专利名称：用于竖向分级的缩聚反应器的反应器塔板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种竖置的聚合反应器，这种反应器有一组基本为圆形的塔板组件；每个塔板组件有一个中心开放式的蒸汽通道和一条由至少两个环路构成的单流路径，其中，借助基本上为半圆形的换向壁使液态聚合物流反向；该塔板设有一个液态聚合物的塔板入口和一个液态聚合物的塔板出口，用于借助液压梯度引导液态聚合物的流动；每个塔板组件的上面是开放的，以使来自液态聚合物流的蒸汽排入中心开放式蒸汽通道；而且该塔板布置上下垂直排列。
本发明的技术背景用于竖直取向的聚合反应器的塔板设计通常利用重力和垂直落差而不用复杂的机械搅拌来达到所希望的聚合程度。在这样的塔板设计中，聚合物熔体沿反应器内垂直长度的内部阶流式下降。在反应器中装有挡板或塔板以滞留聚合物熔体，从而增加液体在反应器内的滞留时间和增加液体处于反应条件下的时间。所需的液体滞留时间是要使聚合动力学有足够的时间跟上由于气-液表面积的增加和气-液表面更新的增强所达到的副产品释放速度的增加。
美国专利4,196,168、3,841,836、3,509,203、3,359,074、和3,787,479以及英国专利1,320,769公开了反应介质靠液压梯度流动的反应器。美国专利4,196,168公开了一种竖式聚合反应器，这种反应器有一组向下倾斜的矩形塔板，这些塔板用于引导液态聚合物按照一种下降路径流动。美国专利3,841,836公开了一种竖式缩聚反应器，这种反应器有一组向下倾斜的可调矩形塔板和一种用于连续检测聚合物粘度的装置。使用矩形塔板的缺点是对于大型塔板来说难以实现聚合物在矩形塔板的整个宽度范围内均匀分布，而且与圆形塔板相比，反应器的横截面积损失多达30％。相反，在装配到反应器中的圆形塔板上的普通的横向流动会导致在从入口以出口的定向流线外侧的塔板的周边上形成大的滞流区域。在滞流区域中的液态聚合物有操作过度、达到高粘度、交联和/或变质的趋势。
美国专利3,509,203公开了一种竖式反应器，这种反应器有一组阶流式布置的水平构件，这些构件有多个在各塔板中的环形通道，这些通道用于液态聚合物在其中横向流动，这些构件还有一个用于向下输送液态聚合物并与各水平构件中心相连的连接管。在美国专利3,509,203中公开的这种反应器的缺点是对于高粘度物料来说流动路径太长，流动路径中的拐角是滞流区的成因，顶板阻止了蒸汽的输送并增加了不必要的结构复杂性，而且用于塔板之间流动的管子妨碍了增加蒸汽释放的膜的自由流动。
美国专利3,359,074公开了一种竖式缩聚反应器，这种反应器有一组圆形塔板，该塔板有基本等间距的弦向延伸狭缝。该狭缝用于使经过其中的较粘的流体介质产生所需的表面更新。在美国专利3,359,074中公开的这种反应器的缺点在于塔板上没有强制性的持液量，滞留时间受流体粘度和流速的控制，而且必须针对特定的液体流速和液体物理特性精确确定缝的尺寸，否则塔板会产生液体溢出或完全漏光。另外，蒸汽流控制机构易遭堵塞。
美国专利3,787,479公开了一种竖式反应器，这种反应器有一组圆形塔板，该塔板具有形成一些近似为矩形区段的横向档板。这样，塔板设有细长的左右流动路径，所述路径用于反应介质由塔板的一侧向另一侧的类似活塞式流动。在美国专利3,787,479中公开的这种反应器的缺点是流动路径中的拐角是滞流区的成因，而且用于塔板之间流动的管妨碍形成自由流动的膜，该膜能增加蒸汽的释放。
英国专利1,320,769公开了一种反应器，这种反应器有基本水平的螺旋流动通道，该螺旋形流动通道沿顶部敞开，其侧壁构成封闭流动通路。在英国专利1,320,769中公开的这种反应器的缺点是使用无反向转弯的水平螺旋流动通道使得流动路径不能均等，而且“内侧”路径比“外侧”路径短。另外，只使用一块塔板大大地限制了可供使用的自由表面积，并妨碍在塔板间形成能增加蒸汽释放的自由落下的膜。
这样，上述参考文献的方案的缺陷在于它们(a)包含滞流区域，该区域的形成起因于物料沿较短路径流线流动而发生的物料分流，或(b)对垂直取向的圆形区域的利用很差。
相反，本发明的反应器采用了一种圆形塔板，这种塔板能有效地利用圆筒形反应器的横截面，同时提供均等的液态聚合物熔体流动路径长度，从而使滞流区域或死区最小。另外，本发明的反应器能处理高粘度液体并且能控制发生化学反应所需的滞留时间(持液量)。本发明的反应器设计成能使蒸汽离开每块塔板并且沿聚合物流动路径外部的一条路径流到反应器的蒸汽出口。本发明的目的因此，本发明的一个目的是提供一种用于生产缩聚物的设备。
本发明的另一个目的是提供一种竖式的重力流动驱动聚合反应器用的塔板，这种塔板提高了基本为圆筒形的压力容器内的持液空间的利用率。
本发明的另一个目的是提供一种使滞流区最小并提高液体流速的塔板。
本发明还有一个目的是提供一种使各塔板上的流动均匀分布的塔板。
本发明还有另一个目的是提供一种具有使液体流动转向约180℃的通道的塔板，这种设计是为了获得沿流动流线的相似流动路径长度而不存在滞流区域或涡流。
本发明的另一个目的是提供一种能提供大量气液接触表面并产生用于鼓泡脱挥发份的液体薄膜的塔板。本发明的技术方案本发明的这些和其它目的是通过一种聚合反应器达到的，这种反应器有一个竖置的外壳、一个在反应器顶部附近的液态聚合物反应器入口、和一个在反应器顶部附近的液态聚合物反应器出口，该反应器有一组基本上为圆形的平的或向下倾斜的塔板组件，该组件全部装在反应器内；每个塔板组件有一个中心开放式蒸汽通道和一个基本均匀的截面流动路径，该路径借助于有足够高度的壁围起以防止液态聚合物溢出；该流动路径由至少两个环路构成；液态聚合物借助基本为半圆形的转向壁从一个环路流到另一个环路，其中，液态聚合物的流动在换向壁处转向；该塔板有用于引导液态聚合物的流动的一个液态聚合物塔板入口和一个液态聚合物塔板出口；液态聚合物的流动是借助液压梯度实现的，在液态聚合物塔板入口处的流体表面的高度大于在液态聚合物塔板出口处的流体表面的高度；而且塔板组件延伸到外壳成上下竖直布置。
附图的简要说明参照下面对发明的详细描述和附图将会更充分地理解本发明和了解本发明的其它优点，其中
图1是聚合反应器的纵向剖面示意图；图2是一种圆形塔板的示意图，聚合物流动始于外侧并且用箭头表示；图3是一种圆形塔板的示意图，聚合物流动始于内侧并且用箭头表示，它与图2的塔板组成对；图4是一种圆形塔板的示意图，聚合物流动始于外侧并用箭头表示；图5是图4所示的这种圆形塔板按序取向后的示意图；以及图6是相邻的圆形塔板的剖面示意图，用箭头表示蒸汽流动。
最佳实施例的叙述本发明涉及一种竖置聚合反应器，这种反应器有一组基本为圆形的塔板组件。参照图1，聚合反应器2有一个竖置的外壳4，一个在外壳4顶部附近的用于使液态聚合物进入反应器2的液态聚合物反应器入口6，一个蒸汽出口9，和一个在外壳4底部用于使液态聚合物排出反应器2的液态聚合物反应器出口8。
聚合反应器2的改进之处包括全部装在反应器2内的这组基本为圆形的塔板组件10。塔板组件10的外周边的封闭物体可以是反应器2的外壳4或是一个单独的围绕壁12，它能防止液态聚合物溅出并高于塔板组件10的周边。如图2所示，塔板组件10有一个液态聚合物塔板入口14和一个液态聚合物塔板出口16。每个塔板组件10有一个以内壁20为边界的中心开放式蒸汽通道18。
液态聚合物沿一个均匀的截面流动路径26流过塔板底面11，该路径26借助外壁12、内壁20、在外壁12和内壁20之间的中间壁22、和半圆形换向壁24围成。该壁有足够的高度以防止液态聚合物溅出。塔板底面11可以是平的或向下倾斜的和/或有竖向斜坡。塔板底面的这些特性可调节以控制液态聚合物在塔板上的深度。底面向下倾斜的角度增加和/或竖向坡降频率的增加会导致聚合物深度变浅，从而更快地释放副产物。
截面流动路径26由至少两个环路，即一个内环路30和一个外环路32构成。这些环路可以是同心的。液态聚合物借助于一个基本为半圆形的换向壁24从一个环路流到另一个环路，该换向壁使液态聚合物的流动换向。
最好利用一个在半圆形换向壁24的弧线的弧心位置附近的限流构件36使截面流动路径26的宽度34减小到40％。限流构件36可以是中间壁22的延伸部分，一个竖直的柱体如一个圆柱体，它连接到中间壁22的端部，或者是其它有竖向轴的挡流体。供选择的是，中间壁22可以逐渐变细插入限流构件中。更好的是，截面流动路径34的宽度比内环路30和外环路32中的截面流动路径26的宽度小20％至30％。限流构件最好使截面流动路径26的宽度暂时逐渐缩小，而随后逐渐扩大到截面流动路径26的原有宽度。限流构件最好使在半圆形换向壁24区域内的中间壁22的部分延长到外半圆换向壁24长度的至少20％。
转换流向后，液态聚合物沿内环路30流到塔板出口16处。在塔板出口16之前最好设有一个出口堰40。聚合物越过或通过出口堰40，出口堰40控制液态聚合物在塔板组件10上的深度。液态聚合物靠重力从上塔板组件10流到下塔板组件10。出品堰40具有的长度使得当液态聚合物越过或通过出口堰40时，液态聚合物被切成薄膜。
变薄过程能剪切含有汽化副产物的小气泡并释放放夹带到汽泡中的那些副产物，否则汽泡太小不能破裂而离开粘性液态聚合物。聚合物最好以自由落下的膜的形式从一块塔板流到其下的塔板，该膜能增加蒸汽的释放。在缩聚过程中需要释放副产物，将其以蒸汽形式除去，以促进聚合物的分子增长。
聚合物的流动是借助液压梯度实现的，在液态聚合物塔板入口14处的液面高度大于在出口堰40处的液面高度。与矩形单道塔板相比，液态聚合物的高流速有利于冲洗流动通道而使聚合物在通道壁上的聚集最少并且减小潜在的滞流区域或涡流。另外，高流速改进了传热效率从而降低了对热能传递的阻力并避免了聚合物在局部热点处的加热过度。
塔板组件10可以包括加热液态单体或聚合物的手段。适合的加热手段包括电阻、蒸汽和传热介质化学品。加热装置最好是同样的并设置在塔板组件10的底侧。一种较好的加热手段是在固定到塔板组件10的底侧的半管夹套中使用传热液体。
液态聚合物从上塔板组件出口流入下塔板组件的入口区。该入口区在塔板组件10的外环路32或内环路30内。在液态聚合物经液态聚合物塔板入口14进入外环路32的情况下，如图2所示，液态聚合物经过在外环路32中的再分布堰42在流动路径26内流动。利用一种有后壁46的倾斜的入口底板防止液态聚合物在流动路径26中沿两个方向流动。液态聚合物沿外环路32流动直到借助基本为半圆形的换向壁24使液态聚合物换向流入内环路30。液态聚合物在内环路30中继续流动直到液态聚合物直过和/或通过出口堰40进入塔板出口16，并靠重力流入下一个塔板的塔板组件10。
在液态聚合物经塔板入口50进入内环路30的情况下，如图3所示，液态聚合物经过一个在内环路30中的再分布堰52在流动路径26内流动。利用一种有后壁56的倾斜的入口底板防止液态聚合物在流动路径26中沿两个方向流动。液态聚合物沿内环路30流动直到借助基本半圆形的换向壁24使液态聚合物换向流入外环路32。液态聚合物在外环路32中继续流向直到液态聚合物越过和/或通过一个出口堰58进入塔板出口60，靠重力流入下一塔板的塔板组件10。
在一个优选实施方案中，每个塔板组件10的流动路径由至少两个环路，即一个内环路和一个外环路构成，并且所有的塔板组件基本上相同。在该优选实施方案中，内环路延伸到塔板组件的外壁，而且内环路的内壁与中心蒸汽通道相切，并与半圆形换向壁相切，液态聚合物在各塔板组件10上由塔板外侧到塔板内侧。在各塔板组件10中，液态聚合物经塔板入口70进入外环跨32并经过再分布堰74在流动路径26中流动。建议在塔板入口70处使用一种斜的入口道72以防止在流动路径26中形成滞流区。塔板组件10的取向可以按相似方式设计，从而使得液态聚合物由塔板内侧流到塔板外侧，然而，这很可能会导致液态聚合物溅入或溢流到中心蒸汽通道18中。
下面的塔板组件相对上一个塔板组件转动一定角度。如果中心开放式蒸汽通道18的直径为反应器直径的三分之一，则下塔板组件10绕着一个在塔板中心处的垂直轴相对上一个塔板组件10最好转动22°～62°，优选情况下是转动24°～34°。下一塔板组件相对上一塔板组件转动是为了使流过或通过上塔板出口78的出口堰76的液态聚合物竖直落入下一塔板组件的塔板入口70，如图4和图5所示。相继的塔板之间转动的相对角度应保持最小，以使液态聚合物落入下一塔板的入口并且使与下塔板上的流动方向相反的滞流区最小。
如图4和图5所示，相对前一出口堰58来说出口堰76增大，并导致塔板之间落下更薄的膜。塔板出口堰76最好定位成一角度，使液态聚合物流过的路径最长。相继的塔板的转动角度最好近似等于塔板出口和堰相对流动方向所成的角度，使得溢流突出边平行于下一塔板的中间壁。更好的是，转动的角度和出口堰相对流动方向的角度为24°～34°。塔板出口78的溢流边最好与下一塔板的壁在一段距离内对准以防止液态聚合物沿着壁向下流。
每个塔板组件10可以是在顶部敞开的以使蒸汽越过中间壁22和/或内壁20离开液态聚合物，然后径向流到中心蒸汽通道18。相反，每个塔板组件10的顶部可以是封闭的以迫使蒸汽与液态聚合物并流通过塔板出口16。塔板组件10延伸到外壳4成上下设置。在塔板顶部是敞开的情况下，塔板组件10相距足够远以允许蒸汽离开，而且壁足够浅以允许蒸汽离开。这样，蒸汽离开的路径不与液态聚合物流动路径冲突。来自塔板组件10的蒸汽汇集在中心开放式蒸汽通道18中并沿中心开放式蒸汽通道18被导向反应器2的蒸汽出口9。中心开放式蒸汽通道18包含各塔板的全部横截面的1～25％，最好是6～12％。对于具体反应器2来说，中心开放式蒸汽通道18的确切尺寸取决于反应器2的尺寸和蒸汽的体积流速。对于大的反应器塔，可以使用这种中心开放式蒸汽通道18以为检查、清洗和改进提供入口。
本领域技术人员会根据上面的详细描述对所揭示的反应器进行各种改变。所有这些明显的改进都落在权利要求的范围之内。
权利要求
1. 一种聚合反应器，该聚合反应器有一个竖置的外壳，一个在所述聚合反应器顶部附近的液态聚合物反应器入口，一个在所述反应器底部的液态聚合物反应器出口，和一个蒸汽出口，所述聚合物反应器的特征在于包括一组基本为圆形的塔板组件，所述组件全部装在所述聚合反应器内；每个塔板组件有一个中心开放式蒸汽通道和一个流动路径，所述流动路径借助一个有足以防止液态聚合物溅出的高度的壁围绕；所述流动路径由至少两个环路构成；液态聚合物借助一个基本为半圆形的换向壁从一个环路流到另一个环路，在所述换向壁处，液态聚合物的流动换向；所述塔板有一个液态聚合物塔板入口和一个液态聚合物塔板出口，用以引导所述液态聚合物的流动；液态聚合物的流动借助液压梯度实现，其中，在液态聚合物塔板入口处的液面高度大于在液态聚合物塔板出口处的液面高度；而且，所述塔板组件延伸到所述外壳成上下布置。
2. 一种聚合反应器，所述聚合反应器包括一个竖置外壳，一个在所述聚合反应器顶部附近的液态聚合物反应器入口，一个在所述聚合反应器底部的液态聚合物反应器出口，和一个蒸汽出口，所述聚合反应器的特征在于包括一组基本为圆形的塔板组件，所述组件全部装在所述聚合反应器内；每个塔板组件有一个中心开放式蒸汽通道和一个基本均匀的截面流动路径，所述路径借助一个其高度足以防止液态聚合物溅出的壁围绕；所述流动路径由至少两个环路构成；所述液态聚合物借助一个基本为半圆形的换向壁从一个环路流入另一环路，在所述半圆形换向壁处所述液态聚合物的流动换向，在所述半圆形换向壁的中点处，流动路径宽度由一个限流本体减小到40％；所述塔板有一个液态聚合物塔板入口和一个液态聚合物塔板出口以引导所述液态聚合物的流动，所述液态聚合物的流动借助液压梯度实现，其中，在所述液态聚合物塔板入口处的液面高度大于在所述液态聚合物塔板出口处的液面高度；各塔板组件在顶部敞开的以使蒸汽离开液态聚合物流入中心开放式蒸汽通道；以及所述塔板组件延伸到所述外壳成上下布置，其中所述塔板距离足够远以允许蒸汽离开。
3. 根据权利要求1所述的聚合反应器，其中所述的塔板组件包括一种加热装置。
4. 根据权利要求3所述的聚合反应器，其中所述的加热装置选自电阻、蒸汽、和传热介质化学品。
5. 根据权利要求4所述的聚合反应器，其中所述的加热装置是一致的并设在塔板组件的底侧。
6. 根据权利要求2所述的聚合反应器，其中，在所述半圆形换向壁的中点处的流动路径宽度减小20～30％。
7. 根据权利要求6所述的聚合反应器，其中，在所述半圆形换向壁的中点处流动路径宽度减小25％。
8. 根据权利要求2所述的聚合反应器，其中所述的流动路径宽度在所述限流构件处逐渐减小，随后增至其原始值。
9. 根据权利要求1所述的聚合反应器，其中，所述的中心开放式蒸汽通道包含各塔板的全部截面的1～25％。
10.根据权利要求9所述的聚合反应器，其中，所述的中心开放式蒸汽通道包含各塔板的全部截面的6～12％。
11.根据权利要求1所述的聚合反应器，其中，所述的塔板组件基本上是同样的。
12.根据要权利要求11所述的聚合反应器，其中所述的内环路延伸至所述塔板组件的外壁，以使所述液态聚合物由上塔板出口落到下一塔板组件的塔板入口。
13.根据权利要求1所述的聚合反应器，其中，所述的内环路的内壁与所述中心蒸汽通道以及所述半圆形换向壁相切。
14.根据权利要求1所述的聚合反应器，其中，所述的各塔板组件的流动路径由两个环路(即一个内环路和一个外环路)构成。
15.根据权利要求1所述的聚合反应器，其中所述的下一塔板组件相对上一塔板组件转动，其中，转动角度为使得所述液态聚合物落入所述下一塔板组件的最外环路。
16.根据权利要求15所述的聚合反应器，其中，所述的下一塔板组件相对所述上一塔板组件转动22°～62°。
17.根据权利要求15所述的聚合反应器，其中，所述的下一塔板组件相对所述上一塔板组件转动24°～34°。
18.根据权利要求15所述的聚合反应器，其中，所述的上一塔板的所述液态聚合物越过或通过一个与所述液态聚合物的流动正交的出口堰。
19.根据权利要求15所述的聚合反应器，其中，所述液态聚合物越过或通过一个相对所述液态聚合物的流动成20°～60°角的出口堰。
20.根据权利要求19所述的聚合反应器，其中，所述的出口堰相对所述液态聚合物流动的角度为24°～34°。
全文摘要
本发明涉及一种竖置聚合物反应器，它有一组基本为圆形的塔板组件；每个塔板组件有一个中心开放式蒸汽通道和一个由至少两个环路构成的流动路径，其中，借助一个基本为半圆形的换向壁使液态聚合物流动换向；该塔板组件具有液态聚合物塔板入口和液态聚合物塔板出口，它们用于借助液压梯度引导聚合物的流动；各塔板组件在顶部是敞开的，以使蒸汽离开液态聚合物流入中心开放式蒸汽通道；而且所述塔板成上下布置。
文档编号C22B3/02GK1146734SQ9519275
公开日1997年4月2日 申请日期1995年4月21日 优先权日1994年5月2日
发明者托马斯·劳埃·约特, 詹姆斯·威斯利·亚当斯, 拉瑞·凯茨·温兹 申请人:伊斯特曼化学公司