专利名称：：用来汽提聚合物分散体的方法
技术领域：
：本发明涉及用来汽提聚合物分散体或本文所述的"分散体"的方法，具体来说，本发明涉及用来汽提热敏性和剪切敏感性分散体的方法。在本文中，热敏性分散体表示能够通过升温至高于5(TC而使其不稳定化的分散体，剪切敏感性分散体定义为可通过高于10001/s的剪切使其不稳定化的分散体。
背景技术：
：聚合物是通过各种方法制备的，这些方法包括水基溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。在本文中，聚合物分散体表示通过乳液聚合、微粒乳状液聚合或悬浮聚合制备的聚合物。聚合过程是通过向聚合反应器(例如搅拌式间歇反应器)输送用于聚合反应的材料而进行的。这些材料包括聚合介质、表面活性组分、单体和/或聚合物晶种以及任意所需的添加剂。制备聚合物的一个问题在于所得的聚合物分散体包含挥发性有机化合物("VOC")。VOC可以是任何标准沸点低于25(TC的有机化合物，例如残余单体、来自单体的杂质、反应副产物、来自表面活性剂、单体或其它原料的溶剂。问题在于VOC往往具有强烈的异味，人们可能在极低的含量下(例如含量为ppm级)嗅到VOC。另外，一些VOC是有毒的。尽管通过从聚合物分散体中汽提出VOC可以解决与VOC相关的问题，但是汽提工艺自身存在一些难题。出于两个原因，对分散体的汽提要比对常规溶液的汽提更加复杂。首先，分散体中的表面活性剂物质会造成材料发泡。其次，汽提可能会使得分散体失去稳定性，造成聚合物弄污设备，在分散体中产生被称为凝胶的聚合物聚集体。分散体的汽提通常在真空和较低温度下进行，以使设备污染和凝胶形成最小化。真空使得发泡情况更为严重。本领域已经意识到分散体的这些问题，试图通过在有夹套的管子或导管中，使水基聚合物发泡分散体与蒸汽并流接触，从而从该分散体中连续汽提出VOC，以解决该问题。并流接触是指两股接触的流体在汽提塔中沿相同方向流3动。例如，在美国专利第2,467，769号中揭示了一种用来在汽提过程中加热分散体和整体的单独夹套管。由于金属表面上的加热速率与表面上的温差以及接触面积成比例，因此这种设计在用于温度敏感材料的较大工业规模的设备上受到限制。当使用单独的管的时候，在几何尺寸成比例放大的时候，表面积与体积之比降低，需要加热面上具有更大的温差，从而在工业规模上保持成比例的更高的加热速率。较高的温差造成了较高的汽提塔夹套温度，这会造成设备污染，以及设备内表面上累积分散体，而且还会发生分散体胶凝。对于具有低于5(TC的较低玻璃化转变温度(Tg)的产物来说，这种情况尤为显著。或者如果所述管子不是成几何成比例放大，而是通过加长以增大表面积，则会使得设计过大。另外的欲解决分散体汽提问题的尝试可参见美国专利第3,469,617号。美国专利第3,467,617号揭示了使用板-框架式热交换器作为连续汽提装置。所述板-框架式设计的表面积与体积之比大于带有夹套的管，在加热分散体的过程中可保持低的温差。随着时间推移，在所有的设计中都出现了聚合物累积，需要除去聚合物。这种设计更难清洁。为了清洁，需要将板拆开，清洁，然后重新组装在框架中。对于丙烯酸类聚合物分散体，可将热的苛性物质泵抽过热交换器，以酸化脂，使得聚合物更易溶于水，然后将材料冲出。对于非丙烯酸类聚合物，苛性法无法这样良好地工作。目前我们发现，通过在汽提过程中使用具有极小的内部障碍的热交换器(例如单程壳管式热交换器)，可以解决分散体连续汽提中出现的聚集和污染的问题。可以像板-框架式热交换器设计那样保持高的表面积-体积比的优点，壳和处理侧面(processside)之间的温差可保持在所需的较小的水平，约为5。C。低的温差是很重要的，这是因为低的温差能够保持相对于沿汽提塔壁分布的材料的Tg较低的温度。这样可以在工业中以远高于实验室规模的流速汽提分散体，同时在工业中夹套内保持与实验室相同的优选的温差，从而将设备的污染和凝胶的形成减至最少。
发明内容在本发明中，提供了一种用来对包含挥发性物质的聚合物分散体进行连续汽提的方法，该方法包括提供聚合物分散体和蒸汽，所述分散体包含水乳液聚合物和挥发性有机化合物；将所述聚合物分散体和蒸汽加入汽提塔；从所述分散体中除去至少一部分的挥发性有机化合物；将所述部分的挥发性有机化合物输送到蒸汽；在分离容器中将所述蒸汽与所述水乳液聚合物分离所述汽提塔(a)其表面积与体积之比至少为10:l1/米(l/m);(b)其由一个或多个并联或串联的热交换器组成，所述热交换器是壳管式或螺旋式热交换器。图l是根据本发明的汽提方法的示意图。编号10分散体进料20蒸汽进料30汽提塔40分离器50第一分离器出口60第二分离器出口70冷凝器80真空90接收容器优选实施方式图l中显示了一种工艺的示意图。尽管图l显示了汽提法的一种设计，但是此图不会对本发明构成限制。本领域普通技术人员将会意识到，可以通过使用功能类似的设备和多种设置、但是不改变汽提塔的种类，从而改良该种设计。另外，所述工艺设备的数量也不是限制性的。例如，可能存在单独的汽提塔(30)或多个汽提塔(30),或者可以存在单独的冷凝器(70)或多个冷凝器(70)。对于分离器(40)的情况也是如此。如图l所示，将包含聚合物分散体和挥发性有机化合物的溶液作为进料(10)加入所述一个或多个汽提塔(30)。所述挥发性物质可以是疏水性的，主要存在于分散体的聚合物相中，或者它们可以是亲水性的，主要存在于分散体的水相中。还将蒸汽作为进料(20)加入所述一个或多个汽提塔(30)中。所述聚合物分散体(10)和蒸汽(20)可以在汽提塔之前接触或者在汽提塔中接触。它们可以一同或分别地加入所述一个或多个汽提塔中。所得的聚合物分散体和蒸汽混合物通过所述汽提塔(30)，进入所述一个或多个分离器(40)。在此处，聚合物分散体与蒸汽分离。蒸汽通过第一分离器出口(50)离开分离器(40)，进入一个或多个冷凝器(70)，在冷凝器(70)中，挥发性有机化合物冷凝并收集在接收器容器(90)中。聚合物分散体通过第二分离器出口(60)离开分离器，汽提后的分散体被收集。在一个实施方式中，将蒸汽和聚合物分散体共加入汽提塔的底部。在本文中，共加入表示蒸汽和聚合物分散体作为一股两相液-气物流或两股独立的气流和液流进入所述汽提塔。在本文中，所谓的汽提塔是热交换器。本发明合适的热交换器包括但不限于单程壳管式热交换器，多程壳管式热交换器，以及螺旋形热交换器。在本发明的一个实施方式中，所述汽提塔是单程壳管式热交换器。所述单程设计的优点在于，其使用笔直的管，更容易通过喷水清洁。使用这种设备能够避免昂贵的劳动密集型拆卸步骤，还可避免使用会消耗成本和带来安全问题的苛性碱。在汽提塔的壳内可包括单个管或多个管。对汽提塔中管的直径和数量进行设置，使得管内分散体和蒸汽混合物的流速保持在大于或等于30米/秒。这种流速通过剪切分散体和促进VOC去除抑制了发泡。在本发明中，表面积与体积之比是一个重要的特征。合适的表面积与体积之比大于或等于IO1/米。所有的比例都包括端值且可以互相组合。壳管式设计的较高的表面积与体积比可以提供足够的热交换，以浓縮分散体的聚合物乳液固体。另外，与使用单独的有夹套的管的现有技术方法相比，这种设计提高了对不希望有而又难以除去的疏水性VOC的去除效果。由于汽提塔提供了更大的表面积，仅中等程度的加热可优选用来保持或增加固体含量。中等表示1-5。C。对于容易在较高温度下造成污染或形成凝胶的热敏性材料来说，需要中等的加热。在通过汽提塔之后，聚合物分散体和蒸汽进入分离容器。VOC在聚合物分散体和蒸汽之间分配。所述疏水性VOC,例如二丁基醚和丙酸丁酯的汽提速度倾向于比亲水性VOC(例如丁醇和甲醇)的速度慢。汽提塔中增大的表面积以及对聚合物分散体更剧烈的剪切增大了疏水性VOC的传质速度。包含疏水性VOC的聚合物分散体被分离，通过重力作用落到分离器的底部，蒸汽被其它包含的不可冷凝的气体从分离器的顶部带出。将聚合物分散体泵抽出所述分离器容器。分离器容器包括夹套、线圈或外部热交换器，用来在分离分散体和水蒸气的过程中进行冷却，以减少分散体的发泡。然后所述蒸汽和VOC在热交换器或冷凝器中冷凝，冷凝物被收集在接收器容器中。适用于本发明的热交换器或冷凝器是本领域普通技术人员己知的。另外，该方法在真空下进行。保持真空环境对于防止污染所述分散体是很重要的。真空装置可设置在冷凝器后面，接收容器之前或之上。真空压力范围的上限为40，000和27，000Pa，下限为100和2700Pa。这些压力范围包括端值且可以互相组合。工艺温度通过系统的真空压力设定。最大温度范围是从上限100。C至下限20°C。当所述聚合物分散体为丙烯酸类分散体的时候，优选的温度范围是从上限60。C至下限30。C。汽提塔外壳温度设定为高于汽提塔内的温度，以补偿热量损失，确保进入和流出该过程的物流相同，从而保持分散体中的固体含量。对于热敏性材料，应当在汽提塔之内，对管的外部加热，使得汽提塔夹套温度比汽提塔管的温度高1-5'C。在本文中，汽提塔夹套温度表示在汽提塔内部以及内汽提塔管外部之间的空间测得的温度。实施例测试方法固体测量使用标准实验室天平在铝盘上称取2.5克聚合物分散体。将样品置于烘箱中以蒸发水分。使用之前和之后的重量计算固体含量。烘箱温度设定在150。C，所述样品加热20分钟。VOC观ij量在HP5890气相色谱上测量VOC。操作条件如下:温控程序<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>样品制备:内标样5,000ppm乙二醇二乙基醚(EGDEE)稀释系数1:1注射体积2毫升EGDEE可很容易地购自Sigma-AldrichChemicals。校正信息:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例l.三种工艺结构的比较所述三种工艺结构为a.通过长54"、直径l"的管进行汽提b.通过具有10根长36"的3/8"-管的单程壳管式热交换器进行汽提，所述IO根管位于所述热交换器壳中部的中心。c.通过具有10根长36"的3/8"-管的单程壳管式热交换器进行汽提，5根管位于所述热交换器壳的中心，5根偏离中心。在各工艺结构中，分散体流速=740克/分钟，蒸汽流速=150克/分钟；汽提塔温度=47.9°(:;汽提塔夹套温度二48.3。C;蒸汽停留时间=1.8秒或0.03分钟。结构"a"的汽提塔内的分散体和蒸汽的速度为82米/秒。结构"b"和"c"的汽提塔中分散体和蒸汽的速度为59米/秒。固体结果列于表l。表l.固体结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如表l所示使用相同的汽提塔和夹套温度，壳管式热交换器(b和c结构)的增加的表面积对固体含量的增大要大于单个管的情况(a)。实施例2两种工艺结构的比较这两种工艺结构为a.通过长54"，直径2"的管进行汽提b.通过包含40根长36"的3/8"管的单程壳管式热交换器进行汽提，40根管位于热交换器夹套的中心。在各工艺中，分散体流速=1190克/分钟；蒸汽流速=150克/分钟；汽提塔温度=42.5°&蒸汽停留时间=0.025毫米。结构"a"的分散体和蒸汽的速度为160米/秒，结构"b"的流速为120米/秒。V0C结果列于表2。表2.VOC结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>*b/n-之间实施例2以大于实施例1的规模进行。在热交换器/汽提塔中，更难去除的疏水性VOC(二丁基醚和丙酸丁酯)被萃取到更低的VOC百分含量水平。在两种结构中，亲水性VOC(丁醇和甲醇)以相同的去除百分数萃取。热交换器管的较小的直径产生了更大的表面积和更大强度的剪切，促进了更难除去的疏水性VOC的分离。权利要求1.一种对包含挥发性物质的聚合物分散体进行连续汽提的方法，该方法包括提供聚合物分散体和蒸汽，所述分散体包含水乳液聚合物和挥发性有机化合物；将所述聚合物分散体和蒸汽加入汽提塔中；从所述分散体中除去至少一部分的挥发性有机化合物；将所述部分的挥发性有机化合物输送到所述蒸汽；在分离容器中将所述蒸汽与所述水乳液聚合物分离；所述汽提塔(a)其表面积与体积之比至少为10∶11/米；(b)其由一个或多个并联或串联的热交换器组成，所述热交换器是壳管式或螺旋式热交换器。2.如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述汽提塔是单程壳管式热交换器。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述汽提塔内聚合物分散体和蒸汽的流速至少为30米/秒。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述汽提塔内，对所述管的外部进行加热。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于真空，所述聚合物分散体加入时的温度高于水蒸汽温度。6.如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空中的压力为2700-27,000Pa。7.如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述分离容器包括夹套、线圈或外部热交换器。全文摘要一种用来对聚合物分散体进行连续汽提的方法，其包括用于汽提塔的具有最小内部障碍的热交换器。所述方法特别适于对热量和剪切敏感的分散体。该方法能够比单独的有夹套的管设计更有效地萃取疏水性VOC。文档编号B01D3/38GK101259336SQ20071016693公开日2008年9月10日申请日期2007年10月29日优先权日2006年10月30日发明者A·洛亚克,J·K·卡朋特申请人:罗门哈斯公司