将单体溶液的液滴分散到反应器中的装置的制作方法

本发明着手于一种用于向用于液滴聚合的反应器中加入用于生产聚(甲基)丙烯酸酯的单体溶液的液滴的装置，包括至少一个通道或液滴化器头，在其底部具有通过其使所述溶液被导入到反应器中的孔。

背景技术：

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。随着交联水平的提高，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提高而下降，并且压力下的吸收在非常高的交联水平下又再次下降。

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，通常将吸水聚合物颗粒后交联。这仅提高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之间的相互影响。后交联可在水凝胶相中进行。然而，通常将研磨并过筛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性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，在混合捏合机中所述单体反应以产生聚合物。在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，将单体以可能还含有其他添加剂的单体溶液的形式引入到用于液滴聚合的反应器中。单体溶液引入到反应器中后，其就分裂成液滴。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。液滴在反应器中下降，在此期间单体反应产生聚合物。在反应器的底部区域是流化床，由液滴通过反应形成的聚合物颗粒降落到所述流化床中。然后在所述流化床中发生进一步反应。相应的方法例如记载在以下中：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在反应器中下降以形成聚合物)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不希望的沉积物的形成。另一缺点在于，在反应器中液滴与气体不均匀地混合。这产生不均等的液滴温度，并由此导致液滴的干燥和聚合条件不均等，这对最终产品的性能具有不利的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于向用于液滴聚合的反应器中加入用于制备聚(甲基)丙烯酸酯的单体溶液的液滴的装置，使用该装置，使得液滴在反应器横截面上的均匀分布成为可能，并且所述装置还确保了液滴不会合并及使通过液滴与反应器壁的过早接触产生的器壁沉积物最小化。

所述目的通过一种用于向用于液滴聚合的反应器中加入用于生产聚(甲基)丙烯酸酯的单体溶液的液滴的装置来实现，所述装置包括至少一个通道或液滴化器头，在其底部具有通过其使所述溶液被导入到反应器中的孔，满足以下特征中的至少一个：

(a)被反应器中的通道或液滴化器头覆盖的面积相对于由沿着最外侧的孔的线的周长限定的面积的比例小于50％，

(b)孔的数量相对于由沿着最外侧的孔的线的周长限定的面积为100个孔/m²至1000个孔/m²。

通过所述构造，使得反应器中的通道或液滴化器头覆盖的面积相对于由沿着最外侧的孔的线的周长限定的面积的比例小于50％，可以使足够量的从液滴加入装置的上方供应至反应器中的气体流过所述装置进入到反应器中，从而在反应器中可以达到均匀的气速，更具体而言，从而在气体绕过装置流动时不存在气体的过度加速和涡流，那样会导致不想要的液滴偏转、进而导致在液滴化装置区域中碰撞和合并。优选被反应器中的通道或液滴化器头覆盖的面积相对于由连接最外侧的孔的线包围的面积之比在3％至30％的范围内。

通过所述实施，使得孔的数量相对于由连接最外侧的孔的线形成的面积为100个孔/m²至1000个孔/m²，这确保了孔中形成的液滴彼此具有足够大的间距，并且还能够与流过反应器的气体进行充分接触。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为150个孔/m²至800个孔/m²，特别为200个孔/m²至500个孔/m²。

对于用于液滴化单体溶液的装置的简单修改，优选使所述至少一个通道在其基部与至少一个可拆卸的液滴化器片连接，在所述液滴化器片中形成用于添加单体溶液的孔。这首先使得能够随着单体溶液或期望的液滴尺寸的改变，通过以简单的方式更换液滴化器片来改变孔的尺寸；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污损时，能够清洁用过的液滴化器片。

具体实施方式

通常，单体溶液从液滴化装置的孔中以液体射流的形式离开，然后所述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离开的液体的量，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。

在一个实施方案中，将其基部形成有孔的通道星型布置在反应器头部中。特别在具有圆形横截面的反应器中，通道的星型布置使得液滴能够在反应器中均匀分布。添加通过通道来进行，将单体溶液引入所述通道中。液体通过通道基部的孔离开并形成液滴。

为使由通道离开的液滴尽可能快地与绕过通道流动的气体接触，另外优选所述通道具有最小宽度。通道的宽度优选在25至500mm的范围内、更优选在100至400mm的范围内且特别是在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：

特别地

在这些公式中，周长C应以米为单位，“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交错，使得通过通道的布置获得例如矩形节距(pitch)或三角形节距。在三角形节距和矩形节距的情况下，许多平行排列的通道分别彼此横切组合，在矩形节距的情况下彼此横切组合的通道之间的角度为90°，且在三角形架设的情况下优选为60°。

作为其中所有通道都在反应器的中心相交的星型布置的替代，或者还可以以围绕反应器中心旋转对称的方式来布置通道，在这种情况下，各个通道由外壁向反应器中心的方向不同程度地伸入反应器中。这在大反应器直径的情况下是特别有利的，因为这样的布置使得在反应器外侧比在反应器中间具有更多的通道，并因此能够在整个反应器横截面上更均匀地供应单体溶液。

在另一实施方案中，添加液滴的装置包括至少一个环形通道。优选地构造所述环形通道，使得其平行于反应器的内壁延伸，并且内壁与通道之间的距离在整个周长上相同。为了均匀地分布液滴，还优选最外侧环形通道的直径比反应器的最大内径小10％至35％。

如果使用液滴化器头而不是至少一个通道来加入单体，则所述液滴化器头优选具有圆形或均匀多边形的横截面。所述圆形或均匀多边形的横截面同样达到在反应器中均匀分布液滴的效果。例如，当反应器同样具有圆形的横截面时，可以使用液滴化器头。在反应器为非圆形横截面的情况下，均匀的液滴分布例如可通过使用多个液滴化器头来实现。

除了使用至少一个通道或液滴化器头来加入单体溶液外，也可以使用至少一个通道和一个液滴化器头。例如，可以使用液滴化器头和围绕液滴化器头的环形通道。除了液滴化器头以外，还可以提供从外向内伸入的径向排列的通道。

为了获得用于吸水性聚合物的合适尺寸的液滴，优选添加单体溶液的孔的直径在25至500μm范围内、更优选在50至350μm范围内、且特别是在100至250μm范围内。液滴化器片中的孔可制造成圆锥形、圆柱形、或具有圆锥形和圆柱形部分。在制造成圆锥形和圆柱形部分的情况下，圆锥形部分在面向通道的一侧，在这种情况下直径从上直径朝向圆柱形部分减小。随后的圆柱形部分具有上文定义的直径。

为了产生足够大量的液滴，优选液滴化器片中的孔布置成多排孔。在本文中特别优选一排孔中的各个孔之间的距离以及相邻排的孔之间的距离基本上相同。一排孔中的孔以及彼此相邻的孔排之间的合适距离在1至100mm的范围内、优选在2至50mm的范围内且特别是在3至20mm的范围内。

为了能够将足够大量的单体溶液引入反应器中，还有利的是，基于液滴化器的面积计的孔的数量为1000个孔/m²至15 000个孔/m²、优选为2000个孔/m²至12 000个孔/m²、且特别为4000个孔/m²至10 000个孔/m²。

另外优选的是，至少在通道的边缘处的孔以这样的方式形成，使得单体溶液相对于反应器的轴线成一定角度地从孔中离开。通过单体溶液相对于反应器的轴线成一定角度地离开，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，单体溶液离开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离开可通过以下实现：恰当地构造所述孔，例如在液滴化器片上以一定角度形成所述孔；或成角度地构造液滴化器片。

如果在液滴化装置的各个通道的整个长度上液滴离开孔的角度是恒定的，那么其优选在0至30°的范围内、优选在0.1至20°的范围内且特别是在0.2至15°的范围内。

尤其在星型布置的通道的情况下，因为从中央向外两通道之间的距离增加，所以优选液滴离开孔的角度随孔的位置发生变化。因此，更接近中央的角度小于外部处的孔的角度是有利的。

在星型布置的情况下，优选地，至少从径向边缘处的孔离开的液体所成的角度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是液滴离开的速度,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离开角度可通过数值模拟计算来进一步优化。除了离开角度恒定变化之外，或者还可以使液滴的离开角度成梯度地变化。为此，在成梯度变化的情况下，根据上述定义各阶段中中间的角度是固定的。

液体从液滴化器片的孔与反应器的轴线成一定角度地离开，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离开。使单体溶液通过其被加入到反应器中的孔，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离开角度。尤其在使用多个液滴化器片且通道为星型布置的情况下，在离开角度变化的情况下，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，可以使液滴化器片沿纵向轴线方向形成为圆弧段形式。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。

本发明的工作实施例示于附图中，并且更加详细地描述在以下说明中。

附图说明：

图1通过用于液滴聚合的反应器的纵剖面，

图2不同长度的径向液滴化器通道的布置，

图3以星型排列的液滴化器通道的布置，

图4矩形节距的液滴化器通道的布置，

图5三角形节距的液滴化器通道的布置，

图6第一个实施方案中通过液滴化器通道的横截面，

图7第二个实施方案中通过液滴化器通道的横截面，

图8第三个实施方案中通过液滴化器通道的横截面，

图9液滴化器片的俯视图。

图1示出了通过用于液滴聚合、优选用于制备聚(甲基)丙烯酸酯颗粒的反应器的纵剖面。

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，在其中结束反应。

为进行聚合反应以制备聚(甲基)丙烯酸酯，通过单体进给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给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)离开，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的孔离开的单体溶液分裂成单个液滴。此外，所述气流促使单个液滴缺乏接触及其聚结成更大的液滴。

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的壁，反应器头部3优选为锥状，如图1所示，在此情况下，液滴化装置5是位于柱状区域上方的锥状的反应器头部3内。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壁之间仍然存在足够大的距离，以防止液滴撞击所述壁。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，离反应器的壁更大的距离也是可以的。然而，这样的缺点在于，更大的距离关系着反应器横截面的较差利用。

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。在所述流化床中，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，为了避免液滴还撞击反应器的中部区域7的壁，在液滴化装置和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％。

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。这样的优势在于，在反应器1中形成的撞击所述壁的聚合物颗粒可以沿着所述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。

关于用于流化床11的运行的气体供应，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两处引入到反应器1中，所以必须在合适的位置将气体从反应器1中抽出。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的壁的环状腔室21，气体流入所述环状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而从其中抽出。

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取出。

图2示出了不同长度的径向液滴化器通道的布置。

在第一个实施方案中，液滴化装置具有径向通道25。在此情况下，一部分通道25伸至反应器1的中间。另一部分通道24伸入反应器1不是很远，因此，特别在其中伸至反应器1中间的径向通道25之间的距离较大的反应器的外部区域中，提供可将单体溶液引入反应器1中的另外的通道24。这能够使得液滴在整个反应器横截面上更均匀地分布。

为了促进离开液滴化装置的液滴较少与反应器1的壁碰撞，在反应器头部3中可将通道布置成与水平方向成角度β。所述角度β优选在0°至20°的范围内，更优选在0°至15°的范围内且尤其是在0°至5°的范围内。在此情况下，面对反应器3的器壁一侧的通道低于面对反应器3的中间一侧的通道。

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示出了矩形节距的布置，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示出了三角形节距的布置。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。

为了使得在图4和5中示出的实施方案中的通道能够被拉出，相互平行排列的通道25需要在不同的水平面上。

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，但平行排列却在不同方向上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，在此情况下，通道的数量可随着反应器周长的变化而变化。此外，可以将通道构造成具有不同的长度，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。

在图3至图5中通过点线区域示出了液滴化器片26的位置，所述液滴化器片26在通道底部终止了用于供应单体溶液的通道，且其上形成了使单体溶液液滴化到反应器中的孔。

根据本发明，选择通道24、25的数量，使得被反应器中的通道24、25或液滴化器头覆盖的面积相对于由沿着最外侧的孔的线的周长限定的面积的比例小于50％。这确保了充足的气体可以流过通道24、25并实现了气体与离开通道24、25的液滴的充分接触。

图6、7和8示出不同实施方案中的通过通道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，至少在通道外孔中形成的液滴是与垂直方向(即与反应器轴线)成一定角度地离开的。为此，例如可将在其中形成所述孔的通道的区域构造成圆弧段的形式，如图6中所示。因此，单体溶液离开的角度α相对于反应器轴线29离开从通道的中间向外增加。

或者，如图7所示，也可以将在其中形成所述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离开的角度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。

为了能够简单地进行孔清洁，当孔形成于液滴化器片中时是有利的，所述液滴化器片设置在通道25的基部的相应构造的开口处。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，单体溶液离开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，特别优选使通道25形成有矩形横截面。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。

图9示出了液滴化器片的俯视图。

液滴化器片26具有许多孔使单体溶液液滴化至反应器中的孔35。单体溶液流过孔35，并且在离开液滴化器片26后，分离成液滴。液滴是在离开液滴化器片26后立即产生的。

根据本发明，选择液滴化器片中孔的数量相对于液滴化器片26的面积，使得孔的数量相对于由沿着液滴化器片26最外侧的孔35的线的周长限定的面积为1000个孔/m²至15 000、优选为2000个孔/m²至12 000个孔/m²且特别为4000个孔/m²至10 000个孔/m²。此处考虑反应器1中的液滴化装置5的所有液滴化器片。适当数量的孔35产生足够大量的液滴，从而反应器能够经济地运行；另一方面，滴液的数目必须不能多得使各个液滴碰撞和合并。因此，必须选择液滴的数目，使得每个液滴被足够大的气体体积包围，利用所述气体体积基本上可以避免与其他液滴的碰撞。如果反应器只是以经济上可行的方式运行，是不可能实现完全避免液滴的碰撞和各个液滴的合并的。然而，当液滴化器片中孔35的数量相对于由沿着液滴化器片26的最外侧孔35的线的周长限定的面积在上述范围内时，就实现了基本避免。

从制造的角度来看，优选将用于单体加入的孔35布置成平行相邻的孔排37，如图9所示。为了基本上避免液滴的碰撞，一排孔中的孔之间以及孔排彼此之间的合适的距离在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。

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 单体进给

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

24 通道

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

35 单体加入孔

37 孔排