分散体除臭用塔器及方法

专利名称：分散体除臭用塔器及方法
技术领域：
本发明涉及用于降低分散体中残余挥发分含量(分散体除臭)的塔器和方法、制备聚合物分散体的设备、所获得的聚合物分散体及其应用。
采用悬浮或乳液聚合制备聚合物悬浮液或分散体的方法是已知的。通常，产物中仍然包含不希望有的挥发性有机成分，如因转化不完全而残留的单体、原料中含有的杂质、引发剂的分解产物或副反应生成的低分子量产物。这些化合物以下统称为残余挥发分。1995年12月15日，为颁布EC(欧共体)环境代号就室内油漆及室内涂料规定环境标准所作委员会决定96/13/EC中，将上述残余挥发分又细分为挥发性有机化合物(VOC)和挥发性芳烃。这两种情况所指的都是在常压条件下沸点(或初沸点)最高为250℃的有机化合物。挥发性芳烃在结构式中包含至少一个芳核。本文所使用的集合名词(术语)“残余挥发分”是指所有沸点(或初沸点)最高为250℃的这些有机化合物。这些残余挥发分对许多使用分散体及悬浮液的场合是不受欢迎的，例如用于食品或化妆品领域或室内装修，故此，要求尽可能将它们清除。
于是，需要对分散体或乳液进行清除挥发性有机化合物的处理。这类处理通常称之为除臭。已知有各种各样的技术和设备可用于此目的除了化学方法之外，不过这类化学方法只对不饱和化合物起作用，普遍采用的要算汽提技术，即令一种汽提气穿过悬浮液或分散体。所使用的汽提气包括空气、氮气、超临界二氧化碳、臭氧或蒸汽。以汽提气处理悬浮液或分散体所用的设备可取各种各样的形式。式样最简单的设备由盛有悬浮液或分散体的容器构成，借助喷枪或阀门从容器的底部将汽提气引入并穿过整个容器。替代地，如今的除臭也可以在除臭塔或脱挥发分塔中连续地进行。
DE-A2550023公开了一种脱挥发分塔，它包括自下而上安放的许多塔板。这种塔器的重要特征是，沿每块塔板的一周与塔外壳之间均匀地空出间隙。然而，这种特征却严重地妨碍了整个塔的效率，因为可以观察到液相会在没有达到要求的汽提效果的情况下就从这些边缘空隙流过。
DE-C2759097描述了一种从分散体中清除单体的方法，其中所使用的塔几乎完全充满了液体。可是，这样会造成塔藏量不希望地增加，并且要求的定期清理也非常费工，致使在例如更换产品时总是出问题。该塔的比开孔面积为1.6％。
DE-C2855146公开了一种清除单体的方法，其中筛板塔操作在与蒸汽呈逆流接触的状态，而令含水分散体流过由侧板形成的沟渠状路径。开孔直径为0.5～2毫米，比开孔面积为0.04～0.0004％。此种塔构造仍然复杂，塔藏量过大，清理也费工。
DE-C2521780公开了一种借助装有筛板的塔清除单体的方法，该方法采用100～150℃、0.8～1.6巴的蒸汽。该文所描述的方法存在着因温度较高可能损害产品的缺点。这一问题可试探着通过缩短滞留时间来抵消。蒸汽注入量，以加入的分散体量为基准，为1～5％(重量)。DE-A2733679描述了一种利用孔板塔清除单体的相似方法，在90～150℃操作。为了到达上述温度，通常必须提高塔内的压力。除了通常存在的诸如能量成本较高之类缺点之外，该方法还存在由于塔内温度较高致使无法加工对温度较为敏感产品的缺点。而且，在所公开的方法中，无法使用软化点低于90℃的聚合物。文中还提到，该塔的板间距比较小，因为否则将会在一定程度上出现聚合物挂在塔壁上的危险。开孔直径为10毫米，比开孔面积为5.5～7.5％。
因此，本发明的目的是找出一种改进的方法，它能够克服上述的缺点并得以采用技术上简单、成本上经济的方法将残余挥发分从含水悬浮液或分散体中清除。与此同时，它还应当允许在生产中采用较高的蒸汽流率、允许处理对温度较为敏感的产品，而同时还可达到高纯度、不需要显著增加塔内的滞留时间。再有，所提供的是一种逆流塔，它允许在塔的上游不另设接受器的条件下进行生产，并且塔的清理也得到简化，因此产品更换也就能够方便地完成。
我们发现这一目的可通过设置一种降低分散体中残余挥发分的逆流塔来达到，该塔包括5～50块双流塔板和/或单溢流筛板，其中双流塔板的比开孔面积为2～25％，单溢流筛板的比开孔面积为1～10％，双流塔板的平均开孔直径为10～50毫米，单溢流筛板的平均开孔直径为2～10毫米。
本发明的目的又是通过一种在包括双流塔板和/或单溢流筛板的逆流塔中以蒸汽处理分散体来制备低残余挥发分含量分散体的方法来达到的，其中蒸汽与分散体呈逆流接触，其间塔内压力为0.1～0.7巴。
在这种设备中，按开孔面积计的分散体进料(量)，对双流塔板而言优选为4～15千克/平方厘米小时，对单溢流筛板优选为15～25千克/平方厘米小时。
本文使用的集合名词“残余挥发分”有本文开头所规定的意义，残余挥发分含量是按照DRAFT国际标准(草案)IOS/DIS13741，第一部分，采用气体色谱法进行测定。在该标准中，残余挥发分是指残余单体及其他有机化合物。具体的例子是丙烯酸酯，如丙烯酸正丁酯及丙烯酸异丁酯；甲基丙烯酸酯，如甲基丙烯酸甲酯；丙烯腈；丁二烯；苯乙烯；乙酸乙烯酯；氯乙烯；还有副产物，如乙醛及乙苯。还列举了丙腈、丙烯酸乙酯及4-乙烯基环己烯。
按照本发明的方法，可采用较简单的结构设计以技术简单且成本经济的方法从含水悬浮液或分散体中分离出单体。由于设计简单，因而塔藏量较低，这种塔在实际操作中证明运转可靠、易于清理，即使更换产品也较为简单。加之，可达到较高的板效率，从而可减少塔板的数量。由于塔内压力降低，进而塔内温度也就比较低，因此即使是温度敏感的分散体也可处理。该方法还允许采取较高的蒸汽流率，悬浮液或分散体中聚合物的软化现象可减轻到不妨碍分离过程进行的程度。
下面，首先说明按照本发明的逆流塔及包括该塔的装置，随后讨论相应的新方法以及由此获得的按照本发明的分散体乃至其应用。
逆流塔与已知的逆流塔显著不同，本发明的新型逆流塔可操作在非常高的产量下，因此，塔本身可制造得非常小。这就有利于塔的清理。
鉴于目前逆流塔正得到日益广泛的应用，不仅仅限于为特定类型分散体除臭，而且被当作涉及频繁更换产品或分散体的多产品装置的一部分来操作，因此希望所使用的塔器清理起来简单。塔是否清理得彻底对所获分散体的质量至关重要。按本发明设计的塔器简化并加快了清理过程，需要的清理流体量也较少。这就使得该塔的操作成本大大降低，从而适用于在频繁更换产品的多产品装置中使用。由于清理步骤特别简单，在多产品装置中优选采用包括双流塔板的塔，而不是也可使用的单溢流筛板塔。
按照本发明的塔器可包括双流塔板、单溢流筛板或双流塔板与单溢流筛板的组合。优选的是，本发明的塔器或者包括双流塔板，或者包括单溢流筛板。就此而论，塔板数目为5～50，优选为8～40，特别优选15～30。在这方面，塔板间距优选为250～800，特别优选300～700，尤其优选400～600毫米。塔高优选为6～25，特别优选10～20米。塔截面优选为圆形，其直径优选为400～2500毫米，特别优选800～1600毫米。双流塔板的平均开孔直径为10～50，优选为12～25毫米。在单溢流筛板的情况下，平均开孔直径为2～10，优选4～8毫米，所开的孔优选为圆形的。比开孔面积，即开孔占每块塔板面积的百分率，在双流塔板的情况下宜于为2～25％，优选为5～20％，特别优选10～18％；在单溢流筛板的情况下宜于为1～10％，优选为3～8％，特别优选4～7％。
在这方面，比开孔面积的优选标准是一保证在规定的蒸汽流率条件下达到下面将要说到的按开孔面积计的分散体进料流率。
无论塔的截面形状还是开孔的形状都可以按照具体的要求进行调整。它们优选为圆形塔截面或圆形开孔，尽管对特殊场合而言，其他形状可能是合适的。
单溢流筛板及双流塔板及其设计的一般问题可见诸于KlausSattler，《热分离技术》，VCH,1988(第172页，图2～59；第174页，表2～19)。
优选的是，该新型塔的塔径，在上部为扩大的，以便实现分散体液滴靠重力与蒸汽分离的目的。该扩大段的直径至少是1米，特别是在小塔的情况下。最大可达4米，尤其是在大塔的情况下。一般地，顶部放大量为塔板直径的约1.5倍。
优选的是，此外该塔在其底部区带有1～3米，优选2～3米的延长段，即作为塔底。该塔底用以接受除臭后的分散体。这部分分散体用作送往后续工序的泵进料。
分散体自塔的上(顶)部区加入，优选地自塔的扩大的上部区(顶部扩大段)加入。
按照本发明，优选使用包括双流塔板的塔，因为它不具有任何与式样有关的死区域，就是说，清理起来省力，效率高。结果，塔的尺寸，特别是塔高和塔板数目都可减少。该塔优选地包括间距为400～600毫米的15～30块塔板，塔径为800～1600毫米，尤其是1000～1500毫米。塔的比开孔面积及直径的选择原则是使得分散体的通过量，具体地说介于5～30吨/小时，按开孔面积计的分散体进料流率介于4～15千克/平方厘米小时的范围。
单溢流筛板塔优选地具有与双流塔相同的外部尺寸和塔板数。塔的比开孔面积及直径的选择原则是使得分散体的通过量，具体地说介于10～30吨/小时，按开孔面积计的分散体进料流率在15～25千克/平方米小时的范围。
按照本发明的塔优选具有(溢流)堰。堰高优选为50～200毫米。塔的降液管出口高度优选为20～50毫米，特别优选25～40毫米。比开孔面积为约6％。每块板的开孔数为2000～9000。
按照本发明的塔可与制备聚合物分散体的设备构成一体。此种新型的聚合物分散体制备装置包括反应器(A)、可能还有的后反应器(B)、如上述的塔(C)、废蒸汽换热器(D)以及可能的减压装置(E)、过滤器(F)及调节装置(G)。在此种安排中，反应器(A)或后反应器(B)的出口优选地直接，即中间不另设接收器，接至塔(C)的进口。此种装置示于附图中，其中

图1示意地表示包括双流塔的装置，以及图2示意地表示包括单溢流筛板塔的装置。
图中所使用的代号意义如下A带搅拌器的聚合反应器B后反应器C逆流塔，具有C1塔顶扩大段C2双流塔板(图1)及单溢流筛板(图2)C3塔底D废蒸汽换热器E减压站，具有E1蒸汽出口及E2分散体出口
F过滤器G装置通常，分散体是按间歇工艺在反应器(A)中不连续地制备的，其中的物料在经过通常为不完全的转化之后，被转移到后反应器中。按照以往的方法，分散体必须从后反应器(B)转移到单独的接收器，然后再加入到除臭塔中。之所以必须这样做，是由于塔的物料通过量远小于泵从后反应器(B)排出的物料通过量之故。新型塔(C)则优选地允许足够高的物料通过量通过，以致后反应器(B)排空时可以让分散体直接送入塔(C)中，因为该塔能够处理与后反应器(B)在排空过程中相同的物料通过量。而由于可以不另设接收器，故而整个装置就得到简化，进而可以更好的成本效益来制造。而且，既然不再有需要控制的单独接收器，整个操作也得到简化。在装置中那些不直接受塔影响的部分，目标是以20～50吨/小时的流量泵送。此时，在塔的物料通过量为约10吨/小时的条件下可以省去塔上游的接收器或中间缓冲罐而直接从后反应器向该塔中进料。
通常，要设置减压站(E)，以便能够对自塔底排出的分散体含水量进行调整。被引入的部分蒸汽通常会在塔中发生冷凝，因而塔底分散体的含水量较高。为了减少该含水量，可令获得的分散体进一步减压(借助真空设备来减压)，在减压过程中部分水以蒸汽(E1)的形式排出。如此，从减压站(E)排出的分散体(E2)便可调整到要求的含水量。
本方法将上述塔及装置按有利的方式应用于本发明的新方法中，以制备低残余挥发分含量的分散体。在该新方法中，从反应获得的分散体通常为聚合物分散体，优选为含水聚合物分散体，以与蒸汽呈逆流接触的方式通过塔，蒸汽按照与分散体呈逆流的方向在0.1～0.7巴的塔压条件下通过。当使用聚合物分散体时，塔内压力的优选设定值应保证塔顶温度高于聚合物的玻璃化转变温度，同时塔底温度低于聚合物分散体将会丧失其稳定性，从而发生诸如分解或附聚或絮凝的温度。
塔内压力优选在0.2～0.7巴，特另优选在塔顶处为0.2～0.5巴。
塔内温度优选为50～90℃，特别优选在60～82℃，其中塔顶温度低于塔底，这是由于塔内存在压力降的缘故。分散体的进口温度优选为50～90℃，特别优选60～80℃。塔底温度优选为70～90℃。分散体出口温度与该温度相当。塔顶压力为0.2～0.5巴，塔底以上为0.3～0.7巴。
双流板塔的设计数据例如为开孔直径15～25毫米、面积负荷8～15立方米/平方米小时、按开孔截面计的比负荷10～12千克/平方厘米小时，塔顶压力0.2～0.5巴(绝压)。
单溢流筛板塔的设计数据例如为开孔直径约4毫米、面积负荷8～15立方米/平方米小时、比开孔面积5～10％、堰高100～200毫米、塔顶压力0.2～0.5巴(绝压)、按开孔截面计的比负荷15～22千克/平方厘米小时。
按照本发明方法的蒸汽利用因数根据以引入的分散体重量为基准的水量来测定，优选为10～50％，特别优选20～30％(重量)。
蒸汽通过量优选为约0.1～10吨/小时，特别优选1～8吨/小时。分散体通过量优选为1～50吨/小时，特别优选5～30吨/小时。在生产规模用的塔中分散体通过量优选为20吨/小时或更高，在小规模生产中为5～10吨/小时，而在中试装置规模(实验阶段)中，为约1～2吨/小时。该通过量取决于塔的直径。
塔的比表面积负荷为1.6～25，优选8～15立方米分散体/平方米塔截面面积/小时。
按开孔面积计的进料流率，对双流塔板优选为4～15，特别优选10～13千克/平方厘米小时，对单溢流筛板塔优选为15～25，特别优选15～22千克/平方厘米小时。
按照本发明方法的操作模式允许在塔中采用高的比通过量。因此，塔的尺寸可维持在很小的水平，这首先使设备可设计得更为符合成本效益原则，其次可减少塔的内部表面积，后者又可减少更换产品所需要的清理工作量。
在给定汽提蒸汽对分散体重量比的条件下，比液体负荷(分散体负荷)高，气体负荷就高，进而气相空间中的流速也就高。从而可抑制板上形成稳定泡沫，优选地可基本避免。泡沫常常造成塔、下游分离器及真空设备工作状态失常，因而不希望出现。该新型塔器和新方法，由于能抑制起沫，从而有可能省去附加的泡沫分离器或破泡器。
采用该新型塔的新方法能将残余挥发分含量之总和，以分散体总重量为基准，降低到100ppm以下的数值，通常甚至低至50ppm以下，在有利的情况下甚至低于25ppm，同时该降低的程度还可通过塔的结构设计和工艺控制调节到特定的要求数值。在优选的连续塔操作模式中，塔内滞留时间，依所使用的分散体之不同，优选地介于100～2000秒，特另优选200～1000秒，尤其优选400～800秒。调节通过量、蒸汽负荷及蒸汽温度或压力，并调节所设置的塔板数目，就可以得到要求的分散体纯度。特别优选的单溢流筛板塔工艺参数组合是这样的-对塔径1～1.5米的情况，分散体通过量为10～25吨/小时，-蒸汽通过量2.5～7.5吨/小时，-孔内的气体流速40～140米/秒，-管内气体速度2.5～10米/秒。
该新方法能够利用板效率高的优点。当使用双流塔板时，可达到的板效率与基于开孔截面的通过量有关，该板效率优选在7.0～超过30％范围。在单溢流筛板的情况下，板效率优选地最高达20％。确定板效率的方法将在下文的实例中解释。
本发明还涉及可按照该新方法制备的分散体。这是残余挥发分含量低于100ppm，通常甚至低于50ppm，在有利的情况下甚至低于25ppm的分散体，特别指聚合物分散体，可按照以上方法制备。优选分散体的组成见后面的规定。
分散体该新方法中使用的分散体可以是任何包含可清除含量水平残余挥发分的分散体。此种分散体的例子譬如是被污染土壤的分散体、无机颗粒分散体、生物分子分散体、特别是有机化合物，尤其是聚合物的分散体，这些分散体优选地是含水分散体。
尤其适用于本发明方法的含水聚合物分散体是这样的流体体系，它包含作为含水分散介质中分散相的呈稳定分散分布的聚合物颗粒。该聚合物颗粒的直径一般主要分布在0.01～5微米，经常主要在0.01～1微米。该分散分布状态的稳定性经常可维持至少一个月，在许多情况下甚至长达至少6个月。
正象溶剂蒸发时聚合物溶液的情况那样，含水聚合物分散体在含水分散介质蒸发时也具有形成聚合物膜的倾向，这也正是为什么含水聚合物分散体可以各种方式作为粘合剂进行涂布的原因，如用于涂布皮革的涂料或混合料。
原则上，就含水聚合物分散体而言，应区分含水二次分散体和含水一次分散体。含水二次分散体是那些在其制备过程中聚合物是在含水分散介质以外生成的，例如在适用的非水溶剂的溶液中。该溶液随后被转移到含水分散介质中，继而，随着分散过程的进行将该溶剂驱除，通常借助蒸馏。与此明显不同，含水一次分散体是那些聚合物在含水分散介质本身当中直接生成分散分布形式的分散体。所有制备方法所具有的一个基本共同点是，聚合物的形成都涉及到唯一地使用具有至少一个烯键不饱和基团的单体，或者与其他材料一起使用。
此种具有至少一个烯属不饱和基团的单体结合为聚合物的过程通常是借助引发聚合反应完成的，引发作用的性质尤其取决于对目的产品所预期的性能特征而使之满足这些特征。可举出的例子包括离子及自由基引发。然而，该结合也可通过催化剂作用引发类似聚合反应完成。尤其经常使用的是自由基引发，而在进行自由基引发时，含烯属不饱和基团的单体结合通常是在含水一次分散体的情况下，采用自由基含水乳液聚合反应实现，而在含水二次分散体的情况下，则是采用自由基溶液聚合反应完成的。
可选择聚合条件以达到要求的聚合物特征，如分子量、分子量分布及支化度。假如目的在于使反应迅速完成，不过这一般是不可取的，就让反应进行到直至完成。如此反应之后所获得的含水聚合物分散体仍旧含有单体，特别是烯属不饱和单体。由于诸如丙烯腈及乙酸乙烯酯之类的此类残余单体中烯属不饱和双键的活性较高，它们从毒理学上不是完全安全的，因此应当从分散体中清除。这一目的可采用本发明达到。本方法适用于任何分散在含水介质中的聚合物，不论该聚合物属何种类型。据此，本发明所使用的术语“聚合物”既涵盖缩聚物，如聚酯、诸如聚氨酯之类的加聚物，也涵盖可经由离子或自由基聚合获得的聚合物。采用上述合成方法的混合方式同样可生产出适合按照本发明使用的分散体，共聚物也是一样。
各种上述聚合物类型的含水聚合物分散体的制备方法是已知的，如可参见《聚合物科学与工程大全》第8卷，自第659页起(1987)；D.C.Blackley，《高聚物胶乳》，第一卷，自第35页起(1966)；H.Warson《合成树脂乳液应用》，第246页起，第5章(1972)；[出版人不详]D.Diederich，《现代化学》24期，第135～142页(1990)；《乳液聚合》，国际科学出版公司，纽约(1965)；DE-A4003422以及《分散体合成高聚物》，F.Holscher,Springer出版社，柏林(1969)。
适用于该新方法的具有至少一个单烯属不饱和基团的单体，尤其包括本身可直接发生自由基聚合的单体，譬如烯烃如乙烯；乙烯基芳族单体，如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、邻氯苯乙烯或乙烯基甲苯；乙烯醇与含1～18个碳原子的一元羧酸的酯，如乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、正丁酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯、新戊酸乙烯酯及硬脂酸乙烯酯；以及作为商品供应的单体VEOVA9～11(VEOVA系指壳牌公司的商品名，意指羧酸乙烯酯，也叫做VersaticX酸)；α,β-单烯属不饱和一元及二元羧酸，优选具有3～6个碳原子的，如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸及衣康酸，与通常具有1～12，优选1～8，尤其是1～4个碳原子的链烷醇的酯，例如丙烯酸及甲基丙烯酸的甲酯、乙酯、正丁酯、异丁酯、叔丁酯及2-乙基己酯、马来酸二甲酯或马来酸正丁酯；α,β-单烯属不饱和羧酸的腈如丙烯腈；以及C4-8-共轭二烯如1,3-丁二烯及异戊二烯。在唯一由自由基含水乳液聚合方法制备含水聚合物分散体的情况下，这些单体通常形成第一种单体按要通过自由基含水乳液聚合方法进行聚合的单体总量计占50％(重量)以上。一般地，这些单体在标准状态(25℃,1大气压)下仅中等至微溶于水。
在上述状态下，水中溶解度较高的单体的例子包括α,β-单烯属不饱和一元及二元羧酸及其酰胺，如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸、衣康酸、丙烯酰胺及甲基丙烯酰胺，还有乙烯基磺酸及其水溶性盐及N-乙烯基吡咯烷酮。
在唯一由自由基含水乳液聚合制备含水聚合物分散体的情况下，具有较高水溶性的上述单体通常仅作为改性单体参与共聚，其用量，按待聚合的单体总量计，小于约50％(重量)，一般为0.5～20，优选1～10％(重量)。
通常可增加含水聚合物分散体成膜内强度的单体，一般地包含至少一个环氧基、羟基、N-羟甲基、羰基或至少两个非共轭烯属不饱和双键。这类的合适例子是包含3～10个碳原子的α,β-单烯属不饱和羧酸的N-链烷酰胺，及这些酸与包含1～4个碳原子的烯醇的酯，这当中，N-羟甲基丙烯酰胺及N-羟甲基甲基丙烯酰胺是特别优选的；包含两个乙烯基的单体、包含两个亚乙烯基的单体以及包含两个链烯基的单体。
在这方面特另有利的是二羟基醇与α,β-单烯属不饱和单羧酸的二酯，其中丙烯酸和甲基丙烯酸二酯是优选的。包含两个非共轭烯属不饱和双键的此类单体的例子是亚烷基二醇的二丙烯酸酯及二甲基丙烯酸酯，如乙二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯及丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸乙烯酯、丙烯酸乙烯酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、丙烯酸烯丙基酯、马来酸二烯丙基酯、富马酸二烯丙基酯、亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酸环戊二烯酯或氰尿酸三烯丙基酯。在这方面特别重要的还有甲基丙烯酸及丙烯酸的C1～C8羟烷基酯，如丙烯酸及甲基丙烯酸正羟乙基酯、正羟丙基酯或正羟丁基酯，以及诸如双丙酮丙烯酰胺和丙烯酸乙酰乙酸基乙酯甲基丙烯酸乙酰乙酸基乙酯、甲基丙烯酸脲乙酯和丙烯酰胺基乙醇酸类化合物。在唯一地由自由基含水乳液聚合方法制备含水聚合物分散体的情况下，上述单体在共聚中的用量，按待聚合单体总量计，为0.5～10％(重量)。
在自由基含水乳液聚合过程中，通常在体系里加入分散剂，以保证生成的含水聚合物分散体的稳定。
可考虑的分散剂包括通常在实施自由基含水乳液聚合中所使用的乳化剂以及保护性胶体。
合适的保护性胶体例如是，聚(乙烯醇)、纤维素衍生物或包含乙烯基吡咯烷酮的共聚物。有关其他合适的保护性胶体的详细描述可见诸于Houben Weyl，《有机化学方法》，卷XIV/1，“高分子材料”，Georg-Thieme出版社，斯图加特，1969，第411～420。自然，还可以采用乳化剂和/或保护性胶体的混合物。所使用的分散剂优选地一律是其相对分子量与保护性胶体有显著差异的乳化剂，一般要比后者低1000。它们可以是阴离子、阳离子或非离子的。若使用表面活性物质的混合物，则各个成分之间自然应当彼此相容，如对此有任何疑问，可采用一些简单的实验加以检验。一般地，阴离子乳化剂彼此相容，并与非离子乳化剂也相容。
阳离子乳化剂也是一样，然而阴离子与阳离子乳化剂通常彼此不相容。常见乳化剂的例子是乙氧基化的一、二及三烷基苯酚(EO单元数3～100，烷基C4～C12)、乙氧基化脂肪醇(EO单元数3～100，烷基C8～C18)，以及以下成分的碱金属盐及铵盐烷基硫酸酯(烷基C8～C16)、乙氧基化烷基苯酚(EO单元数3～100，烷基C4～C12)的硫酸半酯、烷基磺酸(烷基C12～C18)及烷芳基磺酸(烷基C9～C18)。另一些合适的乳化剂如磺基琥珀酸酯，可见诸于Houben Weyl，《有机化学方法》，卷XIV/1，“高分子材料”，Georg-Thieme出版社，斯图加特，1961，第192～208页。
通常，分散剂的用量，按参加自由基聚合反应的单体重量计，为0.5～6，优选1～3％(重量)。
当然，上述分散剂一般适用于稳定本发明的工艺产品。然而，新方法的产品还包含具有自乳化能力的聚合物的含水分散体，就是说，它所含的聚合物具有离子基团，依靠电荷的同性相斥来实现稳定化。优选地是，该新方法的产品本身就具有阴离子稳定化作用(特别是阴离子分散剂)。
若准备用本发明的方式降低残余单体含量的含水聚合物分散体，是按照自由基含水乳液聚合反应由包含有至少一个烯属不饱和基团的单体的单体组合物制备的，则对本发明方法来说最重要的是，那些包含至少两种有至少一个烯属不饱和基团的单体而其余部分还包含如下成分的单体组合物-70～99.9％(重量)丙烯酸和/或甲基丙烯酸与有1～12个碳原子的链烷醇的酯和/或苯乙烯，或者-70～99.9％(重量)苯乙烯和/或丁二烯，或者-70～99.9％(重量)氯乙烯和/或1,1-二氯乙烯，或者-40～99.9％(重量)乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯和/或乙烯，加在一起总和为100％(重量)。
悬浮液或分散体中聚合物固体的含量通常为约20～75％(重量)，优选约40～70％(重量)，特别优选50～60％(重量)。
所使用的悬浮液或分散体在25℃的粘度为约10～5000毫帕秒，优选地为20～2000毫帕秒，特别优选50～1000毫帕秒。
所使用的分散体优选具有低粘度。其粘度可在30～1000毫帕秒，分散体的密度优选约1克/立方厘米。
有关测定数值的定义及测定方法玻璃化转变温度玻璃化转变温度优选地根据差热分析中的比热对温度的依赖关系确定(G.Goldbach，“塑料，其序态及性能”，《Ullmanns技术化学大全》第15卷，第219～222页，Weinheim,1980)。
共聚物的玻璃化转变温度也可以根据具体均聚物的玻璃化转变温度按各个单体的质量分数及相应聚合物的膨胀系数进行加权计算来确定。
最低成膜温度聚合物的最低成膜温度是，水分蒸发后分散体刚好仍能形成粘附膜的最低温度。该数值接近聚合物的玻璃化转变温度(H.Gerrens，“聚合技术”，《Ullmanns技术化学大全》第19卷，第141页，Weinheim,1989)。
使用的测定仪器是上面施加了温度梯度的金属板。要观察的是，在什么温度薄膜开始出现裂纹(E.Penzel，“聚丙烯酸及聚甲基丙烯酸化合物”，《Ullmanns技术化学大全》第19卷，第17～18页，Weinheim,1980)。
该新方法中优选作为分散体使用的丙烯酸酯的玻璃化转变温度介于-62～+6℃(参见E.Penzel，“聚丙烯酸及聚甲基丙烯酸化合物”中的表8，《Ullmanns技术化学大全》第19卷，第17～18页，Weinheim,1980)。因此，所测得的分散体中聚合物最低成膜温度通常远比本发明方法优选的操作温度低。故而，要处理的分散体在该工艺温度往往出现软化并容易成膜。
粘度固体含量在20～75％，优选50～70％，即该新方法常用含量范围的分散体表现出宽谱流变特性。流动特性取决于固体含量、粒子大小、粒度分布，并依赖于制备中使用的辅助体系。通常观察到的流动异常是假塑性和膨胀性。
粘度是在标准测量条件下用毛细管粘度计，Couette粘度计，或锥板粘度计测定的(C.Gerth“流变测定法”，《Ullmanns技术化学大全》第19卷，第17～18页，Weinheim,1980)。
本发明还涉及以上述方法降低残余挥发分含量的聚合物分散体制备方法。
该方法特别适合剪切敏感分散体，如针对热敏感分散体的低乳化剂或无乳化剂制剂、空间稳定化(用保护性胶体或淀粉)分散体或自分散体系(如聚氨酯分散体)。
于是，该方法优选地在上面描述的装置中实施，装置包括在阶段a)所用的反应器(A)，在阶段b)用后反应器(B)，在阶段c)用塔(C)，在阶段d)的蒸汽通过换热器(D)排出。阶段e)在减压站(E)中进行，阶段f)在过滤器(F)中，最后阶段g)在成形设备(G)中进行，该成形阶段包括将从工艺中获得的聚合物分散体转化为商业产品所需要的所有步骤。此阶段可能使用的添加剂包括，如稳定剂、抗氧剂、生物杀伤剂、保护性聚合物、酸、碱、消泡剂、增稠剂、溶剂、分散剂如水，以及其他合适的物质。
该新型聚合物分散体优选地在密封混合料、纸涂层分散体、粉刷混合料、勾缝混合料、涂料中用作粘合剂基础材料；作为油漆及涂料中的基础材料；作为粘合剂或增稠剂，特别是用于室内装修。由于残余挥发分含量低，该分散体可安全地用于室内装修，产生的挥发物极少或根本没有，残留的残余挥发分也极少。
作为粘合剂的基础材料，它们可用于例如层合箔，如由铜和/或铝及纸制成的电光、金属或复合纸，用于工业层合物，如用在机动车制造中作为微孔材料或家具薄膜，用作包装粘合剂，用作抗冲击粘合剂如纸标签及信封，用作密封混合料及地面粘合剂，以及用于特殊涂料并作为粘合剂。
作为纸涂层分散体，它们可用于胶版印刷纸、转轮影印纸以及卡片纸的表面处理。它们还可用作印刷油墨及涂料组合物的增稠剂。
作为涂料及油漆的基础材料，它们可用于木材油漆、用于印刷工业；用于工业涂布如防腐保护；用于乳液搪瓷及乳液油漆，例如作为室内、外涂料，尤其是室内油漆；用于室内装修行业的灰泥及勾缝组合物；用作水泥涂料如底漆、住房油漆及混凝土屋面板。
它们还可用作诸如簇绒、针刺毡及地面覆盖物或地毯的背面涂料之类非织造布的涂料，以及用于模塑泡沫塑料及蘸涂制品。
上述各种用途优选地涉及室内应用，即在封闭建筑或车厢内应用。
下面，将结合实例更详细地说明本发明。
实例1单溢流筛板塔(对比例)该塔(直径0.4米)包括8块单溢流筛板，彼此间距50厘米。该筛板上开有均匀分布的孔，孔径4毫米。开孔面积占到板的总面积的1.0％。板与板之间通过布置在两侧的降液管彼此相连。每一个具体的降液管突出于板面以上40毫米。这样，在操作期间蒸汽所产生的动压就在板面上造成同样高度(40毫米)的分散体层。塔的进料为50％浓度的含水聚合物分散体，流率0.2吨/小时，由偏心蜗杆泵送至最顶部筛板上面。与进料呈逆流地，在最底部板下方引入40千克/小时的4巴蒸汽。
在最顶部板充满分散体之后，分散体越过40毫米高的溢流堰并顺着降液管流到下一板，仿此继进。蒸汽穿过底部板的开孔，再穿过分散体层，在此过程中带走越来越多的自分散体分离出来的物质。此后，蒸汽按同样方式穿过底部板以上的各块板。在塔顶处，载有挥发分的蒸汽在减压(约200毫巴绝压)作用下被抽出，并在下游冷凝器中冷凝。分散体汇集在底部板下方的塔底，由泵从塔底送至后处理站。
在以上实验参数设定值(对应于面积负荷1.6立方米分散体/平方米塔截面/小时)的条件下，丙烯酸丁酯的浓度由初始浓度415ppm降低到140ppm(板5)。相应的脱除率为66％，或者板效率达到热力学平衡值的约14％。
实例2单溢流筛板塔该塔(直径0.4米)包括8块单溢流筛板，彼此间距50厘米。该筛板上开有均匀分布的孔，孔径4毫米。开孔面积占到板的总面积的5.3％。板与板之间通过降液管彼此相连。降液管突出于板面以上100毫米，从而形成溢流堰。
塔的进料为流率1500千克/小时的分散体(对应的面积负荷为12立方米/平方米)送至最顶部筛板上面。在最底部板下方引入375千克/小时蒸汽作为汽提介质。压力为330毫巴。
在此过程中，丙烯酸丁酯的浓度由初始浓度219ppm降低到16ppm，相应的脱除率为93％。在每一种情况下，单溢流筛板效率达到热力学平衡值的约11％。
在如此高的面积负荷条件下，板效率仅比对比例降低了约25％。因此，有可能使制造出的塔处理足够高的分散体通过量，以致塔的作用就如同整个装置中的一段管道，并且当从间歇法步骤操作转变到连续塔除臭模式时不需要设缓冲罐。
实例3双流筛板塔该塔(直径0.4米)包括8块双流筛板，彼此间距50厘米。筛板开有均布的孔，孔径10毫米。开孔占到板面积的2.1％。各板间不通过降液管相连。分散体与蒸汽穿过相同的孔进行逆流接触。
为此，塔的进料为自塔顶加入200千克/小时分散体(相应的面积负荷1.6立方米/平方米小时)，并以40千克/小时蒸汽汽提。压力为285毫巴。
在此过程中，丙烯酸丁酯的浓度由初始浓度477ppm降低到5ppm。相应的脱除率为99％。在每一种情况下，双流筛板效率达到热力学平衡值的约31％。
由此发现，该优选的双流塔板可给出明显高出单溢流筛板的脱除率及塔板效率。
若采用双流塔板，达到的板效率η取决于按开孔截面计的通过量。通过量数值低的(实例12)，效率可降低到只有7.0％。通过量高的，板效率可高达30％以上，不论压力如何(实例13～15)。单溢流筛板的孔径(实例4～11)优选为4毫米。其板效率受堰高和压力的影响。在所有试验中，塔径均为400毫米。
各次试验的效率是按照公式1、2、3、4及5计算的，其中mi=组分i的平衡系数(见公式3)YEQU=气相平衡浓度(％，以固体为基准)XEQU=气相平衡浓度(％，以固体为基准)D=解吸因子(见公式4)n=实际板数nth=理论板数
Xa=流出的分散体浓度Xe=流入的分散体浓度MSt=蒸汽流率，千克/小时MDisp=分散体流率，千克/小时α=Xa/Xe(1)η=nth/n(2)mi=YEQU/XEQU(3)D=mi*MSt/MDisp(4)nth=ln(D/α-1/α+1)/lnD-1(5)以诸如丙酸丁酯(α)、苯乙烯(β)及乙酸乙烯酯(γ)的浓度为标准时除臭试验结果做了评价。平衡值mBPr是通过实验确定的；对丙酸丁酯为8.4(浓度，以分散体中固体含量为基准)。
表1用单溢流筛板进行的进一步试验
<p>表2用双流塔板进行的进一步试验
<p>产品α是固体含量55％、主要成分为丙烯酸丁酯和丙烯腈的粘合剂分散体。
产品β是固体含量50％、粘度40毫帕秒的纸涂层用苯乙烯/丁二烯分散体。
产品γ是固体含量70％、粘度150～900毫帕秒的含乙酸乙烯酯的抗冲击粘合剂分散体。
对α而言，η是关于丙酸丁酯的，对β而言，是关于苯乙烯的，而对γ而言，是关于乙酸乙烯酯的。
AL是板上分散体的面积负荷。
权利要求
1．一种用于降低分散体中残余挥发分含量的逆流塔，包括5～50块双流塔板和/或单溢流筛板，其中双流塔板的比开孔面积是2～25％而单溢流筛板的是1～10％，双流塔板的平均开孔直径是10～50毫米，而单溢流筛板的平均开孔直径是2～10毫米。
2．按权利要求1所要求的塔，它具有下列特征中的一项或多项-塔的内径在400～2500毫米范围，-塔高在6～25米范围，-塔板数在5～50范围，-板间距在250～800毫米范围，-它的下部区延长1～3米，作为塔底，-上部区塔径扩大，以达到靠重力从蒸汽中分离出分散体液滴的目的，-分散体从塔的扩大区加入。
3．一种制备聚合物分散体的装置，它包括反应器(A)、可能还有的后反应器(B)、如权利要求1或2所定义的塔(C)、废蒸汽换热器(D)以及可能还有的减压装置(E)、过滤器(F)及后处理装置(G)。
4．按权利要求3所要求的装置，其中反应器(A)或后反应器(B)的出口直接连接到塔(C)的进口，中间不另设接收器。
5．一种通过在包括双流塔板和/或单溢流筛板的逆流塔中以蒸汽处理分散体来制备低残余挥发分含量分散体的方法，其中蒸汽与分散体呈逆流接触，其间塔内压力为0.1～0.7巴。
6．按权利要求5所要求的方法，其中分散体是聚合物分散体，塔内压力调节到使塔顶温度高于聚合物玻璃化转变温度且塔底温度低于聚合物分散体将会丧失稳定性的温度的水平。
7．按权利要求5或6所要求的方法，其中所使用的逆流塔是按照权利要求1或2所定义的塔。
8．按权利要求5～7中任何一项所要求的方法，它具有下列特征中的一项或多项-塔内压力在0.2～0.7巴范围，-塔内温度在50～90℃范围，-板的面积负荷在2～25立方米/平方米小时-蒸汽利用因数在10～50％范围，-按开孔面积计的分散体进料流率对双流塔板，在4～15千克/平方厘米小时，对单溢流筛板，在15～25千克/平方厘米小时范围，-分散体通过量在1～50吨/小时范围。
9．一种按以下步骤制备低残余挥发分含量聚合物分散体的方法a)聚合b)任选存在的后反应，c)在逆流塔中以蒸汽处理分散体，d)需要的话，将蒸汽从逆流塔中排出，e)由逆流塔获得的聚合物分散体的减压，f)聚合物分散体的过滤，g)聚合物分散体的成型，其中步骤c)的处理按照权利要求5～8中任何一项定义的方法实施。
10．按权利要求9所要求的方法，它是在权利要求3或4中所定义的装置中实施的。
11．一种残余挥发分含量低于100ppm的分散体，尤其是聚合物分散体，它可按照权利要求5～10中任何一项所要求的方法制备。
12．按权利要求11所要求的聚合物分散体在下列方面的应用作为密封混合料、纸涂层分散体、粉刷混合料、勾缝混合料、涂料中的粘合剂基础材料；作为油漆和涂料的基础材料；作为粘合剂或增稠剂，尤其是用于室内用途。
全文摘要
用于降低分散体中残余挥发分含量的逆流塔,包括5～50块双流塔板和/或单溢流筛板,双流塔板的比开孔面积是2～25%,单溢流筛板的是1～10%,双流塔板的平均孔径是10～50毫米,单溢流筛板的平均孔径是2～10毫米。
文档编号B01D19/00GK1226181SQ97196719
公开日1999年8月18日 申请日期1997年5月22日 优先权日1996年5月24日
发明者W·许斌格, P·凯勒, R·凯泽, W·海德, U·埃登 申请人:Basf公司