專利名稱：：用來汽提聚合物分散體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用來汽提聚合物分散體或本文所述的"分散體"的方法，具體來說，本發(fā)明涉及用來汽提熱敏性和剪切敏感性分散體的方法。在本文中，熱敏性分散體表示能夠通過升溫至高于5(TC而使其不穩(wěn)定化的分散體，剪切敏感性分散體定義為可通過高于10001/s的剪切使其不穩(wěn)定化的分散體。
背景技術(shù)：
：聚合物是通過各種方法制備的，這些方法包括水基溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合。在本文中，聚合物分散體表示通過乳液聚合、微粒乳狀液聚合或懸浮聚合制備的聚合物。聚合過程是通過向聚合反應(yīng)器(例如攪拌式間歇反應(yīng)器)輸送用于聚合反應(yīng)的材料而進行的。這些材料包括聚合介質(zhì)、表面活性組分、單體和/或聚合物晶種以及任意所需的添加劑。制備聚合物的一個問題在于所得的聚合物分散體包含揮發(fā)性有機化合物("VOC")。VOC可以是任何標(biāo)準(zhǔn)沸點低于25(TC的有機化合物，例如殘余單體、來自單體的雜質(zhì)、反應(yīng)副產(chǎn)物、來自表面活性劑、單體或其它原料的溶劑。問題在于VOC往往具有強烈的異味，人們可能在極低的含量下(例如含量為ppm級)嗅到VOC。另外，一些VOC是有毒的。盡管通過從聚合物分散體中汽提出VOC可以解決與VOC相關(guān)的問題，但是汽提工藝自身存在一些難題。出于兩個原因，對分散體的汽提要比對常規(guī)溶液的汽提更加復(fù)雜。首先，分散體中的表面活性劑物質(zhì)會造成材料發(fā)泡。其次，汽提可能會使得分散體失去穩(wěn)定性，造成聚合物弄污設(shè)備，在分散體中產(chǎn)生被稱為凝膠的聚合物聚集體。分散體的汽提通常在真空和較低溫度下進行，以使設(shè)備污染和凝膠形成最小化。真空使得發(fā)泡情況更為嚴(yán)重。本領(lǐng)域已經(jīng)意識到分散體的這些問題，試圖通過在有夾套的管子或?qū)Ч苤?，使水基聚合物發(fā)泡分散體與蒸汽并流接觸，從而從該分散體中連續(xù)汽提出VOC，以解決該問題。并流接觸是指兩股接觸的流體在汽提塔中沿相同方向流3動。例如，在美國專利第2,467，769號中揭示了一種用來在汽提過程中加熱分散體和整體的單獨夾套管。由于金屬表面上的加熱速率與表面上的溫差以及接觸面積成比例，因此這種設(shè)計在用于溫度敏感材料的較大工業(yè)規(guī)模的設(shè)備上受到限制。當(dāng)使用單獨的管的時候，在幾何尺寸成比例放大的時候，表面積與體積之比降低，需要加熱面上具有更大的溫差，從而在工業(yè)規(guī)模上保持成比例的更高的加熱速率。較高的溫差造成了較高的汽提塔夾套溫度，這會造成設(shè)備污染，以及設(shè)備內(nèi)表面上累積分散體，而且還會發(fā)生分散體膠凝。對于具有低于5(TC的較低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的產(chǎn)物來說，這種情況尤為顯著?；蛘呷绻龉茏硬皇浅蓭缀纬杀壤糯螅峭ㄟ^加長以增大表面積，則會使得設(shè)計過大。另外的欲解決分散體汽提問題的嘗試可參見美國專利第3,469,617號。美國專利第3,467,617號揭示了使用板-框架式熱交換器作為連續(xù)汽提裝置。所述板-框架式設(shè)計的表面積與體積之比大于帶有夾套的管，在加熱分散體的過程中可保持低的溫差。隨著時間推移，在所有的設(shè)計中都出現(xiàn)了聚合物累積，需要除去聚合物。這種設(shè)計更難清潔。為了清潔，需要將板拆開，清潔，然后重新組裝在框架中。對于丙烯酸類聚合物分散體，可將熱的苛性物質(zhì)泵抽過熱交換器，以酸化脂，使得聚合物更易溶于水，然后將材料沖出。對于非丙烯酸類聚合物，苛性法無法這樣良好地工作。目前我們發(fā)現(xiàn)，通過在汽提過程中使用具有極小的內(nèi)部障礙的熱交換器(例如單程殼管式熱交換器)，可以解決分散體連續(xù)汽提中出現(xiàn)的聚集和污染的問題?？梢韵癜?框架式熱交換器設(shè)計那樣保持高的表面積-體積比的優(yōu)點，殼和處理側(cè)面(processside)之間的溫差可保持在所需的較小的水平，約為5。C。低的溫差是很重要的，這是因為低的溫差能夠保持相對于沿汽提塔壁分布的材料的Tg較低的溫度。這樣可以在工業(yè)中以遠(yuǎn)高于實驗室規(guī)模的流速汽提分散體，同時在工業(yè)中夾套內(nèi)保持與實驗室相同的優(yōu)選的溫差，從而將設(shè)備的污染和凝膠的形成減至最少。
發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明中，提供了一種用來對包含揮發(fā)性物質(zhì)的聚合物分散體進行連續(xù)汽提的方法，該方法包括提供聚合物分散體和蒸汽，所述分散體包含水乳液聚合物和揮發(fā)性有機化合物；將所述聚合物分散體和蒸汽加入汽提塔；從所述分散體中除去至少一部分的揮發(fā)性有機化合物；將所述部分的揮發(fā)性有機化合物輸送到蒸汽；在分離容器中將所述蒸汽與所述水乳液聚合物分離所述汽提塔(a)其表面積與體積之比至少為10:l1/米(l/m);(b)其由一個或多個并聯(lián)或串聯(lián)的熱交換器組成，所述熱交換器是殼管式或螺旋式熱交換器。圖l是根據(jù)本發(fā)明的汽提方法的示意圖。編號10分散體進料20蒸汽進料30汽提塔40分離器50第一分離器出口60第二分離器出口70冷凝器80真空90接收容器優(yōu)選實施方式圖l中顯示了一種工藝的示意圖。盡管圖l顯示了汽提法的一種設(shè)計，但是此圖不會對本發(fā)明構(gòu)成限制。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會意識到，可以通過使用功能類似的設(shè)備和多種設(shè)置、但是不改變汽提塔的種類，從而改良該種設(shè)計。另外，所述工藝設(shè)備的數(shù)量也不是限制性的。例如，可能存在單獨的汽提塔(30)或多個汽提塔(30),或者可以存在單獨的冷凝器(70)或多個冷凝器(70)。對于分離器(40)的情況也是如此。如圖l所示，將包含聚合物分散體和揮發(fā)性有機化合物的溶液作為進料(10)加入所述一個或多個汽提塔(30)。所述揮發(fā)性物質(zhì)可以是疏水性的，主要存在于分散體的聚合物相中，或者它們可以是親水性的，主要存在于分散體的水相中。還將蒸汽作為進料(20)加入所述一個或多個汽提塔(30)中。所述聚合物分散體(10)和蒸汽(20)可以在汽提塔之前接觸或者在汽提塔中接觸。它們可以一同或分別地加入所述一個或多個汽提塔中。所得的聚合物分散體和蒸汽混合物通過所述汽提塔(30)，進入所述一個或多個分離器(40)。在此處，聚合物分散體與蒸汽分離。蒸汽通過第一分離器出口(50)離開分離器(40)，進入一個或多個冷凝器(70)，在冷凝器(70)中，揮發(fā)性有機化合物冷凝并收集在接收器容器(90)中。聚合物分散體通過第二分離器出口(60)離開分離器，汽提后的分散體被收集。在一個實施方式中，將蒸汽和聚合物分散體共加入汽提塔的底部。在本文中，共加入表示蒸汽和聚合物分散體作為一股兩相液-氣物流或兩股獨立的氣流和液流進入所述汽提塔。在本文中，所謂的汽提塔是熱交換器。本發(fā)明合適的熱交換器包括但不限于單程殼管式熱交換器，多程殼管式熱交換器，以及螺旋形熱交換器。在本發(fā)明的一個實施方式中，所述汽提塔是單程殼管式熱交換器。所述單程設(shè)計的優(yōu)點在于，其使用筆直的管，更容易通過噴水清潔。使用這種設(shè)備能夠避免昂貴的勞動密集型拆卸步驟，還可避免使用會消耗成本和帶來安全問題的苛性堿。在汽提塔的殼內(nèi)可包括單個管或多個管。對汽提塔中管的直徑和數(shù)量進行設(shè)置，使得管內(nèi)分散體和蒸汽混合物的流速保持在大于或等于30米/秒。這種流速通過剪切分散體和促進VOC去除抑制了發(fā)泡。在本發(fā)明中，表面積與體積之比是一個重要的特征。合適的表面積與體積之比大于或等于IO1/米。所有的比例都包括端值且可以互相組合。殼管式設(shè)計的較高的表面積與體積比可以提供足夠的熱交換，以濃縮分散體的聚合物乳液固體。另外，與使用單獨的有夾套的管的現(xiàn)有技術(shù)方法相比，這種設(shè)計提高了對不希望有而又難以除去的疏水性VOC的去除效果。由于汽提塔提供了更大的表面積，僅中等程度的加熱可優(yōu)選用來保持或增加固體含量。中等表示1-5。C。對于容易在較高溫度下造成污染或形成凝膠的熱敏性材料來說，需要中等的加熱。在通過汽提塔之后，聚合物分散體和蒸汽進入分離容器。VOC在聚合物分散體和蒸汽之間分配。所述疏水性VOC,例如二丁基醚和丙酸丁酯的汽提速度傾向于比親水性VOC(例如丁醇和甲醇)的速度慢。汽提塔中增大的表面積以及對聚合物分散體更劇烈的剪切增大了疏水性VOC的傳質(zhì)速度。包含疏水性VOC的聚合物分散體被分離，通過重力作用落到分離器的底部，蒸汽被其它包含的不可冷凝的氣體從分離器的頂部帶出。將聚合物分散體泵抽出所述分離器容器。分離器容器包括夾套、線圈或外部熱交換器，用來在分離分散體和水蒸氣的過程中進行冷卻，以減少分散體的發(fā)泡。然后所述蒸汽和VOC在熱交換器或冷凝器中冷凝，冷凝物被收集在接收器容器中。適用于本發(fā)明的熱交換器或冷凝器是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員己知的。另外，該方法在真空下進行。保持真空環(huán)境對于防止污染所述分散體是很重要的。真空裝置可設(shè)置在冷凝器后面，接收容器之前或之上。真空壓力范圍的上限為40，000和27，000Pa，下限為100和2700Pa。這些壓力范圍包括端值且可以互相組合。工藝溫度通過系統(tǒng)的真空壓力設(shè)定。最大溫度范圍是從上限100。C至下限20°C。當(dāng)所述聚合物分散體為丙烯酸類分散體的時候，優(yōu)選的溫度范圍是從上限60。C至下限30。C。汽提塔外殼溫度設(shè)定為高于汽提塔內(nèi)的溫度，以補償熱量損失，確保進入和流出該過程的物流相同，從而保持分散體中的固體含量。對于熱敏性材料，應(yīng)當(dāng)在汽提塔之內(nèi)，對管的外部加熱，使得汽提塔夾套溫度比汽提塔管的溫度高1-5'C。在本文中，汽提塔夾套溫度表示在汽提塔內(nèi)部以及內(nèi)汽提塔管外部之間的空間測得的溫度。實施例測試方法固體測量使用標(biāo)準(zhǔn)實驗室天平在鋁盤上稱取2.5克聚合物分散體。將樣品置于烘箱中以蒸發(fā)水分。使用之前和之后的重量計算固體含量。烘箱溫度設(shè)定在150。C，所述樣品加熱20分鐘。VOC觀ij量在HP5890氣相色譜上測量VOC。操作條件如下:溫控程序<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>樣品制備:內(nèi)標(biāo)樣5,000ppm乙二醇二乙基醚(EGDEE)稀釋系數(shù)1:1注射體積2毫升EGDEE可很容易地購自Sigma-AldrichChemicals。校正信息:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例l.三種工藝結(jié)構(gòu)的比較所述三種工藝結(jié)構(gòu)為a.通過長54"、直徑l"的管進行汽提b.通過具有10根長36"的3/8"-管的單程殼管式熱交換器進行汽提，所述IO根管位于所述熱交換器殼中部的中心。c.通過具有10根長36"的3/8"-管的單程殼管式熱交換器進行汽提，5根管位于所述熱交換器殼的中心，5根偏離中心。在各工藝結(jié)構(gòu)中，分散體流速=740克/分鐘，蒸汽流速=150克/分鐘；汽提塔溫度=47.9°(:;汽提塔夾套溫度二48.3。C;蒸汽停留時間=1.8秒或0.03分鐘。結(jié)構(gòu)"a"的汽提塔內(nèi)的分散體和蒸汽的速度為82米/秒。結(jié)構(gòu)"b"和"c"的汽提塔中分散體和蒸汽的速度為59米/秒。固體結(jié)果列于表l。表l.固體結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如表l所示使用相同的汽提塔和夾套溫度，殼管式熱交換器(b和c結(jié)構(gòu))的增加的表面積對固體含量的增大要大于單個管的情況(a)。實施例2兩種工藝結(jié)構(gòu)的比較這兩種工藝結(jié)構(gòu)為a.通過長54"，直徑2"的管進行汽提b.通過包含40根長36"的3/8"管的單程殼管式熱交換器進行汽提，40根管位于熱交換器夾套的中心。在各工藝中，分散體流速=1190克/分鐘；蒸汽流速=150克/分鐘；汽提塔溫度=42.5°&蒸汽停留時間=0.025毫米。結(jié)構(gòu)"a"的分散體和蒸汽的速度為160米/秒，結(jié)構(gòu)"b"的流速為120米/秒。V0C結(jié)果列于表2。表2.VOC結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>*b/n-之間實施例2以大于實施例1的規(guī)模進行。在熱交換器/汽提塔中，更難去除的疏水性VOC(二丁基醚和丙酸丁酯)被萃取到更低的VOC百分含量水平。在兩種結(jié)構(gòu)中，親水性VOC(丁醇和甲醇)以相同的去除百分?jǐn)?shù)萃取。熱交換器管的較小的直徑產(chǎn)生了更大的表面積和更大強度的剪切，促進了更難除去的疏水性VOC的分離。權(quán)利要求1.一種對包含揮發(fā)性物質(zhì)的聚合物分散體進行連續(xù)汽提的方法，該方法包括提供聚合物分散體和蒸汽，所述分散體包含水乳液聚合物和揮發(fā)性有機化合物；將所述聚合物分散體和蒸汽加入汽提塔中；從所述分散體中除去至少一部分的揮發(fā)性有機化合物；將所述部分的揮發(fā)性有機化合物輸送到所述蒸汽；在分離容器中將所述蒸汽與所述水乳液聚合物分離；所述汽提塔(a)其表面積與體積之比至少為10∶11/米；(b)其由一個或多個并聯(lián)或串聯(lián)的熱交換器組成，所述熱交換器是殼管式或螺旋式熱交換器。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述汽提塔是單程殼管式熱交換器。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述汽提塔內(nèi)聚合物分散體和蒸汽的流速至少為30米/秒。4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述汽提塔內(nèi)，對所述管的外部進行加熱。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對于真空，所述聚合物分散體加入時的溫度高于水蒸汽溫度。6.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空中的壓力為2700-27,000Pa。7.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述分離容器包括夾套、線圈或外部熱交換器。全文摘要一種用來對聚合物分散體進行連續(xù)汽提的方法，其包括用于汽提塔的具有最小內(nèi)部障礙的熱交換器。所述方法特別適于對熱量和剪切敏感的分散體。該方法能夠比單獨的有夾套的管設(shè)計更有效地萃取疏水性VOC。文檔編號B01D3/38GK101259336SQ20071016693公開日2008年9月10日申請日期2007年10月29日優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日發(fā)明者A·洛亞克,J·K·卡朋特申請人:羅門哈斯公司