TWI425007B

TWI425007B - 聚合樹脂之製造設備、聚合反應槽、及聚合樹脂之製造方法

Info

Publication number: TWI425007B
Application number: TW98134125A
Authority: TW
Inventors: Kenichirou Matsuba; Kazushige Kimura
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2014-02-01
Also published as: TW201113295A

Description

聚合樹脂之製造設備、聚合反應槽、及聚合樹脂之製造方法

本發明係關於用以製造聚合樹脂的設備與方法。更可取地，本發明係關於用以製造高透明樹脂的製造設備與製造方法，此透明樹脂可例如係共聚合樹脂的苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN，styrene-acrylonitrile copolymer resin)。

在傳統上，苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(以下偶爾敘述為「SAN」)已被大量化製造。為了改善生產率等等的理由而以連續方式來製造此種SAN。

另一方面，藉由作為原料之苯乙烯與丙烯腈的共聚合反應來製造SAN，而此共聚合反應為放熱反應(exothermic reaction)。於是，為了以穩定方式來連續製造SAN，而出現移除聚合熱的需求，因此，作為用以製造此種SAN的設備，已提出一種設備，其包含位於聚合反應槽內的氣相區(vapor area)，因此可藉由使部分的聚合溶液蒸發到此氣相區內而移除聚合熱。

順帶一提，此種SAN具有優異透明度的特性。然而，假使SAN的組成(即，SAN中的苯乙烯以及丙烯腈成分)在重量比例上出現差異而造成SAN變混濁時，此種透明度會降低。於是，為了獲得具有優異透明度的SAN，必須使聚合反應槽內之聚合溶液的組成與溫度均勻。

然而，如上所述，在聚合反應槽內包含氣相區而藉以移除如同潛熱之熱的製造設備中，已蒸發之單體、溶劑等等的組成與其在聚合溶液中的組成係彼此不同。若此種蒸氣被凝結而反饋回到聚合反應槽內時，會出現於其中聚合溶液內之這些成分組成不同的部分。此外，在此種設備中，例如壓力、溫度以及液位的操作因素會相互干擾，因而時常發生變化。因此，滯留時間(residence time)以及反應率(polymerization ratio)會發生變化，如此，難以使滯留時間以及反應率保持固定。因此，藉由共聚合反應所生產之 SAN的組成會變得不均勻，因而降低SAN的透明度。

因此，習知已提出一種製造設備，其包含一冷卻器，並藉由此冷卻器來移除聚合熱。

日本專利公開公報第47-610號揭露一種製造設備，其在聚合反應槽內包含一冷卻設備，並藉由此冷卻設備來移除聚合熱。此製造設備具有不需在聚合反應槽內設置氣相區的特性。因此，可藉由使原料進料速率保持固定，而使聚合反應槽內之聚合溶液的滯留時間保持固定。此外，此製造設備具有不需考慮因為氣相成分凝結所引起之組成變化的優點。

日本專利公開公報第55-35912號揭露一種外接式熱移除設備(冷卻器)，其能夠刮擦管件的內壁。一冷卻介質可流過此種熱移除設備(冷卻器)的殼件，此冷卻介質具有比聚合溫度低5℃以上但不超過40℃的溫度。藉由使用一幫浦而從聚合反應槽取出聚合溶液，並且將此溶液引入到此種熱移除設備中的管件內，熱交換會發生在聚合溶液與冷卻介質之間，藉以冷卻聚合溶液。在此之後，聚合溶液會再次反饋回到聚合反應槽內，以移除在聚合反應槽內的聚合熱。

日本專利公開公報第48-29628號揭露一種製造設備，其包含一聚合反應槽，此聚合反應槽在其下部具有由渦輪式(turbine-type)攪拌葉片以及螺旋式(screw-type)攪拌葉片所構成的一輔助攪拌葉片，並且在其內部具有一冷卻器。

然而，日本專利公開公報第47-610、55-35912以及48-29628號所揭露的製造設備，在某些情況下，無法完全且均勻地執行原料與聚合溶液的混合以及共聚合反應，而導致依這些方式所生產之SAN的組成不均勻。

此意味著即使使用一冷卻設備來執行冷卻，但為了有效製造SAN，亦必須固定某程度的聚合反應速率。因此，聚合反應槽內之聚合溶液的溫度被保持高於供應到聚合反應槽內之原料的溫度。於此，在日本專利公開公報第47-610號所揭露之製造設備的情況下，如該專利文獻的圖1與2所示，原料透過注入口而被注入到聚合反應槽內。因此，在這些注入口附近，聚合溶液的溫度與組成在某些情況下會變得不均勻，因而導致所生產之SAN的組成亦變得不均勻。此外，此種製造設備僅包含建立在聚合反應槽內的一冷卻設備以及覆蓋聚合反應槽外壁的一冷卻套管來作為其冷卻器。因此，由於聚合反應槽之每單位體積的熱傳面積會因為設備尺寸的增加而減少，所以此製造設備遭遇到熱移除不足的問題。因此，日本專利公開公報第47-610號的設備被認為不完全適合於尺寸的增加。

日本專利公開公報第55-35912號並沒有具體揭露任何用以將原料注入到聚合反應槽內以及混合與攪拌此原料的方法。日本專利公開公報第55-35912號亦未熟慮過使聚合溶液之溫度與組成均勻的方法，此聚合溶液係位於聚合反應槽內的原料注入口附近。再者，在聚合反應槽內之聚合溶液係透過如在此種製造設備中之外部冷卻器而進行循環的情況下，此製造設備在某些情況下會受到下列方式的不利影響：由於當循環聚合溶液被反饋回到聚合反應槽內時之循環聚合溶液的液壓，聚合反應槽內之攪拌設備的攪拌軸會產生側向顫動。

日本專利公開公報第48-29628號的製造設備包含輔助攪拌葉片以及螺旋式攪拌葉片，如該專利文獻的圖1所示。因此，可改善原料的可混性(mixability)。然而，像日本專利公開公報第47-610號的製造設備一樣，此製造設備僅包含建立在聚合反應槽內的一冷卻設備以及覆蓋聚合反應槽外壁的一冷卻套管來作為其冷卻器。因此，假使此設備直接增加尺寸時，如上所述，其無法完全移除聚合熱，如此則需要從外部加以設置的冷卻器。

再者，在日本專利公開公報第48-29628號的設備中，若此設備增加尺寸時，攪拌軸本身可被伸長，而因為攪拌葉片轉動所引起的側向顫動會變得更大。因此，為了防止此種問題，必須在藉由將軸承部件設置於聚合反應槽下部的控制下來設置攪拌軸。然而，假使軸承部件如日本專利公開公報第48-29628號之圖1所示被設置在聚合反應槽的下部時，則難以在攪拌葉片的正下方安裝原料的注入口以及外部循環聚合溶液的注入口。因此，在此種情況下，原料以及外部循環溶液的注入口必須安裝在偏離聚合反應槽內之攪拌葉片正下方的位置上，如日本專利公開公報第47-610號的圖2所示。因此，無法均勻攪拌及混合在入口附近的聚合溶液，因而導致其溫度與組成變得不均勻。此外，亦無法快速且均勻地使透過外部冷卻器進行循環並藉以冷卻的聚合溶液與聚合反應槽內的原料混合。

如上所述，在習知製造設備中，原料以及外部循環溶液的注入口必須被設置遠離攪拌軸。因此，此設備具有下列問題：在待注入聚合反應槽內之原料的注入口附近的聚合溶液的溫度與組成會發生不均勻性(nonuniformity)，並因此，所製造的SAN會具有低透明度。再者，若聚合溶液的冷卻效率不足時，為了改善冷卻效率，因而設置外部循環式冷卻器，此製造設備在某些情況下會受到下列方式的不利影響：由於通過此種冷卻器之聚合溶液的液壓，聚合反應槽內的攪拌軸會產生側向顫動。

在【先前技術】段落中，已舉了為共聚合樹脂的SAN作為範例而進行說明。然而，在此種SAN的製造設備所觀察到此種例如在聚合反應槽內之聚合溶液之溫度與組成上的不均勻性問題，亦在連續製造其他聚合與共聚合樹脂時發生，於其中聚合反應為放熱反應。

為了解決上述問題，一實施例係關於一種製造聚合樹脂的設備，其包含：一聚合反應槽，包含一主體、以及一伸出部件，該伸出部件從該主體的底面向下伸出，以及該伸出部件的下部係由一底蓋所構成；一攪拌設備，包含安裝在該主體上方的一驅動部件、連接至該驅動部件並從該驅動部件延伸到該伸出部件內的一旋轉式攪拌軸、以及設置在該攪拌軸之側面上的一葉片；一軸承部件，設置在該伸出部件的底蓋上，以覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該軸承部件與該攪拌軸的側面之間以及該軸承部件與該攪拌軸的底面之間形成一間隙；一溶液取出孔，設置在該主體內；一保護部件，覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該伸出部件內的該保護部件與該攪拌軸的側面之間形成一第一流動路徑；一第一冷卻裝置，設置在該主體內；一循環冷卻裝置，包含設置在該伸出部件之側面上而相對於該保護部件的一循環入口噴嘴、從該主體通向該循環入口噴嘴的一循環管路、以及在通過該循環管路的中途點上與該循環管路耦合的一第二冷卻裝置與一循環幫浦；一第三冷卻裝置，設置以覆蓋該聚合反應槽的外壁；一原料注入噴嘴，與該伸出部件耦合；及一流動路徑構成部件，設置在該軸承部件與該保護部件之間，以覆蓋該攪拌軸的側面，並且固定該軸承部件與該保護部件，該流動路徑構成部件在該攪拌軸的側面與該流動路徑構成部件之間形成一第二流動路徑，並且形成用以耦合該第二流動路徑與該原料注入噴嘴的一第三流動路徑，其中該第一到第三流動路徑構成一連續流動路徑，該第一流動路徑的最上端被開啟而通往該伸出部件的內部，以及該間隙、除該最上端以外的該第一流動路徑部分、該第二流動路徑以及該第三流動路徑係與該伸出部件的內部隔開。

另一實施例係關於一種用於聚合樹脂的聚合反應槽，其包含：一主體；一伸出部件，從該主體的底面向下伸出，並且包含由一底蓋所構成的一下部；一攪拌設備，包含：一旋轉式攪拌軸，連接至安裝在該主體上方的一驅動部件並且從該驅動部件延伸到該伸出部件內；以及一葉片，設置在該攪拌軸的側面上；一軸承部件，設置在該伸出部件的底蓋上，以覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該軸承部件與該攪拌軸的側面之間以及該軸承部件與該攪拌軸的底面之間形成一間隙；一溶液取出孔，設置在該主體內；一保護部件，覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該伸出部件內之該保護部件與該攪拌軸的側面之間形成一第一流動路徑；一第一冷卻裝置，設置在該主體內；一循環入口噴嘴，設置在該伸出部件的側面上而相對於該保護部件，並且使一冷卻聚合溶液在其內進行流動；一原料注入噴嘴，與該伸出部件耦合；及一流動路徑構成部件，設置在該軸承部件與該保護部件之間，以覆蓋該攪拌軸的側面並且固定該軸承部件與該保護部件，該流動路徑構成部件在該攪拌軸的側面與該流動路徑構成部件之間形成一第二流動路徑，並且形成用以耦合該第二流動路徑與該原料注入噴嘴的一第三流動路徑，其中該第一到第三流動路徑構成一連續流動路徑，該第一流動路徑的最上端被開啟而通往該伸出部件的內部，以及該間隙、除該最上端以外的該第一流動路徑部分、該第二流動路徑以及該第三流動路徑係與該伸出部件的內部隔開。

設置上述製造設備，俾能使藉由循環冷卻裝置進行循環的原料以及聚合溶液被注入到伸出部件內。第一到第三流動路徑可構成一連續流動路徑。此外，第一流路徑的最上端被開啟而通往伸出部件的內部，間隙、除最上端以外的第一流動路徑部分、第二流動路徑以及第三流動路徑係與伸出部件的內部隔開，藉以在伸出部件內構成一獨立空間。因此，新注入到伸出部件內的原料可通過原料注入噴嘴、第三流動路徑、第二流動路徑以及第一流動路徑，而最後從第一流動路徑的最上端被注入到聚合反應槽內。

一般而言，作為聚合樹脂之原料的單體以及其他原料被保持在低溫，俾能在單體儲槽內、在注入原料調整槽內、以及在管路內直到聚合反應槽的任何點上不發生聚合反應。藉由保護部件以及流動路徑構成部件，可防止此低溫原料在從第一流動路徑流至第三流動路徑時，與存在於伸出部件內的聚合溶液相接觸，並且可使此低溫原料直接與攪拌軸接觸。在此，若不存在如上述實施例所述的此種保護部件以及流動路徑構成部件時，原料以及藉由第二冷卻裝置進行循環的聚合溶液，會在注入伸出部件之後立即相互混合。因此，在伸出部件內，會出現一部分聚合溶液，其具有明顯不同於主體內之聚合溶液的組成與溫度。相較之下，在上述實施例的製造設備中，可在聚合反應槽底部的小區域內立即且均勻地混合新注入到伸出部件內的低溫原料、聚合反應槽內的聚合溶液、以及藉由循環冷卻裝置進行循環的聚合溶液。因此，可縮小聚合溶液的組成與溫度分佈。

此外，注入到伸出部件內的原料會因為在軸承部分之攪拌軸的轉動所產生的摩擦熱、從在第二冷卻裝置內進行循環之聚合溶液傳遞到保護部件的熱、以及從聚合反應槽內傳遞到攪拌設備的熱而被加熱。因此，原料在流出第一流動路徑的最上端而進入到聚合反應槽的瞬間係處於某種程度的高溫。於是，流出第一流動路徑之最上端的原料與聚合溶液之間的溫度差異會變小。因此，可更均勻地混合並攪拌原料與聚合溶液。再者，軸承部件的熱可被此低溫原料加以移除。因此，可防止軸承部件過熱而縮短其使用壽命，並且防止聚合反應在此種部件附近發生。

以相對於循環入口噴嘴的方式來形成保護部件，於其中流過第二冷卻裝置的聚合溶液被注入到伸出部件內。於是，可防止攪拌軸因為在循環聚合溶液被注入到伸出部件內時所引起的循環聚合溶液液壓而產生側向顫動。

如到目前為止所述，可使聚合反應均勻發生在聚合反應槽內。因此，可以一穩定方式長時間製造具有均勻組成的聚合樹脂。

在本說明書中，「原料」一詞係指含有作為聚合樹脂原料之單體、溶劑、分子量調節劑(molecular weight modifier)、視需要之聚合起始劑等等的液體材料。

「伸出部件的內部」的詞句係指位於伸出部件內被保護部件的外表面、露出之攪拌軸的側面(其不被軸承部件、保護部件以及流動路徑構成部件所覆蓋)、伸出部件的內側壁(不包含流動路徑構成部件的側壁)、以及流動路徑構成部件所包圍的一空間。亦即，「伸出部件的內部」的詞句係指位於伸出部件內除了間隙以及第一到第三流動路徑以外的一空間。舉例而言，此空間為被圖7之虛線所圍住的部分30。

「第一流動路徑的最上端」的詞句係指位於第一流動路徑內最靠近驅動部件的部分。

「聚合反應槽的內部體積」的詞句係指位於聚合反應槽內之氣相區的體積。亦即，聚合反應槽的內部體積可表示為「(當聚合反應槽內部排空並且不設有任何裝置與單元時的體積)-(被設置在聚合反應槽內部之內的裝置與單元所佔用的體積)」。此「設置在聚合反應槽內部之內的裝置與單元」的範例包含攪拌設備、軸承部件、保護部件、第一冷卻裝置、以及流動路徑構成部件。此外，若聚合溶液被裝載到聚合反應槽內時，則「聚合反應槽的內部體積」係相當於聚合溶液的體積。

再者，符號「TL(切線)」係表示位於聚合反應槽之主體的圓柱形部分與包含主體上部之頭部隅角的磨圓部分之間的邊界。舉例而言，此切線為圖6之符號「TL」所表示的部分。

以下，本發明將參考其實施例來進行說明。這些實施例係為了促進對本發明的瞭解而提出，因此，本發明並不限於以下所述的實施例。於是，本發明包含下述實施例的許多替代方式。

再者，在下列內容中，將以SAN作為聚合樹脂的一範例而進行說明。然而，使用依照本發明之製造設備與製造方法所製造的聚合樹脂並不限於SAN。依照本發明之製造設備與製造方法亦可用於其他聚合樹脂與共聚合樹脂，於其中聚合反應為放熱反應。

(第一實施例)

圖1與2顯示依照本發明之製造設備的一範例。圖1顯示此製造設備的側剖面圖；而圖2顯示沿著圖1所示之製造設備之線A-A'的剖面圖(圖2僅顯示圖1所示之製造設備的基本構造，而此圖式並不包含其部分結構。此外，搭配黑色背景的白色區域係表示填滿聚合溶液的部分)。此製造設備係以聚合反應槽所構成，此聚合反應槽包含主體20以及從主體之底面向下伸出的伸出部件21。伸出部件21的下部係由底蓋24所構成。

在此聚合反應槽的主體上方，安裝有一未被顯示的驅動部件。此外，攪拌軸13被連接至此驅動部件。攪拌軸13穿過主體20而懸掛在其上部的半空中，並且從驅動部件延伸到伸出部件21的下部內。葉片2被焊接在攪拌軸13的側面。攪拌軸13與葉片2可構成一旋轉式攪拌設備，俾能藉由此攪拌設備的旋轉而攪拌並混合位於聚合反應槽內的聚合溶液。如圖1所示，包含輔助葉片的輔助攪拌葉片17可被形成在葉片2的下部。藉由以此方式來形成輔助攪拌葉片，吾人可改善混合效率。

在伸出部件的底蓋24上，形成有軸承部件11，其沿著圓周覆蓋攪拌軸13的側面而不與此攪拌軸相接觸。軸承部件11可用以使攪拌軸13獲得控制，俾能防止攪拌軸由於其本身的旋轉而產生過度的顫動。此外，間隙28(顯示於圖4)被形成在軸承部件11與攪拌軸13的側面之間以及軸承部件11與攪拌軸13的底面之間。

在主體20的上部中，形成有取出孔12，俾能使聚合溶液可被取出。

在伸出部件21內，形成有保護部件9，其沿著圓周覆蓋攪拌軸13的側面而不與此攪拌軸相接觸。此外，形成在保護部件9與攪拌軸13的側面之間的空間部分(spatial part)可構成第一流動路徑。

在聚合反應槽的主體內，形成有流通管3、管狀冷卻盤管4a、以及環狀歧管頭4b，管狀冷卻盤管4a被連接至此環狀歧管頭，俾能使聚合反應所產生的熱可被移除。流通管3、管狀冷卻盤管4a以及環狀歧管頭4b可相當於第一冷卻裝置。

如圖1與2所示，流通管3為中空圓柱管。冷卻介質15從流通管3的下部注入，並流過此流通管的內部，然後流出另一下部。因此，冷卻介質15可透過流通管而進行循環。此外，攪拌設備的葉片係從此流通管向內形成，俾能被此流通管所包圍。由於攪拌設備的旋轉，聚合溶液的向上流動會發生在從此管向內的區域內，而聚合溶液的向下流動會發生在從此管向外的區域內，藉以在聚合反應槽內有效引起一循環流。

在圖1中，以四重包圍流通管3之外部的方式來形成管狀冷卻盤管4a。從形成在主體之上、下部內之環狀歧管頭4b之下部所注入的冷卻介質15，可通過每一管狀冷卻盤管4a，然後流出環狀歧管頭4b的相對下部。因此，冷卻介質15可透過管狀冷卻盤管而進行循環。

當冷卻介質15用於流通管3與管狀冷卻盤管4a以及環狀歧管頭4b時，吾人可使用公知的介質，其包含由Solutia Inc.所製造的Therminol 55與Therminol 59、由Dow Chemical Company所製造的Dowtherm Q與Dowtherm MX、以及由Soken Tecnix Co.,Ltd所製造的NeoSK-Oil 330與NeoSK-Oil 1400。

吾人可僅使用流通管3來作為第一冷卻裝置。此外，當使用管狀冷卻盤管4a時，可向一對環狀歧管頭安裝一個以上的管狀冷卻盤管圓形陣列，並且不特別限制環狀歧管頭的數量。又，在本實施例中，形成有兩對環狀歧管頭以及為每一對環狀歧管頭雙倍的管狀冷卻盤管圓形陣列。

又，第一冷卻裝置不限於流通管3以及管狀冷卻盤管4a。或者，吾人可使用公知的冷卻器，只要此冷卻器能夠長期穩定地冷卻聚合溶液即可。

在伸出部件21的側面上，形成有相對於保護部件9的循環入口噴嘴18。此外，循環管路19從主體20的循環出口噴嘴6連接至循環入口噴嘴18。第二冷卻裝置8以及循環幫浦7被連接至通過循環管路19的中途點上。設置在主體20內的循環入口噴嘴18、第二冷卻裝置8、循環幫浦7、循環出口噴嘴6、以及用以連接這些元件的循環管路19，可構成一循環冷卻裝置。藉由操作循環幫浦7，自主體20之循環出口噴嘴6所取出的聚合溶液可在藉由第二冷卻裝置8進行冷卻之後，經由循環入口噴嘴18而回到伸出部件21。

沒有特別限制此第二冷卻裝置，只要聚合溶液能夠保持流動而持續冷卻即可。作為第二冷卻裝置，較佳係使用如圖3所示的熱交換器，在其他熱交換器之中，其能夠藉由螺旋彈簧的往復運動而刮擦管件的內壁。

圖3所示的熱交換器包含外殼33以及形成於其內的管件38。管件38透過入口34與出口35而連接至循環管路19，俾能使聚合溶液在循環幫浦7被驅動時流過此管件。亦即，聚合溶液從入口34進入，並通過管件38，然後自出口35流出。此外，設置熱交換器，俾能使冷卻介質從入口36被注入並且自出口37流出。在外殼33內流動的冷卻介質以及在管件38內流動的聚合溶液會藉由管件外殼而彼此隔開，藉以透過此管件的熱交換而移除聚合溶液的熱。

再者，沿著管件38之內壁產生往復運動的螺旋彈簧39被插入此管件內並且被固定至嵌板40。嵌板40被連接至桿件41，俾能藉由往復驅動單元42而從外部連續或間歇產生往復運動。

當聚合溶液藉由循環冷卻裝置進行長時間的循環時，固體物質可能會附著於管件(聚合溶液在其內進行流動)的內壁。即使固體物質如上所述附著於管件的內壁，吾人仍可使用此種熱交換器而藉由螺旋彈簧定期刮除固體物質。因此，吾人可穩定且持續地冷卻聚合溶液。

在圖3中，顯示螺旋彈簧產生往復運動的情形。然而，螺旋彈簧的動作並不限於此種運動。或者，可設置此熱交換器，俾能對每一螺旋彈簧形成桿件41以及往復驅動單元42，而每一螺旋彈簧可獨自轉動。此外，當冷卻介質在外殼33內流動時，吾人可使用上述其中一種公知的熱介質。

形成第三冷卻裝置1，俾能覆蓋聚合反應槽的外壁。舉例而言，吾人可使用冷卻套管來作為第三冷卻裝置1。

原料注入噴嘴10被連接至伸出部件21，俾能使原料被新注入至聚合反應槽內。此外，作為聚合樹脂之原料的單體以及其他原料通常被保持在低溫，俾能在儲槽內或在管路內直到聚合反應槽的任何點上不產生聚合反應。此種低溫原料的使用可增加能夠使用此原料之顯熱(sensible heat)來移除聚合熱的比例。因此，吾人可降低第一冷卻裝置、第二冷卻裝置以及第三冷卻裝置的負載。

在軸承部件11與保護部件9之間，形成有第二流動路徑，俾能藉由流動路徑構成部件25而沿著圓周覆蓋攪拌軸13的側面。此外，流動路徑構成部件25可連接軸承部件11、保護部件9以及原料注入噴嘴10。流動路徑構成部件25可構成第三流動路徑31，此流動路徑用以耦合第二流動路徑與原料注入噴嘴。

流動路徑構成部件25必須至少形成在軸承部件11與保護部件9之間，俾能覆蓋攪拌軸13。然而，流動路徑構成部件25不僅可存在於軸承部件11與保護部件9之間的區域內，而且可存在於位在上述區域更上方的區域內(朝向驅動部件側)。舉例來說，在此種情況下，如圖4與5所示，流動路徑構成部件25的部分(位於軸承部件11與保護部件9之間的區域上方的部位)可覆蓋保護部件9的下部。

第一到第三流動路徑可構成連續的流動路徑。此外，第一流動路徑的最上端29被開啟而通往伸出部件的內部，而間隙、除最上端以外的第一流動路徑部分、第二流動路徑以及第三流動路徑則與伸出部件的內部隔開。因此，間隙、除最上端以外的第一流動路徑部分、第二流動路徑以及第三流動路徑可在伸出部件內構成僅由這些部件所形成的獨立空間。因此，從原料注入噴嘴10延伸到第一流動路徑的區段(原料注入噴嘴10-第三流動路徑31-第二流動路徑23-第一流動路徑22)可用以防止所注入的低溫原料沿著此區段的任何點而洩漏，並且防止與位在聚合反應槽內的聚合溶液相接觸。此外，原料注入噴嘴10透過第三與第二流動路徑而連接至第一流動路徑。因此，從原料注入噴嘴10所注入的低溫原料可通過第三流動路徑31、第二流動路徑23以及第一流動路徑22，而不與聚合溶液相接觸。最後，原料會流出第一流動路徑22的最上端(伸出部件的最上端與攪拌軸的側面之間的空間)29而到達位於伸出部件內靠近其上部的位置。

依此方式，被新注入至聚合反應槽內的原料會被引導至形成在主體內的攪拌設備，而迅速且均勻地與位在聚合反應槽內的聚合溶液混合。在此之後，如圖1之箭頭所示，聚合溶液會因為攪拌裝置的旋轉而在比流通管更靠近攪拌裝置中心的主體區域內上升，並且在比流通管更遠離此中心的區域內下降，而回到主體的底部。依此方式，在主體內循環並混合原料。在如上所述循環並混合聚合溶液時發生聚合反應，因此製造聚合樹脂。

此外，含有依此種方式所製造之聚合樹脂的部分聚合溶液，可自形成在主體之上部內的溶液取出孔12取出。然後，使用薄膜蒸發器(thin film evaporator)、押出機(extruder)、如日本專利公開公報第48-29797號所述之殼管式(shell-and-tube type)熱交換器、氣-液分離器(並未顯示於圖1)等等，從被取出的聚合溶液分離未反應的單體、溶劑以及聚合樹脂。然後將聚合樹脂造粒(pelletized)成產品。在取出未反應的單體以及溶劑之後，可進一步將一原料加入其中，俾能使依此方式所獲得的混合物具有預定的組成，因此未反應的單體以及溶劑可再次被使用作為原料。

圖4顯示製造設備之伸出部件、保護部件、以及第一到第三流動路徑的一範例。如圖4所示，軸承部件11被形成在伸出部件的底蓋24上。此外，在軸承部件11的控制下設置攪拌軸13，俾能不產生水平顫動。軸承部件11的上部與下部分別係由導軸承(steady bearing)26以及用以支撐此導軸承的圓柱形結構27所構成。形成導軸承與圓柱形結構兩者，俾能沿著圓周覆蓋攪拌軸13的側面，較佳係不與此攪拌軸相接觸。軸承部件11的結構並不限於圖4所示的結構。或者，導軸承26與圓柱形結構27可具有經由鍵(key)與鍵槽(key groove)以使導軸承與圓柱形結構被固定於流動路徑構成部件而無法轉動的結構。

如上所述，雖然在導軸承26的控制下設置俾能不產生側向顫動，但攪拌軸13仍被連接至驅動部件而懸掛在半空中。於是，在攪拌軸13與伸出部件的底蓋24之間存在一空間。因此，設計此製造設備，俾能使適當的空間形成在攪拌軸13的側面與導軸承26之間以及在攪拌軸13的側面與圓柱形結構27之間。亦即，間隙28被形成在攪拌軸13的側面與軸承部件11之間以及在攪拌軸13的底面與軸承部件11之間。較佳係設置此製造設備，俾能在攪拌軸13的側面與軸承部件11之間按慣例具有0.1mm以上但不大於1mm的間隙，俾能使攪拌軸13能夠自由轉動。此外，由於依此方式來形成間隙28，所以即使攪拌軸因為聚合反應槽內的熱而膨脹時，吾人亦可防止攪拌軸13與軸承部件11及伸出部件的底蓋24相接觸。

導軸承26係由比攪拌軸13更軟的材料所製成，因此，可能會因為攪拌軸13的旋轉而磨損。在預料到此種情況之下，可設置此製造設備，俾能使伸出部件的部分可分離，而視情況取代導軸承26。

此外，雖然未顯示於圖4中，保護蓋可被設置在攪拌軸13的部分內而相對於導軸承26，以保護攪拌軸13。由於依此方式來形成保護蓋，所以即使外來物質進入到導軸承26與攪拌軸13之間時，吾人仍可防止攪拌軸13免於損傷。

在伸出部件21內，形成有保護部件9，俾能沿著圓周包圍攪拌軸13的側面。由於保護部件9與攪拌軸13的側面係彼此遠離而不相互接觸，所以在保護部件9與攪拌軸13的側面之間會存在一空間部分。此空間部分可作為第一流動路徑22。

舉例而言，吾人可使用不銹鋼來作為保護部件的材料。保護部件的壁厚可僅為與具有能夠防止保護部件因為循環聚合溶液之液壓而彎曲之強度的厚度一樣厚。因此，此壁厚可依照循環入口噴嘴的流速而視情況決定。建構此保護部件，俾能使保護部件之下部的至少部分以能夠防止保護部件因為溶液之旋轉力量(由攪拌軸的旋轉所引起)而鬆開的方向穿過，然後固定於流動路徑構成部件。

在本實施例中，已顯示一範例，於其中將一循環幫浦、一冷卻器、一循環出口噴嘴以及一循環入口噴嘴各別分成一組。然而，其中每一循環幫浦、冷卻器、循環出口噴嘴以及循環入口噴嘴的群組並不限於一組，而係可被設置成兩組以上。原料注入噴嘴亦可被設置成兩對以上。在此種情況下，形成流動路徑構成部件以及第三流動路徑，俾能與原料注入噴嘴的數量以及其位置一致。

再者，作為圖4所示之實施例的一修改範例，如圖5所示，另一原料注入噴嘴10b可進一步被形成在伸出部件的底蓋下方，俾能使原料可從原料注入噴嘴10b注入。從原料注入噴嘴10b注入到伸出部件之下部內的原料可依序通過攪拌軸13的底面與底蓋24之間的間隙28、攪拌軸13的側面與軸承部件11之間的間隙28、第二流動路徑23、第一流動路徑22。然後，此原料在第二流動路徑23內與自原料注入噴嘴10a所注入的一原料合併之後通過第一流動路徑22，並且流出第一流動路徑的最上端29而到達伸出部件的上部。以如上所述的此種構造，吾人可進一步增強軸承部件的冷卻效果。

在此，從原料注入噴嘴10a與10b所注入的原料可視需要而含有：作為聚合樹脂之原料的單體、溶劑、分子量調節劑、聚合起始劑等等。此外，原料被保持在低溫，俾能使聚合反應不會在注入原料調整槽內以及在管路內直到聚合反應槽的任何點上發生。

在圖4與5所示之實施例的製造設備中，從原料注入噴嘴10、10a或10b所注入的原料可因為上述構造而通過第三流動路徑31、第二流動路徑23以及第一流動路徑22。此外，間隙、除最上端以外的第一流動路徑部分、第二流動路徑以及第三流動路徑可與伸出部件的內部隔開，而這些部件可在伸出部件內構成一獨立、固有的空間。再者，僅第一流動路徑的最上端29被開啟而通往伸出部件的內部。因此，注入聚合反應槽的低溫原料可藉由伸出部件的流動路徑構成部件25以及保護部件9，而防止在流過第三流動路徑31、第二流動路徑23以及第一流動路徑22時與存在於伸出部件21內的聚合溶液相接觸，並且呈現直接與攪拌軸13相接觸的狀態。此意指低溫原料係存在於靠近軸承部件11的區域內，藉以能夠移除軸承部件11的熱。因此，吾人可防止單體在此區域附近發生聚合。此外，以低溫原料，吾人可移除由原料與導軸承26之間的攪拌軸13之旋轉所產生的摩擦熱。因此，吾人可降低導軸承26的磨損並且延長其使用壽命。

原料在通過第一到第三流動路徑時會因為由原料與軸承部件11之間的攪拌軸13之旋轉所產生的摩擦熱、從在第二冷卻裝置內進行循環之聚合溶液傳遞到保護部件的熱、以及從聚合反應槽內傳遞到攪拌器的熱而被加熱。因此，原料在流出第一流動路徑22的最上端29而進入到聚合反應槽的瞬間係處於某種程度的高溫。於是，流出第一流動路徑22之最上端29的原料與聚合溶液之間的溫差會變小。因此，吾人可更均勻地混合並攪拌原料與聚合溶液。

此外，形成相對於循環入口噴嘴的保護部件，此循環入口噴嘴係使通過第二冷卻裝置之聚合溶液被注入伸出部件的部件。因此，吾人可防止攪拌軸因為當溶液被注入伸出部件內時所引起的循環聚合溶液液壓而產生側向顫動。因此，吾人可藉由形成保護部件而增加循環流率。

如到目前為止所述，在本實施例中，吾人可立即並均勻地混合被新注入至伸出部件內的低溫原料、聚合反應槽內的聚合溶液、以及藉由循環冷卻裝置在聚合反應槽底部之小區域內進行循環的聚合溶液。因此，吾人可縮小聚合樹脂的組成與溫度分佈。

相較之下，若不存在如本實施例所述之此種保護部件時，流過第二冷卻裝置的聚合溶液以及原料在注入伸出部件之後會立即混合。因此，在伸出部件內，會產生一部分的聚合溶液，其組成與溫度係明顯不同於主體內的聚合溶液。此外，高溫聚合溶液會進入軸承部件，因而此部件會因為摩擦熱而變得更熱，因此產生一聚合樹脂，其組成係明顯不同於主體內的聚合樹脂。再者，導軸承的使用壽命會縮短。若增加經由循環冷卻裝置之聚合溶液的循環流率而改善聚合溶液的冷卻效率時，聚合溶液會被高液壓推出循環入口噴嘴18而進入到伸出部件21內。因此，攪拌軸13會因為此液壓而產生側向顫動。

在聚合反應槽內之聚合溶液的溫度可依照待製造之樹脂的種類而視情況設定。舉例而言，以於其中將為共聚合樹脂之苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)製造作為聚合樹脂的情況作為一範例。在此種情況下，若不使用起始劑時，溫度較佳為120℃以上但不高於190℃，更佳為125℃以上但不高於170℃。以在這些範圍內之聚合反應槽內的聚合溶液溫度而言，吾人可有效使共聚合反應發生而製造SAN。

在聚合溶液被送回到伸出部件之前，被循環冷卻裝置送回至伸出部件之聚合溶液的溫度較佳係比聚合反應槽內之聚合溶液的溫度低2℃以上但不超過10℃，更佳係低2℃以上但不超過5℃。以在這些範圍內之待被送回到伸出部件之聚合溶液的溫度而言，吾人可有效移除聚合熱，而降低被送回之聚合溶液與位在聚合反應槽內之聚合溶液之間的溫差。此外，較佳係使具有比聚合溫度低5℃以上但不超過40℃之溫度的冷卻介質流過第二冷卻裝置。

當從兩原料注入噴嘴10a與10b注入原料時，這些透過噴嘴所注入的原料可彼此相同或者可彼此不同。舉例而言，當製造苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)以作為聚合樹脂時，苯乙烯可從一原料注入噴嘴注入，而丙烯腈可從另一原料注入噴嘴注入。

第一冷卻裝置較佳係包含：流通管，其能夠被形成而包圍攪拌設備的葉片，並且冷卻介質可在此流通管內流動；管狀冷卻盤管，形成在流通管與主體的內壁之間；以及環狀歧管頭，形成在聚合反應槽的上部與下部內，俾能使冷卻介質流過管狀盤管。較佳係使用冷卻套管來作為第三冷卻裝置。此外，A/B較佳係6m² /m³ 以上但不大於25m² /m³ ，其中A(m² )為「主體內之流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭之外表面積與以冷卻套管所覆蓋之主體外壁面積的和」；而B(m³ )為「聚合反應槽的內部體積」。此外，「流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭的外表面積」的詞句係指存在於聚合反應槽內之流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭之外表面部分的表面積。

以6m² /m³ 以上的A/B，可增加冷卻效率，因此吾人可對聚合溶液的溫度進行均勻化(uniformize)，並且進而對聚合樹脂的組成進行均勻化。此外，將A/B設定在25m² /m³ 以下，可防止冷卻管之間的間隔降低而引起聚合溶液的流動變得不均勻，或者可防止攪拌動力增加而引起攪拌熱的增加。因此，吾人可獲得優異的冷卻效率並且達到成本的降低。

此聚合設備較佳係包含上述流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭以作為第一冷卻裝置，並且較佳係使用冷卻套管以作為第三冷卻裝置。此外，吾人可使用一冷卻器來作為第二冷卻裝置，此冷卻器包含：殼件，冷卻介質可於其內進行流動；管件，連接至循環管路並形成在此殼件內；以及螺旋彈簧，形成在此冷卻器的管件內，並且能夠進行往復運動以及旋轉運動至少其中之一。在此種情況下，A/C較佳係0.2以上但不大於1.0，其中A(m² )為「主體內之流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭之外表面積與以冷卻套管所覆蓋之主體外壁面積的和」；而C(m² )為「冷卻器之管件的內表面積」。此外，「流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭的外表面」的詞句係指存在於聚合反應槽內之流通管、管狀冷卻盤管以及環狀歧管頭之外表面部分的表面積。

若A/C小於0.2時，則第二冷卻裝置的熱移除率會增加。因此，若循環體積不增加時，透過第二冷卻裝置而循環之聚合溶液的溫度會過度低於聚合反應槽的內部溫度，因此可能會降低聚合反應槽內之樹脂組成的均勻性。此外，若循環體積增加時，則會出現增加循環幫浦之動力以及設備之保護部件與主體之強度的需求，以平衡通過第二冷卻裝置之聚合溶液之液壓的增加。整體而言，此可能會降低設備的經濟效益。

另一方面，若A/C大於1.0時，則相較於第二冷卻裝置的熱移除率，第一冷卻裝置以及第三冷卻裝置的熱移除率會變得極高。因此，會因為隨著連續操作時間的經過而附著於這些裝置之表面的固體物質，而降低第一與第三冷卻裝置的冷卻效率。因此，其不再可持續長期的操作。

此外，若從保護部件之固定位置到循環入口噴嘴的距離太長時，保護部件會因為循環溶液的液壓而變彎曲。因此較佳係縮短從保護部件之固定端到循環入口噴嘴與保護部件之中心線之交叉點的距離(從保護部件之固定端到接受液壓之部分保護部件的距離)。再者，保護部件的最上端較佳係高於循環入口噴嘴之內壁的最上端，並且低於主體之底面的最下端。以保護部件之最上端高於循環入口噴嘴之內壁的最上端之方式，將保護部件設置相對於循環入口噴嘴。因此，吾人可防止攪拌軸因為透過循環入口噴嘴所循環之聚合溶液的液壓而產生側向顫動。此外，以保護部件的最上端低於主體之底面的方式，原料可通過第一流動路徑的最上端，並且流至位於聚合反應槽內靠近伸出部件之上部的區域，俾能首先與在此區域內的聚合溶液進行混合。葉片以及輔助攪拌葉片被形成在此區域的狹窄空間內，以致於在此時，原料與聚合溶液可以高剪切速度進行混合及攪拌。因此，吾人可更有效地使原料與聚合溶液互相混合並且進行聚合反應。

假設循環入口噴嘴的內徑為D_N ，於是保護部件的最上端較佳係位在高於循環入口噴嘴之內壁的最上端0.5D_N 以上的位置。以位在此高度之保護部件的最上端而言，在攪拌軸上的液壓確實可被降低。此外，吾人可有效使原料與聚合溶液進行混合、攪拌以及聚合反應。

(第二實施例)

本實施例係關於一種用在聚合反應槽內之聚合反應失控的壓力釋放部件。圖6顯示此製造設備的一範例。不像第一實施例，在本實施例中，此製造設備在主體20的上部包含破裂盤(rupture disk)5，以作為待開啟的壓力釋放部件，俾能在聚合反應槽的內部壓力為一預定壓力時或者超出一預定壓力時，對聚合反應槽的內部進行洩壓。一噴嘴與例如遙控操作閥(remote-operated valve)的一洩壓設備，可被形成作為壓力釋放部件以代替破裂盤5。此外，循環管路19被連接至主體20的側面，以及假設主體20之圓柱形部分的內徑為「D」，則主體20的切線(TL，tangent line)與循環管路19之內壁的最上端之間的高度為0.2D以上但不大於0.5D。

破裂盤5被以此種方式加以形成，並且進一步連接至一維持低於聚合反應槽之壓力的槽體(未顯示於圖6)。因此，若聚合反應槽內的聚合反應發生失控而聚合反應槽的內部壓力變得過高時，破裂盤5會破裂而釋放聚合反應槽的內部。於是，吾人可對聚合反應槽的內部進行洩壓。因此，可防止聚合反應槽內的內部壓力以及溫度變得過高而破壞聚合反應槽。

再者，若破裂盤5如上所述發生破裂時，俾能對聚合反應槽的內部進行洩壓，部分的聚合溶液會蒸發並且衝出系統，因而上升到主體20內的一空間。假使在此時，循環出口噴嘴6被連接至位於主體20之上部位置的側面時，循環幫浦會引入位於主體之上部的氣體並且進行空轉，因此可能無法正確運作。

另一方面，若循環出口噴嘴6被連接至位於主體20之下部位置的側面時，雖然循環幫浦沒有進行空轉，但循環幫浦可使主體20之底部附近的聚合溶液進行循環。在主體20之底部附近的聚合溶液已被管狀冷卻盤管所冷卻，並因此處於低溫狀態。於是，相對低溫的聚合溶液會進一步被第二冷卻裝置所冷卻，因此產生更低溫的聚合溶液(其係待送回至聚合反應槽)。因此，聚合反應槽內之聚合溶液的溫度分佈會變寬。因此，在此聚合反應槽內所製造之聚合樹脂的組成會變得不均勻。

相較之下，在本實施例中，主體20的切線與循環出口噴嘴6之內壁的最上端之間的高度為0.2D以上但不大於0.5D。此外，循環出口噴嘴6被連接至位於主體20之適當高度的側面。

因此，即使聚合反應失控而破裂盤5發生破裂時，循環幫浦7亦不會進行空轉。此外，吾人可使藉由循環冷卻裝置所循環之聚合溶液的冷卻器外部溫度盡量接近聚合反應槽的內部溫度。於是，可縮小聚合反應槽內之聚合溶液的溫度分佈，並且使聚合樹脂的組成均勻。

一液位開關(level switch)可被安裝在聚合反應槽的內壁上，俾能判定當破裂盤5發生破裂時聚合溶液所到達的液位。

(第三實施例)

第三實施例顯示一範例，於其中共聚合樹脂被使用作為聚合樹脂。許多共聚合樹脂的特徵為快速共聚合反應以及高反應熱。因此，共聚合樹脂具有下列特性：聚合反應槽的內部溫度趨於變高，以及聚合反應槽內的溫度分佈趨於變為不均勻。因此，藉由使用依照本發明之製造設備，吾人可移除由聚合反應槽內之共聚合反應的反應熱所產生的聚合熱，並且將聚合反應槽的內部溫度均勻控制在期望的溫度範圍內。此外，藉由將共聚合樹脂用的低溫原料注入到伸出部件內，吾人可使軸承部件以及攪拌軸維持在低溫。因此，可連續並均勻地製造出具有均勻組成的共聚合樹脂。此外，可降低導軸承的磨損，並且可防止單體在軸承部件及其附近發生聚合反應。

作為此共聚合樹脂，較佳係製造苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)。在其他共聚合樹脂之中，苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)具有下列特性：高反應速率、高聚合熱、以及若樹脂組成不均勻時會降低透明度。因此，藉由使用依照本發明之製造設備，吾人可有效移除因為共聚合反應所引起的反應熱。於是，可將聚合反應槽的內部溫度有效且穩定地控制在期望的溫度範圍內。因此，可製造具有均勻組成以及優異透明度的SAN，並且可預防軸承部件的磨損等等。

在以下所列出的項目(1)至(4)中，提及在製造苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)以作為聚合樹脂時的較佳條件。

(1)當原料注入噴嘴10所注入之原料的丙烯腈含量變得更高時，待製造之SAN的丙烯腈成分在比例上亦會變得更高。在此，待製造之SAN之丙烯腈成分的比例較佳為15wt%以上但不高於35wt%；而苯乙烯含量較佳為65wt%以上但不高於85wt%。因此，在原料中的「丙烯腈/(丙烯腈+苯乙烯)」重量比例較佳係0.15以上但不高於0.5，俾能使SAN具有如上所述的組成。

(2)此外，藉由原料注入噴嘴10所注入之原料的溶劑含量較佳為5wt%以上但不高於30wt%。此溶劑可用以降低攪拌動力並且調節聚合反應的速率。以在這些範圍內之原料的溶劑含量而言，可穩定地以高生產率來製造SAN。例如溶劑的種類，吾人可使用芳香族碳氫化合物，例如苯、甲苯以及乙苯(ethyl benzene)等等。

(3)再者，作為分子量調節劑，吾人可使待被原料注入噴嘴10所注入的原料含有濃度為100ppm以上但不高於8000ppm的硫化合物，例如三級十二硫醇(tertiary dodecyl mercaptan)等等。根據不同情況，在原料中可包含有機過氧化物以作為起始劑，例如過氧化苯甲醯(benzoyl peroxide)、過氧化月桂醯(lauroyl peroxide)、過氧化乙醯(acetyl peroxide)等等。

(4)作為在不使用起始劑時的聚合條件，溫度較佳為120℃以上但不高於170℃，而滯留時間較佳為1小時以上但不超過3小時。作為在使用起始劑時的聚合條件，溫度較佳為70℃以上但不高於125℃，而滯留時間(residence time)較佳為1小時以上但不超過3小時。

(第四實施例)

本實施例係關於一種使用用以製造SAN之設備的製造方法。本實施例包含下列步驟：

(1)準備裝載有聚合溶液之聚合反應槽的步驟；

(2)透過第三流動路徑、第二流動路徑以及第一流動路徑將原料從原料注入噴嘴注入到伸出部件內的步驟；

(3)執行聚合反應的步驟，於其中在藉由轉動攪拌設備而混合原料與聚合溶液時形成聚合樹脂；

(4)藉由第一與第三冷卻裝置來冷卻聚合反應槽內之聚合溶液的步驟；

(5)使用循環幫浦從主體取出聚合溶液、藉由第二冷卻裝置冷卻聚合溶液、然後透過循環入口噴嘴將聚合溶液送回到伸出部件的步驟；及

(6)從溶液取出孔取出聚合溶液然後分離聚合樹脂與聚合溶液的步驟。

在上述製造方法中，步驟(1)到(6)可不必依順序進行。或者，這些步驟中的某些或所有步驟可同時進行。

在此，在主體內進行循環之聚合溶液的體積流率較佳為從原料注入噴嘴所注入之原料的體積流率的50倍以上但不超過300倍，更佳為80倍以上但不超過200倍。

在此，「在主體內進行循環之聚合溶液的體積流率」可使用粒子追蹤法(particle tracking method)加以量測。亦即，隨著停止新原料的注入以及聚合溶液的排出，將具有與聚合溶液相同之黏度的漿液(syrupy solution)或矽油(silicone oil)置入具有與聚合反應槽相同之結構及尺寸的丙烯酸槽體內，並且使用攪拌設備進行攪拌。接著，將追蹤粒子置入聚合反應槽內，此追蹤粒子可例如為直徑約2mm至3mm的有色氯乙烯(vinyl chloride)樹脂、聚苯乙烯樹脂或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS，acrylonitrile butadiene styrene)樹脂之球形粒子，其與漿液及矽油的密度差異不大於約5%。接著，決定追蹤粒子要在聚合反應槽中於單位時間(每小時)內循環幾次。然後，根據追蹤粒子在聚合反應槽內循環的次數而計算出「在主體內進行循環之聚合溶液的體積流率」。

舉例而言，若追蹤粒子在聚合反應槽內每小時循環「A」次，而聚合反應槽內之聚合溶液的體積為「V」(m³ )，於是「在主體內進行循環之聚合溶液的體積流率」則為A×V(m³ /h)。因此，假設新注入原料的流率為Q(m³ /h)，吾人可使用方程式A×V/Q，計算出與從原料注入噴嘴所注入之原料體積流率一樣大的聚合溶液體積在聚合反應槽內循環幾次。球形追蹤粒子可藉由將原料樹脂、顏料等等置入押出機內並且使用水下切割法(underwater cutter method)進行造粒而獲得。

聚合溶液的黏度可例如藉由下列方式來判定：(a)評估在循環幫浦之排放管線或在聚合溶液之出口管線的壓力損失，並且從Hagen-Poiseuille方程式計算黏度，或者(b)在聚合反應槽內或在其出口管線內安裝振動式(vibration-type)黏度計等等。

熱傳性能會隨著通過第二冷卻裝置之聚合溶液的流率增加而升高，因此，出口溫度亦會增加，而槽體內之聚合溶液的溫度與來自第二冷卻裝置之聚合溶液的出口溫度之間的差異會降低。因此，可獲得具有優異透明度的聚合物。另一方面，增加循環幫浦的容量，因此，必須增加發展刮擦設備的動力與強度，因而降低此製造方法的經濟效益。於是，假使第二冷卻裝置係由包含上述殼件、管件以及螺旋彈簧的一冷卻器所構成時，「(在第二冷卻裝置之管件內流動的聚合溶液的體積流率)/(第二冷卻裝置之管件的內表面積)」的比例，較佳係0.2m³ /h/m² 以上但不高於0.5m³ /h/m² 。以在上述範圍內之「(在第二冷卻裝置之管件內流動的聚合溶液的體積流率)/(第二冷卻裝置之管件的內表面積)」的比例而言，吾人可使藉由循環冷卻裝置所循環之聚合溶液的冷卻器出口溫度盡量接近聚合反應槽的內部溫度。因此，可縮小聚合反應槽內之聚合溶液的溫度分佈，藉以使聚合樹脂的組成均勻。

若待製造的聚合樹脂為苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)時，透過原料注入噴嘴注入到伸出部件內之原料的溫度較佳為-5℃以上但不高於20℃，更佳為0℃以上但不高於10℃。舉例而言，原料可使用例如冷激水(chilled water)或鹵水(brine)的冷卻介質預先進行冷卻。由於水通常會溶於為原料的丙烯腈中，所以假使原料的溫度過低時，這種水會在冷卻設備的內壁上結凍，因此可能會降低冷卻設備的冷卻能力。另一方面，假使原料的溫度過高時，原料會因為軸承部件與攪拌軸之間的摩擦熱、從在第二冷卻裝置內進行循環之聚合溶液傳遞通過保護部件的熱、以及從聚合反應槽內傳遞通過攪拌器的熱，而在第一到第三流動路徑或間隙等等內進行共聚合反應。

實施例 (實施例1)

SAN係使用圖1所示的製造設備加以製造。此製造設備包含聚合反應槽，此聚合反應槽包含主體20以及伸出部件21。在主體20內，此製造設備包含螺旋式攪拌設備、輔助攪拌葉片17、流通管3、管狀冷卻盤管4a、以及連接至管狀冷卻盤管的環狀歧管頭4b。在聚合反應槽的外壁上，此製造設備包含冷卻套管1。部分的聚合溶液被循環幫浦7取出主體20，並且在藉由冷卻器8進行冷卻之後以相對於保護部件9的方式被送回到伸出部件21。冷卻器8包含：殼件，冷卻介質於其內進行流動；管件，形成在此殼件內並且聚合溶液可於此管件內進行流動；以及螺旋彈簧，形成在此管件內，俾能藉由此螺旋彈簧的往復運動來刮除此管件之內壁上的附著物質。

此外，設置此製造設備，俾能透過原料注入噴嘴10將原料從伸出部件21的側面注入其內部。原料被熱交換器冷卻至20℃並且以2.06m³ /h的流率(F)連續供應。設定原料的組成，俾能使苯乙烯、丙烯腈、乙苯以及三級十二硫醇的重量比例為0.5421/0.3539/0.0995/0.0045。藉由採用齒輪幫浦(gear pump)作為循環幫浦7並且控制其轉數，而將循環聚合溶液的流率(D)調節為16m³ /h。

此外，此聚合反應槽的內部體積(B)為2.67m³ ，流通管3、管狀冷卻盤管4a以及環狀歧管頭4b的外表面積與被冷卻套管1所覆蓋之主體20之外壁的面積的總和(A)為40m² ，以及冷卻器8之管件的內表面積(C)為49.67m² 。另一方面，藉由將攪拌設備的轉數調節至80rpm，而將在主體內進行循環之聚合溶液的體積流率(E)設定為200m³ /h。

藉由控制流過流通管、管狀冷卻盤管、冷卻套管、以及冷卻器8的殼件之冷卻介質的溫度，而將聚合溫度維持在144℃。冷卻介質的流率被設定為90m³ /h。以溫度計來量測聚合溫度，此溫度計係從主體外壁朝內插入聚合反應槽之主體之上、下切線的中間200mm。

從安裝在主體上頭部之溶液取出孔12連續取出的聚合溶液被引入到日本專利公開公報第48-29797號所述之殼管式熱交換器以及氣-液分離器內。接著，將未反應的單體、溶劑以及SAN與此聚合溶液分離。在此時，氣-液分離器的壓力被固定維持在40Torr，並且調節流過熱交換器之熱介質的溫度，俾能使被分離之SAN的溫度為220℃。在此之後，將SAN造粒成產品。

使用如上述所製造的SAN，以射出成型裝置來製作尺寸為長度50mm×寬度50mm×厚度3mm的測試片，並且量測此測試片的霧度(haze value)。吾人可使用Meiki Co.,Ltd.所製造的SJ-35C Dynamelt來作為射出成型機。設定成型條件，俾能使圓柱體的前、中以及後段溫度為220℃，射出比(injection ratio)為60%，以及模具溫度為60℃。

此外，依照JIS K-7105-1981，使用積分球法(integrating sphere method)以及C光源，以Nippon Denshoku Industries Co.,Ltd.所製造的NDH-2000霧度計來量測三片測試片，而評估為依此種方式所量測之平均值的霧度。再者，使用例如Perkin-Elmer 2400II CHNS/O分析儀的元素分析儀來量測產品中的丙烯腈成分(PAN，polyacrylonitrile)。又，依照ASTM D-1238，以200℃的量測溫度以及5kg的量測重量來評估為SAN物性之重要資料項目的熔流指數(MFI，melt flow index)。表1顯示霧度、丙烯腈成分、以及熔流指數(MFI)的量測結果。

(實施例2)

在實施例1所使用的製造設備中，安裝另一組循環出口噴嘴6、循環幫浦7、冷卻器8以及循環入口噴嘴18，並且將原料進料流率(F)設定為2.43m³ /h。除了此參數以外，在與實施例1相同的條件下製造SAN。表1顯示此種SAN之霧度、丙烯腈成分、以及熔流指數(MFI)的量測結果。

1．．．冷卻套管

2．．．攪拌設備的葉片

3．．．流通管

4a．．．管狀冷卻盤管

4b．．．環狀歧管頭

5．．．破裂盤

6．．．循環出口噴嘴

7．．．循環幫浦

8．．．第二冷卻裝置

9．．．保護部件

10．．．原料注入噴嘴

10a．．．原料注入噴嘴

10b．．．原料注入噴嘴

11．．．軸承部件

12．．．溶液取出孔

13．．．攪拌軸

15．．．冷卻介質

17．．．輔助攪拌葉片

18．．．循環入口噴嘴

19．．．循環管路

20．．．主體

21．．．伸出部件

22．．．第一流動路徑

23．．．第二流動路徑

24．．．伸出部件的底蓋

25．．．流動路徑構成部件

26．．．導軸承

27．．．圓柱形結構

28．．．間隙

29．．．第一流動路徑的最上端

30．．．伸出部件的內部

31．．．第三流動路徑

33．．．殼件

34．．．入口

35．．．出口

36．．．入口

37．．．出口

38．．．管件

39．．．螺旋彈簧

40．．．嵌板

41．．．桿件

42．．．往復驅動單元

TL．．．切線

圖1係用以說明第一實施例之製造設備的示意圖；

圖2係用以說明第一實施例之製造設備的另一示意圖；

圖3係用以說明構成第一實施例之第二冷卻裝置之冷卻器的示意圖；

圖4係用以說明伸出部件之一範例的示意圖；

圖5係用以說明伸出部件之一範例的另一示意圖；

圖6係用以說明第二實施例之製造設備的示意圖；及

圖7係用以說明製造設備內之伸出部件內部的示意圖。

1‧‧‧冷卻套管

2‧‧‧攪拌設備的葉片

3‧‧‧流通管

4a‧‧‧管狀冷卻盤管

4b‧‧‧環狀歧管頭

6‧‧‧循環出口噴嘴

7‧‧‧循環幫浦

8‧‧‧第二冷卻裝置

9‧‧‧保護部件

10‧‧‧原料注入噴嘴

11‧‧‧軸承部件

12‧‧‧溶液取出孔

13‧‧‧攪拌軸

15‧‧‧冷卻介質

17‧‧‧輔助攪拌葉片

18‧‧‧循環入口噴嘴

19‧‧‧循環管路

20‧‧‧主體

21‧‧‧伸出部件

24‧‧‧伸出部件的底蓋

25‧‧‧流動路徑構成部件

29‧‧‧第一流動路徑的最上端

Claims

一種製造聚合樹脂的設備，包含：一聚合反應槽，包含一主體、以及一伸出部件，該伸出部件從該主體的底面向下伸出，以及該伸出部件的下部係由一底蓋所構成；一攪拌設備，包含安裝在該主體上方的一驅動部件、連接至該驅動部件並從該驅動部件延伸到該伸出部件內的一旋轉式攪拌軸、以及設置在該攪拌軸之側面上的一葉片；一軸承部件，設置在該伸出部件的底蓋上，以覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該軸承部件與該攪拌軸的側面之間以及該軸承部件與該攪拌軸的底面之間形成一間隙；一溶液取出孔，設置在該主體內；一保護部件，覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該伸出部件內的該保護部件與該攪拌軸的側面之間形成一第一流動路徑；一第一冷卻裝置，設置在該主體內；一循環冷卻裝置，包含設置在該伸出部件之側面上而相對於該保護部件的一循環入口噴嘴、從該主體通向該循環入口噴嘴的一循環管路、以及在通過該循環管路的中途點上與該循環管路耦合的一第二冷卻裝置與一循環幫浦；一第三冷卻裝置，設置以覆蓋該聚合反應槽的外壁；一原料注入噴嘴，與該伸出部件耦合；及一流動路徑構成部件，設置在該軸承部件與該保護部件之間，以覆蓋該攪拌軸的側面，並且固定該軸承部件與該保護部件，該流動路徑構成部件在該攪拌軸的側面與該流動路徑構成部件之間形成一第二流動路徑，並且形成用以耦合該第二流動路徑與該原料注入噴嘴的一第三流動路徑，其中該第一到第三流動路徑構成一連續流動路徑，該第一流動路徑的最上端被開啟而通往該伸出部件的內部，以及該間隙、除該最上端以外的該第一流動路徑部分、該第二流動路徑以及該第三流動路徑係與該伸出部件的內部隔開。
如申請專利範圍第1項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該主體更包含一壓力釋放部件，該壓力釋放部件在該聚合反應槽的內部壓力為一預定壓力以上時開啟，以對該聚合反應槽的內部進行釋壓，該循環管路與該主體的側面耦合，以及假設該主體之圓柱形部分的內徑為D，則從該主體之切線到該循環管路之內壁之最上端的高度為0.2D以上但不大於0.5D。
如申請專利範圍第1或2項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該第一冷卻裝置包含：一流通管，包圍該攪拌設備的葉片，並且包含在該流通管內部流動的一冷卻介質；一管狀冷卻盤管，設置在該流通管與該該主體的內壁之間；及環狀歧管頭，設置在該聚合反應槽的上部與下部內，以使一冷卻介質流過該管狀冷卻盤管，該第三冷卻裝置包含一冷卻套管，以及A/B為6m² /m³ 以上但不大於25m² /m³ ，其中A(m² )為「該主體內之該流通管、該管狀冷卻盤管以及該環狀歧管頭之外表面積與以該冷卻套管所覆蓋之該主體外壁之面積的和」，而B(m³ )為「該聚合反應槽的內部體積」。
如申請專利範圍第1或2項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該第一冷卻裝置包含：一流通管，包圍該攪拌設備的葉片，並且包含在該流通管內部流動的一冷卻介質；一管狀冷卻盤管，設置在該流通管與該該主體的內壁之間；及環狀歧管頭，設置在該聚合反應槽的上部與下部內，以使一冷卻介質流過該管狀冷卻盤管，該第二冷卻裝置包含一冷卻器，該冷卻器包含：一殼件，具有在其內流動的一冷卻介質；一管件，連接至該循環管路，並且設置在該殼件內；以及一螺旋彈簧，設置在該管件內，並且能夠進行往復運動以及旋轉運動至少其中之一，該第三冷卻裝置包含一冷卻套管，以及A/C為0.2以上但不大於1.0，其中A(m² )為「該主體內之該流通管、該管狀冷卻盤管以及該環狀歧管頭之外表面積與以該冷卻套管所覆蓋之該主體外壁之面積的和」，而C(m² )為「該冷卻器之管件的內表面積」。
如申請專利範圍第1或2項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該保護部件的最上端係高於該循環入口噴嘴之內壁的最上端，並且低於該主體的底面。
如申請專利範圍第5項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，假設該循環入口噴嘴的內徑為D_N ，該保護部件的最上端係位在高於該循環入口噴嘴之內壁的最上端0.5 D_N 以上的位置。
如申請專利範圍第1或2項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該聚合樹脂為一共聚合樹脂。
如申請專利範圍第7項所述之製造聚合樹脂的設備，其中，該共聚合樹脂為苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN，styrene-aerylonitrile Copolymer resin)。
一種製造聚合樹脂的方法，該方法係使用申請專利範圍第1到8項其中任一項所述之製造設備，該方法包含下列步驟：準備裝載有一聚合溶液的該聚合反應槽；透過該第三流動路徑、該第二流動路徑以及該第一流動路徑，從該原料注入噴嘴將一原料注入到該伸出部件內；執行聚合反應，於其中藉由轉動該攪拌軸而混合該原料與該聚合溶液，以形成該聚合樹脂；藉由該第一冷卻裝置以及該第三冷卻裝置，對該聚合反應槽內的該聚合溶液進行冷卻；使用該循環幫浦從該主體取出該聚合溶液、藉由該第二冷卻裝置冷卻該聚合溶液、然後透過該循環入口噴嘴將該聚合溶液送回到該伸出部件；及從該原料取出孔取出該聚合溶液，然後將該聚合樹脂與該聚合溶液分離。
如申請專利範圍第9項所述之製造聚合樹脂的方法，其中，在該主體內進行循環之該聚合溶液的體積流率係從該原料注入噴嘴所注入之該原料的體積流率的50倍以上但不超過300倍。
如申請專利範圍第9或10項所述之製造聚合樹脂的方法，其中，該第二冷卻裝置包含一冷卻器，該冷卻器包含：一殼件，具有在其內流動的一冷卻介質；一管件，連接至該循環管路，並且設置在該殼件內；以及一螺旋彈簧，設置在該管件內，並且能夠進行往復運動以及旋轉運動至少其中之一，以及「(在該第二冷卻裝置之管件內流動的該聚合溶液的體積流率)/(該第二冷卻裝置之管件的內表面積)」的比例為0.2m³ /m² /h以上但不高於0.5m³ /m² /h。
如申請專利範圍第9或10項所述之製造聚合樹脂的方法，其中，該聚合樹脂為苯乙烯-丙烯腈共聚合樹脂(SAN)，以及透過該原料注入噴嘴注入到該伸出部件之該原料的溫度為-5℃以上但不高於20℃。
一種用於聚合樹脂的聚合反應槽，包含：一主體；一伸出部件，從該主體的底面向下伸出，並且包含由一底蓋所構成的一下部；一攪拌設備，包含：一旋轉式攪拌軸，連接至安裝在該主體上方的一驅動部件並且從該驅動部件延伸到該伸出部件內；以及一葉片，設置在該攪拌軸的側面上；一軸承部件，設置在該伸出部件的底蓋上，以覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該軸承部件與該攪拌軸的側面之間以及該軸承部件與該攪拌軸的底面之間形成一間隙；一溶液取出孔，設置在該主體內；一保護部件，覆蓋該攪拌軸的側面而不與該攪拌軸相接觸，並且在該伸出部件內之該保護部件與該攪拌軸的側面之間形成一第一流動路徑；一第一冷卻裝置，設置在該主體內；一循環入口噴嘴，設置在該伸出部件的側面上而相對於該保護部件，並且使一冷卻聚合溶液在其內流動；一原料注入噴嘴，與該伸出部件耦合；及一流動路徑構成部件，設置在該軸承部件與該保護部件之間，以覆蓋該攪拌軸的側面並且固定該軸承部件與該保護部件，該流動路徑構成部件在該攪拌軸的側面與該流動路徑構成部件之間形成一第二流動路徑，並且形成用以耦合該第二流動路徑與該原料注入噴嘴的一第三流動路徑，其中該第一到第三流動路徑構成一連續流動路徑，該第一流動路徑的最上端被開啟而通往該伸出部件的內部，以及該間隙、除該最上端以外的該第一流動路徑部分、該第二流動路徑以及該第三流動路徑係與該伸出部件的內部隔開。
如申請專利範圍第13項所述之用於聚合樹脂的聚合反應槽，更包含：一第三冷卻裝置，設置以覆蓋該主體的外壁。