向水中分散干状聚合物的制作方法

专利名称:向水中分散干状聚合物的制作方法
本发明与常见的向水中分散聚合物有关，更集体地说本发明所涉及的是一种快速向水中分散干状水溶性聚合物颗粒的方法及设备。
把水溶性聚合物溶液用在进行稠化和凝聚的操作中是众所周知的，这种操作包括，对造纸业中，含水溶液的净化和污水及工业废水的处理。这种聚合物的溶液亦用作钻探泥浆和水浸汽油的二次回收中的稳定剂。
虽然这种聚合物经常是以粉状或磨碎成细颗粒状在市场上可以买到，但它们常常是以含水溶液被利用。这就需要把固态聚合物溶于水中。尽管各种聚合物在水中或多或少是可溶的，但由于其在水中溶解缓慢和不能很快分散，从而给制备含水聚合物溶液带来困难。
此外，在水中，固态聚合物的分散受碍于同水接触时聚合物颗粒趋向成团状或保持聚结状。由于水浸聚合物外敷层有未溶否体的封闭，限止了水浸润以后固态聚合物立即成团块状，其推迟了更多的水渗入结团块中。虽然大多数这样团块物可借助不断地搅动而最终得到溶化，但这种不间断地、不切实际的搅动溶液使其得到完全溶解则需相当长的周期。长时间的搅动当然很不经济，而且因聚合物的爆露面过分地承受液力的和机械的剪切会使其分子的重量受损坏。
随之而来的问题是通常这种干状聚合物颗粒为细粒粉尘状碎粒，由此产生设备近旁的污染问题并能恶化在设备各表面上又粘又滑的聚合物堆积问题。
上述问题在大量早期公开的技术中已有所描述，其包括由Anderson et al。公布的美国专利Re.28.474(1974年7月8日)和Re.28，576(1975年10月21日)。
以上指出的Anderson et al.二次公开专利在先以例说明解决在水中迅速溶解聚合物的方法。在Anderson et al.的公开中，先将水溶性聚合物向一种水油乳液中分散，然后转而将其置于水中，从而使聚合物解脱为溶液。
这种Anderso所公开的方法仅局限于那些有乳液包含的聚合物。而且这种方案在实践中为稳定生产需要相当数量的乳化剂，当然还会由于采用油液带来的处理和经济上的若干问题。
本发明的目的在于克服以上所述的种种问题。
根据本发明，干状、散粒的水溶性聚合物或树胶或混合物快速在水中分散是借助于干状聚合物颗粒在容器内与水及大量空气(与聚合物相比空气为大量)相接触被彻底浸湿的方法。干状颗粒与未彻底浸湿的装备表面可避免接触。
由于聚合物颗粒与水及吸入的空气是在立即进行混合借助瞬间并暂短的剪切力任何颗粒的聚结块被分离成独立的颗粒，无分子的减少或颗粒的轧碎，还可防止了再次聚结成团块状。
这个过程提供了一种水中聚合物与吸入的空气相混合的分散液。然后再得该分散液/空气的混合物排出以实现空气从分散液中分解出来，然后该分散液输送到用户的收集箱或混合器中。
本发明还包括一种实现发明方法的装置。
本发明的装置可在水中快速获得浓缩的聚合物分散液而没有颗粒的聚结成团块，没有聚合物尘埃直接布满设备周围，更不会在设备各表面堆集又粘又滑的聚合物。尘埃进入水和空气的混合物中而排出。这样一来所需的转化工序即可免除。
这种分散液可输送到箱中存起来，另一种方法即可将分散液搅拌成直至达到胶凝的程度为止，这种半溶液化的分散物亦可装入袋子或箱桶之中供进一步液化成理想的可溶性液体所用。
结合以下详细描述的图和所附的权利要求
书本发明更多的目的和优点对本专业领域内有经验的人员来说应是显而易见的。
图1.是一个不完整的局部剖的正视图，它是一个实现本发明方法所用装置的实施例。
图2.是图1所示装置沿2-2线剖切的局部剖视图。
图3.是图1所示装置沿3-3线剖切的不完整的局部剖切俯视图。
图4.是图3所示装置沿4-4线剖切的不完整的局部剖视图。
图5.是图1所示装置沿5-5线剖切的局部俯视图。
图6.是一个发明中所用的机械分散装置的局部透视图。
图7.是图6所示分散装置的不完整局部示意图。
本发明所指的可分散聚合物，在技术方面已公知，并在大量发行的刊物和专利中已论述过。它们包括，天然形成的乳状树胶;诸如，guar和槐树豆胶、藻朊酸盐、生物制品聚合物(即黄原酸化胶)、聚乙烯酐、水溶性凝缩聚合物，还包括掺有聚合物的乙烯树脂;诸如聚丙烯酰胺和带有下例聚合物的丙烯酰胺的导分子聚合物的衍生物，其所带聚合物例如是丙烯酸、顺丁烯二酐、丙烯腈、苯乙烯、烯丙基或己二烯胺或二甲氨乙基丙烯酸脂(DMAEM)。这些聚合物应是非电离的，阴离子或阳离子。
树胶为已知的水溶性聚合物，其在化学技术百科书二版第十分册中已有说明，该书于1966年特别科学出版社(INterscience Pvblishers)以参考书形式公开发行。
聚合物分子的重量可在相当宽的范围内，例如，在100000～25000000之间，而且本发明所用分子的重量并不是一个临界参考。本发明特别适用于丙烯酰胺聚合物，其分子重量通常超过1百万。
在使用“聚合物”这术语时应理解其包括聚合物和树胶，而它们的可溶水性均应达到有效的程度。聚合物为固体但欲含有相当量的水份。
破碎过程本发明所得的分散液系主要用于借助稀释和附加混合，而获得聚合物含水溶液。
聚合物在水中分散、溶解的速率必然是颗粒表面积和尺寸的函数。聚合物大多在其制造过程中形成粉状或块状聚结。把大尺寸颗粒处理变小，弄成粉末问题和减少在水中溶解时凝胶体颗粒的形成。当然当干状颗粒直接掺入水中时大的颗粒尺寸就增长了其溶解时间。
因此，人们期望在溶解前颗粒应进行破碎，可借助磨削、研磨或切开等法使表面面积加大从而加快了弥散和溶解。聚合物和树胶的参考颗粒尺寸由在水中分散率的预期效果而定，而通常直径上应小于1/8，并可含有比200号筛(Tyler)更小的细小颗粒。小颗粒尺寸则促使溶解性好。
分散的方法和设备现以参考本发明的方法及实现该方法的一个设备的实施例。
图1是一种在水中快速分散干状聚合物装置的实例。装置编号为10，包括空气聚合物的供给装置，图中12所指为一个容器，图中14所指为聚合物颗粒、空气和水三者接触之处，图中16则指出机械分散装置。
空气和聚合物的供应装置12由装置20组成，该装置用以从料仓21向一个输入管22运送聚合物颗粒(类似推进加料器)，输入管下端部24与容器14之顶面相连通。输入管22与推进送料器出口处产生一个环状气隙25，空气可由该处被吸入。
容器14具体地说是由带有锥形壳引的漏斗体30组成，锥形壳的下端面为一截头锥台32。漏斗体30大的上端面盖有一个环形法兰盘34和还盖有一个与板34紧固在一起的盖住了环形法兰盘中心开孔40的盖板36。输入管22的端头与盖板36上孔38相连。
法兰盘34装在漏斗体30的环状凸缘42上并相互之间贴紧密封，详见图2。
在附图的实施例中，从法兰盘34下侧向下伸出一个与其相连的圆柱体44，圆柱体下端面46与漏斗体壳31之间则构成一个向下缩口的弧形空间。一个截头锥体50固定在体46的内表面51处，从而使法兰盘下侧面与其之间构成一个环形腔52。
盖板36借助数条螺栓60固定在法兰盘34上，由于有数个垫圈22支承使其与法兰盘34之间存有一缝隙，这就为空气流通设定了一个气隙64，下面将详细说明其作用。此气隙64的通常厚度为1/16″。
二根引水管65穿过盖板36上的开口槽66与腔52相连通。
在柱体44上一组孔68使腔52与由柱体44和漏斗体壳31所构成的腔70相通。由此通过引水管65流到腔52中的水可灌满了腔52及腔70。此柱体44之下端面46与壳31间所形成的空隙应按下例原则设定;即度使腔70内的水从壳体31上向下端截头锥台32泻下时流动液膜74不得呈翻滚态。通常此空腔72的宽度为1/8″到3/16″。
在漏斗体30外装有一个可接任何从漏斗体30外泄的泄漏回水槽76。更为可取的是外泄水槽中还装有一个水银开关控制装置(图中未示出)以实现当出现泄漏故障时停止装置10的运转。
用与漏斗体30上截头锥台32相连通的导管80将液流输向机械分散装置16。图中所示的分散装置16包括一个带敞开底口84的收容壳体82和装在收容壳体82内的叶轮/定子组件86。组件86包括一个叶轮90和一个圆柱形定子92。叶轮90由电机94驱动旋转。
为较详细的描述组件96可参见图6和7。叶轮90由一组刀片100组成。定子92通常轮廓呈园柱形，在园柱体上制成带有狭槽缝104的一条条栅槽102。在定子92的外周有一组导向叶片106倾角按装以便向其射去的液料穿过定子92抛出时呈径向幅射状流动。
有相应尺寸的狭槽缝104可打碎聚结团块和强化单个聚合物颗粒的湿润性，然而槽缝的尺寸度足够大以免造成单个颗粒的受损和轧碎。
再参考图1，机械分散装置16将料卸于集料箱中，见图中110，集料箱110包括一个带有斜坡侧壁114的箱体112及一根装于箱体最低处的排液管116。
一根与水源相通的导管120盘绕在箱体110的内部上周边(水源图中未出示)。导管120上带若干小孔122可提供水流以冲洗周壁。
果料箱的卸出物通过排出管116由排液泵排出流过导管132到输送管路134。一根水管140与导管132及输送管路134相连可为输送管路134中的含有液体维持流通提供冲淡水。
采用图示本发明方法的装置其动作如下一般水流穿过引水管65最终充满了腔70并在漏斗体30的体壳31处建立起流动液膜74。机械分散装置运转，叶轮90旋转即产生泵效应从而吸入液膜74的水和穿过输入管22进到腔30内的特制的聚合物及空气。叶轮90的泵作用可相应引起大气通过气隙64产生流动。
输入管22出口处的聚合物颗粒在漏斗体30的截头锥台32偏上的空间处即与液膜70相接触，这样就可彻底地浸润颗粒。重要的是，输入管22与截头锥台32不对中从而可确保颗粒与液膜完全接触。
输入管22的位置选择应促使颗粒在流动液膜74中有足够的滞留时间以确保颗粒的彻底浸湿，然而不适当的位置其结果势必在相当大的程度上影响颗粒的溶解和聚结成块。再进一步说最好液膜74在漏斗体30上应呈线状流动，因液膜的翻滚会增加其滞留时间。
通过输入管22送入的空气和聚合物不可避免地将在容器14内产生粉尘。这些粉尘通过由气隙64处流入的空气流束的吸附作用和叶轮90的泵吸作用立即排入导管80。气隙64处进入的空气提供了一股背离壳体31向下的排出力。这样即可确保聚合物粉尘快束喷落到截头锥台32处，这样一来即可避免粉尘与潮湿的(但不是湿透的)设备各表面有任何接触。
盖板36固定在法兰盘34上，盖板和法兰盘两者间空隙气流不能充分供应，当其穿过盖板时一会有一会没有交替地向下扩散。空隙气流使导管22开口处周围形成一圈圈绕在导管22同心轴线上的气流环，利用的交替的气流环可避免在腔14内形成涡流，由此空气仅向下流动而无径向散流。
还有一点很重要，输入管22的设定位置应按排成颗粒排下时不与潮湿的表面接触，当然其直接落到液膜74上时则可避免浸湿的聚合物沉积。
通过导管65的水和通过空隙64及输入管22的全部空气的流量与聚合物供给量相比是非常大的。例如，一种装置运转中干状聚合物为4～12磅/分，而通过导管65中水的流量一般约为15～25加仑/分，全部进入到腔14中的空气流量可达20～30加仑/分。
当干状颗粒与液膜74上的水接触时有大量容量的空气参与促使干状颗粒相互分散，这样即可防止聚结成团块。
结果，水与聚合物及吸入的一定含量的空气的混合物通过截头锥台32流到导管80并直接流入高速旋转的分散装置16。根据本发明的方法和设备，当混合物刚刚形成时即采用分散装置16使水/聚合物/空气混合接触，这样聚合物颗粒就不会变得胶粘。在分散装置86的叶轮/定子组件86处，水、聚合物及空气三者混合物承受大剪切应力的状态，在此任何聚合物颗粒料的原有聚结团块均被破碎为单独颗料，此时不会出现颗料的轧碎或单独颗料分子的破损，同样任何聚合物溶液中也不会出现上述不正常情况。这些之所以能实现均是由于借助叶轮90的高速旋转和在狭槽缝104处选取比大多数聚合物颗粒直径稍大的结构尺寸的效果。
结果，一种稳定的聚合物在水中的分散液从分散箱82的底侧开口84处卸到集料箱110中，从导管120处流出的水连续不断地冲洗集料箱的壁114。通常，通过导管120的水流量仅为5加仑/分。
聚合物分散液和吸入的空气由泵作用从集料箱110直接吸入输送管路134，由此可流到用户的存贮箱中，或另一种方法，将其输送到为进一步用水将此聚合物分散液调配的混合器中。空气可在输送管路134中或在用户的存贮箱或混合器中进行分离。
输送管路134通常是具有直径约为2寸的导管。由于导管可能相当长，故在分散液的聚合物足以成为水合物，由此可使在输送管路134中液料的流速得提高。然而有时分散的聚合物颗粒有可能在管路134中停滞。为此最为方便的方法即采用由管140中流出一股冲稀水，以维持分散液流速不会低于一定限度并防止出现超过规定的停滞现象。一般冲稀水管140的流量约定为20加仑/分。
从集料箱110(原文误为120)到分散泵的聚合物浓度当然要取决于聚合物的原始状态。通常，本发明方法和设备可实现聚合物在相当高浓度下的快速分散。一般可很容易地获得液态聚丙烯酰胺分散液，其含量约为3～25VT%，或更高些(取决于水的含量)。这样一来可达到颗粒绝对无聚结团块和聚合物细粒不会粉尘化。当然本系统中也决不会任何产生外部的粉尘。用送入到系统中的水有效地冲洗带走超量的含有粉尘的空气更是本专业的有经验的人员显而易见的优点。
聚合物的生产率完全取决于装置的尺寸规格及水与空气的流量。
不要局限于图中所示的专用设备的描述，诸如对腔14中专门的水分离装置的选择、腔14的轮廓、专用的液压分散装等部分均可根据申请人或用户自行按排。在图示的实施例中，分散装置16是由一个缩小尺寸的机器组成，在工业及市场中送料工序中通常采用的由印弟安纳州，Valparaiso公司，Urschel化工厂出品商标为“Comitrol
3600”的产品，其叶轮转速为3000转/分。排液泵30是Blackmer公司的产品，其排液流量应选得比集料箱110的容量大些，这样可保证吸走由分散装置16产生和引起的空气。例如图中所示的泵16就是一种叶片泵，可输送液体和空气65加仑/分，而集料箱内存液量约为60加仑/分。
以上详细说明的分散装置仅为了理解清楚因而决不能评此断出本发明的保护范围，因为很多在本发明范围内的修改对本专业范围内的有经验的人员来说是很容易达到的。
权利要求
1.一种在水中快速分散干状水溶性聚合物颗粒的方法，包括以下步骤(a)所述颗粒与水及空气在一个容器内接触是在所述的水和空气流动的条件下进行的，由此所述的颗粒被所述的水基本上完全浸湿，并形成水、聚合物和吸入空气三者的混合物，此时所述颗粒基本上没有与所述没有完全湿透的容器表面接触。(b)所述的混合物由于立即受到瞬间和短暂的剪切、阻止了颗粒聚结团块的形成，而那些存在的颗粒聚结块亦被分离为单独颗粒，由此在所述的水中可形成一种含有空气及所述聚合物的分散液。(c)从所述的分散液中分离出所述的空气。
2.根据权利要求
1以述的方法，所述的水是以在所述的容器壁上呈流动液膜状落入所述的容器中。
3.根据权利要求
2所述的方法，所述的颗粒直接撒向所述的流动液膜中。
4.根据权利要求
3所述的方法，输入所述的颗粒时吸入空气流束。
5.根据权利要求
1所述的方法，所述的步骤(b)由机械分散装置执行。
6.根据权利要求
5所述的方法，所述分散装置由叶轮和为分离颗粒材料的辅助装置组成。
7.根据权利要求
6所述的方法，所述的分离装置包括一个装在与从所述叶轮中排出材料相接触的位置上的，并且在其上有开口槽的定子定子上开口槽的尺寸应选择成可将所述的颗粒的聚结团块分离成单独颗粒而其又基本上不会减小颗粒的尺寸或者也不会损坏分子结构。
8.根据权利要求
7所述的方法，所述的定子是一个开槽的环绕叶轮的缸。
9.根据权利要求
5所述的方法，所述的聚合物分散液和所述的空气，从所述的机械分离装置被排进将所述的分散液及空气输入贮存装置的装置。
10.根据权利要求
1所述的方法，所述的聚合物，由丙烯酰聚合物组成。
11.根据权利要求
10所述的方法，所述的丙烯酰铵聚合物、水及空气的对应含量应选定是一个含水聚合物分散液其包括大约3和225WT%的丙烯酰胺聚合物。
12.一种在水中快速分散干状含水聚合物颗粒的装置，包括(a)一种可制成水、聚合物和吸入空气三者混合物的装置，所述的颗粒与水和空气在容器中相接触时所述的空气和水是处于流动状态，这样一来所述的颗粒基本上能完全被所述的水浸湿而此时所述的颗粒基本上没有与所述的没有完全湿透的容器表面相接触。(b)一种在所述的水中并借助吸入空气制造所述的聚合物分散液的装置，所述的混合物是在其形成后就立即承受瞬间和暂短剪切的条件下制造，因而防止了颗粒聚结团块的形成并可将存在的颗粒聚结团块分离为单独颗粒。(c)一种用以从所述的分散液中分离出所述的空气的装置。
13.根据权利要求
12的装置，所述的容器是一个能使水在所述的腔壁上以流动液膜方式流下的装置。
14.根据权利要求
12所述的装置，所述的装置(b)是一个机械分离装置。
15.根据权利要求
14所述的装置，所述的分散装置包括一个叶轮和为分离颗粒材料的辅助装置。
16.根据权利要求
15所述的装置，所述的分离装置包括一个装在与从所述叶轮中排出液料相接触的位置而其上有开口槽，这些开口槽的结构尺寸应选择成可将所述颗粒的聚结团块分离成单独颗粒而其基本上不会减小颗粒的尺寸或不会损坏分子结构的定子。
17.根据权利要求
16的装置，所述的定子是一个开槽的环绕所述的叶轮的缸。
专利摘要
一种向水中分散干状可溶性聚合物的方法及装置，空气、水和所述的可溶性聚合物颗粒输入一个容器中，以使聚合物与水彻底接触以制成一种含水聚合物分散液与吸入空气的混合物，随后此混合物立即受到剪切的作用，分离所有聚结颗粒为独立颗粒而还可防止进一步聚结成团块。
文档编号B01F3/12GK85102127SQ85102127
公开日1986年10月1日 申请日期1985年4月1日
发明者埃德温, 特林顿, 索特维尔 申请人:戴亚特宝利马斯导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan