用于聚苯乙烯的喷嘴/集管设计的制作方法
本申请要求2016年3月30日提交的美国专利申请no.15/085,464的优先权。
本公开的实施例一般涉及流体交换容器。更具体地，本公开的实施例涉及脱挥器喷嘴和分配流体交换容器内的流体的方法。
背景技术：
聚合物可以从聚合反应器回收并供给到脱挥器，在这里可以从聚合物去除诸如未反应的单体或溶剂的组分。例如，可以通过真空蒸馏，闪蒸脱挥，汽提，增加聚合物表面积或其组合来去除挥发物。聚合物的表面积可以通过使聚合物通过脱挥器喷嘴来增加，所述脱挥器喷嘴是一个或多个流管的布置，其具有在容器中向下定向的穿孔或孔以便以连续竖直股线从孔向下排出熔融聚合物。聚合物股线为聚合物的脱挥提供增加的表面积。当聚合物股线落入脱挥容器中时，未反应的单体和溶剂被释放，而聚合物股线收集在容器的底部。然后可以将脱挥的聚合物送至后续的聚合物加工步骤。
技术实现要素：
本公开提供了一种脱挥器容器。所述脱挥器容器包括具有多个交替的容器集管穿透部的容器集管。多个侧向流管以平行配置布置。每个侧向流管通过所述交替的容器集管穿透部中的一个进入所述容器集管，每个侧向流管具有单个容器集管穿透部。每个侧向流管具有位于所述容器集管内的穿孔部段。所述穿孔部段具有非圆形横截面。所述非圆形横截面具有圆扇形，椭圆扇形或不规则四边形的形状。
本公开提供了一种方法。所述方法包括使熔融聚合物通过脱挥器容器的容器集管的侧向流管。所述侧向流管以平行配置布置并且通过多个交替的容器集管穿透部进入所述容器集管，每个侧向流管具有单个容器集管穿透部。熔融聚合物作为股线通过所述容器集管内的所述侧向流管中的穿孔离开所述侧向流管。所述侧向流管具有非圆形横截面。所述非圆形横截面具有圆扇形，椭圆扇形或不规则四边形的形状。所述方法包括获得脱挥聚合物。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从以下详细描述理解本公开。
图1a是根据本公开的某些实施例的聚合物熔体分配器容器集管设计的俯视平面图。
图1b是根据本公开的某些实施例的聚合物熔体分配器容器设计的部分侧视平面图。
图2a是根据本公开的某些实施例的沿着容器集管的内壁的内部支撑结构的部分横截面图。
图2b是根据本公开的某些实施例的沿着容器集管的内壁的替代内部支撑结构的部分横截面图。
图3a是根据本公开的某些实施例的内部支撑结构的横截面侧视图。
图3b是根据本公开的某些实施例的内部支撑结构的横截面侧视图。
图3c是根据本公开的某些实施例的内部支撑结构的横截面侧视图。
图4是根据本公开的某些实施例的焊接侧向流管连接的横截面侧视图。
图5是根据某些实施例的外部法兰侧向流管连接的横截面侧视图。
图6a是根据本公开的某些实施例的内部法兰侧向流管连接的横截面图。
图6b是根据本公开的某些实施例的内部法兰侧向流管连接的横截面图。
图7是根据本公开的某些实施例的喷嘴孔的放大横截面图，示出了股线角度。
图8是根据本公开的某些实施例的喷嘴孔式样的示意图。
图9和10是根据本公开的某些实施例的锥形喷嘴孔的放大横截面图。
图11是根据本公开的某些实施例的具有椭圆扇形形状的横截面的脱挥器喷嘴的横截面图。
图12是根据本公开的某些实施例的具有圆扇形形状的横截面的脱挥器喷嘴的横截面图。
图13是根据本公开的某些实施例的具有不规则四边形形状的横截面的脱挥器喷嘴的横截面图。
具体实施方式
现在将提供详细描述。以下公开包括具体实施例，型式和示例，但是本公开不限于这些实施例，型式或示例，其被包括以在本申请中的信息与可用的信息和技术组合时使本领域普通技术人员时能够制作和使用本公开。
本文使用的各种术语在下面说明。在下面未定义权利要求中使用的术语的情况下，应当给出最广泛的定义，相关领域的人员已经将该术语反映在印刷出版物和公布专利中。此外，除非另有说明，否则本文所述的所有化合物可以是取代的或未取代的，并且化合物的列表包括其衍生物。
此外，下面可以明确地陈述各种范围和/或数值限制。应当认识到，除非另有说明，否则端点应是可互换的。在明确陈述数值范围或限制的情况下，这样的明确范围或限制应理解为包括落入明确陈述的范围或限制内的相似大小的迭代范围或限制(例如，约1至约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。
本公开的某些实施例涉及具有多个侧向流管(“流管”)的容器集管。流管以平行配置布置并且通过交替的集管穿透部进入容器集管，每个侧向流管具有单个集管穿透部。在容器内，流管具有穿孔部段，也称为喷嘴或脱挥器喷嘴，其具有非圆形横截面。非圆形横截面具有圆扇形，椭圆扇形或不规则四边形的形状。流管中的大多数穿孔具有等于或小于45度，或52度，或52.5度，或65度的最大股线角度。
集管设计
如图1a和1b中所示，流体分配系统可以包括具有容器集管101和容器主体128的脱挥器容器100。在进一步的聚合物制造过程(例如造粒和成形)之前，可以使用脱挥器容器100从聚合物去除挥发性组分。
容器集管101可以位于容器主体128的附近和上方。容器集管101可以通过使用法兰连接133、焊接连接或如本领域技术人员所知能够密封以防止容器集管101和容器主体128之间的泄漏的任何其他连接方法连接到容器主体128。容器集管101和容器主体128可以提供用于处理流体的基本上密封的环境。在实施例中，容器集管101和容器主体128在形状上为圆形。在实施例中，容器主体128在形状上为圆柱形，圆锥形或截头圆锥形，并且容器集管101在形状上为圆顶形。在一些实施例中，容器集管101和容器主体128具有非圆形形状。容器集管101和容器主体128可以由承受容器内部和容器外部之间的压差以及升高的操作温度的材料形成。例如但不限于，容器集管101和容器主体128可以由钢形成。在一些实施例中，容器集管101和容器主体128包括围绕容器集管101和容器主体128的绝缘和/或加强电镀。
容器集管101和容器主体128可以根据各种标准确定尺寸，例如聚合物脱挥产量要求，生产率，材料强度，压力等级和本领域普通技术人员已知的其他因素。在实施例中，容器集管101和容器主体128的直径可以在35至240英寸之间，在50至210英寸之间，或在70英寸至195英寸之间。
流管102可以位于容器主体128和容器集管101的接口附近，用于在容器主体128内分配流体。流管102可以大致平行于容器集管101和容器主体128之间的接口的平面布置，并且可以进一步大致垂直于容器主体128的侧壁布置。
在实施例中，容器集管101可以包括2至100，2至90，2至80，2至70，2至60或2至50个流管102。流管102的数量可以取决于容器尺寸，流管尺寸，流管形状，生产率，产量要求，材料强度和压力等级要求。流管102可以是用于传送流体的管或导管。
为了便于去除和维护，流管102可以是近似笔直的并且可以可选地具有可去除的端帽130。端帽130也可以用于为容器集管101内的流管102提供支撑，并且可以成形以考虑容器集管101的任何内部曲率。
每个单独的流管102可以通过单个容器集管穿透部109进入容器集管101，并且通过内部支撑结构103支撑在容器集管101内。内部支撑结构103可以经由焊缝105焊接到容器集管101的内表面。内部支撑结构103可以支撑容器集管101内的流管102的端部104。如本文所使用的，容器集管穿透部109包括在容器集管101中产生的任何开口，流管102穿过所述开口到达容器集管101的内部。内部支撑结构103是用于向与容器集管101内的容器集管穿透部109相对的流管102的端部提供机械支撑的装置。相邻流管102的容器集管穿透部109可以在容器集管101的相对侧，使得容器集管穿透部109形成交替式样。通过使用交替的容器集管穿透部109使流管102之间的间隔最小化。间隔减小可以导致容器集管101和容器主体128内的可用流管表面积的增加。由于可用表面积的增加，可以增加脱挥器容器100的生产能力。
内部支撑结构103也可以沿着容器集管101的内部形成交替式样。流管102可以通过能够密封容器集管穿透部109中的流管102的任何方法连接到容器集管101。例如，流管102可以焊接到容器集管穿透部109中，可以在外部法兰连接到容器集管穿透部109，可以在内部法兰连接到容器集管穿透部109，或它们的组合。
内部支撑结构103设计可以包括考虑其能够减轻流管102上的机械应力并且允许容器集管101相对于流管102的热膨胀和收缩。在实施例中，内部支撑结构103设计可以取决于容器尺寸，容器操作条件以及流管102的数量和类型。
流管102可以具有法兰连接111，用于密封地连接到外部分配歧管107以便将流体传送到容器集管101的内部。外部分配歧管107可以将流体供应到流管102。在一些实施例中，一个以上外部分配歧管107可以用于向流管102供应流体。在实施例中，可以以偶数存在的流管102可以由两个外部分配歧管107供应流体。这样的实施例可以导致由每个外部分配歧管107供应相同数量的流管102，这可以简化外部分配歧管107设计并促进均匀的流体分配。在替代实施例中，脱挥器容器100可以包括奇数个流管102。
法兰连接111，诸如端帽130的可去除部件和内部支撑结构103允许接近相应的部件以进行检查，清洁和维护。另外，法兰连接111允许单独地更换或替换流管102，这允许修理和修改。而且，法兰连接111提供了堵塞单独的流管102以减小脱挥器容器100的容量，保持容器集管101中的最佳流速和流型，并且隔离单独的流管102以免损坏或闭塞的能力。法兰连接111也可以提供引入用于容器集管101和容器主体128内的聚合物分配管理的孔板或限制板的能力。
在一些实施例中，法兰连接111的直径可以足够大，使得如果它们对准，则相邻法兰将接触或重叠。在这样的实施例中，法兰连接111可以交错110，使得法兰连接111不与相邻的法兰连接111对准或直接对准。交错的法兰连接111可以减小流管间隔112并增加容器集管101内的流管102的数量。如本文所使用的，交错对准是指在垂直于法兰连接111纵向轴线的方向上在容器集管101外部的法兰连接111的布置，使得相邻的法兰连接111不在近似水平面中。这样的交错对准，配置或式样可以通过改变从容器集管101到相邻法兰连接111的距离来实现。流管间隔112的减小可以受到最小焊根间隔要求限制(下面参考图2a-3c讨论)。具有交错110的法兰连接111的实施例可以允许更多数量的流管102放置在容器集管101中，这可以增加穿孔部段132和流体分配系统容量。
流管102包括与穿孔部段132联接的流动部段134。流动部段134将熔融聚合物从外部聚合物源引导到容器集管101内的穿孔部段132。穿孔部段132，也称为喷嘴或脱挥器喷嘴，可以包括熔融聚合物可以从其离开并形成股线127的一个或多个穿孔或孔。穿孔部段132可以位于容器集管101内。流管102可以布置有平行且交替的容器集管穿透部109以增加容器集管101内的流管102的数量和可用流管表面积，例如适合于穿孔部段132的面积。在实施例中，流管102可以彼此平行布置，以便减小流管间隔112并增加可以放置在容器集管101内的流管102的数量。流管间隔112是指在垂直于流管102的表面测量的容器集管101内部的相邻流管102的外表面之间的最近距离。利用具有交替的容器集管穿透部109的平行流管102布置的实施例可以增加通过脱挥器容器100的聚合物的生产能力。在实施例中，流管间隔112可以为1至10英寸，1至8英寸，或1.5至6英寸。
容器集管穿透部109可以在容器集管101的侧面之间交替。内部支撑结构103可以沿着容器集管101内表面与容器集管穿透部109相对设置。交替式样可以包括位于内部支撑结构103附近的容器集管穿透部109。例如，可以沿着容器集管101的内表面产生并重复内部托架。流管102的交替式样可以基本上横跨容器集管101的整个横截面延伸。
在实施例中，流管102可以通过容器集管穿透部109处的焊接连接106直接连接到容器集管101。焊接连接106可以在结构上和密封地将流管102连接到容器集管101，同时保持容器集管101的结构完整性。
脱挥器容器100可以具有脱挥聚合物出口120和挥发蒸气出口126。脱挥聚合物出口120可以连接在脱挥器容器100的底部处或附近，并且用于将脱挥聚合物传送到下游处理单元。脱挥聚合物出口120可以包括一个或多个管和/或连接以促进聚合物收集或减少所需的泵尺寸。挥发蒸气出口126可以连接在容器主体128和/或容器集管101的顶部处或附近，并且用于去除在脱挥器容器100内离开聚合物的挥发物。挥发蒸气出口126可以包括一个或多个管和/或连接以平衡蒸气流量。图1a指示通过流管102的流动108的方向，而图1b指示进入脱挥器容器100的聚合物流动124的方向。
在实施例中，熔融聚合物通过流管102供给到脱挥器容器100。例如，熔融聚合物可以从一个或多个上游脱挥系统(例如闪蒸脱挥器)供给到脱挥容器100。熔融聚合物流入并流过流管102，并且以线股127的形式离开穿孔部段132，所述股线收集和再聚集在底部容器主体128中作为熔融物质122。挥发物离开聚合物股线127。在实施例中，脱挥器容器100用于从聚苯乙烯去除挥发物，如苯乙烯单体。在实施例中，脱挥聚合物是含有等于或小于约1000、900、800、700、600、500、400、300、200、100或50ppm苯乙烯单体的聚苯乙烯。挥发物离开股线127，并且通过挥发蒸气出口126离开容器主体128。脱挥聚合物经由脱挥聚合物出口120离开容器主体128，所述脱挥聚合物出口可以将脱挥聚合物传送到精加工操作，例如造粒机。
参考图2a，流管间隔112可以由焊根间隔201限制。焊根204是指焊缝的背面与基底金属表面相交的一个或多个点。在实施例中，基底金属是容器集管101壁。一些实施例基于来自焊缝的热影响区域在焊根204之间具有一英寸的最小间隔。一英寸的间隔可以避免由于焊缝的热影响区域中存在的应力而引起的潜在焊缝问题。通过避开热影响区域，可以避免应力消除，这可以减少制造成本和时间。在实施例中，典型的流管间隔112可以小于或等于4英寸，小于或等于3英寸，或小于或等于2英寸。通过交替容器集管穿透部109和内部支撑结构103，仍然可以满足最小法兰间隔要求，并且可以更容易地满足任何加强容器要求。如本文所使用的，“加强容器要求”是指如asme第viii章第1节中所述的用于构造容器的工程要求。作为交替配置的结果，可以减小流管间隔112，这可以允许更多的流管102放置在容器集管101中，并且由此增加穿孔部段132。
在实施例中，支撑托架205可以焊接或以其他方式连接到容器集管101的内表面。焊缝105可以沿着支撑托架205内部的一个部分或多个部分定位，以便沿着支撑托架205底部，顶部或两者形成焊弧202。如本文所使用的，焊弧202是指焊缝或焊缝组的一部分，其沿着支撑托架205的内周边以弧形延伸，但不围绕整个支撑托架205周边延续。在实施例中，使用焊弧202，特别是焊弧内部来支撑托架205，以将支撑托架205连接到内部容器集管表面，可以影响焊根间隔201要求，包括焊根之间的最小间隔。焊弧202可以围绕支撑托架205的底部，顶部或底部和顶部延续到焊弧202不会比最小焊根间隔201更接近相邻焊接连接106的程度。在支撑托架205包括直径大于流管102的管或导管的一部分的实施例中，支撑托架205可以使用沿着支撑托架205的顶部，底部或两者的内周边放置的焊弧202连接到内部容器集管表面。沿着内支撑托架接头而不是外支撑托架接头放置焊弧202允许焊弧202进一步围绕支撑托架205的内部延伸，而不会违反焊根204之间的一英寸间隔。在实施例中，支撑托架205包括管的半部分，并且焊弧202沿着支撑托架205的下部内周边放置到焊弧202不比所需的最小焊根间隔201更靠近定位的程度，这可以避免由于焊缝热影响区域中存在的应力引起的潜在焊缝问题。通过避开热影响区域，不需要应力消除，这可以减少制造成本和时间。
参考图2a和3a，内部支撑结构可以是端部104直接搁置在其上的支撑托架205。替代地，由于可移动装置(例如滑动套筒或轴承)放置在支撑托架205和端部104之间以允许移动，端部104可以间接地搁置在支撑托架205上。如本文所使用的，支撑托架205是指能够支撑端部104的任何结构，包括但不限于直径大于端部104的管的一部分或管的半部分，其定向成使得当放置在内部时端部104将保持在稳定位置。基于包括但不限于非圆形流管102形状和由于内部容器集管表面中的曲率可能产生的任何角度的考虑，支撑托架205可以根据需要成形为支撑端部104。在实施例中，支撑托架205可以经由焊缝105焊接到容器集管101的内表面。端部104可以通过放置在支撑托架205中被支撑。支撑托架205可以具有足以在操作和维护期间支撑端部104的任何长度310。若干因素可以影响支撑托架205的长度310，包括但不限于热膨胀和收缩的要求，容器尺寸，流管长度和直径，以及包括操作温度的容器操作条件。超过支撑端部104所需的任何长度310可以通过覆盖否则可用于穿孔部段132的区域来减小在容器集管101内使用的流管102的表面积。
在图2b和3b所示的实施例中，内部支撑结构是滑动托架300。如本文所使用的，滑动托架300包括支撑结构209，例如支撑梁或轨道，其位于容器集管101内的关联流管102上方，其中支撑由连接支撑结构209和流管102的吊架207提供。吊架207可以相对于支撑结构209移动，这可以允许响应于热膨胀或收缩力而移动。由此产生的移动减小容器集管壁和流管102上的应力。在实施例中，滑动托架300可以允许流管102的移动小于或等于12英寸，或小于或等于3英寸，或小于或等于1英寸，以便在操作期间考虑容器集管101的热膨胀并且允许为了维护或清洁目的而去除流管102。在实施例中，支撑结构209可以是焊接到容器集管101的内部的工字梁的一部分。支撑结构209可以是管或导管的一部分。支撑结构209可以从容器集管101内表面大致水平地在流管102上方延伸小于12英寸，或小于6英寸，或小于2英寸的长度310。在实施例中，如图2a和3a中所示的支撑托架205可以从容器集管101表面的内部延伸与滑动托架300相同的长度310。
吊架207可以包括梁夹或梁辊208，支撑杆210，以及管夹，辊或支撑件206。梁夹或梁辊208可以连接到支撑结构209。例如，梁夹或梁辊208可以夹持或以其他方式连接到支撑结构209，同时允许其移动。支撑件206支撑流管102。在支撑件206是管夹的实施例中，支撑件206可以相对于流管102固定。使用辊作为支撑件206可以允许相对于流管102的移动。支撑杆210可以是梁夹或梁辊208与支撑件206之间的机械连接。例如，支撑杆210可以具有由螺母固定的螺纹端部。在实施例中，梁辊208和支撑杆210是单个装置，其可以直接连接到流管102，例如，通过与流管102的顶部的焊接连接。
在实施例中，吊架207可以在端部104或端帽130处或附近连接到流管102，例如通过与流管102的顶部的焊接或延伸到经由端帽130可接近的流管102的内部的螺纹连接。这样的配置不会阻碍流管102的底表面区域，从而允许增加容器集管101内的穿孔部段132并增加容量。
在实施例中，滑动托架300可以焊接或以其他方式连接到容器集管101的内部。支撑结构焊缝203通常不与焊接连接106水平对准，原因是支撑结构焊缝203在图2b中示出为在焊接连接106的水平面上方。图2b中所示的支撑结构焊缝203为了说明目的示出为单独的点。在实施例中，支撑结构焊缝203可以是任何类型的焊缝，包括但不限于点焊，缝焊或密封焊缝，如本领域技术人员所知。由此产生的焊缝配置可以减少或消除满足asme焊接要求的任何复杂性，这可以降低安装难度。另外，该焊缝配置可以减小保持焊根204之间的最小1英寸间隔的复杂性，并且可以允许流管间隔112的减小。在实施例中，使用滑动托架300来减小流管间隔112可以允许增加容器集管101内的流管102的数量，可以增加容器集管101内的穿孔部段132，并且可以增加脱挥器容器100的相关生产能力。
参考图3c，与容器集管穿透部109相对的端部104可以由使用其中容器集管101形成支撑凹部304的设计的容器集管101支撑。容器集管101可以设计成使得容器集管101的一小部分从容器的内部向外凹陷以允许端部104进入支撑凹部304并被支撑。端部104可以在支撑凹部304中滑动以允许响应于热膨胀力而移动。由于可移动装置(例如滑动套筒或轴承)放置在支撑凹部304的上表面和端部104之间以允许移动，流管端部104可以直接搁置在支撑凹部304中或者可以间接地搁置在支撑凹部304中。由于与容器集管101同时形成，焊接到容器集管101，或本领域技术人员已知的能够形成到容器集管101的基本密封连接的任何其他方法，支撑凹部304可以密封地连接到容器集管101。在实施例中，容器集管101中的支撑凹部304可以延伸超出容器集管101的外表面小于或等于12英寸，或小于或等于6英寸，或小于或等于3英寸。穿孔部段132可以基本上在容器集管101的内表面之间的整个长度上延伸，并且由此最大化可用于穿孔部段132的表面积。
参考图4，焊接流管400可以通过在容器集管穿透部109处的焊接连接106的使用而直接连接到容器集管101。焊接连接106可以在结构上和密封地将焊接流管400连接到容器集管101，同时保持容器集管101的结构完整性。通过焊接流管400在容器集管穿透部109处焊接到容器集管101，焊接流管400是固定的并且不能被去除。焊接流管400可以通过使用外部歧管法兰405，焊接流管400上的法兰连接111和连接装置406连接到外部分配歧管107。在实施例中，连接装置406可以是一组螺栓以及密封机构，其可以防止从法兰连接111进出容器集管101的泄漏。密封机构可以是填料，焊接，垫圈，螺柱法兰或本领域技术人员已知的任何其他装置或方法。在实施例中，焊接流管400的穿孔部分132可以完全包含在容器集管101内，而流动部段134从容器集管101内部延伸通过容器集管壁以便经由外部歧管法兰405连接到外部分配歧管107。焊接流管400可以从容器集管外表面延伸48英寸至1英寸，或18至3英寸，或12至6英寸的范围内的距离410。
参考图5，流管500可以在外部法兰连接到容器集管穿透部109。外部法兰连接的流管500是指使用直径大于流管500的管或导管402的短部段密封地连接到容器集管101的流管500。导管402的部段经由焊缝407焊接或以其他方式连接到容器集管101的外部并从其延伸一小段距离。在实施例中，外部法兰流管连接可以具有2英寸至36英寸，或8英寸至24英寸，或10英寸至20英寸的范围内的直径。管或导管402的延伸端部可以具有法兰403以接收流管500的法兰连接111和外部歧管法兰405以接收外部分配歧管107。较小直径的外部法兰流管500通过导管402的部分进入容器集管101。外部歧管法兰405可以通过连接装置406(例如一组螺栓和密封机构)连接到法兰连接111和法兰403。密封机构的示例包括填料，垫圈，焊接，螺柱法兰等。可以通过去除连接装置406来去除外部法兰流管500以进行清洁或维护。在实施例中，流动部段134可以从法兰连接111延伸到容器集管101的内壁附近，并且穿孔部段132可以延伸穿过容器101内部。当与支撑凹部304组合使用时，这样的实施例将接近壁到壁穿孔部段132或完整壁到壁穿孔部段132与去除流管500以进行清洁和维护的能力组合。
参考图6a，内部法兰流管600可以在内部法兰连接到容器集管穿透部109。内部法兰流管600可以指其中容器集管101在容器集管壁503中具有法兰连接的连接，并且内部法兰流管600具有法兰连接111，其连接到容器集管壁503中的连接。流体由外部分配歧管107供应，所述外部分配歧管由外部歧管法兰405连接到容器集管壁503的外表面。外部分配歧管107，容器集管壁503和法兰连接111可以使用连接装置406(例如一组螺栓和密封机构)联接在一起。在实施例中，流管600的穿孔部分132可以相对于流管400和流管500减小，原因是在容器集管101的内侧上的法兰连接111附近的流管600的一部分不能被穿孔。可以通过去除连接装置406来去除内部法兰喷嘴600以进行清洁。由于内部法兰喷嘴600的穿孔部段132的减少，内部法兰喷嘴600设计可以导致相对于外部法兰流管400和500的流体分配系统生产能力减小。
参考图6b，内部法兰流管600可以在容器集管101内法兰连接。外部歧管法兰405可以用焊接连接106焊接到容器集管穿透部109中。外部歧管法兰405可以在容器集管101中延伸可以为12至3英寸的距离601。外部歧管法兰405可以法兰连接到容器集管101内的内部法兰流管600。外部歧管法兰405和法兰连接111可以使用连接装置406(例如一组螺栓和密封机构)联接在一起。在实施例中，由于外部歧管法兰405在容器集管101内的延伸，穿孔部分132可以相对于外部法兰流管400和500减小。这样的实施例允许通过去除连接装置406来去除内部法兰流管600以进行清洁和维护。尽管图4-6均示出了经由支撑托架支撑的流管的端部，但是应当理解，诸如滑动托架或支撑凹部的其他支撑件可以与本文所述的任何实施例组合使用。
喷嘴设计
脱挥器喷嘴中的每个穿孔(即，流管的穿孔部段)可以具有最大股线角度。在一些实施例中，脱挥器喷嘴具有大部分穿孔，其具有等于或小于45度，或52度，或52.5度，或65度的最大股线角度。参考图7，股线角度可以用于调节聚合物的脱挥。如本文所使用的，股线角度是指聚合物股线从流管的内部116向流管的穿孔部段132的外部117流动并且相对于竖直轴线离开穿孔115的角度。更具体地，股线角度是指(i)从穿孔115的平面165的中心点160向外延伸90度(如附图标记155所示)的股线150和(ii)从穿孔115的平面165的中心点160延伸的铅垂线170之间的角度θ。铅垂线170可以与离开穿孔115的聚合物股线的降落方向大致平行。脱挥效率可以取决于竖直轴线上的股线间隔。如这里所使用的，股线间隔是指沿着平行于铅垂线170的线的股线的中心到中心间隔。最佳股线角度可能受到股线间隔和穿孔离开直径115影响。通常，较大的股线角度可能需要较大的股线间隔或较小的孔直径中的一个或两者以保持脱挥效率。
穿孔115的全部或一部分可以是恒定直径孔，锥形直径孔或其组合。恒定直径孔是指在孔的整个长度上具有大约相同直径的孔，如平行侧壁162和163所示，其通常例如由直的恒定直径的钻头产生。锥形直径孔是指在喷嘴的内侧和外侧上具有不同直径的孔，其中侧壁162和163在其整个长度上不平行。
不受理论束缚，认为脱挥效率对于0至65度范围内的股线角度而言是大致恒定的。进一步认为脱挥效率对于大于65度的股线角度而言显著减小。在一些实施例中，流管的穿孔部段132或整个流管具有这样的横截面，使得最大股线角度范围为大约0至45度，或52度，或52.5度，或65度。在实施例中，流管的穿孔部段132中的大部分穿孔115或孔，或者流管的穿孔部段132中的基本上所有穿孔115或孔，具有等于或小于45度，或52度，或52.5度，或65度的最大股线角度。在实施例中，等于或大于50、60、70、80、90、95或99重量百分比的聚合物股线以等于或小于45度，或52度，或52.5度，或65度的最大股线角度离开流管。最大股线角度可以根据股线间隔，股线直径，股线锥度，正在脱挥的材料和用于特定设计的穿孔115直径而变化。
可以调节穿孔部段132的可钻孔长度或面积以控制聚合物的脱挥。可钻孔长度是指沿着穿孔截面横截面的周长的线性距离，其中在流管中钻出的孔导致用于脱挥的合适股线角度。给定流管的可钻孔面积是可钻孔长度乘以流管的无阻碍长度的乘积。流管的长度以及流管的其他物理尺寸可能受到总体工艺设计考虑(例如容器主体内的流管的定位和支撑)限制。总可钻孔面积是所有流管的可钻孔面积的总和。孔尺寸，密度或两者可能对脱挥效率有影响。孔密度是指每单位面积(例如平方英寸)的孔的数量。孔尺寸是指流管中的穿孔115的平均直径。在实施例中，孔直径为约1/32英寸至约7/64英寸，约2/64英寸至约7/64英寸，或约3/64英寸至约7/64英寸。在实施例中，孔密度为约10至约400个孔/平方英寸，或约50至约55个孔/平方英寸，或约52个孔/平方英寸。在实施例中，孔可以在可钻孔区域内大致均匀地间隔，例如以60度三角形节距式样，如图8中所示。在实施例中，中心到中心的孔间隔约为5/32英寸。在实施例中，孔尺寸选择为尽可能小，同时避免特定聚合物或工艺流体的结垢特性。可以通过平衡多个因素来选择孔间隔，所述多个因素包括强度要求(其中可能期望更大的间隔)，脱挥/孔密度要求(其中可能期望更小的间隔)，以及当太靠近在一起放置时股线聚集的趋势。例如但不限于，钢板中的孔密度可以约等于或大于0.7。
图9示出了锥形孔4000的实施例，所述锥形孔具有在内喷嘴壁4250上的内径4050和在外喷嘴壁4300上的外径4100。熔融聚合物可以从锥形孔4000的内径流动到锥形孔4000的外径以形成股线，如参考流动箭头4150所示。孔4200的长度等于穿孔部段132的壁的厚度。在实施例中，内径4050可以小于外径4100。替代地，内径4050可以大于外径4100。锥度可以是线性锥度，其是指内径和外径之间的大致恒定的变化率或斜率。一些实施例包括线性锥形孔，其内径为约7/64英寸，外径为约3/64英寸，并且长度为约0.375英寸。实际的孔长度和直径可能随着喷嘴压力等级要求，聚合物流量，聚合物性质和脱挥目标而变化。
图10示出了锥形孔5000的替代实施例，所述锥形孔具有在内喷嘴壁5250上的内径5050，在外喷嘴壁5300上的外径5100，和长度5200。熔融聚合物从孔的内径流动到孔的外径以形成股线，如参考流动箭头5150所示。图5中的锥形轮廓可以被称为漏斗锥形或多个内部锥形孔，其具有大致恒定直径部分5350和非恒定直径部分5400。非恒定直径部分5400还可以包括线性轮廓，非线性轮廓或其组合。恒定直径部分5350的长度可以约小于，等于或大于非恒定直径部分5400的长度。在实施例中，恒定直径部分5350的长度大于非恒定直径部分5400的长度，例如为非恒定直径部分5400的长度的约两倍。
锥形可以将聚合物从较大的内径5050漏斗传送到较小的外径5100。替代地，锥形可以形成倒置的漏斗(或喇叭)以使聚合物从较小的内径5050流动到较大的外径5100。非恒定直径部分5400可以包括肩部5500，其具有在内径5050和肩部直径5570之间的略微弯曲的直径和肩部高度5580。非恒定直径部分5400可以包括邻近并进给到大致恒定直径部分5350的略微弯曲的喉部5600。非恒定直径部分5400可以包括在肩部5500和喉部5600之间的大致线性部分5550。在实施例中，漏斗锥形孔(多个内部锥形孔)具有约0.125英寸的内径，约0.1英寸的肩部直径，约0.03的肩部高度，约0.049的外径，约0.25英寸的大致恒定直径部分长度，和约0.125的非恒定直径部分长度。图10中描绘的入口边缘不是尖锐的或平坦的，而是初始曲率半径为0.03英寸(r0.03)并且第二内部锥形半径为3.0英寸(r3.0)。锥形或圆形边缘和过渡部段倾向于减小压降。
在一些实施例中，锥形孔可以在脱挥器喷嘴中使用以便降低喷嘴结构的强度要求。这样的锥形孔通过减小从喷嘴内部到外部的压降来降低强度要求。锥形孔的包含可以降低可能出现的提高强度要求，原因是引入了旨在减少挥发物含量的其他加强。例如，锥形孔的使用可以减轻对可能使可制造性复杂化并且更昂贵的更强材料的需求。类似地，锥形孔可以帮助抵消与某些喷嘴横截面关联的增加应力和应变。在实施例中，相对于具有恒定直径孔的其他方面相同的脱挥器喷嘴，锥形孔可以使脱挥器喷嘴上的压降减小等于或大于约百分之50，60，70，80或85。在实施例中，由于锥形孔引起的钢板中的应力集中约为2.41。不受理论束缚，认为漏斗锥形提供双重益处：(a)较大的内径将提供显著的压降减小；(b)大致恒定直径部分可以使聚合物股线不易溶胀。再次地，不受理论束缚，大致恒定直径部分可以通过提供物理模具以及聚合物链在流动或股线方向上定向的停留时间而使聚合物股线不易溶胀。
可以通过钻孔或水射流技术或通过激光钻孔或其他加工方法制造喷嘴穿孔。可以用直钻头制造恒定直径孔。例如，可以用锥形(例如，圆锥形)钻头或通过用直钻头铰孔制造线性锥形孔。可以通过水射流或通过用锥形钻头钻出直孔或对孔的一部分进行铰孔来制造漏斗锥形孔(多个内部锥形孔)。可以在最终制造之前或之后制造孔。例如，可以通过对诸如钢板的金属板进行穿孔来形成孔，随后可以对所述金属板进行切割，弯曲，焊接等以形成最终的喷嘴组件。替代地，可以在制造之后对流管进行钻孔。
脱挥器喷嘴的强度可以足以承受与迫使聚合物通过喷嘴穿孔的压力关联的应力和应变。有助于确定合适的喷嘴强度的因素包括孔直径和密度，喷嘴壁厚度和形状，构造的材料，以及通过喷嘴的聚合物的质量流速和相关压力。可以使用有限元分析来分析给定喷嘴设计的应力和应变，例如通过使用商业上可获得的建模软件，例如可从abaqus公司获得的
本文提供的脱挥器喷嘴可以由金属板(例如钢板)形成。可以根据本文所述的参数通过已知的金属加工技术(例如切割，冲压，铣削，焊接等)对钢板进行加工，成形和组装。所选择的钢的类型可以使得在回火之前，它具有足够的延展性以在对板进行穿孔并将其形成喷嘴形状的步骤中最小化制造困难。如果钢板不具有足够的延展性或过硬，则所导致的制造困难可能会增加成本。较硬的钢也更容易发生脆性破坏。可以在对更大强度的需求和对可制造性的需求之间实现平衡。在一些实施例中，在穿孔和形成喷嘴之前钢板被退火以增强延展性。然而，脱挥器喷嘴可以由本领域技术人员已知的任何合适的材料制造。
除了具有足够的延展性之外，钢的类型可以使得回火使成品脱挥器喷嘴能够抵抗本文所述的应力和应变。在实施例中，可以对脱挥器喷嘴或将用于形成脱挥器喷嘴的板进行处理，例如热处理或退火处理，以获得合适的应力和/或应变耐受性。在某些实施例中，钢包括不锈钢；或者，任何aisi(美国钢铁协会)400系列不锈钢；或者，经过处理的aisi400系列不锈钢；或者，热处理304不锈钢；或者，420不锈钢；或者，420f不锈钢；或者，440a不锈钢；或者，al-6xn不锈钢；或者ldx2101不锈钢。在实施例中，喷嘴由0.375英寸厚的钢板构造。
通过喷嘴的聚合物的流速可以尤其受到聚合物特性(例如粘度，可钻孔长度和喷嘴面积，喷嘴孔密度和喷嘴压力)影响。通过喷嘴的聚合物的总流速可以以lb/hr表示，其可以进一步除以喷嘴孔的总数量以得到以lb/hr/孔表示的每孔的流速。在实施例中，脱挥器喷嘴可以在等于或小于约800、700、600、500、400、300、200、100或50psig的聚合物压力下操作。股线典型地暴露于等于或小于约30、20、10、5、1或0.2托的蒸气空间压力以使脱挥效率最大化。
流管的穿孔部段(即，脱挥器喷嘴)可以具有非圆形横截面。非圆形横截面可以具有等于或大于3个边。例如但不限于，非圆形横截面可以具有圆扇形，椭圆扇形或不规则四边形的形状，在本文中也称为具有“冰淇淋锥”或“降落伞”的形状。圆扇形是由圆的两个半径和圆的弧的一部分(即，圆的周边的一部分)包围的圆的一部分。椭圆扇形是由两个半径和椭圆的弧(即，椭圆的周边的一部分)包围的椭圆的一部分。不规则四边形是具有四个边的多边形，其中并非所有边和所有角都是全等的。图11描绘了具有这样的非圆形横截面1100的脱挥器喷嘴的实施例。非圆形横截面1100具有椭圆扇形的形状。非圆形横截面1100具有三个边1110a、1110b和1120。边1100a和1110b可以是直边，并且在一些实施例中可以具有相同的长度。边1120可以是弧，并且以可以大于90度的夹角1115a和1115b与边1110a和1110b连接。边1110a和1110b相遇的夹角1130可以等于或大于70度或76度。在一些实施例中，夹角1130为90度或以下。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解在本公开的范围内，弧1120不需要是连续曲线，而是可以由一个或多个弧段形成。另外，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，任何角部可以是圆形的。边1110a和1110b可以包括非圆形横截面1100的可钻孔长度1150。可钻孔长度1150是沿着每个边1110a和1110b的长度，其中股线角度1140是恒定的并且至多45度，或52度，或52.5度，或65度。可钻孔长度1150小于边1110a和1110b的长度，原因是每个边在其接近角部时开始弯曲，这使股线角度从至多45度，或52度，或52.5度，或65度的常数减小或增加。穿孔仅存在于非圆形横截面1100的可钻孔长度1150上。图1a、1b、2a、2b、3a、3b、3c、4、5、6a和6b中所示的每个流管109和穿孔部段132可以具有图11中所示的非圆形横截面。
图12描绘了具有这样的非圆形横截面1200的脱挥器喷嘴的实施例。非圆形横截面1200具有圆扇形的形状。非圆形横截面1200具有三个边1210a、1210b和1220。边1200a和1210b可以是直边，并且在一些实施例中可以具有相同的长度。边1220可以是弧，并且以可以大于90度的夹角1215a和1215b与边1210a和1210b连接。边1210a和1210b相遇的夹角1230可以等于或大于70度或76度。在一些实施例中，夹角1230为90度或以下。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解在本公开的范围内，弧1220不需要是连续曲线，而是可以由一个或多个弧段形成。另外，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，任何角部可以是圆形的。边1210a和1210b可以包括非圆形横截面1200的可钻孔长度1250。可钻孔长度1250是沿着每个边1210a和1210b的长度，其中股线角度1240是恒定的并且至多45度，或52度，或52.5度，或65度。可钻孔长度1250小于边1210a和1210b的长度，原因是每个边在其接近角部时开始弯曲，这使股线角度从至多45度，或52度，或52.5度，或65度的常数减小或增加。穿孔仅存在于非圆形横截面1200的可钻孔长度1250上。图1a、1b、2a、2b、3a、3b、3c、4、5、6a和6b中所示的每个流管109和穿孔部段132可以具有图12中所示的非圆形横截面。
图13描绘了具有这样的非圆形横截面1300的脱挥器喷嘴的实施例。非圆形横截面1300具有不规则四边形的形状。非圆形横截面1300具有四个边1310a、1310b、1320a和1320b。边1300a和1310b可以是直边，并且在一些实施例中可以具有相同的长度。边1320a和1320b可以是以角1316连接在一起，并且以可以大于90度的夹角1315a和1315b与边1310a和1310b连接的直边。边1310a和1310b相遇的夹角1330可以等于或大于70度或76度。在一些实施例中，夹角1330为90度或以下。受益于本公开的本领域普通技术人员将理解在本公开的范围内，边1320a和1320b不需要由两个连续的直边形成，而是可以由更多的直段形成。另外，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，任何角部可以是圆形的。边1310a和1310b可以包括非圆形横截面1300的可钻孔长度1350。可钻孔长度1350是沿着每个边1310a和1310b的长度，其中股线角度1340是恒定的并且至多45度，或52度，或52.5度，或65度。可钻孔长度1350小于边1310a和1310b的长度，原因是每个边在其接近角部时开始弯曲，这使股线角度从至多45度，或52度，或52.5度，或65度的常数减小或增加。穿孔仅存在于非圆形横截面1300的可钻孔长度1350上。图1a、1b、2a、2b、3a、3b、3c、4、5、6a和6b中所示的每个流管109和穿孔部段132可以具有图13中所示的非圆形横截面。
通常，横截面的可钻孔长度位于横截面的下部分上，使得聚合物股线可以在脱挥容器中通过重力从穿孔部段向下延伸而没有阻碍。在实施例中，图11-13中所示的横截面具有754平方英寸的大致相等的横截面积(15.5英寸的当量直径)，应当理解可以根据总体工艺和设计考虑选择任何合适的横截面积。对于相同的横截面积，喷嘴横截面形状的变化可能导致可钻孔面积和穿孔的数量，股线角度，应力，应变和脱挥聚合物中的挥发物含量等的变化。
横截面积可能与压降和均匀流动分布的设计有关。可以在恒定宽度-可钻孔面积的基础上比较横截面形状以优化流管尺寸并使给定容器尺寸的总孔数最大化。如前所述，对于大于65度的股线角度，脱挥效率显著降低。
图11-13中描述的非圆形横截面形状具有角部或弯曲。为了使应力和应变最小化，角部可以制造成具有弯曲半径。较大的弯曲半径提供较低的应力，但也导致可钻孔面积的损失。理想的弯曲半径取决于压力等级要求，钢厚度，钢的类型或构造的材料，以及制造方法。弯曲半径可以小于或等于4、3、2、1.5、1、0.75或0.5英寸。
以下等式可用于预测用具有非圆形横截面的喷嘴脱挥的聚苯乙烯中的苯乙烯单体含量，聚合物流速为约0.003至约1lb/hr/孔，或者约0.3至1lb/hr/孔，或者约0.049lb/hr/孔，温度为469°f：
vθ＝0＝0.5883ρ1.3935(1)
vθ＝0.0086ρ2-0.5664ρ+0.0719ρθ-0.1578θ-8.3127(2)
v-α0v0+αθvθ(3)
在等式中，v是以ppm表示的苯乙烯挥发物含量，ρ是以托表示的喷嘴的操作压力(其也可以是来自上游闪蒸脱挥器的出口压力)，α0是股线角度θ等于零度的孔的分数，并且αθ是股线角度大于零且小于或等于45度，或52度，或52.5度，或65度的孔的分数。在实施例中，具有本文公开的非圆形横截面的脱挥器喷嘴能够在等于或小于30托的操作压力下生产具有小于100ppm的聚苯乙烯。
在实施例中，具有图11-13的非圆形横截面1100、1200和1300的喷嘴包括锥形孔以进一步减小喷嘴上的应力和/或应变，并且这样的喷嘴可以由例如304不锈钢制成，或者由al-6xn不锈钢制成，或者由ldx2101不锈钢制成。在实施例中，具有图11或图12或图13的横截面的喷嘴可以提供具有等于或小于约100ppm，或者等于或小于约50ppm的挥发物(例如苯乙烯单体)的脱挥聚合物(例如，聚苯乙烯)。
容器集管设计和喷嘴设计
其实施例在图1a-6b中示出的如本文所述的容器集管设计与其实施例在图7-13中示出的如本文所述的脱挥喷嘴设计组合使用。例如，图1a-6b中所示的容器集管设计的流管或至少流管的穿孔部段可以具有：(1)图7中所示的股线角度；(2)图8中所示的穿孔布置；(3)图7、9或10中所示的穿孔形状中的一个或多个；(4)图11或图12或图13中所示的非圆形横截面；(5)或其组合。
本文也公开了一种使聚合物脱挥的方法。该方法包括使熔融聚合物通过如本文所述的容器集管到达如本文所述的脱挥器喷嘴。大多数股线可以以等于或小于45度，或52度，或52.5度，或65度的最大股线角度离开脱挥器喷嘴。脱挥聚合物可以是含有等于或小于约1000ppm的苯乙烯单体的聚苯乙烯。
根据上下文，本文对“公开”的所有引用在一些情况下可仅指某些具体实施例。在其他情况下，它可以指一个或多个但不一定是所有权利要求中所述的主题。尽管前述内容涉及本公开的实施例，型式和示例，其被包括以在本专利中的信息与可用信息和技术相组合时使本领域普通技术人员能够制作和使用本公开，但是公开不仅限于这些特定实施例，型式和示例。可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和另外的实施例，型式和示例，并且本公开的范围由后附的权利要求确定。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！