WO1997045184A1 - Column and process for deodorising dispersions - Google Patents

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WO1997045184A1
WO1997045184A1 PCT/EP1997/002639 EP9702639W WO9745184A1 WO 1997045184 A1 WO1997045184 A1 WO 1997045184A1 EP 9702639 W EP9702639 W EP 9702639W WO 9745184 A1 WO9745184 A1 WO 9745184A1
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dispersion
dispersions
polymer
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PCT/EP1997/002639
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Wolfgang HÜBINGER
Peter Keller
Rudolf Kaiser
Wolfgang Heider
Ulrich Eiden
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Basf Aktiengesellschaft
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/16Fractionating columns in which vapour bubbles through liquid
    • B01D3/22Fractionating columns in which vapour bubbles through liquid with horizontal sieve plates or grids; Construction of sieve plates or grids
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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    • C08F6/00Post-polymerisation treatments
    • C08F6/001Removal of residual monomers by physical means
    • C08F6/003Removal of residual monomers by physical means from polymer solutions, suspensions, dispersions or emulsions without recovery of the polymer therefrom

Definitions

  • the invention relates to a column and a process for reducing the residual volatile content in dispersions (deodorization of dispersions), and to a device for producing polymer dispersions and the polymer dispersions obtained and their use.
  • residual volatiles used here denotes all such organic compounds with a boiling point (or start of boiling point) of at most 250 ° C.
  • the residual volatiles are undesirable in many applications of dispersions or suspensions, for example in the food or cosmetics sector or in interior applications, and efforts are made to remove them as completely as possible. Dispersions or suspensions are therefore subjected to a treatment which removes the volatile organic constituents. This treatment is mostly referred to as deodorization.
  • DE-A 25 50 023 discloses a degassing column with a plurality of trays one above the other.
  • An essential feature of this column is that a gap that is uniform over the circumference is left between each tray and the column jacket. This feature, however, greatly reduces the efficiency of the entire column, since the liquid phase can be trickled past the open edges without the desired stripping effect occurring.
  • DE-C 27 59 097 describes a process for removing monomers from dispersions, in which the column used is almost completely filled with liquid. As a result, however, the hold-up in the column is undesirably increased, and regularly necessary cleaning work is complex, so that, for example, when changing products problems occur again and again.
  • the specific free hole area is 1.6%.
  • DE-C 25 21 780 discloses a process for removing monomers with the aid of a column equipped with sieve plates, in which water vapor at a temperature of 100 to 150 ° C. under a pressure of 0.8 to 1.6 bar is used.
  • the method described here has the disadvantage that the relatively high temperatures can damage the products.
  • Water vapor is introduced in amounts of 1 to 5% by weight, based on the amount of dispersion added.
  • DE-A 27 33 679 describes a similar process for separating monomers by means of a column with perforated plates, in which the temperature in the column is 90 to 150 ° C. In order to reach the temperatures, the pressure in the column usually has to be raised.
  • this relatively high temperature level in the column also has the disadvantage that relatively temperature-sensitive products cannot be processed. Furthermore, no polymers can be used in the process mentioned here, which soften at temperatures below 90 ° C. Only relatively small plate Distances described in the column, otherwise the polymer is feared to back up on the column wall. The hole diameter is 10 mm, the specific free hole area 5.5 to 7.5%.
  • the object was to find an improved process which remedies the disadvantages mentioned and enables a technically simple and economical separation of the residual volatiles from aqueous suspensions or dispersions. It should also be possible to use relatively high amounts of steam in the process and it should also be possible to use relatively temperature-sensitive products, with high purities being achieved without the residence time in the column having to be increased appreciably.
  • a countercurrent column is to be provided which allows the process to be carried out in such a way that separate storage containers in front of the column can be dispensed with, and the cleaning of the column is simplified, so that product changes are easily possible.
  • the object is achieved by providing a countercurrent column for reducing the volatile content in dispersions which has 5 to 50 rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, the specific free perforated area in the rain sieve trays 2 to 25% and in the crossflow sieve trays 1 to 10% is, in the rain screen trays the average hole diameter is 10 to 50 mm and in the cross-flow tray trays the average hole diameter is 2 to 10 mm.
  • the object is achieved by a process for the preparation of dispersions with a low residual volatile content by treating the dispersion with water vapor in a countercurrent column comprising rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, the steam being added to a pressure of 0.1 to 0.7 bar in the column in countercurrent to the dispersion.
  • the dispersion feed is preferably 4 to 15 kg / cm 2 h for rain sieve trays and 15 to 25 kg / cm 2 h for cross-flow sieve trays.
  • residual volatiles has the meaning given at the beginning.
  • the measurement of residual volatiles is carried out according to DRAFT International Standard ISO / DIS 13741, Part 1 by gas chromatography. They are referred to in this standard as remaining monomers and other organic components.
  • examples include acrylic acid esters such as n-butyl acrylate and isobutyl acrylate, methacrylic acid esters such as methyl methacrylate, acrylonitrile, butadiene, styrene, vinyl acetate, vinyl chloride, and also by-products, for example acetaldehydes and ethylbenzene. Propionitrile, ethyl acrylate and 4-vinylcyclohexene are also listed.
  • the process according to the invention offers the possibility of separating monomers from aqueous suspensions or dispersions in a technically simple and economical manner with a relatively simple construction. Due to the simple design, the column is reliable and easy to clean in practical operation, and a product change is also easy due to the relatively low hold-up in the column. Furthermore, relatively high plate efficiencies can be achieved, whereby the number of plates in the column can be reduced. Due to the reduced pressure in the column, the temperatures in the column are relatively low, so that temperature-sensitive dispersions can also be used. The method also enables the use of relatively high amounts of steam, and it can soften the polymers in the suspension or Dispersion in the column can be reduced so far that the separation process is not affected.
  • the countercurrent column according to the invention can be operated with a very high throughput, so that the column itself can be designed to be small. This makes cleaning the column easier. Since the countercurrent columns are increasingly used not only for deodorization of a certain type of dispersions, but are also operated as part of multi-product systems with frequently changing products or dispersions, simple cleaning of the column used is desirable. The intensity of the cleaning of the column determines the quality of the dispersion obtained. Cleaning is simplified and accelerated by the column designed according to the invention, with smaller amounts of cleaning liquid being required. This enables the column to be operated much more economically and can be used in multi-product plants with frequently changing products. Because of the particularly simple cleaning, columns with rain sieve trays (also referred to as dual-flow trays) are preferred in multi-product systems over the cross-flow sieve trays that can also be used.
  • the columns according to the invention can comprise rain screen trays, cross-flow screen trays or combinations of rain screen trays and cross-flow screen trays exhibit. They preferably have either rain sieve trays or cross-flow sieve trays.
  • the number of trays is 5 to 50, preferably 8 to 40, particularly preferably 15 to 30.
  • the distance between the trays is preferably 250 to 800, particularly preferably 300 to 700, in particular 400 to 600 mm.
  • the column height is preferably 6 to 25, particularly preferably 10 to 20 m.
  • the diameter of the column, preferably with a circular cross section, is preferably 400 to 2500 mm, particularly preferably 800 to 1600 mm.
  • the rain screen trays have average hole diameters of 10 to 50, preferably 12 to 25 mm.
  • the average hole diameter is 2 to 10, preferably 4 to 8 mm.
  • the holes are preferably circular.
  • the specific free perforated area that is to say the percentage of each area filled by holes, is expediently 2 to 25% in the rain sieve trays, preferably 5 to 20%, particularly preferably 10 to 18%, expediently 1 to in the cross-flow sieve trays 10%, preferably 3 to 8%, particularly preferably 4 to 7%.
  • the specific free perforated area is preferably selected so that the following dispersion feeds, based on the free perforated area, are accessible with the stated amounts of steam.
  • Both the cross-sectional shape of the column and the shape of the holes can be adapted to the respective requirements. They are preferably circular cross sections or holes, although other shapes can also be suitable for special applications.
  • the column diameter of the column according to the invention is preferably enlarged in the upper region for gravity separation of dispersion droplets from the steam.
  • the diameter of this extension is at least 1 meter, in particular in the case of smaller columns. It can be up to 4 meters, especially for larger columns. As a rule, the head widening is approximately 1.5 times the diameter of the column trays.
  • the column preferably has an extension of 1 to 3 m, preferably 2 to 3 m, in the lower region, which represents the column bottom.
  • the deodorized dispersion is taken up in this column bottom. It serves as a pump template for subsequent process stages.
  • the dispersion is fed in in the upper region (head) of the column, preferably in the enlarged upper region (head extension) of the column.
  • a column with rain sieve trays is preferably used according to the invention, since it has no construction-related dead zones, which means reduced cleaning effort and allows higher efficiencies.
  • the column size in particular the column height and the number of trays, can be reduced.
  • the column preferably has 15 to 30 trays, which are arranged at a distance of 400 to 600 mm.
  • the column diameter is 800 to 1600 mm, especially 1000 to 1500 mm.
  • the specific free perforated area and the diameter of the column are selected so that a dispersion throughput in the range of in particular 5 to 30 t / h is possible with a dispersion feed of 4 to 15 kg / cm 2 h based on the free perforated area.
  • a crossflow sieve tray column preferably has the same external dimensions and number of trays as the rain sieve tray column.
  • the specific free perforated area and the diameter of the column are selected so that a dispersion addition in the range of in particular 10 to 30 t / h is possible with a dispersion feed of 15 to 25 kg / m 2 h based on the free perforated area.
  • the column according to the invention preferably has a discharge weir.
  • the weir height is preferably 50 to 200 mm.
  • the height of the column exit from the column is preferably 20 to 50 mm, particularly preferably 25 to 40 mm.
  • the specific hole area is about 6%.
  • the number of holes per floor is 2000 to 9000.
  • the column according to the invention can be integrated into a device for producing polymer dispersions.
  • a corresponding device according to the invention for producing polymer dispersions comprises a reactor (A), optionally a post-reactor (B), a column (C), as described above, a heat exchanger (D) for the evaporation, and, if appropriate, an expansion device (E) , a filter (F) and a conditioning device (G).
  • the outlet of the reactor (A) or of the secondary reactor (B) is preferably connected directly to the inlet of the column (C) without the interposition of a separate feed tank.
  • Corresponding devices are in the
  • Figure 1 shows a device with a rain sieve tray column in a schematic representation
  • Figure 2 shows a device with a cross-flow sieve tray column in a schematic representation.
  • Dispersion preparation is generally carried out batchwise in the reactor (A), the content of which is usually transferred to the after-reactor after, incompletely, the reaction.
  • the dispersion had to be transferred from the after-reactor (B) into a separate storage container from which the deodorization column was fed. This was necessary because the throughput of the column was significantly lower than the pumping throughput from the after-reactor (B).
  • the column (C) according to the invention preferably allows such a high throughput that when the after-reactor (B) is emptied the dispersion can be fed directly into the column, since the column has the same throughput may have, which occurs when emptying the post-reactor (B).
  • the entire device By dispensing with a separate storage container, the entire device can be simplified and thus constructed more cost-effectively. The operation is also less expensive because there is no need to control a separate storage container.
  • the aim In the parts of the plant which are not directly influenced by the column (s), the aim is to be able to pump at rates of 20 to 50 t / h.
  • a separate storage container or intermediate buffer upstream of the column can be dispensed with and the column can be fed directly from the after-reactor.
  • the relaxation stage (E) is generally provided in order to be able to adjust the water content of the dispersion discharged from the column bottom. Part of the introduced steam often condenses in the column, so that the water content of the dispersion in the column bottom is increased. In order to reduce the water content, the dispersion obtained can be expanded further (by reducing the pressure with the aid of vacuum equipment), as a result of which some of the water can be discharged as steam (El). The dispersion (E2) discharged from the relaxation stage (E) can thus be adjusted to a desired water content.
  • the columns and devices described above are advantageously used in the process according to the invention for producing dispersions with a low residual volatile content.
  • the dispersion obtained from the reaction generally a polymer dispersion, preferably an aqueous polymer dispersion, is passed through the column in countercurrent to the water vapor.
  • the water vapor is passed at a pressure of 0.1 to 0.7 bar in the column in countercurrent to the dispersion.
  • the pressure in the Column preferably adjusted so that the temperature at the top of the column is above the glass transition temperature of the polymer and the temperature in the bottom of the column is below the temperature at which the polymer dispersion loses its stability and, for example, decomposes or agglomerates or coagulates.
  • the pressure in the column is preferably 0.2 to 0.7 bar, particularly preferably 0.2 to 0.5 bar at the top of the column.
  • the temperature in the column is preferably from 50 to 90 C C, particularly preferably 60-82 ° C. Due to the pressure drop in the column, the temperature at the top of the column is lower than in the bottom of the column.
  • the inlet temperature of the dispersions is preferably 50 to 90 ° C, particularly preferably 60 to 80 ° C.
  • the temperature in the column bottom is preferably 70 to 90 ° C.
  • the outlet temperature of the dispersion corresponds to this temperature.
  • the pressure at the top of the column is 0.2 to 0.5 bar, above the bottom of the column 0.3 to 0.7 bar.
  • Design data for a rain sieve tray column are, for example: hole diameter 15 to 25 mm, surface loading 8 to 15 m 3 / m 2 h, specific loading, based on the hole cross section, 10 to 12 kg / cm 2 h, pressure at the column head 0.2 to 0.5 bar (absolute).
  • a cross-flow sieve tray column is designed, for example, as follows: hole diameter approximately 4 mm, surface loading 8 to 15 m 3 / m 2 h, specific free perforated area 5 to 10%, weir height 100 to 200 mm, pressure at the column head 0.2 to 0.5 bar, specific load, based on the hole cross section, 15 to 22 kg / cm 2 h.
  • the specific steam requirement in the process according to the invention is preferably 10 to 50%, particularly preferably 20 to 30% by weight, measured as water, based on the amount of dispersion introduced.
  • the steam throughput is preferably about 0.1 to 10 t / h, particularly preferably 1 to 8 t / h.
  • the throughput of dispersion is preferably 1 to 50 t / h, particularly preferably 5 to 30 t / h.
  • the throughput of dispersion is preferably 20 t / h or more, with lower production 5 to 10 t / h, on a pilot plant scale (test stage) about 1 to 2 t / h.
  • the throughput depends on the column diameter.
  • the specific surface loading of the column is 1.6 to 25, preferably 8 to 15, m 3 of dispersion per m 2 of cross-sectional area of the column and hour.
  • the inflow is preferably 4 to 15, particularly preferably 10 to 13 kg / cm 2 h for rain sieve trays, preferably 15 to 25, particularly preferably 15 to 22 kg / cm 2 h for cross-flow sieve trays.
  • the procedure according to the invention allows high specific throughputs in the column. Therefore, the dimensions of the column can be kept small, which on the one hand leads to an inexpensive construction and on the other hand reduces the inner surface of the column, which in turn reduces the cleaning effort when changing batches.
  • the residence time in the column is preferably 100 to 2000 s, particularly preferably 200 to 1000 s, in particular 400 to 800 s, depending on the dispersions used.
  • the invention also relates to the dispersions which can be prepared by the process according to the invention.
  • These are dispersions, in particular polymer dispersions, with a residual volatile content of less than 100 ppm, often even less than 50 ppm, in favorable cases even less than 25 ppm, which can be prepared by the above process.
  • the structure of the preferred dispersions is given below.
  • the dispersions used in the process according to the invention can be any dispersions which have removable levels of residual volatiles.
  • examples of such dispersions can be dispersions of contaminated soil, dispersions of inorganic particles, dispersions of biomolecules and preferably dispersions of organic compounds, in particular polymer dispersions.
  • the dispersions are preferably aqueous dispersions.
  • the aqueous polymer dispersions which are preferably suitable for the process according to the invention are fluid systems which, as a disperse phase in the aqueous dispersion medium, contain polymer particles in a stable disperse distribution.
  • the diameter of the polymer particles is generally mainly in the range from 0.01 to 5 ⁇ m, often mainly in the range of 0.01 to 1 ⁇ m.
  • the stability of the disperse distribution often extends over a period of at least one month, in many cases even over a period of at least 6 months.
  • aqueous polymer dispersions have the property of forming polymer films when the aqueous dispersion medium is evaporated, which is why aqueous polymer dispersions are used in many ways as binders, e.g. for paints or compositions for coating leather.
  • aqueous polymer dispersions into aqueous secondary and aqueous primary dispersions.
  • the aqueous secondary dispersions are those in the production of which the polymer is produced outside of the aqueous dispersion medium, for example in solution of a suitable non-aqueous solvent. This solution is then transferred to the aqueous dispersion medium and the solvent is separated off, generally by distillation, with dispersion.
  • aqueous primary dispersions are those in which the polymer is itself produced in disperse distribution in the aqueous dispersion medium. It is essentially common to all production processes that monomers which have at least one ethylenically unsaturated group are used for the synthesis of the polymer, or that the polymer is constructed exclusively from such monomers.
  • Such monomers having at least one ethylenically unsaturated group are usually incorporated by initiated polyreaction, the type of initiation used being determined in particular by the desired performance properties of the target product and therefore being adapted to this.
  • initiation for example, an ionic or a radical initiation can be considered.
  • Installation can also be done by catalytically initiated polymer-analogous reaction take place.
  • Radical initiation is used particularly frequently, which is why the incorporation of monomers having ethylenically unsaturated groups in the case of aqueous primary dispersions is generally by the method of free-radical aqueous emulsion polymerization and in the case of aqueous secondary dispersions is is generally the method the radical solution polymerization takes place.
  • the polyreaction conditions are chosen so that the desired properties of the polymer, such as molecular weight, molecular weight distribution and degree of branching, are obtained.
  • the aqueous polymer dispersions obtained after the reaction normally still have, in particular ethylenically unsaturated, monomers. Due to the increased reactivity of the ethylenically unsaturated double bond, residual monomers such as acrylonitrile and vinyl acetate are not completely harmless from a toxicological point of view and should therefore be removed from the dispersion.
  • the present method serves this purpose. The method can be used for all polymers dispersed in an aqueous medium, regardless of the type of polymer.
  • polymer here therefore encompasses both polycondensates such as polyesters, polyadducts such as polyurethanes and polymers which are accessible by ionic or radical polymerization.
  • Polycondensates such as polyesters
  • polyadducts such as polyurethanes
  • polymers which are accessible by ionic or radical polymerization.
  • Mixed variants of the syntheses mentioned, as well as copolymers, likewise result in dispersions which can be used according to the invention.
  • Suitable monomers having at least one monoethylenically unsaturated group for the process according to the invention are in particular, in a simple manner, radically polymerizable monomers, such as the olefins, for example ethylene, vinylaromatic monomers such as styrene, ⁇ -methylstyrene, o-chlorostyrene or vinyl toluenes, esters of vinyl alcohol and monocarboxylic acids having 1 to 18 carbon atoms, such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl n-butyrate, vinyl laurate, vinyl pivalate and vinyl stearate, and commercially available monomers VEOVA 9 to 11 (VEOVA is a trade name of Shell and stands for vinyl esters of carboxylic acids, which are also referred to as Versatic ® X acids), esters of ⁇ , /?
  • radically polymerizable monomers such as the olefins, for example ethylene, vinylaromatic monomers such as s
  • - mono-ethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids such as acrylic acid, preferably having 3 to 6 carbon atoms.
  • Methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid with generally 1 to 12, preferably 1 to 8 and in particular 1 to 4 carbon atoms a pointing alkanols, such as acrylic acid and methacrylic acid methyl, ethyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl and -2-ethylhexyl ester, dimethyl maleate or n-butyl maleate, nitriles ⁇ .jS monoethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylonitrile, and C 4 .
  • the monomers mentioned generally form the main monomers which, based on the total amount of the monomers to be polymerized by the free-radical aqueous emulsion polymerization process, normally account for more than 50% by weight unite. As a rule, these monomers have Water at normal conditions (25 ° C, 1 atm) only has a moderate to low solubility.
  • Monomers which have an increased water solubility under the abovementioned conditions are, for example, ⁇ , / J-monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids and their amides, such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, acrylamide and methacrylamide, and also vinylsulfonic acid and their water-soluble salts, as well as N-vinyl pyrrolidone.
  • the abovementioned monomers which have increased water solubility, are normally only used as modifying monomers in amounts, based on the total amount of the monomers to be polymerized, of less than 50% by weight. , usually 0.5 to 20, preferably 1 to 10 wt .-%, with copolymerized.
  • Monomers which usually increase the internal strength of the films of the aqueous polymer dispersions normally have at least one epoxy, hydroxy, N-methylol, carbonyl or at least two non-conjugated ethylenically unsaturated double bonds.
  • Examples include N-alkylamides of 3 to 10 carbon atoms, a, ⁇ -monoethylenically unsaturated carboxylic acids and their esters with 1 to 4 carbon atoms, among which the N-methylol acrylamide and the N-methylol methacrylamide are particularly preferred , two vinyl-containing monomers, two vinylidene-containing monomers and two alkenyl-containing monomers.
  • the di-esters of dihydric alcohols with ⁇ , ⁇ -monoethylenically unsaturated monocarboxylic acids are particularly advantageous, among which acrylic and methacrylic acid are preferred.
  • alkylene monomers lenglykolacrylate diacrylates and dimethacrylates such as ethylene glycol diacrylate, butylene glycol diacrylate 1,3-, 1, 4-butylene glycol diacrylates and propylene glycol diacrylate, divinylbenzene, vinyl methacrylate, vinyl acrylate, allyl methacrylate, allyl acrylate, diallyl maleate, Diallyl fumarate, methylenebisacrylamide, cyclopentadienyl acrylate or triallyl cyanurate.
  • methacrylic acid and acrylic acid-C j -Cg-hydroxyalkyl esters such as n-hydroxyethyl, n-hydroxypropyl or n-hydroxybutyl acrylate and methacrylate, and compounds such as diacetone acrylamide and acetylacetoxyethyl acrylate, respectively -methacrylate, ureidoethyl methacrylate and acrylamidoglycolic acid.
  • aqueous polymer dispersions produced exclusively by the free-radical aqueous emulsion polymer method based on the total amount of the monomers to be polymerized, the above monomers are also copolymerized in amounts of from 0.5 to 10% by weight.
  • Dispersants which ensure the stability of the aqueous polymer dispersion produced are usually also used in the course of the free-radical aqueous emulsion polymerization.
  • Both the protective colloids usually used to carry out free-radical aqueous emulsion polymerizations and emulsifiers come into consideration as such.
  • Suitable protective colloids are, for example, polyvinyl alcohols, cellulose derivatives or copolymers containing vinylpyrrolidone.
  • a detailed description of other suitable protective colloids can be found in the Houben Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1969, pages 411 to 420.
  • mixtures of emulsifiers and / or protective colloids can also be used.
  • emulsifiers are used as dispersants, the relative molecular weights of which, in contrast to the protective colloids, are usually below 1000. They can be anionic, cationic or nonionic in nature.
  • anionic emulsifiers are compatible with one another and with nonionic emulsifiers.
  • emulsifiers are, for example, ethoxylated mono-, di- and tri-alkylphenols (EO grade: 3 to 100, alkyl radical: C 4 to C 12 ), ethoxylated fatty alcohols (EO grade: 3 to 100, Alkyl radical: C 8 to C 18 ), and alkali and ammonium salts of alkyl sulfates (alkyl radical: C 8 to C 16 ), of sulfuric acid half-ethers of ethoxylated alkylphenols (EO degree: 3 to 100, alkyl radical: C 4 to C 12 ), of alkylsulfonic acids (alkyl radical: C 12 to C 18 ) and of alkylarylsulfonic acids (alkyl radical: C 9 to C 18 ).
  • EO grade: 3 to 100, alkyl radical: C 4 to C 12 ethoxylated fatty alcohols
  • alkyl radical: C 8 to C 18 alkali and ammonium salts of alkyl
  • emulsifiers such as sulfosuccinic acid esters can be found in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme Verlag, Stuttgart, 1961, pages 192 to 208.
  • the amount of dispersant used is 0.5 to 6, preferably 1 to 3,% by weight, based on the weight of the monomers to be polymerized by free radicals.
  • the aforementioned dispersants are generally suitable for stabilizing the process products according to the invention.
  • the process products according to the invention also comprise aqueous polymer dispersions of self-emulsifying polymers, that is to say of polymers which have ionic groups which, owing to the repulsion of charges of the same sign, are able to bring about stabilization.
  • the direct process products according to the invention preferably have anionic stabilization (in particular anionic dispersants).
  • aqueous polymer dispersion the residual monomer content of which is to be reduced in the manner according to the invention, is prepared by radical aqueous emulsion polymerization from monomer compositions of monomers having at least one ethylenically unsaturated group
  • monomer compositions are of particular importance with regard to the process according to the invention. which comprise at least two different monomers which have at least one ethylenically unsaturated group, and for the rest
  • esters of acrylic and / or methacrylic acid with alkanols and / or styrene having 1 to 12 carbon atoms or
  • the polymeric solids content in the suspension or dispersion is usually about 20 to 75% by weight, preferably about 40 to 70% by weight, particularly preferably 50 to 60% by weight.
  • the viscosities of the suspensions or dispersions used are at a temperature of 25 ° C. at about 10 to 5000 mPas, preferably 20 to 2000 mPas, particularly preferably 50 to 1000 mPas.
  • the viscosity of the dispersions used is preferably low. It can be in the range from 30 to 1000 mPas.
  • the density of the dispersions is preferably around 1 g / cm 3 .
  • the glass transition temperature is preferably determined from the temperature dependency of the specific heat in a differential thermal analysis (G. Goldbach in: Plastics, Order States and Properties in: Ulimanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 15, pages 219 to 222, Weinheim, 1980).
  • the glass transition temperature of copolymers can also be calculated from the glass transition temperatures of the respective homopolymers, weighted according to the mass fractions of the monomers and the expansion coefficients of the polymers.
  • the minimum film bifunction temperature of the polymer is the lowest temperature at which a dispersion just forms a coherent film after the water has evaporated. It is close to the glass transition temperature of the polymer (H. Gerrens in: Polymerisationstechnik in: Ullmann Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, page 141, Weinheim, 1989).
  • a metal plate on which a temperature gradient is applied serves as the measuring device.
  • the temperature at which the film begins to crack is observed (E. Penzel in: Polyacrylic and Polymethacrylic Compounds in: Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, pages 17 to 18, Weinheim, 1980).
  • the glass transition temperature of the acrylates which are preferably used as the dispersion in the process according to the invention is between -62 and + 6 ° C. (see Table 8 from E. Penzel in: Polyacrylic and Polymethacryl Compounds in: Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, page 17 to 18, Weinheim, 1980).
  • the resulting minimum film image temperatures of the polymers in the dispersions are therefore often far below the preferred operating temperature of the process according to the invention.
  • the dispersions to be treated are therefore often soft at the process temperature and easily form films.
  • the flow behavior depends on the solids content, the particle size, the particle size division and of the auxiliary system that was used in the manufacture. Structural viscosity and dilatancy are frequently observed flow anomalies.
  • the viscosity is measured under standardized measuring conditions in a capillary viscometer, Couette viscometer or cone-plate viscometer (C. Gerth: Rheometrie, Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, pages 17 to 18, Weinheim 1980).
  • the invention further relates to a process for the preparation of these polymer dispersions with a low residual volatile content by the above process.
  • the method is particularly suitable for shear-sensitive dispersions, for example low-emulsifier or emulsifier-free formulations, sterically (with protective colloid or with starch) stabilized dispersions or self-dispersing systems (such as polyurethane dispersions), for thermosensitive dispersions.
  • shear-sensitive dispersions for example low-emulsifier or emulsifier-free formulations, sterically (with protective colloid or with starch) stabilized dispersions or self-dispersing systems (such as polyurethane dispersions), for thermosensitive dispersions.
  • stage a the reactor (A) comes to
  • Stage e) is carried out in the relaxation stage (E), stage f) in the filter
  • the assembly includes all the necessary steps that are necessary to complete the
  • antioxidants for example, stabilizers, antioxidants, and others.
  • Solvents, dispersants such as water, and other suitable substances can be added.
  • the polymer dispersions according to the invention are preferably used as adhesive raw materials, in sealing compounds, paper coating dispersions, plastering compounds, fillers, coatings, as lacquer and paint raw materials, binders or thickeners, in particular for interior applications. Due to the low content of residual volatiles, safe use in indoor applications is possible, with no or minimal evaporation of the remaining minimal amounts of residual volatiles.
  • foils such as glossy, metal or composite foils made of copper and / or aluminum and paper
  • technical laminations for example in vehicle construction, for foams or furniture foils
  • packaging adhesives as pressure sensitive adhesives, for example for paper labels and envelopes, as sealants and floor adhesives, as well as for special coatings and as binders.
  • They can be used as paper coating dispersions for the finishing of offset printing paper, gravure printing paper and cardboard. They can also be used as thickeners for printing inks and coating slips.
  • paint and varnish raw materials they are used for wood coatings, for the graphic industry, for technical paint applications such as corrosion protection, for emulsion paints and emulsion paints, for example for interior and exterior paints, especially for interior paints, for plasters and fillers for interior use. for cement coatings such as primers, facade paints and concrete roof tiles.
  • nonwoven coating compositions such as tufting, needle fleece and floor coverings or the carpet backing, as well as for molded foams and diving articles.
  • These applications preferably relate to interior applications, that is to say applications within closed buildings or vehicles.
  • the column (diameter 0.4 m) contains 8 cross-flow sieve trays at a distance of 50 cm from each other.
  • the sieve trays have holes with a diameter of 4 mm at a uniform distance. The holes make up 1.0% of the floor area.
  • the floors are connected to one another via laterally arranged shafts.
  • the respective drain shaft extends 40 mm above the floor. This creates a dispersion layer of this height (40 mm) on the floor during operation caused by the water vapor.
  • This column was fed with 0.2 t / h of a 50% aqueous polymer dispersion which was conveyed to the top sieve tray by means of an eccentric screw pump. In countercurrent, 40 kg / h of 4 bar steam were introduced into the column below the bottom tray.
  • dispersion runs over the 40 mm high overflow weir through the shaft to the next floor and so on.
  • the steam flows through the holes in the bottom floor, flows through the dispersion layer and thereby accumulates with the substances to be separated from the dispersion.
  • the floors above are flowed through in the same way.
  • the loaded one is at the top of the column Steam is drawn off using a vacuum (approx. 200 mbar) and condensed in a downstream condenser.
  • the dispersion is collected in a sump below the bottom floor and pumped from there for conditioning.
  • butyl acrylate is depleted from 415 ppm initial concentration to 140 ppm (tray 5). This corresponds to a depletion of 66% or a soil efficiency of around 14% of a thermodynamic equilibrium.
  • the column (diameter 0.4 m) contains 8 cross-flow sieve trays at a distance of 50 cm from each other.
  • the sieve trays have holes with a diameter of 4 mm at a uniform distance. The holes make up 5.3% of the floor area.
  • the floors are connected to each other via shafts. The shafts protrude 100 mm into the floor and form the drain weir.
  • the butyl acrylate content was reduced from 219 ppm at the beginning to 16 ppm, which corresponds to a depletion of 93%.
  • Example 3 Column with rain sieve trays
  • the column (diameter 0.4 m) contains 8 trays at a distance of 50 cm from each other.
  • the sieve trays have holes with a diameter of 10 mm at a uniform distance.
  • the holes make up 2.1% of the floor area.
  • the floors are not connected to one another via manholes. The dispersion flows in countercurrent to the steam through the same holes.
  • the column was charged with 200 kg / h of dispersion (corresponds to a surface load of 1.6 m 3 / m 2 h) from above and stripped with 40 kg / h of steam.
  • the pressure was 285 mbar.
  • the butyl acrylate content was reduced from 477 ppm at the beginning to 5 ppm, which corresponds to a depletion of 99%.
  • the efficiency of these rain screen trays was around 31% of a thermodynamic equilibrium. A significantly better depletion and a considerably higher soil efficiency were found with the preferred rain sieve trays than with the crossflow sieve trays.
  • the soil efficiency ⁇ achieved depends on the throughput related to the free cross-section. At low values (example 12) the efficiency can drop to 7.0%. At high throughputs, over 30% soil efficiency can be achieved regardless of the pressure (Examples 13 to 15).
  • the hole diameter in the crossflow sieve trays (example 4 to 11) is preferably 4 mm. Soil efficiency is affected by weir height and pressure. The column diameter is 400 mm in all examples.
  • the product ⁇ is an adhesive dispersion based on butyl acrylate and acrylonitrile with a solids content of 55%.
  • the product ß is a styrene / butadiene dispersion for paper coating, 50% solids content, 40 mPas viscosity.
  • the product ⁇ is a vinyl acetate-containing PSA dispersion, 70% solids content, 150 to 900 mPas viscosity. 17 is based on butylpropionate for a, ß on styrene and ⁇ on vinyl acetate.
  • FB means the surface loading of the floors with dispersion.

Abstract

In the counterflown column for lowering the residual volatile substance content of dispersions, having 5 to 50 vertical and/or transverse flow filter bases, the specific free aperture area in the vertical flow filter bases is 2 to 25 % and in the transverse flow filter bases 1 to 10 %, and the mean aperture diameter is 10 to 50 mm in the vertical and 2 to 10 mm in the transverse flow filter bases.

Description

Kolonne und Verfahren zur Desodorierung von Dispersionen Column and process for the deodorization of dispersions
Die Erfindung betrifft eine Kolonne und ein Verfahren zur Erniedrigung des Gehalts an Restflüchtigen in Dispersionen (Desodorierung von Dispersionen), sowie eine Vorrichtung zum Herstellen von Polymerdispersionen und die erhaltenen Polymerdispersionen sowie deren Verwendung.The invention relates to a column and a process for reducing the residual volatile content in dispersions (deodorization of dispersions), and to a device for producing polymer dispersions and the polymer dispersions obtained and their use.
Es ist bekannt, Polymerdispersionen oder Polymersuspensionen durch soge¬ nannte Suspensions- oder Emulsionspolymerisationen herzustellen. Die Pro¬ dukte enthalten üblicherweise noch unerwünschte flüchtige organische Kom¬ ponenten, wie Restmonomere resultierend aus einem nicht vollständigen Umsatz, Verunreinigungen aus den Einsatzstoffen, Zerfallsprodukte der Initiatoren oder niedermolekulare Produkte aus Nebenreaktionen. Diese Verbindungen werden im folgenden mit dem Sammelbegriff "Restfiüchtige" bezeichnet. In der Entscheidung der Kommission 96/13/EG zur Festlegung von Umweltkriterien für die Vergabe des EG-Umweltzeichens bei Innen¬ farben und -lacken vom 15. Dezember 1995 werden diese Restflüchtigen in flüchtige organische Verbindungen (VOC) und flüchtige aromatische Kohlen¬ wasserstoffe aufgeteilt. In beiden Fällen handelt es sich um organische Verbindungen mit einem Siedepunkt (oder Siedebeginn) von höchstens 250°C bei normalen Druckbedingungen. Die flüchtigen aromatischen Kohlenwasser¬ stoffe weisen dabei mindestens einen aromatischen Kern in der Strukturfor- mel auf. Der hier verwendete Sammelbegriff "Restflüchtige" bezeichnet alle derartigen organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt (oder Siedebe¬ ginn) von höchstens 250°C. Die Restflüchtigen sind bei vielen Anwendungen von Dispersionen oder Suspensionen, so zum Beispiel im Lebensmittel- oder Kosmetikbereich oder bei Innenraumanwendungen unerwünscht, und man ist bestrebt, sie möglichst vollständig zu entfernen. Dispersionen oder Suspensionen werden daher einer Behandlung unterzogen, die die flüchtigen organischen Bestandteile entfernt. Diese Behandlung wird meistens als Desodorierung bezeichnet. Dazu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt: Neben chemischen Verfahren, die jedoch meist nur die ungesättigten Verbindungen beeinflussen, sind dies überwiegend Strippverfahren, bei denen ein Strippgas durch die Suspension oder Disper¬ sion geleitet wird. Als Strippgas kommen Luft, Stickstoff, überkritisches Kohlendioxid, Ozon oder Wasserdampf zum Einsatz. Apparate, in denen die Suspension oder Dispersion mit dem Strippgas behandelt wird, können unterschiedliche Formen aufweisen. In der einfachsten Ausführung besteht der Apparat aus einem Behälter, der die Suspension oder Dispersion auf¬ nimmt, und durch den mittels Lanzen oder Ventile am Behälterboden das Strippgas eingeleitet wird. Die Desodorierung kann jedoch heute auch kontinuierlich in sogenannten Desodorierkolonnen oder Entgasungskolonnen durchgeführt werden.It is known to produce polymer dispersions or polymer suspensions by so-called suspension or emulsion polymerizations. The products usually still contain undesired volatile organic components, such as residual monomers resulting from incomplete conversion, impurities from the starting materials, decomposition products of the initiators or low molecular weight products from side reactions. These compounds are referred to below with the collective term "residual volatile". In the decision of the Commission 96/13 / EG on the definition of environmental criteria for the award of the EC eco-label for interior paints and varnishes of December 15, 1995 these residual volatiles are divided into volatile organic compounds (VOC) and volatile aromatic hydrocarbons . In both cases, these are organic compounds with a boiling point (or start of boiling) of at most 250 ° C under normal pressure conditions. The volatile aromatic hydrocarbons have at least one aromatic nucleus in the structural formula. The collective term "residual volatiles" used here denotes all such organic compounds with a boiling point (or start of boiling point) of at most 250 ° C. The residual volatiles are undesirable in many applications of dispersions or suspensions, for example in the food or cosmetics sector or in interior applications, and efforts are made to remove them as completely as possible. Dispersions or suspensions are therefore subjected to a treatment which removes the volatile organic constituents. This treatment is mostly referred to as deodorization. Various methods and devices are known for this purpose: in addition to chemical methods, which, however, mostly only influence the unsaturated compounds, these are predominantly stripping methods in which a stripping gas is passed through the suspension or dispersion. Air, nitrogen, supercritical carbon dioxide, ozone or water vapor are used as stripping gas. Apparatus in which the suspension or dispersion is treated with the stripping gas can have different forms. In the simplest version, the apparatus consists of a container which receives the suspension or dispersion and through which the stripping gas is introduced by means of lances or valves on the bottom of the container. However, today deodorization can also be carried out continuously in so-called deodorization columns or degassing columns.
In DE-A 25 50 023 ist eine Entgasungskolonne mit mehreren übereinander- liegenden Böden offenbart. Ein bei dieser Kolonne wesentliches Merkmal besteht darin, daß zwischen jedem Boden und dem Kolonnenmantel ein über den Umfang gleichmäßiger Spalt freigelassen wird. Durch dieses Merkmal wird jedoch der Wirkungsgrad der gesamten Kolonne stark verschlechtert, da an den offenen Rändern ein Vorbeirieseln der flüssigen Phase beobachtet werden kann, ohne daß hierbei der erwünschte Strippeffekt auftritt.DE-A 25 50 023 discloses a degassing column with a plurality of trays one above the other. An essential feature of this column is that a gap that is uniform over the circumference is left between each tray and the column jacket. This feature, however, greatly reduces the efficiency of the entire column, since the liquid phase can be trickled past the open edges without the desired stripping effect occurring.
In DE-C 27 59 097 ist ein Verfahren zur Entfernung von Monomeren aus Dispersionen beschrieben, bei welchem die verwendete Kolonne annähernd vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist. Hierdurch wird jedoch der hold-up in der Kolonne unerwünscht vergrößert, und regelmäßig notwendige Reinigungs¬ arbeiten gestalten sich aufwendig, so daß beispielsweise bei Produktwechseln immer wieder Probleme auftreten. Die spezifische freie Lochfläche beträgt 1 ,6% .DE-C 27 59 097 describes a process for removing monomers from dispersions, in which the column used is almost completely filled with liquid. As a result, however, the hold-up in the column is undesirably increased, and regularly necessary cleaning work is complex, so that, for example, when changing products problems occur again and again. The specific free hole area is 1.6%.
Aus DE-C 28 55 146 ist ein Verfahren zur Entfernung von Monomeren bekannt, bei welchem man eine Siebbodenkolonne im Gegenstrom mit Wasserdampf betreibt, wobei man die wäßrige Dispersion durch kanalartige Pfade, die durch Seitenplatten gebildet werden, fließen läßt. Der Lochdurch¬ messer beträgt 0,5 bis 2 mm, die spezifische freie Lochfläche 0,04 bis 0,0004%. Auch dieser Kolonnenaufbau gestaltet sich aufwendig, der hold-up in der Kolonne wird vergrößert, und die Reinigungsarbeiten gestalten sich aufwendig.From DE-C 28 55 146 a process for the removal of monomers is known, in which a sieve plate column is operated in countercurrent with water vapor, the aqueous dispersion being allowed to flow through channel-like paths which are formed by side plates. The hole diameter is 0.5 to 2 mm, the specific free hole area is 0.04 to 0.0004%. This column structure is also complex, the hold-up in the column is enlarged, and the cleaning work is complex.
In DE-C 25 21 780 ist ein Verfahren zur Entfernung von Monomeren mit Hilfe einer mit Siebplatten ausgestatteten Kolonne offenbart, bei welchem Wasserdampf einer Temperatur von 100 bis 150°C unter einem Druck von 0,8 bis 1 ,6 bar eingesetzt wird. Das hier beschriebene Verfahren weist al¬ lerdings den Nachteil auf, daß durch die relativ hohen Temperaturen eine Schädigung der Produkte auftreten kann. Man versucht, diesem Problem durch eine Verkürzung der Verweilzeit zu begegnen. Es wird Wasserdampf in Mengen von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die aufgegebene Dispersions¬ menge, eingebracht. In DE-A 27 33 679 wird ein ähnliches Verfahren zur Abtrennung von Monomeren mittels einer Kolonne mit perforierten Platten beschrieben, bei welchem die Temperatur in der Kolonne 90 bis 150°C beträgt. Um die Temperaturen zu erreichen, muß der Druck in der Kolonne üblicherweise angehoben werden. Dieses relativ hohe Temperaturniveau in der Kolonne bietet neben allgemein zutreffenden Nachteilen wie relativ hohen Energiekosten auch den Nachteil, daß relativ temperaturempfindliche Produkte nicht aufbereitet werden können. Weiterhin können bei dem hier genannten Verfahren keine Polymere eingesetzt werden, welche bei Temperaturen unterhalb von 90°C erweichen. Es werden lediglich relativ kleine Platten- abstände in der Kolonne beschrieben, da sonst ein Aufstau des Polymeren auf der Kolonnenwand befürchtet wird. Der Lochdurchrnesser beträgt 10 mm, die spezifische freie Lochfläche 5,5 bis 7,5% .DE-C 25 21 780 discloses a process for removing monomers with the aid of a column equipped with sieve plates, in which water vapor at a temperature of 100 to 150 ° C. under a pressure of 0.8 to 1.6 bar is used. However, the method described here has the disadvantage that the relatively high temperatures can damage the products. One tries to counter this problem by reducing the dwell time. Water vapor is introduced in amounts of 1 to 5% by weight, based on the amount of dispersion added. DE-A 27 33 679 describes a similar process for separating monomers by means of a column with perforated plates, in which the temperature in the column is 90 to 150 ° C. In order to reach the temperatures, the pressure in the column usually has to be raised. In addition to generally applicable disadvantages such as relatively high energy costs, this relatively high temperature level in the column also has the disadvantage that relatively temperature-sensitive products cannot be processed. Furthermore, no polymers can be used in the process mentioned here, which soften at temperatures below 90 ° C. Only relatively small plate Distances described in the column, otherwise the polymer is feared to back up on the column wall. The hole diameter is 10 mm, the specific free hole area 5.5 to 7.5%.
Es stellte sich die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zu finden, welches den genannten Nachteilen abhilft und eine verfahrenstechnisch einfache und wirtschaftliche Abtrennung der Restflüchtigen aus wäßrigen Suspensionen oder Dispersionen ermöglicht. Hierbei sollen auch relativ hohe Dampfmengen im Verfahren anwendbar sein und auch relativ temperaturempfindliche Produkte eingesetzt werden können, wobei hohe Reinheiten erzielt werden sollen, ohne daß die Verweilzeit in der Kolonne nennenswert gesteigert werden muß. Zudem soll eine Gegenstromkolonne bereitgestellt werden, welche die Durchführung des Verfahrens in der Weise erlaubt, daß auf separate Vorlagebehälter vor der Kolonne verzichtet werden kann, und sich die Reinigung der Kolonne vereinfacht, so daß Produktwechsel einfach möglich sind.The object was to find an improved process which remedies the disadvantages mentioned and enables a technically simple and economical separation of the residual volatiles from aqueous suspensions or dispersions. It should also be possible to use relatively high amounts of steam in the process and it should also be possible to use relatively temperature-sensitive products, with high purities being achieved without the residence time in the column having to be increased appreciably. In addition, a countercurrent column is to be provided which allows the process to be carried out in such a way that separate storage containers in front of the column can be dispensed with, and the cleaning of the column is simplified, so that product changes are easily possible.
Gelöst wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer Gegenstromkolonne zur Erniedrigung des Gehalts an Restflüchtigen in Dispersionen, die 5 bis 50 Regensiebböden und/oder Querstromsiebböden aufweist, wobei die spezifische freie Lochfläche in den Regensiebböden 2 bis 25% und in den Querstrom¬ siebböden 1 bis 10% beträgt, in den Regensiebböden der mittlere Loch¬ durchmesser 10 bis 50 mm und in den Querstromsiebböden der mittlere Lochdurchmesser 2 bis 10 mm beträgt.The object is achieved by providing a countercurrent column for reducing the volatile content in dispersions which has 5 to 50 rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, the specific free perforated area in the rain sieve trays 2 to 25% and in the crossflow sieve trays 1 to 10% is, in the rain screen trays the average hole diameter is 10 to 50 mm and in the cross-flow tray trays the average hole diameter is 2 to 10 mm.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Dispersionen mit niedrigem Gehalt an Restflüchtigen durch Behandeln der Dispersion mit Wasserdampf in einer Regensiebböden und/oder Querstrom¬ siebböden enthaltenden Gegenstromkolonne, wobei man den Wasserdampf bei einem Druck von 0, 1 bis 0,7 bar in der Kolonne im Gegenstrom zur Dispersion leitet.Furthermore, the object is achieved by a process for the preparation of dispersions with a low residual volatile content by treating the dispersion with water vapor in a countercurrent column comprising rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, the steam being added to a pressure of 0.1 to 0.7 bar in the column in countercurrent to the dispersion.
Dabei beträgt der auf die freie Lochfläche bezogene Dispersionszulauf vorzugsweise für Regensiebböden 4 bis 15 kg/cm2 h und vorzugsweise für Querstromsiebböden 15 bis 25 kg/cm2 h.The dispersion feed, based on the free perforated area, is preferably 4 to 15 kg / cm 2 h for rain sieve trays and 15 to 25 kg / cm 2 h for cross-flow sieve trays.
Der Sammelbegriff "Restflüchtige" hat dabei die eingangs angegebene Bedeu¬ tung. Die Messung des Gehalts an Restflüchtigen erfolgt dabei nach dem DRAFT International Standard ISO/DIS 13741 , Teil 1 durch Gaschromato¬ graphie. Sie werden in dieser Norm als verbleibende Monomere und andere organische Komponenten bezeichnet. Als Beispiele sind Acrylsäureester, wie n-Butylacrylat und Isobutylacrylat, Methacrylsäureester wie Methylmethacrylat, Acrylnitril, Butadien, Styrol, Vinylacetat, Vinylchlorid, wie auch Neben- produkte, zum Beispiel Acetaldehyde und Ethylbenzol angegeben. Ferner sind Propionitril, Ethylacrylat und 4-Vinylcyclohexen aufgeführt.The collective term "residual volatiles" has the meaning given at the beginning. The measurement of residual volatiles is carried out according to DRAFT International Standard ISO / DIS 13741, Part 1 by gas chromatography. They are referred to in this standard as remaining monomers and other organic components. Examples include acrylic acid esters such as n-butyl acrylate and isobutyl acrylate, methacrylic acid esters such as methyl methacrylate, acrylonitrile, butadiene, styrene, vinyl acetate, vinyl chloride, and also by-products, for example acetaldehydes and ethylbenzene. Propionitrile, ethyl acrylate and 4-vinylcyclohexene are also listed.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, bei einer relativ einfachen Bauausführung Monomere aus wäßrigen Suspensionen oder Disper- sionen verfahrenstechnisch einfach und wirtschaftlich abzutrennen. Durch die einfache Bauform zeigt sich die Kolonne im praktischen Betrieb zuverlässig und gut reinigbar, wobei sich auch ein Produktwechsel aufgrund des relativ geringen hold-up in der Kolonne einfach gestaltet. Weiterhin können relativ hohe Bodenwirkungsgrade erzielt werden, wodurch die Anzahl der Böden in der Kolonne reduziert werden kann. Durch den reduzierten Druck in der Kolonne sind die Temperaturen in der Kolonne relativ niedrig, so daß auch temperaturempfindliche Dispersionen eingesetzt werden können. Das Ver¬ fahren ermöglicht auch den Einsatz relativ hoher Dampfmengen, und es kann die Erweichung der Polymeren in der Suspension beziehungsweise Dispersion in der Kolonne so weit reduziert werden, daß das Trennverfahren nicht beeinträchtigt wird.The process according to the invention offers the possibility of separating monomers from aqueous suspensions or dispersions in a technically simple and economical manner with a relatively simple construction. Due to the simple design, the column is reliable and easy to clean in practical operation, and a product change is also easy due to the relatively low hold-up in the column. Furthermore, relatively high plate efficiencies can be achieved, whereby the number of plates in the column can be reduced. Due to the reduced pressure in the column, the temperatures in the column are relatively low, so that temperature-sensitive dispersions can also be used. The method also enables the use of relatively high amounts of steam, and it can soften the polymers in the suspension or Dispersion in the column can be reduced so far that the separation process is not affected.
Zunächst werden die erfindungsgemäße Gegenstromkolonne und eine diese enthaltende Vorrichtung beschrieben, sodann das erfindungsgemäße Verfahren und die damit erhaltenen erfindungsgemäßen Dispersionen, sowie deren Verwendung.First, the countercurrent column according to the invention and a device containing it are described, then the process according to the invention and the dispersions according to the invention obtained therewith, and their use.
GegenstromkolonneCounterflow column
Die erfindungsgemäße Gegenstromkolonne kann im Unterschied zu bekannten Gegenstromkolonnen mit einem sehr hohen Durchsatz betrieben werden, so daß die Kolonne selbst klein ausgelegt werden kann. Dies erleichtert die Reinigung der Kolonne. Da in zunehmendem Maße die Gegenstromkolonnen nicht nur zur Desodorierung einer bestimmten Art von Dispersionen ver¬ wendet werden, sondern als Bestandteil von Mehrprodukteanlagen mit häufig wechselnden Produkten oder Dispersionen gefahren werden, ist eine einfache Reinigung der eingesetzten Kolonne wünschenswert. Die Intensität der Reinigung der Kolonne entscheidet über die Qualität der erhaltenen Disper- sion. Durch die erfindungsgemäß ausgelegte Kolonne wird die Reinigung vereinfacht und beschleunigt, wobei geringere Mengen an Reinigungsflüssig¬ keit benötigt werden. Dies ermöglicht einen wesentlich wirtschaftlicheren Betrieb der Kolonne und einen Einsatz in Mehrprodukteanlagen mit häufig wechselnden Produkten. Wegen der besonders einfachen Reinigung werden in Mehrprodukteanlagen Kolonnen mit Regensiebböden (auch als Dual-Flow- Böden bezeichnet) gegenüber den ebenfalls verwendbaren Querstromsiebböden bevorzugt.In contrast to known countercurrent columns, the countercurrent column according to the invention can be operated with a very high throughput, so that the column itself can be designed to be small. This makes cleaning the column easier. Since the countercurrent columns are increasingly used not only for deodorization of a certain type of dispersions, but are also operated as part of multi-product systems with frequently changing products or dispersions, simple cleaning of the column used is desirable. The intensity of the cleaning of the column determines the quality of the dispersion obtained. Cleaning is simplified and accelerated by the column designed according to the invention, with smaller amounts of cleaning liquid being required. This enables the column to be operated much more economically and can be used in multi-product plants with frequently changing products. Because of the particularly simple cleaning, columns with rain sieve trays (also referred to as dual-flow trays) are preferred in multi-product systems over the cross-flow sieve trays that can also be used.
Die erfindungsgemäßen Kolonnen können Regensiebböden, Querstromsiebbö- den oder Kombinationen von Regensiebböden und Querstromsiebböden aufweisen. Vorzugsweise weisen sie entweder Regensiebböden oder Quer¬ stromsiebböden auf. Die Anzahl der Böden beträgt dabei 5 bis 50, vorzugs¬ weise 8 bis 40, besonders bevorzugt 15 bis 30. Der Bodenabstand beträgt dabei vorzugsweise 250 bis 800, besonders bevorzugt 300 bis 700, ins- besondere 400 bis 600 mm. Die Kolonnenhöhe beträgt vorzugsweise 6 bis 25, besonders bevorzugt 10 bis 20 m. Der Durchmesser der Kolonne mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt beträgt vorzugsweise 400 bis 2500 mm, besonders bevorzugt 800 bis 1600 mm. Die Regensiebböden weisen mittlere Lochdurchmesser von 10 bis 50, vorzugsweise 12 bis 25 mm auf. In den Querstromsiebböden beträgt der mittlere Lochdurchmesser 2 bis 10, vorzugsweise 4 bis 8 mm. Dabei sind die Löcher vorzugsweise kreisförmig. Die spezifische freie Lochfläche, das heißt der prozentuale Flächenanteil jedes Bodens, der von Löchern ausgefüllt wird, beträgt in den Regensiebbö¬ den zweckmäßig 2 bis 25%, vorzugsweise 5 bis 20%, besonders bevorzugt 10 bis 18% , in den Querstromsiebböden zweckmäßig 1 bis 10%, vorzugs¬ weise 3 bis 8%, besonders bevorzugt 4 bis 7% .The columns according to the invention can comprise rain screen trays, cross-flow screen trays or combinations of rain screen trays and cross-flow screen trays exhibit. They preferably have either rain sieve trays or cross-flow sieve trays. The number of trays is 5 to 50, preferably 8 to 40, particularly preferably 15 to 30. The distance between the trays is preferably 250 to 800, particularly preferably 300 to 700, in particular 400 to 600 mm. The column height is preferably 6 to 25, particularly preferably 10 to 20 m. The diameter of the column, preferably with a circular cross section, is preferably 400 to 2500 mm, particularly preferably 800 to 1600 mm. The rain screen trays have average hole diameters of 10 to 50, preferably 12 to 25 mm. In the crossflow sieve trays, the average hole diameter is 2 to 10, preferably 4 to 8 mm. The holes are preferably circular. The specific free perforated area, that is to say the percentage of each area filled by holes, is expediently 2 to 25% in the rain sieve trays, preferably 5 to 20%, particularly preferably 10 to 18%, expediently 1 to in the cross-flow sieve trays 10%, preferably 3 to 8%, particularly preferably 4 to 7%.
Dabei ist die spezifische freie Lochfläche vorzugsweise so gewählt, daß die nachstehenden, auf die freie Lochfläche bezogenen Dispersionszuläufe bei den angegebenen Dampfmengen zugänglich sind.The specific free perforated area is preferably selected so that the following dispersion feeds, based on the free perforated area, are accessible with the stated amounts of steam.
Sowohl die Querschnittsform der Kolonne, als auch die Form der Löcher können den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Vorzugsweise handelt es sich um kreisförmige Querschnitte beziehungsweise Löcher, wobei sich für spezielle Anwendungen auch andere Formen eignen können.Both the cross-sectional shape of the column and the shape of the holes can be adapted to the respective requirements. They are preferably circular cross sections or holes, although other shapes can also be suitable for special applications.
Querstromsiebböden und Regensiebböden sowie ihr Aufbau sind allgemein in Klaus Sattler, "Thermische Trennverfahren", VCH 1988 beschrieben (Seite 172, Abbildung 2-59; Seite 174, Tabelle 2-19). Vorzugsweise ist der Kolonnendurchmesser der erfindungsgemäßen Kolonne im oberen Bereich zur Schwerkraftabtrennung von Dispersionströpfchen aus dem Dampf vergrößert. Der Durchmesser dieser Erweiterung beträgt, ins¬ besondere bei kleineren Kolonnen, mindestens 1 Meter. Er kann bis zu 4 Meter, insbesondere bei größeren Kolonnen, betragen. In der Regel weist die Kopferweiterung etwa den 1 ,5-fachen Durchmesser der Kolonnenböden auf.Cross-flow sieve trays and rain sieve trays and their structure are described in general in Klaus Sattler, "Thermal Separation Processes", VCH 1988 (page 172, Figure 2-59; page 174, Table 2-19). The column diameter of the column according to the invention is preferably enlarged in the upper region for gravity separation of dispersion droplets from the steam. The diameter of this extension is at least 1 meter, in particular in the case of smaller columns. It can be up to 4 meters, especially for larger columns. As a rule, the head widening is approximately 1.5 times the diameter of the column trays.
Vorzugsweise weist die Kolonne darüber hinaus im unteren Bereich eine Verlängerung um 1 bis 3 m, vorzugsweise 2 bis 3 m auf, die den Kolon¬ nensumpf darstellt. In diesem Kolonnensumpf wird die desodorierte Disper¬ sion aufgenommen. Sie dient als Pumpenvorlage für nachfolgende Verfah¬ rensstufen.In addition, the column preferably has an extension of 1 to 3 m, preferably 2 to 3 m, in the lower region, which represents the column bottom. The deodorized dispersion is taken up in this column bottom. It serves as a pump template for subsequent process stages.
Die Einspeisung der Dispersion erfolgt im oberen Bereich (Kopf) der Kolon¬ ne, vorzugsweise im vergrößerten oberen Bereich (Kopferweiterung) der Kolonne.The dispersion is fed in in the upper region (head) of the column, preferably in the enlarged upper region (head extension) of the column.
Vorzugsweise wird erfindungsgemäß eine Kolonne mit Regensiebböden eingesetzt, da sie keine konstruktionsbedingten Totzonen aufweist, was einen verminderten Reinigungsaufwand bedeutet und höhere Wirkungsgrade zuläßt. Hierdurch kann die Kolonnengröße, insbesondere die Kolonnenhöhe und die Anzahl der Böden verringert werden. Vorzugsweise weist die Kolonne 15 bis 30 Böden auf, die in einem Abstand von 400 bis 600 mm angeordnet sind. Der Kolonnendurchmesser beträgt dabei 800 bis 1600 mm, speziell 1000 bis 1500 mm. Die spezifische freie Lochfläche und der Durchmesser der Kolonne werden so gewählt, daß ein Dispersionsdurchsatz im Bereich von insbesondere 5 bis 30 t/h bei einem auf die freie Lochfläche bezogenen Dispersionszulauf von 4 bis 15 kg/cm2 h möglich ist. Eine Querstromsiebbodenkolonne weist vorzugsweise die gleichen äußeren Maße und Bodenzahl wie die Regensiebbodenkolonne auf. Die spezifische freie Lochfläche und der Durchmesser der Kolonne werden so gewählt, daß ein Dispersionszusatz im Bereich von insbesondere 10 bis 30 t/h bei einem auf die freie Lochfläche bezogenen Dispersionszulauf von 15 bis 25 kg/m2 h möglich ist.A column with rain sieve trays is preferably used according to the invention, since it has no construction-related dead zones, which means reduced cleaning effort and allows higher efficiencies. As a result, the column size, in particular the column height and the number of trays, can be reduced. The column preferably has 15 to 30 trays, which are arranged at a distance of 400 to 600 mm. The column diameter is 800 to 1600 mm, especially 1000 to 1500 mm. The specific free perforated area and the diameter of the column are selected so that a dispersion throughput in the range of in particular 5 to 30 t / h is possible with a dispersion feed of 4 to 15 kg / cm 2 h based on the free perforated area. A crossflow sieve tray column preferably has the same external dimensions and number of trays as the rain sieve tray column. The specific free perforated area and the diameter of the column are selected so that a dispersion addition in the range of in particular 10 to 30 t / h is possible with a dispersion feed of 15 to 25 kg / m 2 h based on the free perforated area.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Kolonne ein Ablaufwehr auf. Die Ablaufwehrhöhe beträgt vorzugsweise 50 bis 200 mm. Die Höhe des Schachtaustritts der Kolonne beträgt vorzugsweise 20 bis 50 mm, besonders bevorzugt 25 bis 40 mm. Die spezifische Lochfläche beträgt etwa 6%. Die Anzahl der Löcher pro Boden beträgt 2000 bis 9000.The column according to the invention preferably has a discharge weir. The weir height is preferably 50 to 200 mm. The height of the column exit from the column is preferably 20 to 50 mm, particularly preferably 25 to 40 mm. The specific hole area is about 6%. The number of holes per floor is 2000 to 9000.
Die erfindungsgemäße Kolonne kann in eine Vorrichtung zum Herstellen von Polymerdispersionen integriert werden. Eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von Polymerdispersionen umfaßt einen Reaktor (A), gegebenenfalls einen Nachreaktor (B), eine Kolonne (C), wie sie vorstehend beschrieben ist, einen Wärmetauscher (D) für den Abdampf, und gegebenenfalls eine Entspannungsvorrichtung (E), einen Filter (F) und eine Konditioniervorrichtung (G). Vorzugsweise ist dabei der Ausgang des Reak¬ tors (A) oder des Nachreaktors (B) ohne Zwischenschaltung eines separaten Vorlagebehälters direkt mit dem Eingang der Kolonne (C) verbunden. Entsprechende Vorrichtungen sind in derThe column according to the invention can be integrated into a device for producing polymer dispersions. A corresponding device according to the invention for producing polymer dispersions comprises a reactor (A), optionally a post-reactor (B), a column (C), as described above, a heat exchanger (D) for the evaporation, and, if appropriate, an expansion device (E) , a filter (F) and a conditioning device (G). The outlet of the reactor (A) or of the secondary reactor (B) is preferably connected directly to the inlet of the column (C) without the interposition of a separate feed tank. Corresponding devices are in the
Zeichnung dargestellt, in derShown in the drawing
Figur 1 eine Vorrichtung mit einer Regensiebbodenkolonne in schemati- scher Darstellung und Figur 2 eine Vorrichtung mit einer Querstromsiebbodenkolonne in schematischer Darstellung zeigt.1 shows a device with a rain sieve tray column in a schematic representation and Figure 2 shows a device with a cross-flow sieve tray column in a schematic representation.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:The reference symbols used in the figures have the following meaning:
A: Polymerisationsreaktor mit RührwerkA: Polymerization reactor with agitator
B: NachreaktorB: Post reactor
C: Gegenstromkolonne mitC: countercurrent column with
Cl: Kopferweiterung der KolonneCl: head extension of the column
C2: Regensiebböden (Figur 1) beziehungsweise QuerstromsiebbödenC2: Rain sieve trays (Figure 1) or cross-flow sieve trays
(Figur 2)(Figure 2)
C3: KolonnensumpfC3: Column sump
D: Wärmetauscher für den AbdampfD: Exchanger heat exchanger
E: Entspannungsstufe mitE: relaxation level with
El : Dampfauslaß undEl: steam outlet and
E2: DispersionsauslaßE2: dispersion outlet
F: FilterF: filter
G: Konditioniervorrichtung.G: conditioning device.
Die Dispersionsherstellung erfolgt in der Regel diskontinuierlich nach dem Batch- Verfahren im Reaktor (A), dessen Inhalt nach, in der Regel unvoll¬ ständiger, Umsetzung in den Nachreaktor überfuhrt wird. Nach bisherigen Verfahren mußte die Dispersion aus dem Nachreaktor (B) in einen separaten Vorlagebehälter überführt werden, aus dem die Desodorierkolonne beschickt wurde. Dies war erforderlich, da der Durchsatz der Kolonne wesentlich geringer war als der Abpumpdurchsatz aus dem Nachreaktor (B). Die erfindungsgemäße Kolonne (C) erlaubt vorzugsweise einen so hohen Durch¬ satz, daß beim Entleeren des Nachreaktors (B) die Dispersion direkt in die Kolonne geführt werden kann, da die Kolonne den gleichen Durchsatz aufweisen kann, der beim Entleeren des Nachreaktors (B) auftritt. Durch den möglichen Verzicht auf einen separaten Vorlagebehälter kann die gesamte Vorrichtung vereinfacht und somit kostengünstiger aufgebaut werden. Der Betrieb ist zudem weniger aufwendig, da die Steuerung eines separaten Vorlagebehälters entfällt. In den nicht unmittelbar durch die Kolonne(n) beeinflußten Teilen der Anlage wird angestrebt, daß mit Raten von 20 bis 50 t/h gepumpt werden kann. So kann bei Kolonnendurchsätzen ab etwa 10 t/h auf einen separaten Vorlagebehälter oder Zwischenpuffer vor der Kolonne verzichtet und die Kolonne direkt aus dem Nachreaktor beschickt werden.Dispersion preparation is generally carried out batchwise in the reactor (A), the content of which is usually transferred to the after-reactor after, incompletely, the reaction. According to previous processes, the dispersion had to be transferred from the after-reactor (B) into a separate storage container from which the deodorization column was fed. This was necessary because the throughput of the column was significantly lower than the pumping throughput from the after-reactor (B). The column (C) according to the invention preferably allows such a high throughput that when the after-reactor (B) is emptied the dispersion can be fed directly into the column, since the column has the same throughput may have, which occurs when emptying the post-reactor (B). By dispensing with a separate storage container, the entire device can be simplified and thus constructed more cost-effectively. The operation is also less expensive because there is no need to control a separate storage container. In the parts of the plant which are not directly influenced by the column (s), the aim is to be able to pump at rates of 20 to 50 t / h. In the case of column throughputs of around 10 t / h and above, a separate storage container or intermediate buffer upstream of the column can be dispensed with and the column can be fed directly from the after-reactor.
Die Entspannungsstufe (E) wird in der Regel vorgesehen, um den Wasser¬ gehalt der aus dem Kolonnensumpf ausgeschleusten Dispersion einstellen zu können. In der Kolonne kondensiert häufig ein Teil des eingeschleusten Dampfes, so daß der Wassergehalt der Dispersion im Kolonnensumpf erhöht ist. Um den Wassergehalt zu vermindern, kann die erhaltene Dispersion weiter entspannt werden (durch Vermindern des Drucks mit Hilfe von Vaku¬ umapparaturen), wodurch ein Teil des Wassers als Dampf ausgeschleust werden kann (El). Die aus der Entspannungsstufe (E) ausgeschleuste Disper¬ sion (E2) kann so auf einen gewünschten Wassergehalt eingestellt werden.The relaxation stage (E) is generally provided in order to be able to adjust the water content of the dispersion discharged from the column bottom. Part of the introduced steam often condenses in the column, so that the water content of the dispersion in the column bottom is increased. In order to reduce the water content, the dispersion obtained can be expanded further (by reducing the pressure with the aid of vacuum equipment), as a result of which some of the water can be discharged as steam (El). The dispersion (E2) discharged from the relaxation stage (E) can thus be adjusted to a desired water content.
Das VerfahrenThe procedure
Die vorstehend beschriebenen Kolonnen und Vorrichtungen werden vorteilhaft im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Dispersionen mit niedrigem Gehalt an Restflüchtigen eingesetzt. Im erfindungsgemäßen Ver¬ fahren wird die aus der Reaktion erhaltene Dispersion, in der Regel Poly¬ merdispersion, vorzugsweise wäßrige Polymerdispersion, im Gegenstrom zum Wasserdampf durch die Kolonne geführt. Den Wasserdampf leitet man dabei bei einem Druck von 0, 1 bis 0,7 bar in der Kolonne im Gegenstrom zur Dispersion. Beim Einsatz von Polymerdispersionen wird der Druck in der Kolonne vorzugsweise so eingestellt, daß die Temperatur am Kolonnenkopf oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers und die Temperatur im Kolonnensumpf unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Polymerdispersion ihre Stabilität verliert und sich beispielsweise zersetzt oder agglomeriert oder koaguliert.The columns and devices described above are advantageously used in the process according to the invention for producing dispersions with a low residual volatile content. In the process according to the invention, the dispersion obtained from the reaction, generally a polymer dispersion, preferably an aqueous polymer dispersion, is passed through the column in countercurrent to the water vapor. The water vapor is passed at a pressure of 0.1 to 0.7 bar in the column in countercurrent to the dispersion. When using polymer dispersions, the pressure in the Column preferably adjusted so that the temperature at the top of the column is above the glass transition temperature of the polymer and the temperature in the bottom of the column is below the temperature at which the polymer dispersion loses its stability and, for example, decomposes or agglomerates or coagulates.
Der Druck in der Kolonne beträgt vorzugsweise 0,2 bis 0,7 bar, besonders bevorzugt am Kolonnenkopf 0,2 bis 0,5 bar.The pressure in the column is preferably 0.2 to 0.7 bar, particularly preferably 0.2 to 0.5 bar at the top of the column.
Die Temperatur in der Kolonne beträgt vorzugsweise 50 bis 90CC, beson¬ ders bevorzugt 60 bis 82 °C. Dabei ist aufgrund des Druckabfalls in der Kolonne die Temperatur am Kolonnenkopf niedriger als im Kolonnensumpf. Die Eintrittstemperatur der Dispersionen beträgt vorzugsweise 50 bis 90°C, besonders bevorzugt 60 bis 80°C. Die Temperatur im Kolonnensumpf beträgt vorzugsweise 70 bis 90°C. Die Austrittstemperatur der Dispersion entspricht dieser Temperatur. Der Druck am Kolonnenkopf beträgt 0,2 bis 0,5 bar, über dem Kolonnensumpf 0,3 bis 0,7 bar.The temperature in the column is preferably from 50 to 90 C C, particularly preferably 60-82 ° C. Due to the pressure drop in the column, the temperature at the top of the column is lower than in the bottom of the column. The inlet temperature of the dispersions is preferably 50 to 90 ° C, particularly preferably 60 to 80 ° C. The temperature in the column bottom is preferably 70 to 90 ° C. The outlet temperature of the dispersion corresponds to this temperature. The pressure at the top of the column is 0.2 to 0.5 bar, above the bottom of the column 0.3 to 0.7 bar.
Auslegungsdaten für eine Regensiebbodenkolonne sind beispielsweise: Loch- durchmesser 15 bis 25 mm, Flächenbelastung 8 bis 15 m3/m2 h, spezifische Belastung, auf den Lochquerschnitt bezogen, 10 bis 12 kg/cm2 h, Druck am Kolonnenkopf 0,2 bis 0,5 bar (absolut).Design data for a rain sieve tray column are, for example: hole diameter 15 to 25 mm, surface loading 8 to 15 m 3 / m 2 h, specific loading, based on the hole cross section, 10 to 12 kg / cm 2 h, pressure at the column head 0.2 to 0.5 bar (absolute).
Eine Querstromsiebbodenkolonne ist beispielsweise wie folgt ausgelegt: Loch- durchmesser etwa 4 mm, Flächenbelastung 8 bis 15 m3/m2 h, spezifische freie Lochfläche 5 bis 10 %, Wehrhöhe 100 bis 200 mm, Druck am Kolonnenkopf 0,2 bis 0,5 bar, spezifische Belastung, auf den Lochquer¬ schnitt bezogen, 15 bis 22 kg/cm2 h. Der spezifische Dampfbedarf beträgt im erfindungsgemäßen Verfahren vor¬ zugsweise 10 bis 50%, besonders bevorzugt 20 bis 30 Gew.-% , gemessen als Wasser, bezogen auf die eingebrachte Menge an Dispersion.A cross-flow sieve tray column is designed, for example, as follows: hole diameter approximately 4 mm, surface loading 8 to 15 m 3 / m 2 h, specific free perforated area 5 to 10%, weir height 100 to 200 mm, pressure at the column head 0.2 to 0.5 bar, specific load, based on the hole cross section, 15 to 22 kg / cm 2 h. The specific steam requirement in the process according to the invention is preferably 10 to 50%, particularly preferably 20 to 30% by weight, measured as water, based on the amount of dispersion introduced.
Der Dampfdurchsatz beträgt vorzugsweise etwa 0,1 bis 10 t/h, besonders bevorzugt 1 bis 8 t/h. Der Durchsatz an Dispersion beträgt vorzugsweise 1 bis 50 t/h, besonders bevorzugt 5 bis 30 t/h. In einer in der Produktion eingesetzten Kolonne beträgt der Durchsatz an Dispersion vorzugsweise 20 t/h oder mehr, bei geringerer Produktion 5 bis 10 t/h, im Technikumsmaß- stab (Versuchsstadium) etwa 1 bis 2 t/h. Der Durchsatz hängt vom Kolon¬ nendurchmesser ab.The steam throughput is preferably about 0.1 to 10 t / h, particularly preferably 1 to 8 t / h. The throughput of dispersion is preferably 1 to 50 t / h, particularly preferably 5 to 30 t / h. In a column used in production, the throughput of dispersion is preferably 20 t / h or more, with lower production 5 to 10 t / h, on a pilot plant scale (test stage) about 1 to 2 t / h. The throughput depends on the column diameter.
Die spezifische Flächenbelastung der Kolonne beträgt 1,6 bis 25, vorzugs¬ weise 8 bis 15 m3 Dispersion pro m2 Querschnittsfläche der Kolonne und Stunde.The specific surface loading of the column is 1.6 to 25, preferably 8 to 15, m 3 of dispersion per m 2 of cross-sectional area of the column and hour.
Der auf die freie Fläche bezogene Zulauf beträgt für Regensiebböden vor- zugsweise 4 bis 15, besonders bevorzugt 10 bis 13 kg/cπr h, für Quer¬ stromsiebböden vorzugsweise 15 bis 25, besonders bevorzugt 15 bis 22 kg/cm2 h.The inflow, based on the free area, is preferably 4 to 15, particularly preferably 10 to 13 kg / cm 2 h for rain sieve trays, preferably 15 to 25, particularly preferably 15 to 22 kg / cm 2 h for cross-flow sieve trays.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise erlaubt hohe spezifische Durchsätze in der Kolonne. Deshalb können die Dimensionen der Kolonne klein gehal¬ ten werden, was zum einen zu einem kostengünstigen Aufbau führt und zum anderen die innere Oberfläche der Kolonne verringert, was wiederum den Reinigungsaufwand bei Chargenwechsel vermindert.The procedure according to the invention allows high specific throughputs in the column. Therefore, the dimensions of the column can be kept small, which on the one hand leads to an inexpensive construction and on the other hand reduces the inner surface of the column, which in turn reduces the cleaning effort when changing batches.
Eine hohe spezifische Flüssigkeitsbelastung (Dispersionsbelastung) führt bei einem gegebenen Gewichtsverhältnis von Strippdampf zu Dispersion zu hohen Gasbelastungen und damit hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Gasraum. Die Ausbildung von stabilen Schäumen auf den Böden kann dadurch er¬ schwert, vorzugsweise weitgehend vermieden werden. Schäume führen oft zu Störungen in der Kolonne und den nachgeschalteten Abscheidern und Vaku¬ umapparaten und sind daher unerwünscht. Durch die erfindungsgemäße Kolonne und das erfindungsgemäße Verfahren kann die Schaumbildung unter¬ drückt werden, so daß auf die Verwendung zusätzlicher Schaumabscheider oder Schaumbrecher verzichtet werden kann.With a given weight ratio of stripping steam to dispersion, a high specific liquid load (dispersion load) leads to high gas loads and thus high flow velocities in the gas space. The formation of stable foams on the floors can thereby be made more difficult, preferably largely avoided. Foams often lead to faults in the column and the downstream separators and vacuum equipment and are therefore undesirable. The formation of foam can be suppressed by the column according to the invention and the method according to the invention, so that the use of additional foam separators or foam breakers can be dispensed with.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der erfindungs- gemäßen Kolonne ist es möglich, die Summe aller Gehalte an Restflüchtigen auf einen Wert von weniger als 100 ppm, häufig sogar auf weniger als 50 ppm, in günstigen Fällen sogar auf weniger als 25 ppm, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion, zu vermindern. Der Grad der Verminderung kann dabei durch die konstruktive Auslegung der Kolonne und die Ver- fahrensführung den entsprechenden Anforderungen angepaßt werden. Beim bevorzugten kontinuierlichen Betrieb der Kolonne beträgt die Verweilzeit in der Kolonne in Abhängigkeit von den eingesetzten Dispersionen vorzugsweise 100 bis 2000 s, besonders bevorzugt 200 bis 1000 s, insbesondere von 400 bis 800 s. Durch die Einstellung des Durchsatzes, der Dampfbelastung und der Dampftemperatur beziehungsweise des Druckes, sowie die Anzahl der vorgesehenen Kolonnenböden ist es möglich, die gewünschte Reinheit der Dispersion zu erreichen. Eine besonders bevorzugte Kombination an Ver¬ fahrensparametern ist für eine Querstromsiebbodenkolonne wie folgt:With the method according to the invention using the column according to the invention it is possible to reduce the sum of all contents of residual volatiles to a value of less than 100 ppm, often even less than 50 ppm, in favorable cases even less than 25 ppm to reduce the total weight of the dispersion. The degree of reduction can be adapted to the corresponding requirements by the design of the column and the procedure. In the preferred continuous operation of the column, the residence time in the column is preferably 100 to 2000 s, particularly preferably 200 to 1000 s, in particular 400 to 800 s, depending on the dispersions used. By adjusting the throughput, the steam load and the steam temperature or pressure, and the number of column plates provided, it is possible to achieve the desired purity of the dispersion. A particularly preferred combination of process parameters for a cross-flow tray column is as follows:
- Durchsatz Dispersion 10 bis 25 t/h bei einem Kolonnendurchmesser von 1 bis 1,5 m,Throughput dispersion 10 to 25 t / h with a column diameter of 1 to 1.5 m,
Durchsatz Dampf 2,5 bis 7,5 t/h, Gasgeschwindigkeit in den Löchern 40 bis 140 m/s, Gasgeschwindigkeit im Rohr 2,5 bis 10 m/s. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann mit hohen Bodenwirkungsgraden gearbeitet werden. Beim Einsatz von Regensiebböden hängt der erreichbare Bodenwirkungsgrad vom auf den freien Querschnitt bezogenen Durchsatz ab. Der Bodenwirkungsgrad liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 7,0 bis über 30%. Bei Querstromsiebböden beträgt der Bodenwirkungsgrad vorzugs¬ weise bis zu 20%. Die Bestimmung des Bodenwirkungsgrades ist bei den Beispielen erläutert.Throughput steam 2.5 to 7.5 t / h, gas velocity in the holes 40 to 140 m / s, gas velocity in the tube 2.5 to 10 m / s. In the method according to the invention, high soil efficiencies can be used. When using rain screen trays, the achievable soil efficiency depends on the throughput related to the free cross-section. The soil efficiency is preferably in the range from 7.0 to over 30%. In the case of crossflow sieve trays, the bottom efficiency is preferably up to 20%. The determination of the soil efficiency is explained in the examples.
Die Erfindung betrifft auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Dispersionen. Dies sind Dispersionen, insbesondere Polymer¬ dispersionen, mit einem Gehalt an Restflüchtigen von weniger als 100 ppm, häufig sogar weniger als 50 ppm, in günstigen Fällen sogar weniger als 25 ppm, die nach dem vorstehenden Verfahren herstellbar sind. Der Aufbau der bevorzugten Dispersionen ist nachstehend angegeben.The invention also relates to the dispersions which can be prepared by the process according to the invention. These are dispersions, in particular polymer dispersions, with a residual volatile content of less than 100 ppm, often even less than 50 ppm, in favorable cases even less than 25 ppm, which can be prepared by the above process. The structure of the preferred dispersions is given below.
Dispersionendispersions
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Dispersionen können beliebige Dispersionen sein, die entfernbare Gehalte an Restflüchtigen auf- weisen. Beispiele derartiger Dispersionen können Dispersionen von kon¬ taminierten Erdböden, Dispersionen von anorganischen Teilchen, Dispersionen von Biomolekülen und vorzugsweise Dispersionen von organischen Verbin¬ dungen, insbesondere Polymerdispersionen sein. Die Dispersionen sind dabei vorzugsweise wäßrige Dispersionen.The dispersions used in the process according to the invention can be any dispersions which have removable levels of residual volatiles. Examples of such dispersions can be dispersions of contaminated soil, dispersions of inorganic particles, dispersions of biomolecules and preferably dispersions of organic compounds, in particular polymer dispersions. The dispersions are preferably aqueous dispersions.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt geeigneten wäßrigen Polymerisatdispersionen sind fluide Systeme, die als disperse Phase im wäßrigen Dispergiermedium Polymerisatteilchen in stabiler disperser Ver¬ teilung enthalten. Der Durchmesser der Polymerisatteilchen liegt im all- gemeinen hauptsächlich im Bereich von 0,01 bis 5 μm, häufig hauptsächlich im Bereich von 0,01 bis 1 μm. Die Stabilität der dispersen Verteilung erstreckt sich oft über einen Zeitraum von mindestens einem Monat, vielfach sogar über einen Zeitraum von mindestens 6 Monaten.The aqueous polymer dispersions which are preferably suitable for the process according to the invention are fluid systems which, as a disperse phase in the aqueous dispersion medium, contain polymer particles in a stable disperse distribution. The diameter of the polymer particles is generally mainly in the range from 0.01 to 5 μm, often mainly in the range of 0.01 to 1 μm. The stability of the disperse distribution often extends over a period of at least one month, in many cases even over a period of at least 6 months.
Ebenso wie Polymerisatlösungen beim Verdampfen des Lösungsmittels, weisen wäßrige Polymerisatdispersionen beim Verdampfen des wäßrigen Dispergiermediums die Eigenschaft auf, Polymerisatfilme zu bilden, weshalb wäßrige Polymerisatdispersionen in vielfacher Weise als Bindemittel, z.B. für Anstrichfarben oder Massen zum Beschichten von Leder, Anwendung finden.Just like polymer solutions when the solvent is evaporated, aqueous polymer dispersions have the property of forming polymer films when the aqueous dispersion medium is evaporated, which is why aqueous polymer dispersions are used in many ways as binders, e.g. for paints or compositions for coating leather.
Prinzipiell unterscheidet man wäßrige Polymerisatdispersionen in wäßrige Sekundär- und wäßrige Primärdispersionen. Die wäßrigen Sekundärdispersio¬ nen sind solche, bei deren Herstellung das Polymerisat außerhalb des wä߬ rigen Dispergiermediums erzeugt wird, zum Beispiel in Lösung eines ge- eigneten nicht-wäßrigen Lösungsmittels. Diese Lösung wird anschließend in das wäßrige Dispergiermedium überfuhrt und das Lösungsmittel unter Disper- gierung, in der Regel destillativ, abgetrennt. Demgegenüber handelt es sich bei wäßrigen Primärdispersionen um solche, bei denen das Polymerisat unmittelbar in disperser Verteilung im wäßrigen Dispergiermedium selbst erzeugt wird. Allen Herstellverfahren ist im wesentlichen gemein, daß zum Aufbau des Polymerisats Monomere, die wenigstens eine ethylenisch ungesät¬ tigte Gruppierung aufweisen, mitverwendet werden oder daß der Polymer¬ aufbau ausschließlich aus solchen Monomeren erfolgt.In principle, a distinction is made between aqueous polymer dispersions into aqueous secondary and aqueous primary dispersions. The aqueous secondary dispersions are those in the production of which the polymer is produced outside of the aqueous dispersion medium, for example in solution of a suitable non-aqueous solvent. This solution is then transferred to the aqueous dispersion medium and the solvent is separated off, generally by distillation, with dispersion. In contrast, aqueous primary dispersions are those in which the polymer is itself produced in disperse distribution in the aqueous dispersion medium. It is essentially common to all production processes that monomers which have at least one ethylenically unsaturated group are used for the synthesis of the polymer, or that the polymer is constructed exclusively from such monomers.
Der Einbau solcher wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppierung aufweisender Monomeren erfolgt üblicherweise durch initiierte Polyreaktion, wobei die Art und Weise der angewandten Initiierung insbesondere von den gewünschten anwendungstechnischen Eigenschaften des Zielproduktes bestimmt und diesen daher angepaßt wird. In Betracht kommt beispielsweise eine ionische oder eine radikalische Initiierung. Der Einbau kann aber auch durch katalytisch initiierte polymeranaloge Umsetzung erfolgen. Besonders häufig wird die radikalische Initiierung angewandt, weshalb der Einbau von ethyle¬ nisch ungesättigte Gruppierungen aufweisenden Monomeren im Fall von wäßrigen Primärdispersionen in der Regel nach der Methode der radikali- sehen wäßrigen Emulsionspolymerisation und im Fall von wäßrigen Sekun¬ därdispersionen in der Regel nach der Methode der radikalischen Lösungs¬ polymerisation erfolgt.Such monomers having at least one ethylenically unsaturated group are usually incorporated by initiated polyreaction, the type of initiation used being determined in particular by the desired performance properties of the target product and therefore being adapted to this. For example, an ionic or a radical initiation can be considered. Installation can also be done by catalytically initiated polymer-analogous reaction take place. Radical initiation is used particularly frequently, which is why the incorporation of monomers having ethylenically unsaturated groups in the case of aqueous primary dispersions is generally by the method of free-radical aqueous emulsion polymerization and in the case of aqueous secondary dispersions is is generally the method the radical solution polymerization takes place.
Die Polyreaktionsbedingungen werden so gewählt, daß die gewünschten Eigenschaften des Polymers, wie Molekulargewicht, Molekulargewichtsver¬ teilung und Verzweigungsgrad erhalten werden. Zur raschen Reaktionsfuhrung ist es in der Regel nicht sinnvoll, die Reaktion bis zum vollständigen Umsatz durchzuführen. Deshalb weisen die nach der Umsetzung erhaltenen wäßrigen Polymerdispersionen im Normalfall noch, insbesondere ethylenisch ungesättigte, Monomere auf. Aufgrund der erhöhten Reaktionsfähigkeit der ethylenisch ungesättigten Doppelbindung sind derartige Restmonomere, wie Acrylnitril und Vinylacetat, toxikologisch nicht völlig unbedenklich und sollten daher aus der Dispersion entfernt werden. Hierzu dient das vor¬ liegende Verfahren. Das Verfahren ist für alle in einem wäßrigen Medium dispergierten Polymerisate einsetzbar, unabhängig von der Art der Polymere. Der Begriff "Polymerisat" umfaßt hier deshalb sowohl Polykondensate wie Polyester, Polyaddukte wie Polyurethane und Polymerisate, die durch ioni¬ sche oder radikalische Polymerisation zugänglich sind. Mischvarianten der genannten Synthesen, wie auch Copolymerisate ergeben ebenfalls erfindungs- gemäß verwendbare Dispersionen.The polyreaction conditions are chosen so that the desired properties of the polymer, such as molecular weight, molecular weight distribution and degree of branching, are obtained. In order to conduct the reaction rapidly, it is generally not sensible to carry out the reaction until conversion is complete. Therefore, the aqueous polymer dispersions obtained after the reaction normally still have, in particular ethylenically unsaturated, monomers. Due to the increased reactivity of the ethylenically unsaturated double bond, residual monomers such as acrylonitrile and vinyl acetate are not completely harmless from a toxicological point of view and should therefore be removed from the dispersion. The present method serves this purpose. The method can be used for all polymers dispersed in an aqueous medium, regardless of the type of polymer. The term "polymer" here therefore encompasses both polycondensates such as polyesters, polyadducts such as polyurethanes and polymers which are accessible by ionic or radical polymerization. Mixed variants of the syntheses mentioned, as well as copolymers, likewise result in dispersions which can be used according to the invention.
Die Herstellung wäßriger Polymerisatdispersionen der vorgenannten verschie¬ denen Polymerisattypen ist bekannt, zum Beispiel aus Encyclopedia of Poly¬ mer Science and Engineering, Volume 8, Seite 659ff (1987); D.C. Blackley, in High Polymer Latices, Volume 1 , Seite 35ff (1966); H. Warson, The Application of Synthetic Resin Emulsions, Seite 246ff, Kapitel 5 (1972); [Verlag?] D. Diederich, Chemie in unserer Zeit 24, Seite 135 bis 142 (1990); Emulsion Polymerization, Interscience Publishers, New York (1965); DE-A 40 03 422 und Dispersionen synthetischer Hochpolymerer, F. Höl- scher, Springer- Verlag, Berlin (1969).The preparation of aqueous polymer dispersions of the aforementioned various types of polymer is known, for example from Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Volume 8, page 659ff (1987); DC Blackley, in High Polymer Latices, Volume 1, page 35ff (1966); H. Warson, The Application of Synthetic Resin Emulsions, page 246ff, Chapter 5 (1972); [Publisher?] D. Diederich, Chemistry in our time 24, pages 135 to 142 (1990); Emulsion Polymerization, Interscience Publishers, New York (1965); DE-A 40 03 422 and dispersions of synthetic high polymers, F. Hölscher, Springer-Verlag, Berlin (1969).
Als wenigstens eine monoethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende Mono¬ mere kommen für das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem insbeson¬ dere in einfacher Weise radikalisch polymerisierbare Monomere in Betracht, wie die Olefine, zum Beispiel Ethylen, vinylaromatische Monomere, wie Styrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol oder Vinyltoluole, Ester aus Vinylalko- hol und 1 bis 18 C-Atome aufweisenden Monocarbonsäuren, wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat, Vinylpivalat und Vinylstearat, sowie im Handel befindliche Monomere VEOVA 9 bis 11 (VEOVA ist ein Handelsname der Shell und steht für Vinylester von Carbonsäuren, die auch als Versatic® X-Säuren bezeichnet werden), Ester aus vorzugsweise 3 bis 6 C-Atome aufweisenden, α,/?-mono-ethylenisch ungesättigten Mono- und Dicar¬ bonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 8 und ins- besondere 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkanolen, wie Acrylsäure- und Methacrylsäuremethyl-, -ethyl-, -n-butyl-, -iso-butyl-, -tert.-butyl- und -2- ethylhexylester, Maleinsäuredimethylester oder Maleinsäure-n-butylester, Nitrile α.jS-monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren, wie Acrylnitril, sowie C4.8-konjugierte Diene, wie 1,3-Butadien und Isopren. Die genannten Monomeren bilden im Fall von ausschließlich durch radikalische wäßrige Emulsionspolymerisation erzeugten wäßrigen Polymerisatdispersionen in der Regel die Hauptmonomeren, die bezogen auf die Gesamtmenge der nach dem Verfahren der radikalischen wäßrigen Emulsionspolymerisation zu polymerisierenden Monomeren normalerweise einen Anteil von mehr als 50 Gew.-% auf sich vereinen. In aller Regel weisen diese Monomeren in Wasser bei Normalbedingungen (25 °C, 1 atm) lediglich eine mäßige bis geringe Löslichkeit auf.Suitable monomers having at least one monoethylenically unsaturated group for the process according to the invention are in particular, in a simple manner, radically polymerizable monomers, such as the olefins, for example ethylene, vinylaromatic monomers such as styrene, α-methylstyrene, o-chlorostyrene or vinyl toluenes, esters of vinyl alcohol and monocarboxylic acids having 1 to 18 carbon atoms, such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl n-butyrate, vinyl laurate, vinyl pivalate and vinyl stearate, and commercially available monomers VEOVA 9 to 11 (VEOVA is a trade name of Shell and stands for vinyl esters of carboxylic acids, which are also referred to as Versatic ® X acids), esters of α, /? - mono-ethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids, such as acrylic acid, preferably having 3 to 6 carbon atoms. Methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid, with generally 1 to 12, preferably 1 to 8 and in particular 1 to 4 carbon atoms a pointing alkanols, such as acrylic acid and methacrylic acid methyl, ethyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl and -2-ethylhexyl ester, dimethyl maleate or n-butyl maleate, nitriles α.jS monoethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylonitrile, and C 4 . 8- conjugated dienes such as 1,3-butadiene and isoprene. In the case of aqueous polymer dispersions produced exclusively by free-radical aqueous emulsion polymerization, the monomers mentioned generally form the main monomers which, based on the total amount of the monomers to be polymerized by the free-radical aqueous emulsion polymerization process, normally account for more than 50% by weight unite. As a rule, these monomers have Water at normal conditions (25 ° C, 1 atm) only has a moderate to low solubility.
Monomere, die unter den vorgenannten Bedingungen eine erhöhte Wasser- löslichkeit aufweisen, sind beispielsweise α,/J-monoethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren und deren Amide, wie Acrylsäure, Methacrylsäu¬ re, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Acrylamid und Methacrylamid, ferner Vinylsulfonsäure und deren wasserlösliche Salze, sowie N-Vinylpyrroli¬ don.Monomers which have an increased water solubility under the abovementioned conditions are, for example, α, / J-monoethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids and their amides, such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, acrylamide and methacrylamide, and also vinylsulfonic acid and their water-soluble salts, as well as N-vinyl pyrrolidone.
Im Fall von ausschließlich durch radikalische wäßrige Emulsionspolymerisa¬ tion erzeugten wäßrigen Polymerisatdispersionen werden die vorgenannten, eine erhöhte Wasserlöslichkeit aufweisenden Monomeren im Normalfall lediglich als modifizierende Monomere in Mengen, bezogen auf die Gesamt- menge der zu polymerisierenden Monomeren, von weniger als 50 Gew.-%, in der Regel 0,5 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%, mit einpolymeri¬ siert.In the case of aqueous polymer dispersions produced exclusively by free-radical aqueous emulsion polymerization, the abovementioned monomers, which have increased water solubility, are normally only used as modifying monomers in amounts, based on the total amount of the monomers to be polymerized, of less than 50% by weight. , usually 0.5 to 20, preferably 1 to 10 wt .-%, with copolymerized.
Monomere, die üblicherweise die innere Festigkeit der Verfilmungen der wäßrigen Polymerisatdispersionen erhöhen, weisen normalerweise wenigstens eine Epoxy-, Hydroxy-, N-Methylol-, Carbonyl- oder wenigstens zwei nicht konjugierte ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen auf. Als Beispiele kommen hierfür N-Alkylamide von 3 bis 10 C-Arome aufweisenden, a,ß- monoethylenisch ungesättigten Carbonsäuren sowie deren Ester mit 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkenolen, unter denen das N-Methylolacrylamid und das N-Methylolmethacrylamid besonders bevorzugt sind, zwei Vinylreste aufweisende Monomere, zwei Vinylidenreste aufweisende Monomere sowie zwei Alkenylreste aufweisende Monomere in Betracht. Besonders vorteilhaft sind dabei die Di-Ester zweiwertiger Alkohole mit a,ß- monoethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren, unter denen die Acryl- und Methacrylsäure bevorzugt sind. Beispiele für derartige zwei nicht konjugierte ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen aufweisende Monomere sind Alky- lenglykolacrylate und -dimethacrylate, wie Ethylenglykoldiacrylat, 1,3-Buty- lenglykoldiacrylat, 1 ,4-Butylenglykoldiacrylate sowie Propylenglykoldiacrylat, Divinylbenzol, Vinylmethacrylat, Vinylacrylat, Allylmethacrylat, Allylacrylat, Diallylmaleat, Diallylfumarat, Methylenbisacrylamid, Cyclopentadienylacrylat oder Triallylcyanurat. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung sind auch die Methacrylsäure- und Acrylsäure-Cj-Cg-hydroxyalkylester, wie n-Hydroxyethyl-, n-Hydroxypropyl- oder n-Hydroxybutylacrylat und -metha- crylat sowie Verbindungen, wie Diacetonacrylamid und Acetylacetoxyethyl- acrylat beziehungsweise -methacrylat, Ureidoethylmethacrylat und Acrylamido- glykolsäure. Die vorgenannten Monomeren werden im Fall von ausschließlich nach der Methode der radikalischen wäßrigen Emulsionspolymerisaten erzeug¬ ten wäßrigen Polymerisatdispersionen, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymerisierenden Monomeren, meist in Mengen von 0,5 bis 10 Gew.-% mit einpolymerisiert.Monomers which usually increase the internal strength of the films of the aqueous polymer dispersions normally have at least one epoxy, hydroxy, N-methylol, carbonyl or at least two non-conjugated ethylenically unsaturated double bonds. Examples include N-alkylamides of 3 to 10 carbon atoms, a, β-monoethylenically unsaturated carboxylic acids and their esters with 1 to 4 carbon atoms, among which the N-methylol acrylamide and the N-methylol methacrylamide are particularly preferred , two vinyl-containing monomers, two vinylidene-containing monomers and two alkenyl-containing monomers. The di-esters of dihydric alcohols with α, β-monoethylenically unsaturated monocarboxylic acids are particularly advantageous, among which acrylic and methacrylic acid are preferred. Examples of such two nonconjugated ethylenically unsaturated double bonds are alkylene monomers lenglykolacrylate diacrylates and dimethacrylates, such as ethylene glycol diacrylate, butylene glycol diacrylate 1,3-, 1, 4-butylene glycol diacrylates and propylene glycol diacrylate, divinylbenzene, vinyl methacrylate, vinyl acrylate, allyl methacrylate, allyl acrylate, diallyl maleate, Diallyl fumarate, methylenebisacrylamide, cyclopentadienyl acrylate or triallyl cyanurate. Of particular importance in this connection are also the methacrylic acid and acrylic acid-C j -Cg-hydroxyalkyl esters, such as n-hydroxyethyl, n-hydroxypropyl or n-hydroxybutyl acrylate and methacrylate, and compounds such as diacetone acrylamide and acetylacetoxyethyl acrylate, respectively -methacrylate, ureidoethyl methacrylate and acrylamidoglycolic acid. In the case of aqueous polymer dispersions produced exclusively by the free-radical aqueous emulsion polymer method, based on the total amount of the monomers to be polymerized, the above monomers are also copolymerized in amounts of from 0.5 to 10% by weight.
Üblicherweise werden im Rahmen der radikalischen wäßrigen Emulsions¬ polymerisation Dispergiermittel mitverwendet, die die Stabilität der erzeugten wäßrigen Polymerisatdispersion gewährleisten.Dispersants which ensure the stability of the aqueous polymer dispersion produced are usually also used in the course of the free-radical aqueous emulsion polymerization.
Als solche kommen sowohl die zur Durchführung von radikalischen wäßrigen Emulsionspolymerisationen üblicherweise eingesetzten Schutzkolloide als auch Emulgatoren in Betracht.Both the protective colloids usually used to carry out free-radical aqueous emulsion polymerizations and emulsifiers come into consideration as such.
Geeignete Schutzkolloide sind beispielsweise Polyvinylalkohole, Cellulosederi- vate oder Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymerisate. Eine ausführliche Beschreibung weiterer geeigneter Schutzkolloide findet sich in den Houben- Weyl, Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme- Verlag, Stuttgart, 1969, Seite 411 bis 420. Selbstver¬ ständlich können auch Gemische aus Emulgatoren und/oder Schutzkolloiden verwendet werden. Vorzugsweise werden als Dispergiermittel ausschließlich Emulgatoren eingesetzt, deren relative Molekulargewichte im Unterschied zu den Schutzkolloiden üblicherweise unter 1000 liegen. Sie können sowohl anionischer, kationischer oder nichtionischer Natur sein. Selbstverständlich müssen im Falle der Verwendung von Gemischen grenzflächenaktiver Sub¬ stanzen die Einzelkomponenten miteinander verträglich sein, was im Zwei- felsfall an Hand weniger Vorversuche überprüft werden kann. Im allgemei¬ nen sind anionische Emulgatoren untereinander und mit nichtionischen Emulgatoren verträglich.Suitable protective colloids are, for example, polyvinyl alcohols, cellulose derivatives or copolymers containing vinylpyrrolidone. A detailed description of other suitable protective colloids can be found in the Houben Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1969, pages 411 to 420. Of course, mixtures of emulsifiers and / or protective colloids can also be used. Preferably only emulsifiers are used as dispersants, the relative molecular weights of which, in contrast to the protective colloids, are usually below 1000. They can be anionic, cationic or nonionic in nature. Of course, if mixtures of surface-active substances are used, the individual components must be compatible with one another, which in the case of doubt can be checked using a few preliminary tests. In general, anionic emulsifiers are compatible with one another and with nonionic emulsifiers.
Gleiches gilt auch für kationische Emulgatoren, während anionische und kationische Emulgatoren meistens miteinander unverträglich sind. Gebräuchli¬ che Emulgatoren sind zum Beispiel ethoxylierte Mono-, Di- und Tri-Alkylp- henole (EO-Grad: 3 bis 100, Alkylrest : C4 bis C12), ethoxylierte Fettalko¬ hole (EO-Grad: 3 bis 100, Alkylrest: C8 bis C18), sowie Alkali- und Ammoniumsalze von Alkylsulfaten (Alkylrest: C8 bis C16), von Schwefelsäu- rehalbestem ethoxylierter Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 100, Alkylrest: C4 bis C12), von Alkylsulfonsäuren (Alkylrest: C12 bis C18) und von Alkylaryl- sulfonsäuren (Alkylrest: C9 bis C18). Weitere geeignete Emulgatoren wie Sulfobernsteinsäureester finden sich in Houben-Weyl, Methoden der organi¬ schen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme Verlag, Stuttgart, 1961, Seiten 192 bis 208.The same applies to cationic emulsifiers, while anionic and cationic emulsifiers are usually incompatible with one another. Common emulsifiers are, for example, ethoxylated mono-, di- and tri-alkylphenols (EO grade: 3 to 100, alkyl radical: C 4 to C 12 ), ethoxylated fatty alcohols (EO grade: 3 to 100, Alkyl radical: C 8 to C 18 ), and alkali and ammonium salts of alkyl sulfates (alkyl radical: C 8 to C 16 ), of sulfuric acid half-ethers of ethoxylated alkylphenols (EO degree: 3 to 100, alkyl radical: C 4 to C 12 ), of alkylsulfonic acids (alkyl radical: C 12 to C 18 ) and of alkylarylsulfonic acids (alkyl radical: C 9 to C 18 ). Further suitable emulsifiers such as sulfosuccinic acid esters can be found in Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Volume XIV / 1, Macromolecular Substances, Georg-Thieme Verlag, Stuttgart, 1961, pages 192 to 208.
In der Regel beträgt die Menge an eingesetztem Dispergiermittel 0,5 bis 6, vorzugsweise 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der radikalisch zu polymerisierenden Monomeren. Selbstverständlich eignen sich die vorgenannten Dispergiermittel ganz generell zur Stabilisierung der erfindungsgemäßen Verfahrensprodukte. Die erfindungs¬ gemäßen Verfahrensprodukte umfassen aber auch wäßrige Polymerisatdisper¬ sionen von selbstemulgierenden Polymerisaten, das heißt, von Polymerisaten, die ionische Gruppen aufweisen, die aufgrund der Abstoßung von Ladungen gleichen Vorzeichens die Stabilisierung zu bewirken vermögen. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen unmittelbaren Verfahrensprodukte anionische Stabilisierung (insbesondere anionische Dispergiermittel) auf.As a rule, the amount of dispersant used is 0.5 to 6, preferably 1 to 3,% by weight, based on the weight of the monomers to be polymerized by free radicals. Of course, the aforementioned dispersants are generally suitable for stabilizing the process products according to the invention. However, the process products according to the invention also comprise aqueous polymer dispersions of self-emulsifying polymers, that is to say of polymers which have ionic groups which, owing to the repulsion of charges of the same sign, are able to bring about stabilization. The direct process products according to the invention preferably have anionic stabilization (in particular anionic dispersants).
Erfolgt die Herstellung der wäßrigen Polymerisatdispersion, deren Restmono- merengehalt in der erfindungsgemäßen Weise gesenkt werden soll, durch radikalische wäßrige Emulsionspolymerisation aus Monomerenzusammen¬ setzungen von wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren, sind im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren ins- besondere Monomerenzusammensetzungen von Bedeutung, die wenigstens zwei voneinander verschiedene, wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende Monomeren umfassen und im übrigenIf the aqueous polymer dispersion, the residual monomer content of which is to be reduced in the manner according to the invention, is prepared by radical aqueous emulsion polymerization from monomer compositions of monomers having at least one ethylenically unsaturated group, monomer compositions are of particular importance with regard to the process according to the invention. which comprise at least two different monomers which have at least one ethylenically unsaturated group, and for the rest
70 bis 99,9 Gew.-% Ester der Acryl- und/oder Methacrylsäure mit 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Alkanolen und/oder Styrol, oder70 to 99.9% by weight of esters of acrylic and / or methacrylic acid with alkanols and / or styrene having 1 to 12 carbon atoms, or
70 bis 99,9 Gew.-% Styrol und/oder Butadien, oder70 to 99.9% by weight of styrene and / or butadiene, or
70 bis 99,9 Gew.-% Vinylchlorid und/oder Vinylidenchlorid, oder70 to 99.9% by weight of vinyl chloride and / or vinylidene chloride, or
40 bis 99,9 Gew.-% Vinylacetat, Vinylpropionat und/oder Ethylen40 to 99.9% by weight vinyl acetate, vinyl propionate and / or ethylene
enthalten, wobei die Gesamtmenge 100 Gew.-% ergibt. Der polymere Feststoffgehalt in der Suspension beziehungsweise Dispersion beträgt üblicherweise etwa 20 bis 75 Gew.-% , bevorzugt etwa 40 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 50 bis 60 Gew.-% .included, the total amount being 100% by weight. The polymeric solids content in the suspension or dispersion is usually about 20 to 75% by weight, preferably about 40 to 70% by weight, particularly preferably 50 to 60% by weight.
Die Viskositäten der verwendeten Suspensionen beziehungsweise Dispersionen liegen bei einer Temperatur von 25 °C bei etwa 10 bis 5000 mPas, bevor¬ zugt 20 bis 2000 mPas, besonders bevorzugt 50 bis 1000 mPas.The viscosities of the suspensions or dispersions used are at a temperature of 25 ° C. at about 10 to 5000 mPas, preferably 20 to 2000 mPas, particularly preferably 50 to 1000 mPas.
Die Viskosität der eingesetzten Dispersionen ist vorzugsweise niedrig. Sie kann im Bereich von 30 bis 1000 mPas liegen. Die Dichte der Dispersionen liegt dabei vorzugsweise um 1 g/cm3.The viscosity of the dispersions used is preferably low. It can be in the range from 30 to 1000 mPas. The density of the dispersions is preferably around 1 g / cm 3 .
Definition und Bestimmung relevanter MeßgrößenDefinition and determination of relevant measurands
GlasübergangstemperaturGlass transition temperature
Vorzugsweise wird die Glasübergangstemperatur aus der Temperaturabhängig¬ keit der spezifischen Wärme in einer Differential-Thermoanalyse bestimmt (G. Goldbach in: Kunststoffe, Ordnungszustände und Eigenschaften in: Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 15, Seite 219 bis 222, Weinheim, 1980).The glass transition temperature is preferably determined from the temperature dependency of the specific heat in a differential thermal analysis (G. Goldbach in: Plastics, Order States and Properties in: Ulimanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 15, pages 219 to 222, Weinheim, 1980).
Die Glastemperatur von Copolymeren kann zudem aus den Glastemperaturen der jeweiligen Homopolymeren, gewichtet nach den Massenbrüchen der Monomeren und den Ausdehnungskoeffizienten der Polymeren, berechnet werden. Mindest nlmbildetemperaturThe glass transition temperature of copolymers can also be calculated from the glass transition temperatures of the respective homopolymers, weighted according to the mass fractions of the monomers and the expansion coefficients of the polymers. Minimum imaging temperature
Die Mindestfilmbiidetemperatur des Polymeren ist die tiefste Temperatur, bei der eine Dispersion nach Verdampfen des Wassers gerade noch einen zusammenhängenden Film bildet. Sie liegt nahe bei der Glastemperatur des Polymeren (H. Gerrens in: Polymerisationstechnik in: Ullmann Encyklopädie der technischen Chemie, Band 19, Seite 141 , Weinheim, 1989).The minimum film bifunction temperature of the polymer is the lowest temperature at which a dispersion just forms a coherent film after the water has evaporated. It is close to the glass transition temperature of the polymer (H. Gerrens in: Polymerisationstechnik in: Ullmann Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, page 141, Weinheim, 1989).
Als Meßgerät dient eine Metallplatte, an der ein Temperaturgradient angelegt wird. Beobachtet wird, bei welcher Temperatur der Film beginnt, rissig zu werden (E. Penzel in: Polyacryl- und Polymethacryl-Verbindungen in: Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 19, Seite 17 bis 18, Weinheim, 1980).A metal plate on which a temperature gradient is applied serves as the measuring device. The temperature at which the film begins to crack is observed (E. Penzel in: Polyacrylic and Polymethacrylic Compounds in: Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, pages 17 to 18, Weinheim, 1980).
Die Glasübergangstemperatur der im erfindungsgemäßen Verfahren als Dispersion bevorzugt eingesetzten Acrylate liegt zwischen -62 und +6°C (siehe Tabelle 8 aus E. Penzel in: Polyacryl- und Polymethacryl-Verbindun¬ gen in: Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 19, Seite 17 bis 18, Weinheim, 1980). Die daraus resultierenden Mindestfilmbildtempera- turen der Polymere in den Dispersionen liegen demnach oft weit unterhalb der erfindungsgemäß bevorzugten Betriebstemperatur des Verfahrens. Die zu behandelnden Dispersionen sind bei der Verfahrenstemperatur also oft weich und bilden leicht Filme.The glass transition temperature of the acrylates which are preferably used as the dispersion in the process according to the invention is between -62 and + 6 ° C. (see Table 8 from E. Penzel in: Polyacrylic and Polymethacryl Compounds in: Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, page 17 to 18, Weinheim, 1980). The resulting minimum film image temperatures of the polymers in the dispersions are therefore often far below the preferred operating temperature of the process according to the invention. The dispersions to be treated are therefore often soft at the process temperature and easily form films.
Viskositätviscosity
Dispersionen mit im erfindungsgemäßen Verfahren häufig angewendetenDispersions with those frequently used in the process according to the invention
Bereich des Feststoffgehaltes von 20 und 75%, vorzugsweise 50 bis 70%, zeigen ein breites Spektrum Theologischen Verhaltens. Das Fließ verhalten ist abhängig vom Feststoffgehalt, der Teilchengröße, der Teilchengrößenver- teilung und vom Hilfsstoffsystem, das bei der Herstellung eingesetzt wurde. Häufig beobachtete Fließanomalien sind Strukturviskosität und Dilatanz.The range of the solids content of 20 and 75%, preferably 50 to 70%, show a broad spectrum of theological behavior. The flow behavior depends on the solids content, the particle size, the particle size division and of the auxiliary system that was used in the manufacture. Structural viscosity and dilatancy are frequently observed flow anomalies.
Gemessen wird die Viskosität unter standardisierten Meßbedingungen in Kapillarviskosimeter, Couetteviskosimeter oder Kegel-Platte-Viskosimeter (C. Gerth: Rheometrie, Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 19, Seite 17 bis 18, Weinheim 1980).The viscosity is measured under standardized measuring conditions in a capillary viscometer, Couette viscometer or cone-plate viscometer (C. Gerth: Rheometrie, Ullmanns Encyklopadie der Technische Chemie, Volume 19, pages 17 to 18, Weinheim 1980).
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieser Poly- merdispersionen mit niedrigem Gehalt an Restflüchtigen durch das vorstehen¬ de Verfahren.The invention further relates to a process for the preparation of these polymer dispersions with a low residual volatile content by the above process.
Besonders geeignet ist das Verfahren für scherempfindliche Dispersionen zum Beispiel emulgatorarme oder emulgatorfreie Formulierungen, sterisch (mit Schutzkolloid oder mit Stärke) stabilisierte Dispersionen oder selbstdispergie- rende Systeme (wie Polyurethandispersionen), für thermosensible Dispersio¬ nen.The method is particularly suitable for shear-sensitive dispersions, for example low-emulsifier or emulsifier-free formulations, sterically (with protective colloid or with starch) stabilized dispersions or self-dispersing systems (such as polyurethane dispersions), for thermosensitive dispersions.
Das Verfahren wird dabei vorzugsweise in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt. In Stufe a) kommt dabei der Reaktor (A) zumThe method is preferably carried out in the device described above. In stage a), the reactor (A) comes to
Einsatz, Stufe b) der Nachreaktor (B), in Stufe c) die Kolonne (C), wobei das Abführen des Dampfs in Stufe d) durch den Wärmetauscher (D) erfolgt.Use, stage b) of the after-reactor (B), in stage c) the column (C), the vapor being removed in stage d) through the heat exchanger (D).
Stufe e) wird in der Entspannungsstufe (E) durchgeführt, Stufe f) im FilterStage e) is carried out in the relaxation stage (E), stage f) in the filter
(F) und Stufe g) in der Konfektioniervorrichtung (G). Die Konfektionierung beinhaltet dabei alle notwendigen Schritte, die erforderlich sind, um die im(F) and stage g) in the assembly device (G). The assembly includes all the necessary steps that are necessary to complete the
Verfahren erhaltene Polymerdispersion in das Handelsprodukt zu überfuhren.Process obtained polymer dispersion in the commercial product.
Es können in dieser Stufe beispielsweise Stabilisatoren, Antioxidationsmittel,For example, stabilizers, antioxidants,
Biozide, Schutzpolymerisate, Säuren, Laugen, Antischaummittel, Verdicker,Biocides, protective polymers, acids, alkalis, anti-foaming agents, thickeners,
Lösungsmittel, Dispergiermittel, wie Wasser, und andere geeignete Stoffe zugesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Polymerdispersionen werden vorzugsweise als Kleb¬ rohstoffe, in Dichtungsmassen, Papierstreichdispersionen, Verputzmassen, Spachtelmassen, Beschichtungen, als Lack- und Anstrichrohstoff, Bindemittel oder Verdicker, insbesondere für Innenraumanwendungen eingesetzt. Durch den niedrigen Gehalt an Restflüchtigen ist der gefahrlose Einsatz in Innen¬ raumanwendungen möglich, wobei es zu keiner oder minimaler Ausdampfung der verbleibenden minimalen Mengen an Restflüchtigen kommt.Solvents, dispersants such as water, and other suitable substances can be added. The polymer dispersions according to the invention are preferably used as adhesive raw materials, in sealing compounds, paper coating dispersions, plastering compounds, fillers, coatings, as lacquer and paint raw materials, binders or thickeners, in particular for interior applications. Due to the low content of residual volatiles, safe use in indoor applications is possible, with no or minimal evaporation of the remaining minimal amounts of residual volatiles.
Als Klebrohstoffe dienen sie beispielsweise für die Kaschierung von Folien, wie Glanz-, Metall- oder Verbundfolien aus Kupfer und/oder Aluminium und Papier, für technische Kaschierungen, beispielsweise im Fahrzeugbau, für Schaumstoffe oder Möbelfolien, als Verpackungskleber, als Haftklebstoff, beispielsweise für Papieretiketten und Briefumschläge, als Dichtungsmassen und Fußbodenkleber, sowie für Spezialbeschichtungen und als Bindemittel.They serve as adhesive raw materials, for example for the lamination of foils, such as glossy, metal or composite foils made of copper and / or aluminum and paper, for technical laminations, for example in vehicle construction, for foams or furniture foils, as packaging adhesives, as pressure sensitive adhesives, for example for paper labels and envelopes, as sealants and floor adhesives, as well as for special coatings and as binders.
Als Papierstreichdispersionen kommen sie für die Veredelung von Offset- Druckpapieren, Tiefdruckpapieren und von Karton in Betracht. Sie können zudem als Verdicker von Druckfarben und Streichmassen verwendet werden.They can be used as paper coating dispersions for the finishing of offset printing paper, gravure printing paper and cardboard. They can also be used as thickeners for printing inks and coating slips.
Als Anstrich- und Lackrohstoff finden sie Verwendung für Holzlackierungen, für die graphische Industrie, für technische Lackanwendungen, wie den Korrosionsschutz, für Dispersionslackfarben und Dispersionsfarben, beispiels¬ weise für Innen- und Außenfarben, insbesondere für Innenfarben, für Putze und Spachtelmassen für den Innenbereich, für Zementbeschichtungen, wie Grundierungen, Fassadenfarben und Betondachsteine.As paint and varnish raw materials, they are used for wood coatings, for the graphic industry, for technical paint applications such as corrosion protection, for emulsion paints and emulsion paints, for example for interior and exterior paints, especially for interior paints, for plasters and fillers for interior use. for cement coatings such as primers, facade paints and concrete roof tiles.
Zudem können sie als Vliesstoffbeschichtungsmittel, wie Tufting, Nadelvlies und Bodenbeläge oder die Teppichrückenbeschichtung, wie auch für Form¬ schäume und Tauchartikel eingesetzt werden. Vorzugsweise beziehen sich diese Anwendungen auf Innenraumanwendungen, das heißt Anwendungen innerhalb von geschlossenen Gebäuden oder Fahr¬ zeugen.In addition, they can be used as nonwoven coating compositions, such as tufting, needle fleece and floor coverings or the carpet backing, as well as for molded foams and diving articles. These applications preferably relate to interior applications, that is to say applications within closed buildings or vehicles.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.The invention is illustrated by the examples below.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Kolonne mit Querstromsiebböden (Vergleichsbeispiel)Column with crossflow sieve trays (comparative example)
Die Kolonne (Durchmesser 0,4 m) enthält 8 Querstromsiebböden im Abstand von 50 cm zueinander. Die Siebböden haben in gleichförmigem Abstand Löcher mit einem Durchmesser von 4 mm. Die Löcher machen 1,0% der Bodenfläche aus. Die Böden sind über seitlich angeordnete Schächte mitein¬ ander verbunden. Der jeweilige Ablaufschacht überragt den Boden um 40 mm. Dadurch bildet sich im Betrieb durch den Wasserdampf verursachten Staudruck eine Dispersionsschicht von dieser Höhe (40 mm) auf dem Boden aus. Diese Kolonne wurde mit 0,2 t/h einer 50%igen wäßrigen Polymer¬ dispersion gespeist, die mittels einer Exzenter-Schneckenpumpe auf den obersten Siebboden gefördert wurde. Im Gegenstrom dazu wurden 40 kg/h 4-bar Dampf unterhalb des untersten Bodens in die Kolonne eingeleitet.The column (diameter 0.4 m) contains 8 cross-flow sieve trays at a distance of 50 cm from each other. The sieve trays have holes with a diameter of 4 mm at a uniform distance. The holes make up 1.0% of the floor area. The floors are connected to one another via laterally arranged shafts. The respective drain shaft extends 40 mm above the floor. This creates a dispersion layer of this height (40 mm) on the floor during operation caused by the water vapor. This column was fed with 0.2 t / h of a 50% aqueous polymer dispersion which was conveyed to the top sieve tray by means of an eccentric screw pump. In countercurrent, 40 kg / h of 4 bar steam were introduced into the column below the bottom tray.
Nachdem sich der oberste Boden mit Dispersion gefüllt hat, läuft Dispersion über das 40 mm hohe Überlaufwehr durch den Schacht auf den nächsten Boden und so fort. Der Dampf strömt durch die Löcher des untersten Bodens, durchströmt die Dispersionsschicht und reichert sich dabei mit den abzutrennenden Stoffen aus der Dispersion an. Die darüberliegenden Böden werden in gleicher Weise durchströmt. Am Kolonnenkopf wird der beladene Dampf mittels angelegtem Vakuum (ca. 200 mbar) abgezogen und in einem nachgeschalteten Kondensator kondensiert. Die Dispersion wird unterhalb des untersten Bodens in einem Sumpf gesammelt und von dort zur Konditionie- rung gepumpt.After the top floor has filled with dispersion, dispersion runs over the 40 mm high overflow weir through the shaft to the next floor and so on. The steam flows through the holes in the bottom floor, flows through the dispersion layer and thereby accumulates with the substances to be separated from the dispersion. The floors above are flowed through in the same way. The loaded one is at the top of the column Steam is drawn off using a vacuum (approx. 200 mbar) and condensed in a downstream condenser. The dispersion is collected in a sump below the bottom floor and pumped from there for conditioning.
Bei den genannten Versuchseinstellungen (entspricht einer Flächenbelastung von 1,6 m3 Dispersion/m2 Kolonnenquerschnitt und h) wird Butylacrylat von 415 ppm Eingangskonzentration auf 140 ppm (Boden 5) abgereichert. Dies entspricht einer Abreicherung um 66% oder einem Wirkungsgrad der Böden von rund 14% einer thermodynamischen Gleichgewichtseinstellung.With the test settings mentioned (corresponds to an area load of 1.6 m 3 dispersion / m 2 column cross section and h) butyl acrylate is depleted from 415 ppm initial concentration to 140 ppm (tray 5). This corresponds to a depletion of 66% or a soil efficiency of around 14% of a thermodynamic equilibrium.
Beispiel 2Example 2
Kolonne mit QuerstromsiebbödenColumn with cross-flow sieve trays
Die Kolonne (Durchmesser 0,4 m) enthält 8 Querstromsiebböden im Abstand von 50 cm zueinander. Die Siebböden haben in gleichförmigem Abstand Löcher mit einem Durchmesser von 4 mm. Die Löcher machen 5,3 % der Bodenfläche aus. Die Böden sind über Schächte miteinander verbunden. Die Schächte ragen 100 mm in den Boden hinein und bilden das Ablaufwehr.The column (diameter 0.4 m) contains 8 cross-flow sieve trays at a distance of 50 cm from each other. The sieve trays have holes with a diameter of 4 mm at a uniform distance. The holes make up 5.3% of the floor area. The floors are connected to each other via shafts. The shafts protrude 100 mm into the floor and form the drain weir.
In die Kolonne wurden 1500 kg/h Dispersion (entspricht einer Flächenbela- stung von 12 m3/m2) auf den obersten Boden und 375 kg/h Dampf als Strippmedium unterhalb des untersten Boden eingeleitet. Der Druck betrug 330 mbar.1500 kg / h of dispersion (corresponding to an area load of 12 m 3 / m 2 ) were introduced into the column on the top tray and 375 kg / h steam as stripping medium below the bottom tray. The pressure was 330 mbar.
Der Butylacrylatgehalt wurde dabei von eingangs 219 ppm auf 16 ppm abgesenkt, was einer Abreicherung von 93% entspricht. Der Wirkungsgrad der Querstromsiebböden betrug jeweils rund 11 % einer thermodynamischen Gleichgewichtseinstellung.The butyl acrylate content was reduced from 219 ppm at the beginning to 16 ppm, which corresponds to a depletion of 93%. The efficiency the cross-flow sieve plates each amounted to around 11% of a thermodynamic equilibrium.
Bei dieser hohen Flächenbelastung verringert sich der Bodenwirkungsgrad gegenüber dem Vergleichsbeispiel nur um etwa 25%. Damit wird der Bau einer Kolonne mit so hohem Dispersionsdurchsatz möglich, daß sich diese wie ein Rohrstück in einem Anlagenstrang verhält und auf Zwischenpuffer beim Übergang von diskontinuierlichen Prozeßschritten zur kontinuierlichen Kolonnendesodorierung verzichtet werden kann.With this high surface load, the soil efficiency is only reduced by about 25% compared to the comparative example. This makes it possible to build a column with such a high dispersion throughput that it behaves like a piece of pipe in a line of equipment and there is no need for intermediate buffers during the transition from discontinuous process steps to continuous column deodorization.
Beispiel 3 Kolonne mit RegensiebbödenExample 3 Column with rain sieve trays
Die Kolonne (Durchmesser 0,4 m) enthält 8 Regensiebböden im Abstand von 50 cm zueinander. Die Siebböden haben in gleichförmigem Abstand Löcher mit einem Durchmesser von 10 mm. Die Löcher machen 2,1 % Bodenfläche aus. Die Böden sind nicht über Schächte miteinander verbunden. Die Dispersion fließt im Gegenstrom zum Dampf durch die gleichen Löcher.The column (diameter 0.4 m) contains 8 trays at a distance of 50 cm from each other. The sieve trays have holes with a diameter of 10 mm at a uniform distance. The holes make up 2.1% of the floor area. The floors are not connected to one another via manholes. The dispersion flows in countercurrent to the steam through the same holes.
Dazu wurde die Kolonne mit 200 kg/h Dispersion (entspricht einer Flächen¬ belastung von 1 ,6 m3/m2 h) von oben beschickt und mit 40 kg/h Dampf gestrippt. Der Druck betrug 285 mbar.For this purpose, the column was charged with 200 kg / h of dispersion (corresponds to a surface load of 1.6 m 3 / m 2 h) from above and stripped with 40 kg / h of steam. The pressure was 285 mbar.
Der Butylacrylatgehalt wurde dabei von eingangs 477 ppm auf 5 ppm abgesenkt, was einer Abreicherung von 99% entspricht. Der Wirkungsgrad dieser Regensiebböden betrug jeweils rund 31 % einer thermodynamischen Gleichgewichtseinstellung. Es wurde mit den bevorzugten Regensiebböden eine deutlich bessere Abrei¬ cherung und ein erheblich höherer Bodenwirkungsgrad als mit den Quer¬ stromsiebböden gefunden.The butyl acrylate content was reduced from 477 ppm at the beginning to 5 ppm, which corresponds to a depletion of 99%. The efficiency of these rain screen trays was around 31% of a thermodynamic equilibrium. A significantly better depletion and a considerably higher soil efficiency were found with the preferred rain sieve trays than with the crossflow sieve trays.
Beim Einsatz von Regensiebböden hängt der erreichte Bodenwirkungsgrad η vom auf den freien Querschnitt bezogenen Durchsatz ab. Bei niedrigen Werten (Beispiel 12) kann der Wirkungsgrad bis auf 7,0% sinken. Bei hohen Durchsätzen können unabhängig vom Druck über 30% Bodenwir¬ kungsgrad erreicht werden (Beispiele 13 bis 15). Der Lochdurchmesser bei den Querstromsiebböden (Beispiel 4 bis 11) beträgt vorzugsweise 4 mm. Der Bodenwirkungsgrad wird durch die Wehrhöhe und den Druck beeinflußt. Der Kolonnendurchmesser beträgt bei allen Beispielen 400 mm.When using rain screen trays, the soil efficiency η achieved depends on the throughput related to the free cross-section. At low values (example 12) the efficiency can drop to 7.0%. At high throughputs, over 30% soil efficiency can be achieved regardless of the pressure (Examples 13 to 15). The hole diameter in the crossflow sieve trays (example 4 to 11) is preferably 4 mm. Soil efficiency is affected by weir height and pressure. The column diameter is 400 mm in all examples.
Der Wirkungsgrad bei den einzelnen Versuchen wird nach den Gleichungen 1, 2, 3, 4 und 5 berechnet. Dabei bedeuten:The efficiency in the individual tests is calculated according to equations 1, 2, 3, 4 and 5. Here mean:
irij Gleichgewichtskoeffizient der Komponente i (siehe Gleichung 3)iri j equilibrium coefficient of component i (see equation 3)
YGGW Gleichgewichtskonzentration in der Gasphase (% auf den Feststoff bezogen) ^GGW Gleichgewichtskonzentration in der Flüssigphase (% auf den Fest¬ stoff bezogen)Y GGW equilibrium concentration in the gas phase (% based on the solid) ^ GGW equilibrium concentration in the liquid phase (% based on the solid)
D Desoφtionsfaktor (siehe Gleichung 4) n Praktische Bodenzahl r^ Theoretische Bodenzahl Xa Konzentration in der ablaufenden DispersionD desorption factor (see equation 4) n Practical number of trays r ^ Theoretical number of trays X a Concentration in the running dispersion
Xe Konzentration in der zulaufenden DispersionX e concentration in the incoming dispersion
Mjjpf Dampfmenge, kg/hM jjpf amount of steam, kg / h
MDisp Dispersionsmenge, kg/hM Disp amount of dispersion, kg / h
α = Xa/Xe (1) V = n^/n (2)α = X a / X e (1) V = n ^ / n (2)
"^ = YGGW^GGW (3)"^ = Y GGW ^ GGW (3)
D = mi*MDpf/MDisp (4) n^ = ln(D/α-l/α+ l)/lnD-l (5)D = m i * M Dpf / M Disp (4) n ^ = ln (D / α-l / α + l) / lnD-l (5)
Die Auswertung der Desodorierungsversuche erfolgte exemplarisch für Butylpropionat (α), Styrol (ß) und Vinylacetat (γ). Der Gleichgewichtswert m BPr wurde experimentell bestimmt. Er beträgt für Butylproprionat 8,4 (auf den Feststoff bezogene Konzentration in der Dispersion). The evaluation of the deodorization experiments was carried out for butyl propionate (α), styrene (ß) and vinyl acetate (γ). The equilibrium value m BP r was determined experimentally. It is 8.4 for butyl propionate (concentration based on the solid in the dispersion).
Tabelle 1: Weitere Versuche mit QuerstromsiebbödenTable 1: Further tests with crossflow sieve trays
1 ro1 ro
1010th
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Tabelle 2: Weitere Versuche mit RegensiebbödenTable 2: Further experiments with rain sieve trays
I OJ co ιI OJ co ι
1010
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Das Produkt α ist eine Klebstoffdispersion auf Basis Butylacrylat und Acrylnitril mit 55 % Feststoffgehalt. 15 Das Produkt ß ist eine Styrol/Butadien-Dispersion für Papierstrich, 50% Feststoffgehalt, 40 mPas Viskosität.The product α is an adhesive dispersion based on butyl acrylate and acrylonitrile with a solids content of 55%. 15 The product ß is a styrene / butadiene dispersion for paper coating, 50% solids content, 40 mPas viscosity.
Das Produkt γ ist eine Vinylacetat-haltige Haftklebstoffdispersion, 70% Feststoffgehalt, 150 bis 900 mPas Viskosität. 17 ist für a auf Butylpropionat, für ß auf Styrol und für γ auf Vinylacetat bezogen.The product γ is a vinyl acetate-containing PSA dispersion, 70% solids content, 150 to 900 mPas viscosity. 17 is based on butylpropionate for a, ß on styrene and γ on vinyl acetate.
2020th
FB bedeutet die Flächenbelastung der Böden mit Dispersion. FB means the surface loading of the floors with dispersion.

Claims

Patentansprüche claims
1. Gegenstromkolonne zur Erniedrigung des Gehalts an Restflüchtigen in Dispersionen, die 5 bis 50 Regensiebböden und/oder Querstromsiebböden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische freie Lochfläche in den Regensiebböden 2 bis 25 % und in den Querstromsiebböden 1 bis 10 % beträgt, in den Regensiebböden der mittlere Lochdurchmesser 10 bis 50 mm und in den Querstromsiebböden der mittlere Lochdurch¬ messer 2 bis 10 mm beträgt.1. countercurrent column for lowering the residual volatile content in dispersions, which has 5 to 50 rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, characterized in that the specific free perforated area in the rain sieve trays is 2 to 25% and in the crossflow sieve trays 1 to 10%, in the Rain sieve trays the average hole diameter is 10 to 50 mm and in the cross-flow sieve trays the average hole diameter is 2 to 10 mm.
2. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:2. Column according to claim 1, characterized in that it has one or more of the following features:
Innendurchmesser der Kolonne im Bereich von 400 bis 2500 mm, Höhe der Kolonne im Bereich von 6 bis 25 m, Anzahl der Böden im Bereich von 5 bis 50, Bodenabstand im Bereich von 250 bis 800 mm, - Kolonne im unteren Bereich um 1 bis 3 m als Kolonnensumpf ver¬ längert,Inside diameter of the column in the range from 400 to 2500 mm, height of the column in the range from 6 to 25 m, number of trays in the range from 5 to 50, tray distance in the range from 250 to 800 mm, - column in the lower range by 1 to 3 m extended as a column sump,
Kolonnendurchmesser im oberen Bereich vergrößert zur Schwer¬ kraftabtrennung von Dispersionströpfchen aus dem Dampf, Einspeisung der Dispersion im vergrößerten oberen Bereich der Kolonne.Column diameter increased in the upper area for gravity separation of dispersion droplets from the steam, feeding the dispersion in the enlarged upper area of the column.
3. Vorrichtung zum Herstellen von Polymerdispersionen, umfassend einen Reaktor (A), gegebenenfalls einen Nachreaktor (B), eine Kolonne (C), wie sie in Anspruch 1 oder 2 definiert ist, einen Wärmeaustauscher (D) für den Abdampf, und gegebenenfalls eine Entspannungsvorrichtung (E), einen Filter (F) und eine Konditionier Vorrichtung (G).3. Device for producing polymer dispersions, comprising a reactor (A), optionally a post-reactor (B), a column (C) as defined in claim 1 or 2, a heat exchanger (D) for the exhaust steam, and optionally a flash device (E), a filter (F) and a conditioning device (G).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Reaktors (A) oder des Nachreaktors (B) ohne Zwischenschaltung eines separaten Vorlagebehälters direkt mit dem Eingang der Kolonne (C) verbunden ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the output of the reactor (A) or the post-reactor (B) is connected directly to the input of the column (C) without the interposition of a separate storage container.
5. Verfahren zur Herstellung von Dispersionen mit niedrigem Gehalt an Restflüchtigen durch Behandeln der Dispersion mit Wasserdampf in einer Regensiebböden und/oder Querstromsiebböden enthaltenden Gegen¬ stromkolonne, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wasserdampf bei einem Druck in der Kolonne von 0, 1 bis 0,7 bar im Gegenstrom zur Dispersion leitet.5. A process for the preparation of dispersions with a low residual volatile content by treating the dispersion with water vapor in a countercurrent column comprising rain sieve trays and / or crossflow sieve trays, characterized in that the water vapor is at a pressure in the column of 0.1 to 0. 7 bar in countercurrent to the dispersion.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion eine Polymerdispersion ist und der Druck in der Kolonne so eingestellt wird, daß die Temperatur am Kolonnenkopf oberhalb der Glasüber¬ gangstemperatur des Polymers und die Temperatur im Kolonnensumpf unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Polymerdispersion ihre6. The method according to claim 5, characterized in that the dispersion is a polymer dispersion and the pressure in the column is adjusted so that the temperature at the top of the column above the glass transition temperature of the polymer and the temperature in the bottom of the column is below the temperature at which the polymer dispersion their
Stabilität verliert.Stability loses.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenstromkolonne eine Kolonne eingesetzt wird, wie sie in Anspruch 1 oder 2 definiert ist.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that a column is used as countercurrent column as defined in claim 1 or 2.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that it has one or more of the following features:
- Druck in der Kolonne im Bereich von 0,2 bis 0,7 bar, Temperatur in der Kolonne im Bereich von 50 bis 90 °C, Flächenbelastung der Böden im Bereich von 2 bis 25 m3/m2 h, spezifischer Dampfbedarf im Bereich von 10 bis 50 % , auf die freie Lochfläche bezogener Dispersionszulauf im Bereich von 4 bis 15 kg/cm2 h für die Regensiebböden und 15 bis 25 kg/cm2 h für die Querstromsiebböden Dispersionsdurchsatz im Bereich von 1 bis 50 t/h.Pressure in the column in the range from 0.2 to 0.7 bar, Temperature in the column in the range from 50 to 90 ° C., surface loading of the trays in the range from 2 to 25 m 3 / m 2 h, specific steam requirement in the range from 10 to 50%, dispersion feed based on the free perforated area in the range from 4 to 15 kg / cm 2 h for the rain sieve trays and 15 to 25 kg / cm 2 h for the cross-flow sieve trays dispersion throughput in the range from 1 to 50 t / h.
9. Verfahren zur Herstellung von Polymerdispersionen mit niedrigem Gehalt an Restflüchtigen durch9. Process for the preparation of polymer dispersions with a low residual volatile content
a) Polymerisation, b) gegebenenfalls Nachreaktion, c) Behandeln der Dispersion mit Wasserdampf in einer Gegenstromko- lonne, d) Abführen des Dampfs aus der Gegenstromkolonne, und gegebenen¬ falls e) Entspannen der aus der Gegenstromkolonne gewonnenen Polymer¬ dispersion, f) Filtrieren der Polymerdispersion, g) Konfektionierung der Polymerdispersion,a) polymerization, b) optionally post-reaction, c) treating the dispersion with steam in a countercurrent column, d) removing the steam from the countercurrent column, and if appropriate e) releasing the polymer dispersion obtained from the countercurrent column, f) filtering the polymer dispersion, g) assembly of the polymer dispersion,
dadurch gekennzeichnet, daß das Behandeln in Stufe c) nach einem Verfahren erfolgt, wie es in einem der Ansprüche 5 bis 8 definiert ist.characterized in that the treatment in step c) is carried out by a method as defined in one of claims 5 to 8.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer Vorrichtung durchgeführt wird, wie sie in Anspruch 3 oder 4 definiert ist. 10. The method according to claim 9, characterized in that it is carried out in a device as defined in claim 3 or 4.
11. Dispersion, insbesondere Polymerdispersion mit einem Gehalt an Rest¬ flüchtigen von weniger als 100 ppm, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10.11. Dispersion, in particular polymer dispersion with a residual volatile content of less than 100 ppm, can be produced by a process according to one of claims 5 to 10.
12. Verwendung von Polymerdispersionen nach Anspruch 11 als Klebroh¬ stoffe, in Dichtungsmassen, Papierstreichdispersionen, Verputzmassen, Spachtelmassen, Beschichtungen, als Lack- und Anstrichrohstoff, Binde¬ mittel oder Verdicker, insbesondere für Innenraumanwendungen. 12. Use of polymer dispersions as claimed in claim 11 as adhesive raw materials, in sealing compounds, paper coating dispersions, plastering compounds, fillers, coatings, as paint and coating raw materials, binders or thickeners, in particular for interior applications.
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