JPH09509980A - 改良された平板熱交換器デザインを組み込んだポリマー揮発分除去装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ポリマー溶液供給手段（２０）と液体／気体収集および分離手段とを含む平板ヒーター（２２）からなる改良されたポリマー脱揮発分装置であって、該平板ヒーターが更に、複数の流路（１０）を形成する多数の平板を含み、それぞれの流路が実質的に均一の高さをもつが、その全流路長にわたって幅が変化しており、それぞれの流路が次の３つの帯域すなわち、その始点からの距離の関数として幅が減少することを特徴とする、始点がポリマー溶液供給手段に操作上連通する始点（１８）と終点をもつ第１帯域（１２）、少なくとも１つの制限横断面積をもつことを特徴とする第１帯域の終点にある始点及び終点をもつ第２帯域（１４）；およびその始点からの距離の関数として幅が増大することを特徴とする、第２帯域の終点に始点をもち減圧で操作する液体／気体収集および分離領域で終わる第３帯域（１６）；からなり、そして更に第３帯域の最大幅と第２帯域の最大幅との比が２：１〜２０：１であることを要件とする、ポリマー溶液からの揮発分除去装置。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された平板熱交換器デザインを組み込んだ ポリマー揮発分除去装置 本発明は平板熱交換器を含むポリマー揮発分除去装置および比較的高い生成物 流量でポリマー溶液の揮発分の除去即ち脱気を行う方法に関する。 「脱揮発分」又は「脱気」（ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）（以下脱気 と呼ぶ）と称するポリマー溶液からの揮発性成分の除去は、多くのポリマーの工 業的製造における必要な工程である。特に、ポリマーがモノマー溶液から製造さ れるとき、溶媒と未反応モノマーを最終製品から除くことが必要である。たとえ ば、残存モノマーと揮発物は、ポリスチレン、スチレン／アクリロニトリルコポ リマー（ＳＡＮ）またはゴム変性スチレン／アクリロニトリルコポリマー（ＡＢ Ｓ、ＡＥＳなど）のバルクまたは溶液重合のポリマー製品から除かなければなら ない。 ポリマーからの揮発成分の分離は蒸発によって一般に達成され、その方法は沸 点より高い温度でポリマー溶液を加熱し、生成する蒸気を除去することからなる 。１つの脱気法は、ポリマー溶液を熱交換器に通し次いで減圧帯域に通すことか らなる。この目的に好適な熱交換器は、平板ヒーターまたは平板熱交換器と呼ば れ、層状に配置した多数の加熱平板を含み、ポリマー溶液を供給する内部および 加熱および脱気すべき溶液の通路用のヒーターの外部を接続する流路（ｃｈａｎ ｎｅｌ）を残す。改良された性能は、部分的に真空の密閉シェル内にヒーターを 配置することによって達成される。平板ヒーターの従来のデザインは米国特許第 ３，０１４，７０２号、第４，１５３，５０１号、第４，４２１，１６２号、第 ４，４２３， ７６７号、第４，５６４，０６３号、第４，８０８，２６２号、および第５，０ ８４，１３４号に記載された。 平板ヒーターの更に有用なデザインは長い長さの流路を使用し、低温で操作さ れる。これは加熱流路中のポリマー溶液の分布を改良する傾向がある。然し１５ ２ｍｍまたは６インチよりも長い流路の使用は、とくにポリスチレン、ＳＡＮ、 ＡＢＳまたはＡＥＳポリマー溶液が脱気されるときの流れ不安定性をもたらしう る。流れ不安定性は加熱流路中のポリマーの流量の関数として示され、流路の入 口における圧力振動の存在によって検出することができる。これらの振動の強度 は流量が増大するにつれて大きくなる。このような流量の不安定性の観察は、マ フェトンらの“Ｓｌｉｔ Ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｌｙ ｍｅｒ Ｐ”，ＡｌＣｈＥ Ｊｏｕｒｎａｌ，３７，７２４−３４（１９９１年 ５月）によってなされた。 流れ不安定性を生ぜしめる著しい圧力振動の発生なしに高い生成物流量を可能 にする、改良された加熱流路デザインをもつ平板熱交換器を組み込んだ改良され たポリマー脱気装置が提供されたならば、それは望ましいことである。 本発明によれば、ポリマー溶液供給手段と液体／気体収集および分離手段とを 含む平板ヒーターからなる改良されたポリマー脱気装置であって、該平板ヒータ ーが更に複数の流路を形成する多数の平板を含み、それぞれの流路が実質的に均 一の高さをもつがその全流路の長さにわたって幅が変化しており、それぞれの流 路が次の３つの帯域すなわち、 始点と終点をもち、始点がポリマー溶液供給手段に操作上連通しており、その 始点からの距離の関数として幅が減少していることを特徴とする第１帯域； 第１帯域の終点にある始点及び終点をもち、制限横断域を少なく とも１個もつことを特徴とする第２帯域；および 第２帯域の終点にある始点をもち減圧で操作する液体／気体収集および分離領 域で終点となっており、その始点からの距離の関数として幅が増大していること を特徴とする第３帯域； からなり、そして更に第３帯域の最大幅と第２帯域の最大幅との比が２：１〜２ ０：１であることを条件とする改良されたポリマー脱気装置が提供される。 ポリマー脱気条件に操作する前記のような平板ヒーターからなるポリマー脱気 装置にポリマー溶液を供給して脱気したポリマーからポリマー溶液の揮発成分を 分離するポリマー溶液の脱気方法も特許請求される。 本発明のより良い理解のために、添付図面を参照しなければならない。 図１は本発明の平板ヒーターの１つの態様の単一加熱流路を示す。 図２は図１の流路デザインを組み込んだ円筒形平板ヒーターの軸方向の図であ る。 図３は図２の板デザインを組み込んだ本発明の平板ヒーターの側面図である。 図４は図２の板デザインを組み込んだ本発明の平板ヒーターの斜図である。 図５は本発明の平板ヒーターの別の態様の単一加熱流路を示す。 図６は図５の流路デザインを組み込んだ且つ図２とは別の板形態をもつ円筒形 平板ヒーターの軸方向の図である。 図７は図５の板デザインを組み込んだ且つ図６の板形態をもつ本発明の平板ヒ ーターの側面図である。 図８は図５の流路デザインおよび図６の板形態をもつ本発明の平板ヒーターの 斜図である。 溶液が本発明により脱気しうる好適なポリマーとして、溶液法で 代表的に製造しうるすべてのポリマー生成物、または同伴した揮発成分を含む他 のすべてのポリマーがあげられる。例としてオレフィンポリマー、ビニル芳香族 ポリマー、縮合ポリマーなどがあげられる。本発明の目的にとって、ビニル芳香 族ポリマーは１種以上のビニル芳香族モノマーのホモポリマーおよびコポリマー （グラフトコポリマーを含む）および追加ポリマーとのそのブレンドのすべてで あると理解されるべきである。このようなポリマーの例としてポリスチレン、ゴ ム変性もしくは衝撃耐性ポリスチレン、スチレン／アクリロニトリルコポリマー （ゴム変性物たとえばＡＢＳまたはＡＥＳコポリマーを含む）および上記のもの と他のポリマーたとえばポリカーボネートまたはポリフェニレンエーテルポリマ ーとのブレンドがあげられる。好ましいビニル芳香族ポリマーはポリスチレン、 衝撃変性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）およびＡＢＳである。上記のポリマーは大量 または少量の揮発成分を含む溶液として存在しうる。代表的な溶媒として芳香族 または脂肪族の希釈剤ならびに未反応モノマーがあげられる。脱気させるべき溶 媒の量は大過剰から単なる痕跡量までの範囲であることができ、除去すべき揮発 成分の代表的な量はポリマー重量を基準にして２：１〜０．００１：１の範囲に ある。 本発明の脱気装置は、圧力振動のない、それによって熱交換器の生産性および 効率を増大させた、高流量のポリマー溶液を可能にした改良された熱交換器を含 む。平板はすべての好適な材料から作ることができるが、好ましくは鋼、ステン レス鋼、またはアルミニウムから作られる。 図１には、本発明の１態様による平板ヒーターの加熱流路（１０）の形状が示 されている。この加熱流路は３つの帯域からなる。第１の一般に収れんする帯域 （１２）はその出口よりその入口において広い。第２の制限帯域（１４）では流 路が制限帯域を横切る圧力 低下を生ぜしめるに十分な幅を達成し、それによって第１帯域にあるあいだの揮 発成分の実質的なフラッシングを阻止する。第３の一般に発散する帯域（１６） は圧力低下によるポリマー溶液のフラッシングを許すようにデザインされている 。加熱流路の全長は代表的に１５．０〜５０．０ｃｍ、更に好ましくは１６〜３ ０ｃｍである。 第１帯域はポリマー溶液が加熱流路に入る開口（１８）をもつ。第１帯域の長 さは加熱流路の全長の５〜２０％であり、開口（１８）の幅は１．０〜５．０ｃ ｍである。第１帯域の最も広い点の幅と第１帯域の最も狭い点の幅との比は１． ５：１〜１０：１の範囲で変わる。第１帯域は好ましくは、ポリマー溶液の温度 を最終の脱気温度に上昇させるに十分なポリマー溶液との接触表面積を含むが、 第１帯域中のポリマー溶液の圧力は減少しない（減圧の帯域とポリマー供給手段 との間に介在する制限帯域の存在のために）ので、フラッシュは平板ヒーターの 第１帯域から実質的に無くなる。この事実のために、溶液流は制御され順序良く なる。流路の交互の充填と排除は、迅速なフラッシングのために実質的に無くな る。その結果、より均一なポリマーの脱気が達成され、脱気装置の圧力振動およ び急増は無くなる。 第２帯域（１４）は第１帯域の終点に始点をもち、第３帯域の入口に接続する 流路の全長の１０％〜４０％の長さで変化する。第２帯域の幅はその全長にわた って一定にとどまることができ、最小にまで減少してから一定になるか又は最小 に減少してからその後に再び増大することができる。好ましくはその最も狭い点 において第２帯域は０．２５〜２．０ｃｍの幅であり、更に好ましくは０．５〜 １．０ｃｍの幅である。この帯域の最も広い点の幅とこの帯域の最も狭い幅との 比は好ましくは１．０：１〜１．５：１である。また好ましくは第１帯域の最も 広い幅と第２帯域の最も狭い幅との比は２：１より大きく、更に好ましくは３： １より大きい。 第３帯域（１６）は第２帯域の終点に始点をもちポリマー溶液放出用の出口で 終わる（この点でポリマー溶液は実質的に脱気され、脱気した溶媒またはモノマ ーの気泡を同伴して含む溶融ポリマーからなる。第３帯域の長さは流路の全長の ４０〜８５％である。その終点での第３帯域の幅とその入口での第３帯域の幅と の比は好ましくは１．７５：１〜１０：１である。この帯域の幅は入口から終点 まで一定に増大する必要はないが、正弦波または他の曲線形状に従うこともでき る。また好ましくは、第３帯域の最大幅と制限帯域の最小幅との比は２：１より 大きい。 図２には、円筒形の平板ヒーター（１）の軸にそった図が示されている。この 平板ヒーターは、適当な形状のブロック（２６）をもつ交互の層に積み重ねられ たディスク形状の多数の平板（２２）からなり、それぞれの流路の外側寸法を形 成するように配置された且つポリマー供給手段から脱気すべきポリマー溶液を受 け入れる中心室（２４）を形成するように締着されている。中心室の周りには平 板が加熱流路を形成するように配置されている。これは平板ヒーターの周囲に径 方向にのびる。平板ヒーター中の流路の数は８個から数千個まで変わりうる。そ れぞれの流路には孔（２８）があって、その中を加熱媒体が通り、任意に導管ま たはパイプ（２９）（図示していない）によって板（２２）の移動を締着してい る。 図３は図２の平板ヒーターの側面図であって、導管またはパイプ（２９）およ び交互層のディスク（２２）およびブロック（２６）の配列を示し、本発明のこ の態様における流路（１０）の生成をもたらしている。 図４は前述の平板ヒーター（２）を含むポリマー脱気装置の斜線破断図を示す 。このヒーターはシェル（３）の中に配置される。このシェルと平板ヒーターと の間には、蒸気出口（５）に接続するコンデンサー（図示していない）のような 揮発成分除去手段に、及び ポリマー出口（６）に接続するポンプ（図示していない）のようなポリマー放出 手段に、操作上連通する減圧領域（４）がある。 図５は３帯域（１２）、（１４）および（１６）の間に曲線形の且つ徐々の転 移をもつ加熱流路（１０）の別のデザインを示す。入口（１８）および出口（２ ０）も示されている。 図６は平板ヒーターの別の態様の頂面図を示す。そこでは流路が、図５に示す ような曲線形状をもつ流路（１０）を形成するように、同じ層中の隣接板から距 離を置いて離れている対称形板の交互の層（２３）によって形成されている。こ れらの板は板を通る多数の孔（２８）に配置した導管またはパイプ（２９）（図 示していない）によって処理位置に保持される。好ましくは、板（２３）のすべ ては形状および寸法が実質的に同一である。 図７は図６の平板ヒーターの側面図であって、導管またはパイプ（２９）およ び流路（１０）を形成する対称形板（２３）の交互層を示す。 図８は孔（２８）および流路（１０）を示す図６または図７による平板ヒータ ーの対称形状の板の交互層（２３）の斜線図である。 操作にあたり、適当な温度の熱交換流体を孔（２８）内の導管にポンプ給送し 、積み重ね板（２３）を加熱する。ポリマー溶液供給手段（図示していない）か らのポリマー溶液を中心室（２０）に満たし、加熱流路（１０）の開口（１８） に入れ、外側から減圧領域（４）に流す。揮発成分を溶液の発泡により放出させ る。これは好ましくは加熱流路の第３帯域内で起こす。好ましくは溶融状態の脱 気したポリマーを（たとえば重力の流れによって）集め、ポリマー放出手段（図 示していない）から放出させる。完全なポリマーの脱気は、ポリマー中の揮発物 質の含量を２以上の工程で減少させるために直列で操作される１以上の熱交換器 の使用を必要としうる。 図示する態様は、それぞれの流路（１０）が長方形断面をもつけ れども、端は同様に丸くあってもよい。たとえば、流路中の鋭い偶を避けるため に、端は流路の頂部と底部を一つの本径で一緒にすることができる。好ましい流 路はその全長にわたって０．１ｃｍ〜１．０ｃｍの更に好ましくは０．２〜０． ５ｃｍの、一定の高さをもつ。実施例 次の実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定され るものではない。 次の実験において、８５％のポリスチレン（Ｍｗ＝２５０，０００）、８％の スチレンおよび７％のエチルベンゼンを含む１３０℃の温度のポリマー溶液を、 種々のデザインの平板ヒーターからなる脱気装置に種々の流量でポンプ給送した 。すべてのヒーターは同じ高さと流路数をもっていたが、流路の形状は異なって いた。脱気装置は減圧領域で５トールの減圧で操作された。脱気方法のあいだに 起こるポリマー供給手段の中の圧力振動を測定するために、加熱流路の入口の圧 力をトランスジューサによって検知した。種々の流路の形状を検査して種々の流 量でのポリマー溶液の流れ安定性を調べた。すべての実験は１重量％未満までの 揮発成分の減少を達成した。実験１ １５．２５ｃｍの長さ、０．２５４ｃｍの高さ、および２．５４ｃｍの一定幅 をもつ、長方形断面をもつ平板ヒーターをある範囲のポリマー溶液流量にわたっ て検査した。この実験の結果を表１に要約する。 流路のこの長さにおいては、流れの不安定の目立った問題は試験した流量の範 囲にわたって観察されなかったことがわかる。実験２ 実験１の実験を繰り返した。ただし加熱流路は１７．７８ｃｍの増大した長さ 及び２．５４ｃｍの一定幅をもっていた。この実験の結果を表２に示す。 流路の長さの増大につれて、圧力振動の開始が、減少したポリマー溶液供給速 度においてさえ起こることがわかる。実験３ 実験１および２の実験条件をくりかえした。ただし加熱流路は２２．８６ｃｍ の増大した長さ及び２．５４ｃｍの一定幅をもっていた。この実験の結果を表３ に示す。 この長さの加熱流路を使用して試験した高流量において著しい圧力振動が起こ った。実験４ 本発明を説明する実験を次のようにして行った。実験１〜３の実験条件を繰り 返した。ただし加熱流路のデザインを３つの帯域を含むものに変形した。第１帯 域は２．５４ｃｍの長さをもつ減少幅、２．５４ｃｍの開口における最大幅、お よび０．９５３ｃｍの終点の幅をもち；第２の制限帯域は第１帯域の端部に接続 していて５．０８ｃｍの長さをもつ且つ０．９５３ｃｍの一定幅をもつ帯域であ り；第３帯域は第２帯域の端部に接続していて１１．４３ｃｍの長さをもち、幅 が初めの０．９５３ｃｍからその終点における２．５４ｃｍの最大幅まで徐々に 且つ絶えず増大している帯域である。流路の高さは０．２５４ｃｍであった。流 路の全長は１９．０５ｃｍであった。この実験の結果を表４に示す。 この流路のデザインは、とくに高いポリマー溶液流量において、増大した安定 を示す。 上記の明細書から理解されるように、本発明は以上の明細書に記載されたもの とは特に異なる種々の変化と変形を用いて具体化することができる。この理由で 、上記の記述のすべては単に説明のためのものであり、請求の範囲に示され定義 されていることを除いて本発明を制限または限定するものと解すべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ポリマー溶液供給手段、液体／気体収集および分離手段をもつ平板ヒーター をもつポリマー溶液からの改良された揮発分除去装置であって、該平板ヒーター が更に、複数の流路を形成する多数の平板をもち、それぞれの流路が実質的に均 一の高さをもつがその全流路長にわたって幅が変化しており、それぞれの流路が 次の３つの帯域すなわち、 始点と終点をもち、始点がポリマー溶液供給手段に操作上連通しており、そ の始点からの距離の関数として幅が減少していることを特徴とする第１帯域； 第１帯域の終点にある始点及び終点をもち、制限横断域を少なくとも１個も つことを特徴とする第２帯域；および 第２帯域の終点にある始点をもち減圧で操作する液体／気体収集および分離 領域で終点となっており、その始点からの距離の関数として幅が増大しているこ とを特徴とする第３帯域； からなり、そして更に第３帯域の最大幅と第２帯域の最大幅との比が２：１〜２ ０：１であることを要件とする、ポリマー溶液からの改良された揮発分除去装置 。 ２．第１帯域が全流路長の５〜２０％の長さをもち、第２帯域が全流路長の１〜 ４０％の長さをもち、第３帯域が全流路長の４０〜８５％の長さをもつ請求項１ の装置。 ３．全流路長が１６〜３０ｃｍである請求項２の装置。 ４．第１帯域の始点の幅と終点の幅との比が１．５：１〜１０：１であり、第２ 帯域の幅が未変化のままであり、第３帯域の終点の幅と始点の幅との比が１．７ ５：１〜１０：１である請求項２の装置。 ５．ポリマー溶液の揮発成分を揮発分を除去したポリマーから分離 するようにポリマー溶液から揮発分を除去する条件下で操作する請求項１の平板 ヒーターからなるポリマー溶液からの揮発分除去装置に、同伴揮発成分を含むポ リマー溶液を供給することを特徴とするポリマー溶液の揮発分除去のためのポリ マー溶液からの改良された揮発分除去方法。 ６．第１帯域が全流路長の５〜２０％の長さをもち、第２帯域が全流路長の１〜 ４０％の長さをもち、第３帯域が全流路長の４０〜８５％の長さをもつ請求項５ の方法。 ７．全流路長が１６〜３０ｃｍである請求項５の方法。 ８．第１帯域の始点の幅と終点の幅との比が１．５：１〜１０：１であり、第２ 帯域の幅が未変化のままであり、第３帯域の終点の幅と始点の幅との比が１．７ ５：１〜１０：１である請求項５の方法。 ９．ポリマーがビニル芳香族ポリマーである請求項５の方法。