５Ｗ／ｍ^２・Ｋとなる。８，０００のチューブの内部熱伝達面積の合計は１，６３０ｍ^２であり、熱交換器のＵＡ値は１８７，４５０Ｗ／Ｋとなる。この交換器の対数平均温度差は７４℃であり、総熱負荷は約１，２７０万ワットと計算される。

チューブを通した圧力降下は、異なる相関を用いて計算して６０〜１１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲の圧力降下となり、最も可能性の高い値は約７５ｋｇｆ／ｃｍ^２である。したがって、この熱交換器タイプでは、圧力損失が高すぎる。ポリマー溶液を単相に保つためには、交換器の出口圧力は少なくとも２０ｋｇｆ／ｃｍ^２でなければならないため、総圧力降下はスクリューポンプまたはさらにギアポンプの能力を超える可能性がある。そのため、このタイプの熱交換器はこの単位操作には適していない。

圧力損失の問題を軽減するために、チューブの直径を大きくすることができる。しかしながら、この単位操作で同じ数のチューブを維持するために必要な圧力では、シェルサイズの製造が困難になる。より少ない数のより大きな直径のチューブでは、圧力降下が増加し（それらを通る速度が速くなり）、熱伝達に必要な熱伝達領域を提供するためにより長い長さが必要になり、それによって再び圧力降下が増加する。そのため、このタイプの交換器は、この用途に固有の制限を有する。

より高い圧力降下は、交換器の出口に向かってポリマー溶液を単相に保つことを非常に困難にする。溶液が単相ではないが気泡点に達すると、熱伝達率が低下し、溶液を目的の温度に加熱することが非常に困難になる。さらに、系は予測不可能である。

実施例３
これもまた比較例である。上記（ａ）の平板加熱器を脱揮容器（ポリマー溶液が実際に２相に相分離する容器）内に設置した場合、いくつかの大きな問題が生じる。
１）ポリマー溶液はチャネル内で２相になる。これにより、熱伝達率が低下する。
２）この交換器のサイズが大きすぎる−応力のためにそのような装置を構築できる可能性は低い。
３）溶液が平板加熱器（ＦＰＨ）コア内またはチャネルの入口で気泡点に到達し、同じく熱伝達効率が低下するため、流体温度が２９０℃まで高くなることができない。さらに、流体温度がより低いと、熱伝達の推進力が劇的に低下する。したがって、実施例１に示されている例が好ましい例である。

実施例４
これは、ポリマー溶液から重合熱を除去するための冷却モードでの装置の使用を詳述する本発明の理論的な例である。平板冷却器は、外径ｄ_１が２８２センチメートル（図１Ａを参照）、内径ｄ_２が１０５センチメートル、全高が３７０センチメートル（図１Ａを参照）の円筒シェル構成で設計されている。交換器は、複数の層を備える。層は、プレートおよび壁を備える。交換器の各層は、６５の導管を備える。各導管は、０．３８１センチメートルの高さを有し、各層は、高さ０．２５４センチメートルのプレートで区切られている。

チューブのバンクは流体を運び、熱交換器の層に垂直に配置される。熱交換器は、チューブの６５のバンクを含む。チューブの各バンクは、内径１．５８センチメートル、外径１．９１センチメートルの２５の炭素鋼チューブを含む。各壁の厚さは、１．６５センチメートルである。各チャネルは、２．５センチメートルの内周の幅、１１．１センチメートルの外周の幅、および０．３８１センチメートルの高さを有する。プレートを組み立てると、導管の総数は層ごとに６５であり、合計３７，８００の導管を構成する。

流体を介した対流およびチューブ壁を横切る伝導の標準的な熱伝達計算を使用して、この交換器の全体的な熱伝達係数Ｕは、Ｕ＝７３Ｗ／ｍ^２・Ｋと計算される。３７，８００の導管の内部熱伝達面積（Ａ）の合計は４，８５２ｍ^２であり、Ｕ×Ａ（ＵＡ）値の積が３５４，２００Ｗ・Ｋの熱交換器となる。

２２，０００ｋｇ／時のポリエチレン生成速度および９４．５ｋＪ／ｍｏｌのポリエチレンの重合熱を考慮すると、必要な熱除去は２１８０万ワットと計算される。ポリマー溶液の温度を１９０℃、冷却液の平均温度を１３０℃と仮定すると、この交換器の対数平均温度差は６０℃であり、設計された交換器は重合熱を除去することができる。

各導管を通る総流量は、６３００ｃＰの平均粘度で約４４キログラム／時である。標準的な圧力降下（ベルヌーイ）計算を用いて、圧力降下は交換器を通して３．６６ｋｇｆ／ｃｍ^２と計算される。

定義
チャネル内のゾーンの寸法（幅もしくは高さ等）または断面積に関して使用される「実質的に均一」とは、それが全く収束も拡大もしないか、またはその寸法の平均の１０パーセント以下で収束および／もしくは拡大していることを意味する。

「ポリマー」は、同じ種類のモノマーであるか異なる種類のモノマーであるかにかかわらず、モノマーを重合することによって調製される化合物を指す。一般的な用語「ポリマー」は、「オリゴマー」、「ホモポリマー」、「コポリマー」、「ターポリマー」、および「インターポリマー」という用語を包含する。

「インターポリマー」は、少なくとも２つの異なる種類のモノマーの重合によって調製されるポリマーを指す。一般的な用語「インターポリマー」には、用語「コポリマー」（通常は、２つの異なるモノマーから調製されたポリマーを指すために使用される）および用語「ターポリマー」（通常は、３つの異なるタイプのモノマーから調製されたポリマーを指すために使用される）が含まれる。それはまた、４つ以上のタイプのモノマーを重合することによって作製されたポリマーも包含する。

「オリゴマー」は、二量体、三量体、または四量体等の少数のモノマー単位のみからなるポリマー分子を指す。

「気泡点圧力」は、所与の温度で最初の蒸気の気泡が形成される最高圧力を意味する。

「ポリマー溶液」は、ポリマーおよび揮発性物質が単相（液相）にある溶解ポリマーを含む溶液を意味する。

「流体」とは、源から熱を伝達し、間接的な熱交換によってその熱を装置のプレートに伝達するのに役立つ流体を意味する。適切な熱流体には、蒸気、熱油、および他の熱流体、例えばＴｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙにより「ＤＯＷＴＨＥＲＭ（商標）」の商標で販売されているものが含まれる。

溶液の粘度は、Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ ＧｅｒｍａｎｙＧｍｂＨ製のＡｎｔｏｎＰａａｒ ＭＣＲ１０２レオメータを使用して測定される。レオメータには、Ｃ−ＥＴＤ３００電気システムが装備されている。カップおよびボブ式のシステム（同心円筒の組み合わせ）は、直径２７ミリメートル（ｍｍ）のカップおよび直径２５ｍｍのボブを備え、２つの間に１ｍｍのギャップがある。ボブは、１５０ｂａｒ（約１５３ｋｇｆ／ｃｍ^２）の圧力セル内で回転モードで動作する。粘度測定値は、３０ｂａｒの圧力（約３１ｋｇｆ／ｃｍ^２−窒素雰囲気で得られる）、ある範囲の温度（１５０〜２５０℃）、ある範囲のポリマー濃度（２０〜９０重量パーセント）、ある範囲のせん断速度（０．１〜１００超の逆数秒（ｓ^−１））、およびある範囲のポリマー分子量（１５，０００〜２００，０００ｇ／モル）で得られる。すべての場合において、溶媒は、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌのＩｓｏｐａｒ（商標）Ｅである。得られた粘度測定値は、８００〜２，０００，０００センチポアズ超の範囲である。

いくつかの実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、その要素の代わりに同等物を使用できることが理解される。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の様式として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図される。

Claims (17)

1. ポリマー溶液を加熱または冷却するための装置であって、
   ポリマー溶液をシェルに導入するための入口ポート、および前記ポリマー溶液を前記シェルから除去するための出口ポートを有する前記シェルであって、前記ポリマー溶液は、ポリマーおよび前記ポリマーを溶解するように作用する溶媒を含む前記シェルと、
   上下に積み重ねられて、前記シェルの前記入口ポートと流体連通する中央通路を画定し、各導管が前記中央通路から半径方向外向きに延在する複数の導管をさらに画定する、前記シェル内の複数のプレートであって、前記複数の導管は、前記中央通路と流体連通する、複数のプレートと、を備え、前記装置は、前記シェルの前記入口ポートから前記シェルの出口ポートに前記装置を通って移動する間、前記ポリマー溶液を単相に維持するのに有効な圧力および温度で操作される、装置。
2. 前記ポリマー溶液が、入口ポートから出口ポートまで一定の温度で加熱、冷却、または維持される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ポリマー溶液が、前記シェルの前記入口ポートから前記中央通路へ、前記中央ポートから前記複数の導管を通って、次いで前記シェルの前記出口ポートへと移動する、請求項１に記載の装置。
4. 前記ポリマー溶液が、前記シェルの前記入口ポートから前記シェルの周縁部へ、前記シェルの前記周縁部から前記複数の導管を通って前記シェルの中心へ、次いで前記シェルの前記出口ポートへと移動する、請求項１に記載の装置。
5. 前記入口ポートでの前記ポリマー溶液の温度が、１２０℃〜２３０℃であり、前記入口ポートでの前記ポリマー溶液の圧力が、３５〜２５０キログラム力毎平方センチメートルである、請求項１に記載の装置。
6. 前記出口ポートでの前記ポリマー溶液の温度が、２００℃〜３００℃であり、前記出口ポートでの前記ポリマー溶液の圧力が、２０〜２００キログラム力毎平方センチメートルである、請求項１に記載の装置。
7. 前記ポリマー溶液が、前記装置が動作する剪断速度で１００〜２，０００，０００センチポアズの溶液粘度を有する、請求項１に記載の装置。
8. 各導管が、その全長にわたって様々な幅を有する、請求項１に記載の装置。
9. 各導管が、その全長にわたって一定の幅を有する、請求項１に記載の装置。
10. 各導管が、その全長の一部にわたって増加する幅を有し、その全長の一部にわたって減少する幅を有する、請求項１に記載の装置。
11. 各導管が、熱伝達流体が輸送されるチューブを含む壁と流体連通する、請求項１に記載の装置。
12. 前記ポリマー溶液が、前記入口ポートの温度よりも低い温度で前記出口ポートを出る、請求項１に記載の装置。
13. 前記ポリマー溶液が、前記入口ポートの温度よりも高い温度で前記出口ポートを出る、請求項１に記載の装置。
14. 前記装置と流体連通するポンプであって、前記装置の上流に配置され、前記ポリマー溶液を前記装置に汲み出すように動作するポンプと、
    圧力調整デバイスであって、前記装置の下流に配置され、前記溶液を単相に保ち、次いで前記ポリマー溶液の圧力を下げて前記ポリマー溶液の単相から多相への変換を容易にするように動作する圧力調整デバイスと、をさらに備え、前記ポリマー溶液を脱揮するか、または前記ポリマー溶液中での反応を促進するように機能する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記ポンプが、容積式ポンプであり、前記圧力調整デバイスが、弁、オリフィス、またはノズルである、請求項１４に記載の脱気装置。
16. ポリマー溶液をシェルに導入するための入口ポート、および前記ポリマー溶液を前記シェルから除去するための出口ポートを有する前記シェルと、
    上下に積み重ねられて、前記シェルの前記入口ポートと流体連通する中央通路を画定し、各導管が前記中央通路から半径方向外向きに延在する複数の導管をさらに画定する、前記シェル内の複数のプレートであって、前記複数の導管は、前記中央通路と流体連通する、複数のプレートとを備える装置に、単相のポリマー溶液を排出することと、
    前記シェルの前記入口ポートから前記出口ポートに前記装置を通って移動する間、前記ポリマー溶液を単相に維持するのに有効な圧力および温度で前記装置を操作することと、
    前記装置の前記出口ポートから前記単相のポリマー溶液を除去することであって、前記出口ポートの前記ポリマー溶液は、前記入口ポートの前記ポリマー溶液の温度より低い温度、より高い温度、またはそれと同じ温度を有する、除去することとを含む、方法。
17. 前記単相ポリマー溶液から二相への変換を容易にするために、前記装置の下流の前記ポリマー溶液の圧力を低下させることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

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