JP4372911B2 - 二軸スクリュ押出機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー製造プロセスにおけるポリマー溶液から未反応のモノマーや溶媒等の揮発分を除去するための脱揮工程において使用される二軸スクリュ押出機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフラッシュ脱揮領域を有する脱揮用スクリュ押出機に関しては、かみ合い型同方向回転二軸スクリュ押出機、かみ合い型異方向回転二軸スクリュ押出機、二対のかみ合い型同方向回転二軸スクリュで構成されるそれぞれの回転方向の異なる非かみ合い回転四軸スクリュ押出機と、二対の部分的かみ合い型同方向回転二軸スクリュで構成されるそれぞれの回転方向の異なる非かみ合い四軸スクリュ押出機がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフラッシュ脱揮操作を含む脱揮用スクリュ押出機は、ポリマー溶液供給部のスクリュ流路断面積が小さく、フラッシュ脱揮操作を行う際、高いガス気速によるエントレメントの発生を抑制するように、ポリマー溶液の供給量が制限されるため、押出機全体の乾量基準のポリマー処理能力が低くいと見られる。
【０００４】
また、フラッシュタンクを押出機の供給部の上方に設置される場合には、ポリマー溶液をフラッシュタンク内の供給部の上方からフラッシュし、分離された揮発分はフラッシュタンク上方の側面に設けられた流路から排気され、残った融体を押出機内に供給する。この様なフラッシュ脱揮は、効率が良いが、フラッシュタンクの内壁に溶融ポリマーの飛沫が付着しやすい。そこで、フラッシュタンクのフラッシュ脱揮性能を保証し、フラッシュタンクに付着して劣化した溶融ポリマーが供給部のスクリュ流路内に流れ込むことにより処理されるポリマー製品品質の低下を防止するため、定期的に押出機の運転を止め、フラッシュタンクを掃除する必要がある。
【０００５】
また、四軸スクリュ押出機に関しては、ポリマー溶液を直接に供給部にフィードする場合には、スクリュ流路の断面積が比較的大きいことによって、エントレメントの発生が抑制されると共に、フラッシュ脱揮の能力も比較的良いが、その下流側においては添加剤の添加・分散や注水脱揮技術の応用が難しく、また、フラッシュ後の体積が小さくなるポリマー融体に対しては、スクリュ本数が過剰であるため、スクリュとバレルの製造コストが高いと見られる。
【０００６】
また、部分的かみ合い型同、異方向回転の二軸スクリュ押出機と四軸スクリュ押出機はセルフクリニング性を欠けているため、スクリュ流路内のかき取られていない領域においては蓄積されて劣化したポリマーが溶融ポリマーの主流に混入しやすいことにより、ポリマー製品の品質問題が出てくることもある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、高濃度の揮発分を含むポリマー溶液を効率的に脱揮でき、機械的設計面において無駄なく、合理的設計による分離工程の簡素化を図ることができ、低コスト、省エネのスクリュ押出機を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を次のようにして解決する。
【０００９】
本発明による二軸スクリュ押出機は、かみ合い型同方向回転のベースの二軸スクリュと、前記二軸スクリュよりも短い二本の補助スクリュとを有し、フラッシュ脱揮領域において、前記二軸スクリュの上方に前記補助スクリュをＶ字型に配置して前記二軸スクリュと同方向回転でかみ合わせ、前記フラッシュ脱揮領域の下流側に隣接する、前記二軸スクリュが配置された低濃度脱揮領域においては注水発泡脱揮が行われることを特徴とする。
【００１０】
前記フラッシュ脱揮領域の上半分割バレルの上部に設けたポリマー溶液供給部の下方に、発泡体流れ緩和室、分流器およびフラッシュ室を、この順で上から配置することが好ましい。
【００１１】
前記フラッシュ脱揮領域において、前記ポリマー溶液供給部から供給されて減圧によって発泡状態になるポリマー溶液は、前記発泡体流れ緩和室でその流速を緩和され、前記分流器により分流されてから、前記フラッシュ室においてフラッシュされ、分離された揮発分のガス流速は、前記ポリマー溶液供給部の上流側に設けたフラッシュタンクで緩和され、これによりエントレメントの発生を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
ポリマー溶液中から揮発分の分離あるいは除去に関しては、揮発分が高濃度の場合のフラッシュ脱揮機構と、その後の比較的低濃度の場合の表面更新脱揮あるいは注水脱揮の機構に従い、スクリュ押出機のフラッシュ脱揮領域と低濃度脱揮領域におけるスクリュの本数、配列とバレル形状あるいは構造を、前記低濃度脱揮領域におけるポリマー処理能力を基準にしてそれぞれ設計する。
【００１４】
すなわち、前記低濃度脱揮領域においては、表面更新脱揮技術と注水発泡脱揮技術は単独または併用することができ、溶融ポリマー中ヘの添加剤の混合・分散に適用するニーディングやリングなどの混練性やシール性の良いスクリュエレメントが活用でき、メルトの混練・押出には必要なトルクまたは比エネルギが比較的小さいことやスクリュ間の干渉が比較的小さいこと等の利点によって、比較的長いＬ／Ｄ（スクリュ長さ／スクリュ長径）のスクリュの設計と、ワンベントまたはこれ以上の多段ベントの設置が可能であり、除去された揮発分の排気に障害のない通常のかみ合い型同方向回転二軸スクリュとその通常のバレルを用いる。
【００１５】
また、前記フラッシュ脱揮領域においては、フラッシュ後のメルトの押出に必要なトルクまたは比エネルギがポリマー溶液の全脱揮処理に必要なものに比べて割合小さいことに対して、フラッシェ際に生じた揮発分の量が多いことにより、ガス流速が大きくなり、エントレメントが発生しやすいことを考慮し、前記ベースのかみ合い型同方向回転二軸スクリュの前記フラッシュ脱揮領域までの延長部分において、かみ合い型同方向回転二軸スクリュの利点を生かし、たわみとスクリュ間の干渉の影響が無視できるほどの二本の比較的短い補助スクリュを追加して、前記ベースの二軸スクリュとかみ合って同方向回転可能かつＶ字型で配列することによって、前記フラッシュ領域のスクリュ流路の断面面積を前記低濃度脱揮領域のものよりほぼ倍増させる。
【００１６】
また、ポリマー溶液のフラッシュ脱揮に関しては、通常の粘度の低い低分子量成分混合系のケースと違って、その中の揮発分濃度を平衡濃度まで低減することが極めて困難である。つまり、フラッシュとは極めて短時間の気液分離操作である。ある圧力下においてポリマーの劣化許容温度までに加熱されたポリマー溶液は、いったん低圧雰囲気に曝されると、極端な過飽和状態により、その中の揮発分はポリマー溶液ブロックから熱を奪って急激に部分的気化する。フラッシュ後の発泡状態の融体は温度の著しく低下したことによって粘度が高くなり、その中にはまだ濃度の高い揮発分が残っている。上述のフラッシュ脱揮の特徴を考慮し、フラッシュ脱揮を制御して段階的に進行させる。
【００１７】
すなわち、揮発分濃度の高いポリマー溶液は前記フラッシュ脱揮部に供給される場合、まず、流路断面積が供給パイプの流路断面積より大きい緩和室に入れられ、減圧状態により部分的気化した揮発分の気相と発泡状態の融体相の両相に分離される。前記気相の揮発分は分流器を通ってバイパスしてフラッシュタンクヘ排出されるが、前記発泡状態の融体相または発泡体は揮発分の濃度の低減される気泡セルと気泡内の揮発分気体とが相分離な状態である。前記発泡体は前記緩和室においては停留時間が比較的長く、そのブロック内の温度は均一に近づくと共に金物内壁の加熱により、過飽和度を高められ、気泡の生成と成長を絶えずに進行させる。
【００１８】
次に、前記発泡体は多くのスリットまたはホールが設けられる分流器を通過して、前記分流室の下部に設けられたフラッシュ室ヘ分流する。前記発泡体は前記分流器のスリットまたはホールを通過する際、分流されて減圧されながら、剪断力を受けることにより、その中の気泡が発泡体ブロックの内部から周辺まで比較的均一に崩壊されることにより、気泡内の揮発分がその外部ヘ放出される。また、前記分流器を通過して前記フラッシュ室における低圧の雰囲気に曝される融体は大きな比表面積を持ち、その中に残った揮発分が容易に融体の外部ヘ拡散する。
【００１９】
この様にして、前記フラッシュ室において、融体全体が比較的均一に濃縮され、粘度が高くなること、分流された融体流れ間の流路断面積が比較的大きくなることと、そこでの補助二軸スクリュとベースの二軸スクリュの流路断面積が大きいことにより、前記フラッシュ室での揮発分のガス流速が抑制され、飛沫の発生も抑制される。
【００２０】
また、前記フラッシュ室において、フラッシュ後の融体は揮発分の気化により、温度が著しく低減した状態になり、前記フラッシュ室底部におけるかみ合いながら回転した状態のベースの二軸スクリュと補助スクリュの流路に入ると、素早くその下流ヘ運搬されると共に、二軸スクリュ用バレル内壁面積の約倍ぐらいの内壁面積がある前記フラッシュ脱揮領域のバレルに加熱され、従来の二軸スクリュの場合より、約倍ぐらいの融体表面積を有するため、前記ベースの二軸スクリュと前記補助二軸スクリュの回転により、フラッシュ脱揮後の自由発泡脱揮または表面更新脱揮も効率的に続けられる。
【００２１】
また、前記フラッシュ室部とその下流領域において生じた揮発分ガスは従来の二軸スクリュ流路の断面積より約倍ぐらいの断面積を有するその上流側の前記べースの二軸スクリュと前記補助スクリュの流路を通過する際、流速が前記二軸スクリュの場合より約倍ぐらいで低減され、あるいはエントレメントの発生が抑制できる許容ガス流量が約倍増可能である。
【００２２】
また、この様に生じた揮発分のガスは前記フラッシュ室より上流側に設置され、流路断面積が前記ベースの二軸スクリュと補助スクリュ流路の全断面積よりはるかに大きい前記フラッシュタンクに入る際、流速は著しく低減され、例え融体飛沫が生じても、ガス流速の緩和により、前記フラッシュタンク底部における回転状態の前記ベースの二軸スクリュと前記補助スクリュの流路内に戻され、前記フラッシュタンクの下流ヘ送られる。
【００２３】
【実施例】
本発明の一実施例の二軸スクリュ押出機について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明によるフラッシュ脱揮強化用補助スクリュ付き二軸スクリュ押出機の概略図である。同図に示すようにスクリュ押出機の全脱揮領域はフラッシュ脱揮領域Ｉと、その他の操作、例えば添加剤の添加や分散などを含み、表面更新脱揮技術と注水発泡脱揮技術が単独あるいは併用できる低濃度脱揮領域IIに分けられている。
【００２５】
前記フラッシュ脱揮領域Ｉは基本的にベースの下半分割バレル５ｂ、装・脱着しやすい上半分割バレル５ａと、上半分割バレル５ａの上方に装着したフラッシュタンク６及びポリマー溶液の供給パイプ１２の下方に接続する金物９から構成されている。なお、脱揮領域Ｉ、II−１において、二分割バレルとしたのは、二軸スクリュ１ａ、１ｂと二本の補助スクリュ２ａ、２ｂとを装・脱着しやすくするためである。
【００２６】
前記低濃度脱揮領域IIは前記フラッシュ脱揮領域Ｉの下流側に隣接するスクリュ装・脱着補助のための二軸スクリュ用二分割バレルII−１と、その次に接続する通常の二軸スクリュ用バレルII−２から構成されている。また、前記二軸スクリュ用二分割バレルＩ−１はベースの下半分割バレル１１ｂと装・脱着しやすい上半分割１１ａから構成されている。
【００２７】
図２および図３は本発明のフラッシュ脱揮領域の構成図であり、図２の（ａ）は要部断面正面図、（ｂ）は（ａ）の要部断面側面図であり、図３の（ａ）は、図２（ａ）の平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。図４は図２のＡ−Ａ線断面図、図５は図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【００２８】
図２〜５に示すように前記フラッシュ脱揮領域Ｉにおいては、シャフト３ａ、３ｂに組んだべースの二軸スクリュ１ａ、１ｂの上流部と、シャフト４ａ、４ｂに組んで入れ込み型ナット１３（図３（ｂ）参照）で固着した二本の補助スクリュ２ａ、２ｂとはＶ字型のように装着されている。
【００２９】
また、フラッシュタンク６はフランジ６ａを通じてボルト６ｂで上半分割バレル５ａに固定されている。金物９とその下部に設置された分流器１５は装・脱着容易なフランジ９ｂを通じてボルト９ｃで上半分割バレル５ａに固定される。また、供給パイプ１２はフランジ１２ａを通じてボルト１２ｂで金物９の上部に固定される。
【００３０】
前記金物９は、下方に向けて広がっている発泡体流れ緩和室１０を有し、その下部に配置された分流器１５は、多くのスリットまたはホールを有する板状体とされ、分流器１５と前記Ｖ字型のスクリュ間は、フラッシュ室１４とされている。このフラッシュ室１４のスクリュ軸と垂直になる方向の内壁幅は、前記ベースの二軸スクリュ１ａ、１ｂの中心距離以上とされている。
【００３１】
また、フラッシュタンク６内の操作状況を観察するために、フラッシェタンク６の側面においてサイトガラス８が設置された上向きの斜めな観察ポート７が設けられている。前記フラッシュタンク６のスクリュ軸と垂直になる方向の内壁幅は、前記ベースの二軸スクリュ１ａ、１ｂの全幅以上とされている。
【００３２】
また、フラッシュ脱揮領域Ｉにおいては上半分割バレル５ａはボルト５ｃでベースの下半分割バレル５ｂに固定される。また、その隣接の二軸スクリュ用二分割バレルII−１は、その上半分割１１ａをボルト１１ｃでベースの下半分割バレル１１ｂに固定され、ボルト５ｄでフラッシュ脱揮領域Ｉのバレル５ａ、５ｂに固定される。
【００３３】
また、揮発分の気化により、温度が低下した溶融かつ発泡状態のポリマーブロック中からの揮発分の分離を促進するため、前記フラッシュ脱揮領域Ｉと前記低濃度脱揮領域II用バレルの加熱媒体の流路５ｅ、１１ｄのほか、前記金物９と、前記補助スクリュ２ａ、２ｂの末端に隣接する前記二軸スクリュ用二分割バレルII−１の上半分割バレル１１ａのフランジ部にそれぞれ加熱可能な構造、例えば、加熱媒体の流路９ａ、１１ｅを設ける。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のフラッシュ脱揮強化用補助スクリュ付き二軸スクリュ押出機は以上説明したように構成されているので、従来のかみ合い型同方向回転同直径二軸スクリュ押出機より、次のような効果を得ることができる。
（ａ）同じ高含有量の揮発分が含まれ、ポリマー乾量基準のポリマー溶液に対する処理能力を顕著に向上することができる。
（ｂ）エントレメントの発生に関する揮発分許容濃度が倍以上であるポリマー溶液の脱揮処理に適用できる。
（ｃ）フラッシュ脱揮時に起こりやすいエントレメントの発生が完全に抑制、防止できる。
（ｄ）ポリマー溶液重合プロセス下流の分離工程の簡素化、例えば、フラッシュタンク数の削減を図ることができる。
（ｅ）前記分離工程と後処理工程における設備投資のコストダウンを図ることができる。
（ｆ）前記分離工程と後処理工程の省エネルギを図ることができる。
（ｇ）前記分離工程と後処理工程の省スペースを図ることができる。
（ｈ）前記ポリマー溶液重合プロセスに関するポリマー製造のコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフラッシュ脱揮強化用補助スクリュ付き二軸スクリュ押出機の概略図である。
【図２】フラッシュ脱揮領域の構成図であり、（ａ）は要部断面正面図、（ｂ）は（ａ）の要部断面側面図である。
【図３】フラッシュ脱揮領域の構成図であり、（ａ）は、図２（ａ）の平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 二軸スクリュ
２ａ、２ｂ 補助スクリュ
３ａ、３ｂ シャフト（二軸スクリュ用）
４ａ、４ｂ シャフト（補助スクリュ用）
５ａ 上半分割バレル（フラッシュ脱揮領域用）
５ｂ 下半分割バレル（フラッシュ脱揮領域用）
５ｃ ボルト
５ｄ ボルト
５ｅ 熱媒流路
６ フラッシュタンク
６ａ フランジ（フラッシュタンク用）
６ｂ ボルト
７ 観察ポート
８ サイトガラス
９ 金物
９ａ 熱媒流路
９ｂ フランジ（金物用）
９ｃ ボルト
１０ 発泡体流れ緩和室
１１ａ 上半分割バレル（二軸スクリュ用）
１１ｂ 下半分割バレル（二軸スクリュ用）
１１ｃ ボルト
１１ｄ 熱媒流路
１１ｅ 熱媒流路
１２ 供給パイプ（ポリマー溶液供給部）
１２a フランジ（供給パイプ用）
１２ｂ ボルト
１３ ナット
１４ フラッシュ室
１５ 分流器

Claims (7)

1. かみ合い型同方向回転のベースの二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）と、前記二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）よりも短い二本の補助スクリュ（２ａ、２ｂ）とを有し、フラッシュ脱揮領域（Ｉ）において、前記二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）の上方に前記補助スクリュ（２ａ、２ｂ）をＶ字型に配置して前記二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）と同方向回転でかみ合わせ、前記フラッシュ脱揮領域（Ｉ）の下流側に隣接する、前記二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）が配置された低濃度脱揮領域（ＩＩ）においては注水発泡脱揮が行われることを特徴とする二軸スクリュ押出機。
2. 前記二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）と前記二本の補助スクリュ（２ａ、２ｂ）とを装・脱着しやすくするため、前記フラッシュ脱揮領域（Ｉ）のバレルを二分割バレル（５ａ、５ｂ）とし、これに隣接した下流側の低濃度脱揮領域（ＩＩ）のバレルを部分的二分割バレル（１１ａ、１１ｂ）とし、前記部分的二分割バレル（１１ａ、１１ｂ）に通常のバレルを連結したことを特徴とする請求項１記載の二軸スクリュ押出機。
3. 前記フラッシュ脱揮領域（Ｉ）の上半分割バレル（５ａ）の上部に設けたポリマー溶液供給部（１２）の下方に、発泡体流れ緩和室（１０）、分流器（１５）およびフラッシュ室（１４）を、この順で上から配置していることを特徴とする請求項２記載の二軸スクリュ押出機。
4. 前記発泡体流れ緩和室（１０）は、加熱可能な金物（９）内に形成されていることを特徴とする請求項３記載の二軸スクリュ押出機。
5. 前記フラッシュ室（１４）のスクリュ軸と垂直になる方向の内壁幅は、前記ベースの二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）の中心距離以上であることを特徴とする請求項３記載の二軸スクリュ押出機。
6. 前記ポリマー溶液供給部（１２）より上流側に設けられたフラッシュタンク（６）のスクリュ軸と垂直になる方向の内壁幅は前記ベースの二軸スクリュ（１ａ、１ｂ）の全幅以上であることを特徴とする請求項３記載の二軸スクリュ押出機。
7. 前記フラッシュ脱揮領域（Ｉ）において、前記ポリマー溶液供給部（１２）から供給されて減圧によって発泡状態になるポリマー溶液は、前記発泡体流れ緩和室（１０）でその流速を緩和され、前記分流器（１５）により分流されてから、前記フラッシュ室（１４）においてフラッシュされ、分離された揮発分のガス流速は、前記ポリマー溶液供給部（１２）の上流側に設けたフラッシュタンク（６）で緩和されることを特徴とする請求項３記載の二軸スクリュ押出機。

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