聚合物溶液预热器以及预热这类溶液的方法

专利名称：聚合物溶液预热器以及预热这类溶液的方法
技术领域：
本发明涉及聚合物溶液的处理过程，具体涉及在使熔融聚合物最终真空脱除挥发组分(devolatilization)之前，在短的停留时间和低的压降下，使聚合物/溶剂溶液预热并且至少部分脱除挥发组分的处理设备及方法。
背景技术：
在真空脱除挥发组分前，对来自聚合反应器的聚合物溶液进行加热的预热器，对本领域技术人员来说是熟知的。已有技术方法的特点常在于应用带或不带内构件(混合元件)的处理设备，如多管式换热器(MTHE)预热器。然而，这种设备更常见的特征是由于聚合物溶液闪蒸而引起的流动不稳定，大的外壳直径和厚的管材造成的高成本，由于只有一个固定加热区导致在停车情况下会过热，在燃烧过程中产生热膨胀，以及难于维修和清洗等。其它现有技术的预热设备包括直接安装在脱除挥发组分室内的特别设计的翅片管。这种设备在欧洲专利No.0 352 727 B1中有所描述。但这种预热器设备很贵，且需要很长的停留时间，这种工艺条件经常会造成产品降解。许多现有技术设备也有压降过大的特点。
另外，如在美国专利4,314,606中所描述的换热器(SMR反应器)是己知的聚合物反应器或冷却器。标准的SMR设计具有大的持液量及因此导致的长的停留时间。由于典型的SMR设计，其工作流体(service fluid)的流量必须很低，以保证工作流体的压降在可以接受的限度内。如果标准的SMR设计被用作聚合物脱除挥发组分(devol)预热器，其停留时间应该通常为5-20分钟，而这会降低聚合物的质量。

发明内容
本发明提供了一种聚合物脱除挥发组分的预热器设备及方法，该设备及方法致力于解决应用上述现有技术设备过程中所遇到的问题。具体来说，本发明提供了一种预热器及方法，其中设备成本、压降、停留时间、温度分布差及流动不稳定都被限制到最低。按照本发明的概念和原理，改进的聚合物脱除挥发组分预热器包括一个延长的、直立中空容器，该容器限定了一个具有上端、下端、以及在两端之间延伸的纵轴的加热室。该容器还包括一个邻近室上端或下端的聚合物/溶剂溶液入口，以及一个邻近室上端或下端的熔融聚合物出口。本发明的预热器还包括至少一个位于室内的加热管束。
该管束可以包括至少一个延长的加热蛇管，其设置结构具有一个穿过加热室沿其纵轴垂直方向延伸的主轴。管子的设置使在室内下行的聚合物/溶剂溶液沿着从聚合物/溶剂溶液入口朝着聚合物出口的路径流动时，与管子的外表面进行换热接触。按照本发明的广义概念，管子优选包括多个弯管部分。该管子还包括多个连接弯管部分的连接管部分。
弯管部分和/或连接管部分可以设置在一个平面内，而这类平面优选可以设置成基本上与室的纵轴平行。理想地，每根管子的外部空间结构均可以基本上为矩形，从而存在一对相对的边，而每条边均基本上与管结构的主轴平行。
在本发明一种特别优选的形式中，连接管部分可以设置成基本上相互平行，而且这些连接管部分可以被延长并设置成垂直于管结构的主轴延伸。
优选地，管束可以包括至少两根管子，而这些管子可以设置在相邻的平行平面内。另外，这些管子可以有各自的伸出容器壁的加热介质入口和出口。这些管子优选设置成一根管子的加热介质入口与另一根管子的加热介质出口相邻，反之亦然。这样，引入到水平相邻管子的加热介质入口中的加热介质沿着相对的方向流过管子。更为优选的是，预热器可以包含至少两个位于室内的管束。一个管束可以设置在另一个管束的上方。优选地，可以对管束进行取向使其中一个管束的延长的加热蛇管的主轴，为室的纵轴相对于另一个管束的延长的加热蛇管的主轴的一定角度的偏转。
按照本发明的一种优选形式，容器以及室均有一个矩形，优选为正方形的水平横截面结构。
另外，本发明的预热器还可以包括一个位于室上端的入口分布器和/或一个位于室下端的出口分布器，其中入口分布器用于均匀分布聚合物/溶剂溶液在上部管束上部的流量。优选地，出口分布器可以包括多个孔，用于在熔融聚合物离开室时将之分成多股，以增加熔融聚合物的表面积，从而强化在真空脱除挥发组分室内从中除去溶剂。
本发明还提供了一种在将聚合物/溶剂溶液引入到真空脱除挥发组分室之前使其预热的方法。这种方法可以包括的步骤有通过上述预热器的聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入其中；通过使溶液下行通过室并与延长的加热蛇管的外表面接触来加热溶液；在预热器室的熔融聚合物出口处回收加热后的熔融塑料。按照其另一方面，本发明可以提供一种预热并使聚合物/溶剂溶液脱除挥发组分的方法，其中包括通过预热器的聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入预热器中，通过使溶液下行通过预热器室并与延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液并使聚合物至少部分脱除挥发组分，以及引导加热并至少部分脱除挥发组分了的聚合物通过预热器的熔融聚合物出口，并进入真空脱除挥发组分室中。优选地，在熔融聚合物被引入到脱除挥发组分室之前可以被分成多股，以增大聚合物的表面积并强化脱除挥发组分的操作。
附图简要说明

图1为局部剖视的正视图，描述了体现本发明概念和原理的聚合物/溶剂溶液的预热器；图2为图1所示预热器局部剖视的俯视图；图3为预热器及相关工艺设备的示意图，用于描述本发明的方法；图4是作为图1预热器一个部件的单个延长的加热蛇管的放大正视图；图5为另一预热器的示意性正视图，其中聚合物/溶剂溶液在底部引入，而熔融聚合物在顶部离开。
具体实施例方式
一种体现本发明原理和概念的聚合物脱除挥发组分预热器示于图1中，其中用参考标记10来大致表示该预热器。预热器10包括一个延长的直立中空容器12，该容器可以有一个通常为矩形的水平横截面结构形成加热室14，该加热室也可以有一个通常为矩形的水平横截面结构。
预热器10配有设置在室14上端18处的聚合物/溶剂溶液入口16和设置在室14下端22处的熔融聚合物出口20(参见图3)。可以看出，容器12和室14具有同一个纵轴24，该纵轴在其两端18，22之间延伸。
预热器10还包括装在室14内的多个垂直串联设置的加热管束26、28和30。虽然在图示实施方案中，只包括了三个这样的管束，但本领域的熟练技术人员可以理解的是，根据给定应用的需要，实际的管束数可以从1变至5或更多。除了下文将要解释的取向外，各管束26、28和30基本上是相同的。因此为了方便起见，下文仅描述管束26。
管束26包括多个延长的加热蛇管32和34。管子32和34除了下文将要解释的取向以外，基本上是相同的。因此这里仅对管子32进行详细描述。从图4可以看出，管子32由多个弯曲的弯头或U型管部分36和多个延长的基本上直的连接管部分38组成，如图所示连接管部分38将弯管部分36连接起来。管部分36，38的设置应形成基本上为矩形结构的管子32，其主轴40穿过室14沿着与纵轴24的垂直方向延伸(参见图1)。通常管子32的矩形外部空间结构有一组相对的边42，44，这两条边优选均设置成与管子32的主轴40基本平行。
进一步参照图4，可以看出连接管部分38被延长，并被设置成垂直于主轴40基本上相互平行延伸。如图4所示，每根管子32的弯管部分36和连接管部分38优选均设置在同一平面内。另外由图1可以看出，几根管子32，34的各相应平面均设置成与纵轴24基本平行。这对于组成加热器10的各管束26，28和30的每根管子32，34的平面来说都是真的。因此特别参照图2，可以看出各管束26、28和30的每根管子32均被设置在一个平面内，该平面与含有管子34的平行平面相邻，反之亦然。
如上文所述，管子32和34是相同的，只是各自的取向不同。因此管子32和34均有各自的加热介质入口46和加热介质出口48，这些出入口由容器12的器壁50，52伸出。设置管子32和34，使一根管子的加热介质入口46与相邻平面内的管子的加热介质出口48相邻，反之亦然，从而使引入管子32的加热介质入口46的加热介质，沿着与引入管子34的加热介质入口46的加热介质相对的方向流过各管束，反之亦然。为了使预热器室横截面上的温度分布最小，本领域的熟练技术人员能够设计出适合的管线，使工作流体从左向右及从前向后流动，以及反过来从右向左及从后向前流动。
参照图1，可以看出管子32，34设置在室14内，使经入口16进入容器12的聚合物/溶剂溶液下行通过室14，并且在聚合物/溶剂溶液沿着箭头50所示的路径流动时，与管子32，34的外表面32a，34a进行换热接触，箭头50所示的路径基本上沿着纵轴24从聚合物/溶剂溶液入口16朝着聚合物出口20延伸。
从图1可以看出，管束26、28和30沿着轴24串联设置，并且一个设置在另一个之上。对这些管束进行取向，使管束28的延长的加热蛇管32，34的主轴40为轴24相对于管束26和30的延长加热蛇管32，34的主轴40的一定角度的偏转。通过这种设置，有利于分别控制各工作区域(service side)的流量和温度。也就是说，各管束26、28和30均可以分别控制加热介质的流量。利用这一特征将预热器划分成各加热包，可以对工作流体的速度和流路进行控制，使工作区域的压降不超过3bar左右。
优选地，预热器10可以包括一个设置在室14上端18的入口分布器52，以在管束26的上部54均匀分布聚合物/溶剂溶液的流量。为了保证分布良好，分布器可以采用至少与加热器管束有相同压降的孔板。在通过室的组合低压降及溶剂闪蒸状态可能导致加热器内流量分布不均的情况下，这一特征是特别有用的。
预热器10也可以包括一个设置在室14下端22的出口分布器56。(参见图3)优选地，出口分布器56可以包括多个孔58，用于在熔融聚合物离开室14进入真空脱除挥发组分室62时，将熔融聚合物分成多股60，从图3可以看出，真空脱除挥发组分室62设在预热器10的下方。为了保证稳定操作，分布器56优选可以提供高达0.2bar左右或差不多的压降。
按照本发明，管子32，34的外径优选可以为13.5mm及更小。通常8mm的管子可以用于直径为500mm或更小的大容器中。管子的结构优选可以使两边42和44之间的距离大约在100至300mm的范围内。如上文所述，管子32，34穿过室14从一侧延伸到另一侧，并且优选不再返回，以保持工作区域的压降为4bar以下。与聚合物在室内停留时间少于1分钟相关联的这一低压降，对于在加热过程中促进早些闪蒸是可取的，实践经验表明，对于制备分子量分布窄并且没有降解的高质量聚合物来说，这是一个重要因素。
上述预热器被设置成向下流动操作方式。但由于脱离的蒸汽会向上流动，在某些情况下，聚合物/溶剂溶液向上流动也是可取的。在这种情况下，熔融聚合物可以由室侧面经喷射管或类似装置采出，并被引入到一个设置在容器上端的真空脱除挥发组分室中。图5示意性地描述了这种结构，其中预热器由参考标记110表示，聚合物/溶剂入口由参考标记112表示，熔融聚合物出口由参考标记114表示，脱除挥发组分室由参考标记116表示。
对于另一种配置方式，可以想像本发明的预热器可以设置在真空脱除挥发组分室的内部。在这种情况下，预热器优选可以配有蒸汽分离辅助装置。
如上文所述，容器12为矩形，并且优选为正方形。正如本领域熟练技术人员可以理解的，本发明的加热管束及管子也可以设置在圆筒形外壳内。在这种情况下，正如圆筒形所必须的，可能需要具有不同长度的蛇管，以填充整个横截面。在这种情况下，可以利用控制每根管子流量所需要的孔来控制每根管子内的流量。
下面参照图3来描述本发明预热器的操作。在图3中，示意性地给出了管束26、28和30、工作流体入口46和工作流体出口48。在操作过程中，在大约129℃的温度及大约6-8bar的压力下，含有大约20,000-30,000磅/小时的苯乙烯/丙烯腈聚合物的己烷溶剂溶液的聚合物/溶剂溶液经入口16被引入到预热器中。溶液优选可以含有大约55wt％的固体。可用于流经各管束26、28和30的下行流体的水平横截面积约为15平方米。
通过上部分布器52的压降可以为大约3-5bars，而通过管束26、28和30的总压降可以为大约2bars。通过下部分布器58的压降可以为大约0.2bar。闪蒸室52内的压力优选可以维持在低于约0.1bar。
优选可以是热油的工作流体可以在大约330℃的温度、大约3bars的压力以及大约120gpm的流量下，被引入到入口46中。而该工作流体可以在大约289℃的温度及大约1bar的压力下，离开出口48。
聚合物溶液在室14内的停留时间可以为大约35秒，离开室14进入闪蒸室62的聚合物股60可能处于大约185℃的温度下，并且可能有大约96％的固含量。
更广义地说，本发明可以适用于任何可溶于溶剂的聚合物脱除挥发组分。例如，苯乙烯/丙烯腈、聚苯乙烯和聚乙烯均可以利用本发明的原则和概念脱除挥发组分。己烷和其它有机溶剂均可以用作溶剂。优选地，进入的聚合物/溶剂溶液可以含有大约50至大约80wt％的固体，其粘度可以为大约1至大约100Pas，其温度可以为大约120至大约160℃，而聚合物固体的流量高达50,000磅/小时。离开本发明预热器的聚合物在闪蒸之后的温度可以是大约150至大约280℃，粘度为大约1至大约5000Pas。
例如工作流体可以是温度为大约200至大约350℃的热油、热水或蒸汽。优选地，聚合物在预热器室内的停留时间可以少于2分钟，优选可以少于大约50秒。通过预热器的总压降优选可以少于大约5bar。
按照本发明，可以在一定条件下对聚合物/溶剂溶液进行处理，以除去溶剂、未反应的单体和低分子量的低聚物，而使压降及聚合物产品的降解均控制为最小。
权利要求
1.一种聚合物脱除挥发组分预热器，包括一个延长的直立中空容器，该容器限定了一个具有上端、下端及在两端之间延伸的纵轴的加热室，所述容器包括一个邻近所述室上端的聚合物/溶剂溶液入口和一个邻近所述室下端的熔融聚合物出口；以及至少一个位于所述室内的加热管束，该管束包括至少一个延长的加热蛇管，该加热蛇管的设置结构具有一个穿过所述室沿所述纵轴垂直方向延伸的主轴，所述管子的位置应使聚合物/溶剂溶液沿着所述纵轴从聚合物溶剂/溶液入口朝着聚合物出口的路径流动时，该聚合物/溶剂溶液与管子的外表面进行换热接触，所述管子包括多个弯管部分和多个连接所述弯管部分的连接管部分。
2.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述弯管部分设置在一个平面内。
3.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述连接管部分设置在一个平面内。
4.权利要求2所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述连接管部分设置在所述的同一平面内。
5.权利要求4所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述平面基本平行于所述纵轴。
6.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述结构基本上为矩形，并且有一对基本上与所述主轴平行的相对的边。
7.权利要求4所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述结构基本上为矩形，并且有一对基本上与所述主轴平行的相对的边。
8.权利要求7所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述的连接管部分基本上相互平行。
9.权利要求7所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述连接管部分被延长，并被设置成相对于所述主轴垂直延伸。
10.权利要求5所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述结构基本上为矩形，并且有一对基本上与所述主轴平行的相对的边。
11.权利要求10所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述连接管部分基本上相互平行。
12.权利要求10所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述连接管部分被延长，并被设置成相对于所述主轴垂直延伸。
13.权利要求4所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述管束包括至少两根所述管子，而所述管子分别被设置在相邻的平行平面内。
14.权利要求13的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述管子均有各自的伸出所述容器壁的加热介质入口和出口，所述管子被设置成其中一根管子的加热介质入口与另一根管子的加热介质出口相邻，反之亦然，从而使引入所述管子加热介质入口的加热介质沿着相对的方向流经各管。
15.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中在所述室内包括至少两个所述管束，一个管束设置在另一个管束的上方，所述管束的取向应使其中一个管束的至少一个延长的加热蛇管的主轴是所述纵轴相对于另一管束的至少一个延长的加热蛇管的主轴的一定角度的偏转。
16.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述容器及所述室均有矩形的水平横截面结构。
17.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中包括一个位于所述室上端的入口分布器，用于均匀分布所述聚合物/溶剂溶液在所述管束上部的流量。
18.权利要求1所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中包括一个位于所述室下端的出口分布器，所述出口分布器包括多个孔，使熔融聚合物离开所述室时被分成多股。
19.一种在将聚合物/溶剂溶液引入到真空脱除挥发组分室之前对其进行预热的方法，该方法包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求1的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液；在熔融聚合物出口处回收加热后的熔融塑料。
20.一种用于使聚合物/溶剂溶液预热并脱除挥发组分的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求1的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液并使聚合物至少部分脱除挥发组分；引导加热并至少部分脱除挥发组分了的聚合物通过所述的熔融聚合物出口，并进入真空脱除挥发组分室中。
21.权利要求20所述的方法，其中所述熔融聚合物在被引入到所述脱除挥发组分室之前被分成多股。
22.一种在将聚合物/溶剂溶液引入到真空脱除挥发组分室之前对其进行预热的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求5的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液；在熔融聚合物出口处回收加热后的熔融塑料。
23.一种用于使聚合物/溶剂溶液预热并脱除挥发组分的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求5的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液并使聚合物至少部分脱除挥发组分；引导加热并至少部分脱除挥发组分了的聚合物通过所述的熔融聚合物出口，并进入真空脱除挥发组分室中。
24.权利要求23所述的方法，其中所述熔融聚合物在被引入到所述脱除挥发组分室之前被分成多股。
25.一种在将聚合物/溶剂溶液引入到真空脱除挥发组分室之前对其进行预热的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求10的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液；在熔融聚合物出口处回收加热后的熔融塑料。
26.一种用于使聚合物/溶剂溶液预热并脱除挥发组分的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求10的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液并使聚合物至少部分脱除挥发组分；引导加热并至少部分脱除挥发组分了的聚合物通过所述的熔融聚合物出口，并进入真空脱除挥发组分室中。
27.权利要求26所述的方法，其中所述熔融聚合物在被引入到所述脱除挥发组分室之前被分成多股。
28.一种聚合物脱除挥发组分预热器，包括一个延长的直立中空容器，该容器限定了一个具有上端、下端及在两端之间延伸的纵轴的加热室，所述容器包括一个位于其一端的聚合物/溶剂溶液入口和一个位于其另一端的熔融聚合物出口；以及至少一个位于所述室内的加热管束，该管束包括至少一根延长的加热蛇管，该加热蛇管的设置结构具有一个穿过所述室沿所述纵轴垂直方向延伸的主轴，所述管子的位置应使聚合物/溶剂溶液基本沿着所述纵轴从聚合物溶剂/溶液入口朝着聚合物出口的路径流动时，该聚合物/溶剂溶液与管子的外表面进行换热接触，所述管子包括多个弯管部分和多个连接所述弯管部分的连接管部分。
29.权利要求28所述的聚合物脱除挥发组分预热器，其中所述聚合物/溶剂溶液的入口与室下端相邻，而所述熔融聚合物的出口与室上端相邻。
30.一种在将聚合物/溶剂溶液引入到真空脱除挥发组分室之前对其进行预热的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求28的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液；在熔融聚合物出口处回收加热后的熔融塑料。
31.一种用于使聚合物/溶剂溶液预热并脱除挥发组分的方法，包括通过其聚合物/溶剂溶液入口，将聚合物/溶剂溶液引入到权利要求28的聚合物/溶剂溶液入口预热器中；通过使溶液下行或上行通过所述室并与所述延长的加热蛇管的外表面接触而加热溶液并使聚合物至少部分脱除挥发组分；引导加热并至少部分脱除挥发组分了的聚合物通过所述的熔融聚合物出口，并进入真空脱除挥发组分室中。
全文摘要
一种聚合物脱除挥发组分预热器(10)以及使用该预热器对聚合物/溶剂溶液进行预热的方法。预热器(10)包括一个限定了加热室(14)的延长的直立中空容器(12)。入口(16)与室(14)的上端(18)相邻，出口(20)与室(14)的下端(22)相邻。在室(14)内装有多个加热管束(26，28，30)，每个管束包括多个延长的加热蛇管，这些加热蛇管的设置结构具有一个穿过加热室沿容器纵轴垂直方向延伸的主轴。每根管子(32，34)均包括多个弯管部分(36)和多个连接弯管部分的连接管部分(38)。每根管子的管部分(36)均设置在一个平面内，该平面设置为基本上与容器的纵轴平行，并且管子结构基本上为矩形，从而存在一对基本上相互平行的相对的边。
文档编号B01J19/00GK1427738SQ01808863
公开日2003年7月2日 申请日期2001年3月21日 优先权日2000年3月21日
发明者费利克斯·A·斯特赖夫, 安杰利亚·M·韦普纳 申请人:科克－格利奇有限公司