生产粉状聚(甲基)丙烯酸酯的设备的制作方法

聚(甲基)丙烯酸酯尤其用作例如用于生产尿布、卫生棉塞、卫生巾及其他卫生制品的吸水聚合物，或者在园艺市场中作为保水剂。

吸水聚合物的性质可以通过交联水平来调节。随着交联水平的增加，凝胶强度上升而吸收能力下降。这意味着离心保留容量伴随着在压力下的吸收的增加而降低，并且在非常高的交联水平下在压力下的吸收又再次降低。

为提高性能特性，例如尿布中的液体传导性和在压力下的吸收，吸水聚合物颗粒通常是后交联。这仅增加了颗粒表面的交联水平，并且以此方式可以至少部分地消除在压力下的吸收与离心保留容量的相互影响。后交联可在水凝胶相中进行。然而，通常将经研磨和筛分的聚合物颗粒用后交联剂表面涂布、热后交联并干燥。适于此目的的交联剂是含有至少两个可与亲水聚合物的羧酸酯基团形成共价键的基团的化合物。

已知用于生产吸水性聚合物颗粒的不同方法。例如，可将用于生产聚(甲基)丙烯酸酯的单体和任何添加剂加入到混合捏合机中，在混合捏合机单体进行反应以产生聚合物。混合捏合机中带有捏合棒的旋转轴将形成的聚合物破碎成大块。将由捏合机取出的聚合物干燥、研磨并送去进一步处理。在可替代的变型中，将可能还含有其他添加剂的单体溶液形式的单体引入用于液滴聚合的反应器中。一旦将单体溶液引入反应器中，单体溶液就分裂成液滴。液滴形成的机理可为湍流或层流喷射分裂，或者是液滴化。液滴形成的机理取决于入口条件及单体溶液的物理性质。液滴落入反应器中，在此期间单体反应产生聚合物。反应器的底部区域是流化床，在流化床中由液滴通过反应降落形成聚合物颗粒。然后在流化床中发生进一步反应。相应的方法例如记载于WO-A 2006/079631、WO-A 2008/086976、WO-A 2007/031441、WO-A 2008/040715、WO-A 2010/003855和WO-A 2011/026876中。

通过液滴聚合原理(其中单体溶液分裂成液滴并落入反应器中以形成聚合物)进行的所有方法的缺点在于，液滴可能碰撞合并，并且撞击反应器壁的液滴也可能粘住并由此导致形成不希望的沉积物。此外，在按比例放大至工业规模的情况下，必须增大流化床的尺寸，这导致能量消耗的显著增加。

因此，本发明的目的是提供一种用于液滴聚合的反应器，在反应器中，将因液滴撞击器壁形成的沉积物最小化，此外，也可将在工业规模下的能量需求最小化。

所述目的通过一种生产粉状聚(甲基)丙烯酸酯的设备来实现，包括用于液滴聚合的反应器，其具有用于生产聚(甲基)丙烯酸酯的单体溶液的液滴化装置，所述液滴化装置具有液滴化所述溶液的孔；液滴化装置上方的气体添加点；在反应器的外侧上的至少一个气体抽出点以及流化床，其中设置最外侧的液滴化所述溶液的孔，使得液滴垂直向下落入流化床中，并且在液滴化装置与气体抽出点之间的中点处的水平面上的水力直径比流化床的水力直径大至少10％。

通过构造液滴聚合的反应器，使得在液滴化装置与气体抽出点之间中点处的水力直径比流化床的水力直径大至少10％，确保了仅仅小部分的液滴到达所述壁，并且这仅发生在液滴不再发粘的停留时间以后。此外，借助将溶液液滴化的最外侧的孔设置成使得垂直向下落下的液滴落入流化床中，从而防止液滴撞击器壁并粘附于其上，这导致沉积物的形成。

水力直径dh计算为：

dh＝4·A/C

其中A是面积，C是周长。通过使用水力直径，反应器的构造与横截面的形状无关。所述面积例如可以是圆形、矩形、任意多边形、卵形或椭圆形形式。然而，优选圆形横截面。

为了使得流出液滴化装置流出的单体溶液不喷溅至反应器的壁上，且同时为了将反应器构造成在稳定性方面及在材料消耗方面都有优势，优选形成截头锥状的反应器头部，并将液滴化装置设置在截头锥体形状的反应器头部中。

反应器头部的截头锥状构造比柱状构造节省材料。此外，截头锥状的头部可提高反应器的结构稳定性。另一优点是，由于截头锥状构造，所以引入反应器头部的气体必须通过小的横截面供应，并随后无明显涡流地向下流至反应器中。在反应器的头部区域为圆柱状构造以及气体在反应器的中部供应的情况下可产生涡流的缺点在于，被气流夹带的液滴可能因涡流而输送抵至反应器的器壁，并由此可导致沉积物的形成。

为了保持反应器的高度尽可能低，有利的是，将用于液滴化单体溶液的装置设置在截头锥状的头部中尽可能靠上的位置。这意味着在将用于液滴化单体溶液的装置设置在截头锥状头部中的，截头锥状头部的直径大致相当于液滴化装置的直径的水平位置处。

为了防止流出液滴化装置的最外侧的孔的区域中流出的单体溶液喷溅到截头锥状头部的壁上，特别优选地，将设置液滴化装置处的截头锥状头部的水力直径比被连接最外侧的孔的线包围起来的面积对应的水力直径大2％至30％，更优选4％至25％，特别是5％至20％。头部稍大的水力直径另外确保了即使在反应器头部以下，液滴也不会过早地撞击反应器壁并粘附在其上。

在另一优选实施方案中，反应器在流化床上方成锥状地扩宽至其最大水力直径。锥状扩宽具有这样的优点：由液滴通过单体溶液的聚合所形成的聚合物颗粒，在其下落期间可以落入流化床中，而不与废气一起被抽出反应器。直接撞击锥状扩宽部的聚合物颗粒可借助于反应器的锥状部分的外侧上的合适的振荡器(tappers)而滑动到流化床中。

通过液滴化单体溶液的装置上方的气体添加点，气体和液滴以并流方式从顶部向下流过反应器。由于流化床位于反应器的底部区域，这样设置的作用是使气体在反应器的底部区域从底部以相反的方向向上流动。由于气体从顶部和底部被引入反应器中，因此必须在液滴化单体溶液的装置与流化床之间抽出气体。优选地，气体抽出点位于流化床上方的锥状扩宽部到反应器的柱状壁的过渡处。在气体抽出点的水平处将横截面相应扩宽至最大反应器直径，这样防止颗粒夹带到反应器废气中。气体抽出环(gas withdrawal ring)的横截面足够大，使得所述环中的平均气速为0.25至3m/s，优选为0.5至2.5m/s，尤其是1.0至1.8m/s。较小的值确实能够减少颗粒夹带，但会导致不经济的大尺寸；较大的值导致不期望的高的颗粒夹带。

优选地构造反应器中气体抽出点所在的区域，使得锥状扩宽部在其上端处的直径大于反应器上部的直径。自顶部流过反应器的气体围绕上部的反应器壁的下端流动，并且经由至少一个气体抽出点，从形成在锥状扩宽部的上端与伸入锥状扩宽部中的反应器壁的底端之间的环形间隙而抽出。连接到气体抽出点的是一种用于分离固体的装置，在所述装置中可将从反应器中取出的聚合物颗粒和气流一起分离出来。用于分离固体的合适装置例如为过滤器或离心分离器，例如旋风分离器。特别优旋风分离器。

根据本发明，选择流化床的水力直径，使得流化床的面积至少足够大，使得由液滴化装置最外侧的孔垂直落下的液滴落入流化床中。为此，流化床的面积至少与由连接液滴化装置最外侧的孔的线形成的面积恰好一样大和/或恰好相同形状。此外，流化床的表面也可以大于由连接液滴化装置最外侧的孔的线形成的面积。特别优选流化床的表面积比由连接液滴化装置最外侧的孔的线形成的面积大5％至50％，更优选10％至40％且尤其15％至35％。在此情况下，流化床的表面形状各自对应于由连接最外侧的孔的线包围的区域的形状。例如，如果流化床的表面为圆形，那么由连接最外侧的孔的线包围的区域也为圆形，在此情况下，流化床表面的直径可大于由连接液滴化装置最外侧的孔的线形成的区域的直径。

通常，单体溶液从液滴化装置的孔中以液体射流的形式流出，然后液体射流在反应器中分裂成液滴。液体射流的分裂首先取决于每单位时间通过孔流出的液体的量，其次取决于流过反应器的气体速度和气体体积。此外，单体溶液的物理性质和孔的几何形状影响射流分裂的方式。在本发明的上下文中，液滴分裂也称为液滴化。

为了足够的气体能够流过液滴化单体溶液的装置，使得可以实现在反应器中均匀的气速且当气体围绕设备流动时不存在气体的过度加速和涡流，另外优选由反应器中的液滴化装置覆盖的面积相对于由连接最外侧的孔的线所包围的面积之比小于50％，且优选在3％至30％的范围内。

另外优选地，孔的数量相对于由连接最外侧的孔的线形成的面积在100至1000个孔/m²的范围内，优选在150至800个孔/m²的范围内且尤其在200至500个孔/m²的范围内。这确保在孔处形成的液滴具有足够大的间距，并且还可以与流过反应器的气体进行充分接触。

在一个实施方案中，用于液滴化单体溶液的装置包括通道，具有在其基部形成的以星型布置的孔。通道的星型布置(尤其在具有圆形横截面的反应器中)使得液滴能够在反应器中均匀分布。添加通过引入单体溶液的通道来进行。液体通过通道基部的孔流出并形成液滴。

为使由通道流出的液滴尽可能快地与在通道周围流动的气体接触，另外优选通道具有最小宽度。通道的宽度优选在25至500mm的范围内，进一步优选在100至400mm的范围内，且尤其是在150至350mm的范围内。

在星型布置的情况下，各个通道的数量NRL取决于在布置通道的位置处反应器的周长C。优选地，通道的数量在如下定义的范围内：

尤其地

在这些公式中，周长C应该以米为单位，“m”表示米。

除了将液滴化装置的通道布置成星型这一构造之外，也可使其相对于彼此布置成任何期望的布置，例如彼此平行或彼此重叠，使得通过通道的布置实现例如矩形节距(pitch)或三角形节距。在三角形节距和矩形节距的情况下，平行排列的多个通道各自彼此横截对齐，在矩形节距的情况下彼此横截对齐的通道之间的角度为90°，且在三角形节距的情况下优选为60°。

另外优选的是，在通道的边缘处的孔至少以这样的方式形成，使得单体溶液相对于反应器的轴线成一定角度地从孔中流出。通过单体溶液以相对于反应器的轴线以一定角度地流出，可以在反应器中获得更均匀的液滴分布，并且来自通道的液滴彼此之间的间距更大。在星型布置的通道的情况下，另外优选的是，单体溶液流出孔的角度相对于反应器轴线由内向外增加。液体相对于反应器的轴线成一定角度地流出可通过恰当地构造所述孔，例如在液滴化器片(dropletizer plate)上以一定角度形成所述孔，或成角度的构造所述液滴化器片来实现。

如果液滴流出孔的角度在液滴化装置的各个通道的整个长度上是恒定的，那么其优选在0至30°的范围内，优选在0.1至20°的范围内且尤其是在0.2至15°的范围内。

尤其在星型布置的通道的情况下，优选使液滴流出孔的角度随孔的位置发生变化，因为通道之间的距离从中央向外增加。因此，更接近中央的角度小于在外部孔的角度是有利的。

在星型布置的情况下，优选地，至少从径向边缘处的孔流出的液体所成的角度α在如下定义的范围内：

优选地

且更优选

对于有效范围

0.25m≤r≤10m

0.0001m≤dP≤0.0015m

3≤NLR≤18.

在这些公式中，r是孔的径向位置，以米表示，NLR是通道的数量，dp是平均液滴直径，以米表示，v是液滴流出的速度,以米/秒表示。孔的角度α以度表示。如果发现小于零的值，那么应使用值0°代替计算的值。

液滴相对于反应器轴线的流出角度可通过数值模拟计算来进一步优化。除了流出角度恒定变化之外，或者还可以使液滴的流出角度成梯度地变化。为此，在成梯度变化的情况下，根据上述定义优选在各阶段中间的角度是固定的。

对于单体溶液液滴化装置的简单变型，另外优选使通道在其基部与至少一个液滴化器片连接，在所述液滴化器片中形成用于添加单体溶液的孔。这首先能够通过以简单的方式以单体溶液或期望的液滴尺寸的函数更换液滴化器片来改变例如流出角度和/或孔的尺寸；其次，还可以以简单的方式更换液滴化器片，以便例如在液滴化器片变脏时，能够清洁用过的液滴化器片。

液体从液滴化器片的孔与反应器的轴线成一定角度地流出，这例如可以通过使液滴化器片沿其纵向轴线在其基部处成一定角度来实现。在通道为星型布置，并因此液滴化器片为星型布置的情况下，这样的作用是液体相对于穿过反应器轴线的平面成一定角度地由孔流出。将单体溶液加入反应器中的孔优选平行于液滴化器片的纵向轴线成行地排列。在本文中，液滴化器片相对于水平线调整的角度对应于由孔到反应器的垂直轴线的液滴的流出角度。尤其在使用多个液滴化器片且通道为星型布置的情况下，在流出角度变化的情况下，有利的是通道中的每个液滴化器片具有不同的角度，所述不同的角度从内向外增加并且在液滴化器片的中间各自通过上述定义来确定。

除了成角度地构造液滴化器片之外，以下任何其他构造也是可以的：液滴化器片的孔沿纵向轴线在中间的比在边缘处的更低。例如，可以是液滴化器片以圆弧段形式沿纵向轴线方向形成。例如，还可以将液滴化器片构造成在沿纵向轴线的中点处具有带有平坦轮廓的区域，且平坦区域的向左和向右的横向区域与纵向轴线成一定角度，或者构造成弧形。

为了产生足够大量的液滴，优选的是，液滴化器片中的孔布置成多排孔。在本文中尤其优选的是，一排孔中的各个孔之间的距离与相邻排的孔之间的距离基本上相同。一排孔中与多排孔彼此中的孔之间的距离在1至100mm的范围内，优选在2至50mm的范围内且尤其在3至20mm的范围内。

为了获得用于吸水性聚合物的合适尺寸的液滴，另外优选的是，液滴化器片中孔的直径在25-500μm的范围内。

本发明的工作实施例示于附图中，且更具体而言描述在以下说明中。

附图示出了：

图1用于液滴聚合的反应器的纵剖面，

图2反应器头部的纵剖面，

图3第一个实施方案中液滴化器通道的布置，

图4第二个实施方案中液滴化器通道的布置，

图5第三个实施方案中液滴化器通道的布置，

图6第一个实施方案中液滴化器通道的横截面，

图7第二个实施方案中液滴化器通道的横截面，

图8第三个实施方案中液滴化器通道的横截面，

图1示出了根据本发明构造的反应器的纵剖面。

用于液滴聚合的反应器1包括：反应器头部3，其中容纳了液滴化的装置5；中部区域7，在其中进行聚合反应；和底部区域9，其具有流化床11，在其中结束该反应。

为进行聚合反应以制备聚(甲基)丙烯酸酯，通过单体进料器12向液滴化装置5供应单体溶液。当液滴化装置5具有多个通道时，优选通过专用的单体进料器12向每个通道供应单体溶液。单体溶液通过液滴化装置5中的孔(其未示于图1中)流出，并分裂成单个液滴，所述液滴在反应器内向下降落。通过液滴化装置5上方的第一个气体添加点13，将气体(例如氮气或空气)引入到反应器1中。该气流有助于从液滴化装置5的孔流出的单体溶液分裂成单个液滴。此外，所述气流促使单个液滴减少接触并聚结成更大的液滴。

首先为了使得反应器的柱状的中部区域7非常短，其次为了避免液滴撞击反应器1的器壁，反应器头部3优选为锥状的，如图1所示，在此情况下，液滴化装置5位于锥状的反应器头部3内的柱状区域上方。然而，或者也可以使反应器的反应器头部3为柱状，直径如中部区域7的直径。但是优选反应器头部3为锥状构造。选择液滴化装置5的位置，使得用于供应单体溶液的最外侧的孔与反应器的器壁之间仍然存在足够大的距离，以防止液滴撞击器壁。为此，所述距离应至少在50至1500mm的范围内，优选在100至1250mm的范围内且尤其在200至750mm的范围内。应理解，距离反应器的器壁的更大距离也是可以的。然而，这样的缺点在于，更大的距离与反应器横截面的较差利用相关。

底部区域9以流化床11结束，由单体液滴形成的聚合物颗粒在降落期间降落至流化床11中。在流化床中，进行进一步的反应以产生期望的产物。根据本发明，设置用于使单体溶液液滴化的最外侧的孔，使得垂直向下降落的液滴降落到流化床11中。这例如可以通过以下来实现：流化床的水力直径至少如由连接液滴化装置5中最外侧的孔的线包围的区域的水力直径一样大，流化床的横截面与由连接最外侧的孔的线形成的区域具有相同的形状，且两个区域的中心在一个区域到另一个区域的垂直投影中处于相同位置。外部孔的最外侧位置相对于流化床11的位置借助虚线15示于图1中。

此外，为了避免液滴在反应器的中部区域7中也撞击器壁，在液滴化装置和气体抽出点之间的中点处的水力直径比流化床的水力直径大至少10％。

反应器1可以具有任何期望的横截面形状。然而，反应器1的横截面优选为圆形。在该情况下，水力直径对应于反应器1的直径。

在流化床11上方，在图1所示的实施方案中反应器1的直径增加，使得在底部区域9中，反应器1从底部向上锥状地扩宽。这样的优点在于，在反应器1中形成的撞击器壁的聚合物颗粒可以沿着器壁向下滑动到流化床11中。为了避免结块，还可以在反应器的锥状部分的外侧上设置振荡器(图1中未示出)，利用振荡器，反应器的壁处于振动状态，由此使粘附的聚合物颗粒脱离并滑入流化床11中。

对于操作流化床11而进行气体供应而言，存在于流化床11下方的气体分布器17将气体吹入流化床11中。

因为气体是从顶部和底部引入到反应器1中，所以必须在反应器1中的合适位置将气体抽出。为此，在从具有恒定横截面的中部区域7到从底部向上锥状扩宽的底部区域9的过渡处设置至少一个气体抽出点19。在该情况下，柱状中部区域7的器壁伸入到向上锥状扩宽的底部区域9中，在该位置处，锥状底部区域9的直径大于中部区域7的直径。以此方式，形成环绕中部区域7的器壁的环状腔室21，气体流入所述腔室中并可通过与环状腔室21相连的至少一个气体抽出点19而抽出。

流化床11的进一步反应的聚合物颗粒通过流化床区域中的产物取出点23而取出。

图2示出反应器头部的纵剖面。

在图2所示的实施方案中，反应器头部3为锥状。液滴化装置5包含单独的通道25，其从反应器头部3的外侧到中部以星型伸入到反应器3中。为了促使滴化装置5流出的液滴减少与反应器1的器壁的撞击，在图2所示实施方案中的通道在反应器头部3中设置成与水平方向成角度β。角度β优选在0°至20°的范围内，更优选在0°至15°的范围内，尤其优选在0°至10°的范围内且尤其在0°至5°的范围内。借助通道的相应调整，液滴以指向反应器中间的角度流出通道流出，使得液滴能够到达反应器1的器壁并在其上结块的风险进一步最小化。

通道25的相应的星型布置示于图3中。通道其他可能的布置示于图4和图5中。然而，在这些布置中，与水平方向成角度β的布置却难于实现，使得在该情况下通道25优选水平延伸。图4示出了以矩形为节距的布置，其中单个通道25彼此成90°角来布置，使得通道的相交点27各自形成矩形，优选正方形。

图5示出了以三角形为节距的布置。在图5中，通道25各自相对于彼此成60°角来布置，使得通道25的相交点27各自形成等边三角形。然而，这还需要平行延伸的通道各自总是具有相等的间隔。

作为图5所示实施方案的替代，当然也可以这样设置通道：将通道布置成平行排列的通道之间的距离是变化的，或者平行排列的通道之间的距离各自相等，但平行排列却向不同方向延伸的通道之间的距离不同。此外，也可以以相对于彼此为任何其他角度地布置通道。

然而，尤其是在圆形反应器横截面的情况下，优选图3所示的星型布置。然而，在这种情况下，通道的数量可随着反应器周长的变化而变化。此外，可以构造不同长度的通道，使得它们不同的程度地伸入到反应器1中。然而，总是优选旋转对称的布置。

液滴化器片26——其在其基底终止供应单体溶液的通道且在其上形成使单体溶液液滴化到反应器中的孔——的位置通过虚线区域示于图3至5中。

图6、7和8示出不同实施方案中的通道25的横截面。

为了在反应器横截面上获得均匀的液滴分布，优选的是，在通道外孔中形成的液滴是与垂直方向(即与反应器轴线)至少成一定角度地流出。为此，例如可将形成孔的通道区域构造成圆弧段的形式，如图6中所示。因此，单体溶液流出的角度α相对于反应器轴线29流出从通道的中间向外增加。

或者，如图7所示，也可以将在形成孔的通道基部微调成与水平方向成一定角度，在此情况下，为使孔与通道基部31成直角，相对于反应器轴线的液滴流出的角度α对应于通道基部与水平方向的角度α。另一种可能是这样的构造：除了通道基部31的成角度区域以外，中间基部区域33水平延伸。

为了能够简单地清洁孔，有利的是，孔形成于设置在通道25的基部的相应的配置孔板中的液滴化器片中。因此可将液滴化器片拆卸清洗并换上清洁的液滴化器片。在该情况下，液滴化器片优选构造成圆弧段形式或成角度形式，以便能够实现如图6至8所示的通道25的基部轮廓。

尤其在星型布置所述通道的情况下，另外优选的是，单体溶液流出的角度从反应器中间向外增加。

除了本文中所示的圆形横截面之外，也可以将通道25构造成具有任何其他横截面。尤其是当使用液滴化器片时，特别优选形成具有矩形横截面的通道25。在该情况下，可在顶部用可拆卸的盖子将通道密封，并可在拆去盖子后以简单的方式移除和更换液滴化器片。

附图标记列表

1 反应器

3 反应器头部

5 液滴化装置

7 中部区域

9 底部区域

11 流化床

12 单体供料器

13 气体添加点

15 最外侧的孔相对于流化床11的位置

17 气体分布器

19 气体抽出点

21 环状腔室

23 产物取出点

25 通道

26 液滴化器片

27 相交点

29 反应器轴线

31 通道基部

33 基部的中部区域