脱挥发分设备和使用该脱挥发分设备的过程的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分的静态脱挥发分设备。本发明还涉及一种用于使用所述设备来使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分的过程，以及所述设备在粘性液体的脱挥发分中的使用。
【背景技术】
[0002]用于移除挥发性组分的粘性液体的脱挥发分是具有商业利益的。例如，可以移除有害的或不需要的挥发性组分以改进粘性液体的纯度或其它属性，或者可能感兴趣的是分离挥发性组分，并且允许对挥发性组分的回收和潜在的再循环。
[0003]在一种特定应用中，聚合物脱挥发分是一种分离过程，其中，“挥发物”从处于熔相、液相或溶液相的最终聚合物中被去除。被去除的“挥发物”可以包括溶剂、水、残余的未反应单体(或多种单体)(例如，在聚苯乙烯情况下的苯乙烯)、副产品、杂质和/或其它挥发性的低分子量物质，例如，二聚物、三聚物以及其它低聚化合物。因此，为了达到适销品质，聚合物必须在聚合步骤结束时脱气，以便从原料树脂中去除这样的挥发物。取决于聚合物，此操作通常通过在可能从真空上至数巴(bar)的压力下以相对高的温度(100-350°C)加热聚合物来实现。
[0004]在脱挥发分后，聚合物中“挥发物”的最终量一般需要是很低的，例如，通常在大约100 ppm和大约1000 ppm之间。低含量的挥发物是期望的，以改进聚合物的处理和其它属性。对于一些特定聚合物，由于环境、健康和安全(EHS)的原因，去除有毒的单体和/或溶剂可能是十分重要的。例如，低水平的挥发物能够负面地影响聚合物的挤制、注射成型或吹塑成型处理，或导致形成品质较差的聚合物制品。
[0005]在脱气或脱挥发分过程中的聚合物物质和挥发性组分物质之间的分离是基于那些物质之间的挥发性差异。用于脱挥发分的驱动力是气相中比聚合物中低的化学势。此化学势的差异引起浓度梯度在聚合物界面处的形成，从而导致从聚合物到气相的扩散通量。
[0006]物质在介质中的化学势是其在特定相中以及与温度有关的浓度的函数。能够通过同时增加聚合物的温度以及降低物质的分压力以使它脱挥发分成气相，来加强质量传递的驱动力。然而，那些作用受到各种因素限制，如聚合物稳定性和真空系统容量。
[0007]化学势允许确定多相体系中溶质的理论平衡分布，但它没有给出关于质量传递过程的任何动力学信息。实际上，溶质在两相之间的转移从不是瞬时的。达到平衡状态所需的时间可能是相当大的，特别是在如下情况下，即:非常粘性的液体，例如，聚合物熔体或溶液，和/或化学势在两相之间存在小的差异，例如由于待脱挥发分的物质的粘性液体或聚合物中的低挥发性或低浓度。
[0008]通常期望增加质量传递的动力学，以便限制脱挥发分装备的大小或聚合物在苛刻的脱挥发分条件下的停留时间，所述苛刻的脱挥发分条件经常造成聚合物降解。
[0009]脱挥发分(脱气)通常在两个步骤中发生。首先，在高溶质浓度下，溶质泡沫成核(nucleated)，在聚合物熔体中生长并且到达熔体/气体界面，在那里，它们破裂并且溶质被释放到气相中。此已知为泡沫脱气的初始步骤是相对快速的。然而，在溶质在聚合物熔体中的特定浓度阈值之下，发泡不再发生。通常是不与所述聚合物反应并且易于分离的挥发性化合物的洗提剂，能够在脱挥发分步骤之前与所述聚合物混合，以便迫使发泡，并且因此，加强脱气效率。但是，由于各种原因，例如，洗提剂与聚合物的化学不相容性(例如，引起聚合物的降解)或脱挥发分高架系统的容量不足，此技术并不总是适用的。
[0010]各种类型的脱挥发器设备是已知的。取决于所用脱气装备的类型，能够加强聚合物相和气相之间质量传递的方式。可用的装备能够被分类成两个主要族，即动态技术和静态技术，每一族具有其固有的缺点和优点。此分类指的是加强质量传递的方式。
[0011]在“动态”装备中，质量传递借助于移动部分(如螺杆、叶片或臂)来加强，以便确保高比率的表面更新(较高的界面浓度梯度)和比表面产生(通过其能够发生扩散的更多表面)。在一种情况下，例如在挤出机或捏合机的情况下，这样的设备可以具有旋转部分，用于提供表面更新、蒸发冷却和高效混合，以允许最佳的热传递和质量传递。例如，US2010/0296360 Al中公开了这样的脱挥发分挤出机。商业上可获得的动态脱挥发分或脱气装备允许对高粘性液体(例如，聚合物)的脱挥发分，但它们具有显著的缺点。在那些缺点之中，能够注意到的是，它们具有非常高的价格、具有紧密公差的复杂的机械构造、高能量消耗、较高的泄漏率(因此需要过尺寸的真空系统)以及对定期维护的需要。
[0012]相比之下，静态脱挥发分装备无法提供任何显著的表面更新，而是替代地，它们主要基于借助于专门的装备内部构件来产生高的比表面从而起作用。那些内部构件的几何构型是关键的，这是因为它们将限定脱挥发分操作在聚合物降解和分离效果方面的品质。有利的是，这样的静态脱挥发器一般仅具有栗作为它们的移动部分，例如用于脱挥发分的聚合物的排出栗或用于热传递介质的栗。
[0013]静态脱挥发器的典型内部构件为通常称为“分布器”的相分离室，其具有带斜切边缘的管的形状。在此边缘上安装多孔板，聚合物熔体或溶液通过所述多孔板自由地流动。所述多孔板的开孔的数量和大小被设计成使得通过此板的压降允许维持对所述分布器的特定水平的填充。它不应是空的，在那种情况下，聚合物的停留时间将会过低。它也不应是满的，在那种情况下，分布器中的压力将会增加，从而妨碍对聚合物的高效脱挥发分。
[0014]US 2007/0137488 Al中公开了一种现有技术水平的静态脱挥发分设备。这种已知的静态脱挥发分设备的缺点在于聚合物的停留时间中的大部分发生在分布器中，其中，聚合物作为暴露于真空或减压下的具有非常低的比表面的“块”存在。在实践中，聚合物经常在分布器中发泡，从而完全地将它填充，并且因此，限制了脱气过程的效率。在移动通过多孔板并且由此分散之后，聚合物随后径直流动到排出栗中并且被直接排空。因此，分散的聚合物在脱挥发分容器中的停留时间通常是非常有限的，对于较低粘性的液体，通常在数秒的范围中。结果，所述脱挥发分通常不足以提供具有低挥发物浓度的高品质产品。
[0015]可以尝试通过增加在静态脱挥发器中的停留时间来获得具有较低挥发物浓度的较高品质的产品；然而，为了实现低挥发物含量而在高温下增加所述停留时间，通常导致热敏粘性液体(例如，聚合物熔体和溶液)的降解。这是因为在常规的静态脱挥发器中，聚合物的停留时间中的大部分发生在分布器中，其中，仅非常低的粘性液体的比表面被暴露于真空或减压，并且因此，在静态脱挥发器中总停留时间的大部分不是非常有效。
[0016]综上所述，将需要具有一种静态脱挥发分设备，其允许分散的粘性液体(例如，聚合物熔体或溶液)在脱挥发分装备中的更高效的比表面产生和更长的停留时间。对于给定的停留时间或较低的停留时间，这样的设备将允许更高效的脱挥发分，对于产品中给定的期望挥发性组分(例如，残余的单体)浓度，这意味着较少的粘性液体(例如，聚合物)降解。
【发明内容】
[0017]由此现有技术出发，本发明的目的在于提供一种用于使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分的静态脱挥发分设备，所述静态脱挥发分设备不遭受先前提及的缺陷，特别是效率较低的比表面产生，以及具有高比表面的分散液体的暴露于真空或减压的仅相对短的停留时间。本发明的另外的目的包括提供一种将所述设备用于使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分中的过程，以及所述设备在包括挥发性组分的粘性液体的脱挥发分中的使用，所述粘性液体优选为聚合物熔体或溶液。
[0018]根据本发明，这些目的通过用于使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分的静态脱挥发分设备来实现，其中，所述设备包括:
用于接收第一脱挥发分的粘性液体的容器，所述容器具有用于收集第二脱挥发分的粘性液体的下部储池区域、用于排出气体的上部区域和在所述下部储池区域和所述上部区域之间的中部区域；
与所述下部储池区域流体连通的排出栗，所述排出栗用于从所述下部储池区域排出所述第二脱挥发分的粘性液体；
用于从容器排出气体的抽取管路，其中，所述管路优选地位于所述上部区域中；以及所述容器的所述上部区域中的相分离室，其中，所述相分离室包括:入口，其用于将在第一脱挥发分步骤中被处理以形成第一脱挥发分的粘性液体的粘性液体；第一排出区域的下部中的多个第一排出开口，其用于朝向所述下部储池区域向下排出所述第一脱挥发分的粘性液体；以及所述第一排出区域的上部中的至少一个气体排出开口，其用于向上排出气体至所述抽取管路；
其中，分布器子单元位于所述中部区域中并且位于所述相分离室之下和所述下部储池区域之上，其中，所述分布器子单元具有第二排出区域，其中，所述第二排出区域被实施成使得它被从所述相分离室的第一排出开口排出的第一脱挥发分的粘性液体接触，并且其中，所述第二排出区域具有如下表面，即:所述表面实施成使得所述第一脱挥发分的粘性液体在所述表面上在第二脱挥发分步骤中被处理，以形成第二脱挥发分的粘性液体，并且其中，所述区域另外还具有与排出栗流体连通并且用于排出所述第二脱挥发分的粘性液体的多个第二排出开口。
[0019]根据本发明，这些另外的目的首先通过一种用于使用本发明的设备来使包括挥发性组分的粘性液体脱挥发分的过程实现，其中，所述过程包括:
第一脱挥发分步骤，其中，在相分离室中处理粘性液体，以形成第一脱挥发分的粘性液体，以及
第二脱挥发分步骤，其中，第一脱挥发分的粘性液体在具有第二排出区域的分布器子单元中被处理，以形成第二脱挥发分的粘性液体，其中，第二排出区域具有如下表面，即:所述表面实施成使得所述第二脱挥发分步骤发生在所述表面上，并且所述第一脱挥发分的粘性液体在所述容器中的停留时间和/或所述第一脱挥发分的粘性液体在所述容器中的比表面由此增加。
[0020]所述设备和所述过程根据本发明被用于包括挥发性组分的粘性液体的脱挥发分中，所述粘性液体优选为聚合物熔体或溶液。如将会论述的，这样的液体和过程特别受益于本发明。
[0021]本发明借助于分布器子单元来实现这些目的，并且提供对此问题的解决方案，所述分布器子单元位于所述中部区域中，并且位于所述相分离室之下和所述下部储池区域之上，其中，所述分布器子单元具有第二排出区域，其中，所述第二排出区域被实施成使得它被从所述相分离室的第一排出开口排出的第一脱挥发分的粘性液体接触，并且其中，所述第二排出区域具有如下表面，即:所述表面实施成使得所述第一脱挥发分的粘性液体在所述表面上在第二脱挥发分步骤中被处理，以形成第二脱挥发分的粘性液体，并且其中，所述区域另外还具有与排