ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОСНОВНОГО ИСПАРЕНИЯ И ДЕГАЗАЦИИ В ОТДЕЛЬНЫХ СМЕСИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
THERMAL SEPARATION OF MIXES OF MATERIALS BY PRIMARY EVAPORATION AND DEGASSING PERFORMED IN SEPARATE MIXERS

Изобретение относится к способу непрерывного термического разделения смешанных веществ, в особенности растворов, суспензий и эмульсий.
Промышленное получение смешанных веществ, в особенности, однако никоим образом не исключительно, полимеров, особенно гомо- и со-эластомеров, происходит вследствие реакций полимеризации в ходе так называемого процесса полимеризации в растворе, при котором вязкость внутри реактора с мешалкой и подогревом снижают посредством использования растворителей, чтобы достичь более однородной смеси. От полимерного раствора, получаемого в этом процессе, необходимо отделять растворитель. В настоящее время удаления этого разбавителя достигают с помощью процесса коагуляции-отпарки, при этом требуется большое количество энергии, для обеспечения пара для отпарки (влажная технология). После этой технологической стадии полимер необходимо отделять от среды отпарки путем дорогостоящего процесса механо-термической сушки. Удаление среды отпарки осуществляют в две стадии, посредством механического выжимания и атмосферной сушки. В ходе этого процесса требуется большое количество энергии в форме водяного пара и требуется большое количество промывной воды, что приводит к большому объему отработанной воды и из-за наличия больших открытых аппаратов к большому количеству выбросов в атмосферу. Параллельно указанному процессу, отпаривающий агент и растворитель необходимо отделить друг от друга с помощью других процессов высокой стоимости. Следовательно, существующие способы очень не эффективны с точки зрения затрат энергии и очень неэффективной технологии, характеризующейся высокой стоимостью утилизации отходов производства и большими капиталовложениями. Существующая технология хорошо известна, риски минимальны и системы катализаторов и технологический процесс приспособлены к этой технологии.
В US 3683511 описан способ, который специально разработан для дегазации полимерных растворов, содержащих полибутадиен, и растворов, в которых более 50% бутадиена преобразовано в полимер. В соответствии с этим изобретением, извлечения растворителя достигают путем добавления воды в экструдер.
Подобное решение проблемы также представлено в US 4909898 A и EP 0262594 B1. В данных публикациях полимерный раствор перемещают в зону смесительной машины и растворитель выпаривают при температуре, при которой верхняя поверхность поверхности теплопередачи имеет температуру выше, чем температура кипения растворителя с самой низкой температурой кипения. Также при этом добавляют жидкость, которая не смешивается с полимерами, в данном случае, воду.
В US 6150498 A и EP 0910588 В1 представлен способ дегазации этиленпропилендиенового сополимера (ЭПДС) и подобных полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, этиленпропиленовый каучук и полистирол, с помощью сушилки. В этом случае сушилка состоит из горизонтальной рубашки и вращающего вала внутри рубашки, пластинчатых элементов, расположенных на валу, и стационарного отвода с противодействующими выступами (counter tangs tap), расположенного на внутренней стороне рубашки. Реализация такой технологии ограничена полимерными растворами, которые способны поглощать большое количество рассеянной энергии, поскольку в противном случае полимер будет слишком нагреваться или режим дегазации будет неэффективным.
Помимо энергетических затрат и больших выбросов в атмосферу, в особенности высокая стоимость отделения воды для современных водочувствительных способов анионной полимеризации и обработки чрезвычайно термочувствительных продуктов, является причиной потребности в усовершенствовании способа.
Целью настоящего изобретения является снижение потребления энергии, т.е. водяного пара, и воды, таким образом улучшая энергетический баланс процесса, при повышении эффективности нового способа. В качестве побочного эффекта могут быть получены термочувствительные смешанные вещества, что невозможно в современной технологии, или возможно только при добавлении специальных антиоксидантов. Новый способ обработки (сухой процесс) направлен на то, чтобы сделать процесс более энергетически эффективным, более безопасным для окружающей среды и более гибким.
Решение, приводящее к достижению цели изобретения, фактически заключается в том, что непрерывную обработку смешанных веществ разделяют на процессы основного испарения и дегазации, каждый из которых проводят в отдельной смесительной машине.
Предложены, в особенности и предпочтительно, способ и установка для непрерывной обработки полимерного раствора посредством прямого испарения растворителя, мономера, остатков катализаторов, инициаторов и продуктов реакций, возникающих при полимеризации содержащих эластомер полимерных растворов, в смесительных машинах с одним или двумя смесительными валами. В этом случае, полимерный раствор с низкой вязкостью обрабатывают, во-первых, в испарительном цикле, во-вторых, в испарителе-смесительной машине, в-третьих, в дегазационной смесительной машине. Этот способ особенно подходит для термочувствительных полимеров, которые могут быть обработаны только при температуре максимально до 160°C. Однако, следует обратить внимание, что способ по изобретению также относится к обработке других смешанных веществ, являются ли они растворами, суспензиями или эмульсиями. Все перечисленные смешанные вещества включены в область настоящего изобретения.
Предпочтительно, сильно разбавленное смешанное вещество сначала предварительно сгущают в цикле испарения при контактном нагревании и затем загружают в испарителе-смесительную машину таким образом, что вязкость полученной загрузки достаточна для обеспечения большей доли энергии испарения вследствие трения, посредством чего выпаривают свыше 90% добавленной текучей среды (например, растворителя). Таким образом, поступающую термическую и механическую энергию непосредственно используют при испарении растворителя, тогда как уровень давления задают так, чтобы не превышать максимальную температуру смешанного вещества, вследствие охлаждающего действия процесса испарения.
На выходе из испарителе-смесительной машины смешанное вещество с остаточным содержанием жидкой фазы приблизительно 10% (например, растворителя) извлекают и загружают в дегазационную смесительную машину, где указанное смешанное вещество доводят до конечного требуемого остаточного содержания жидкой фазы (например, остаточной концентрации растворителя).
Чтобы улучшить процесс дегазации, загружают небольшое количество текучей среды в смесительную машину для дегазации, причем эта текучая среда, путем испарения на поверхности смешанного вещества, снижает количество механической энергии, добавляемой для обновления поверхности, таким образом обеспечивая точную регулировку температуры в смешанном веществе, например, чтобы избежать перегрева и термического разрушения.
Параллельно, формирование пара текучей среды (например, водяного пара) в камере отходящих паров, в качестве отпаривающего агента, способствует снижению парциального давления и его можно в противоположность загрязненному горячему воздуху при сушке (горячий воздух) известного в настоящее время способа полностью конденсировать вместе с растворителем.
Предложенный новый способ в особенности подходит для гомо-полимерных растворов, содержащих эластомеры и пластомеры, или для сополимерных растворов из полимеризации в растворе, в особенности для высоко термочувствительных, но также для менее чувствительных смешанных веществ; он подходит, например, для прямого выпаривания бутадиена и бутил-производных эластомеров, таких как БК, СБК, СБС, СИС, SBM HBR, БНК или также ЭПДС-производные эластомеры, а также для выпаривания сополимерных растворов, которые непосредственно сополимеризуют из смеси двух полимерных растворов перед прямым выпариванием, таких как полимерных растворов, смешанных из СБС и СБК растворов, т.е. эластомеров и полимеров, которые трудно смешать, а также для полиизопрен- или полиэтиленпропиленовых растворов или галогенированного бутилового каучука.
Рассматриваемые полимерные растворы могут быть полимерными растворами, смешанными в любом произвольном отношении после полимеризации в растворителе. По меньшей мере один рассматриваемый полимерный раствор представляет собой полимер, содержащий эластомер.
Летучими компонентами, которые необходимо отделить, являются растворители или системы растворителей, а также непреобразованные мономеры, остатки катализаторов, инициаторов, стабилизаторов, антиоксидантов, остатки полимеризации.
Благодаря замкнутой системе сухого процесса, приблизительно 98% растворителя в цикле можно использовать повторно и могут быть значительно снижены выбросы растворителей или количество загрязненных сточных вод.
В противоположность описанному выше уровню техники, изобретение дает возможность дегазировать полимерные растворы, содержащие эластомер, в частности чистые растворы полибутадиена, непосредственно и без дополнительных устройств, до требуемого содержания остаточного растворителя, путем использования экструдеров или смесительных машин.
Смесительные машины, с помощью которых опробовали настоящее изобретение, содержат один или два вала, вращающихся в одном или в противоположном направлении, и они подробно описаны в DE 2349106 C, EP 0517068 А1, ЕР 0853491, DE 10150900 С1 (РСТ/EP02/11578; WO 03/035235 A1). Смесительные машины изготавливают размером до 25000 л свободного объема и их можно использовать при прямом испарении. Предпочтительно, они должны быть объемистыми, самоочищаемыми, смесительными машинами горизонтального типа с одним или более валами, которые со стороны корпуса (предпочтительно с двойной рубашкой) и/или со стороны вала смесительной машины доводят до нужной температуры (независимо).
В зависимых пунктах формулы изобретения описаны преимущества разработанного способа по изобретению.
Предпочтительно проводят предварительное сгущение смешанного вещества перед основным испарением. Таким образом, жидкое смешанное вещество при содержании вещества 5-50%, например, можно сгущать с помощью термической обработки, предпочтительно, но не обязательно, в трубчатом испарителе, до более густого смешанного вещества с концентрацией 20-80%, которое можно перекачивать.
Более густое смешанное вещество загружают в испарителе-смесительную машину, установленную после предварительного сгущения, для основного испарения и выпаривают до остаточного содержания летучих компонентов менее 20%, предпочтительно, до 2-12%. Загрузку осуществляют в одной или нескольких точках и, предпочтительно, одновременно. Количество загрузки смешанного вещества в каждом случае контролируют по одной температуре.
Вследствие гомогенного распределения сгущенного смешанного вещества в испарителе-смесительной машине образуется однородное смешанное вещество высокой вязкости, которому можно передать большое количество механической рассеянной энергии с помощью трения. Кроме того, благодаря распределению очень густого смешанного вещества в испарителе-смесительной машине, подавляют образование пены и достигают очень высокого удельного контактного нагрева на единицу площади нагревательной поверхности.
Испарившиеся летучие компоненты, называемые отходящими парами, извлекают из испарителе-смесительной машины с помощью выпускного парового купола. Они накапливаются в паровом куполе. Конденсируемые компоненты конденсируют почти полностью в конденсаторе, соединенном через паровую трубу, который предпочтительно должен быть струйным конденсатором или конденсатором с кондиционированием воздуха, после чего пар выводят из замкнутой системы. Неконденсируемые компоненты подают на дополнительную технологическую обработку. Дегазационная смесительная машина, описанная ниже, также оборудована подобным выпуском отходящих паров.
При необходимости, технологический канал для паров может быть, по меньшей мере частично, облицован покрытием из антиадгезионного материала, чтобы предотвратить прилипание или налипание смешанного вещества. Кроме того, технологический канал для паров можно, по меньшей мере частично, охлаждать, чтобы предотвратить повторную конденсацию, таким образом поддерживая канал для паров в чистоте. Дополнительно или исключительно, технологический канал для паров можно поддерживать в чистоте с помощью сопла и пульсирующей и/или, альтернативно, постоянной очистки.
Рабочее давление внутри испарителе-смесительной машины выбирают так, что охлаждение путем испарения летучих компонентов предотвращает разрушение смешанного вещества из-за перегрева, и предпочтительно это давление составляет от 1 до 200 кПа абс. (от 10 до 2000 мбар абс.) Температура нагрева испарителе-смесительной машины в любой момент времени в ходе процесса не должна достигать или превосходить температуру, вызывающую ухудшение, и ее предпочтительно устанавливают от 60°C до 160°C. В этом случае, температура нагрева испарителе-смесительной машины должна достигать или превосходить температуру, вызывающую разрушение продукта, только при регулируемых условиях.
Испарение летучих компонентов в испарителе-смесительной машине предпочтительно регулируют посредством числа оборотов вала смесительной машины в зависимости от температуры на выходе. При постоянном числе оборотов валов смесительной машины количество смешанного вещества, загружаемого в испарителе-смесительную машину, подбирают под соответствующую скорость испарения и таким образом регулируют в зависимости от температуры продукта. Увеличение потока вследствие увеличения числа оборотов вала смесительной машины и, следовательно, возросший приток рассеянной энергии, приводящий к более высокой скорости испарения, ощущается по более высокой температуре и по этой причине поток увеличивают вследствие связи между температурой и количеством загрузки, и подобным образом, в противоположном случае, снижение числа оборотов приводит к снижению потока.
Смешанное вещество, извлеченное из испарителе-смесительной машины, следует довести до давления более 100 кПа (1 бар) посредством нагнетания давления, предпочтительно с помощью шестеренного насоса. Кроме того, массовый баланс в смесительной машине следует сохранять постоянным посредством числа оборотов шестеренного насоса, т.е. вывод смесительной машины и уровень массового потока должны быть разделены, в этом случае шестеренный насос отвечает за постоянный уровень массового баланса. Кроме того, на выходе, предпочтительно встроенном непосредственно в смесительную машину, следует нагнетать достаточное давление, чтобы придать шестеренному насосу достаточное предварительное давление, чтобы заполнить его почти полностью, что в этой связи регулируют, хотя это регулирование не является обязательным.
В смешанное вещество, находящееся под давлением, предпочтительно загружают жидкую или газообразную добавку. Это осуществляют в смесительной трубе или в статическом или динамическом смесителе и как можно более однородно.
В этом случае жидкая добавка предпочтительно имеет произвольно выбранную температуру, предпочтительно, от 10°C до 160°C, и предпочтительно представляет собой воду, спирт или сжиженный газ, предпочтительно, диоксид углерода или бутан.
Газообразная добавка также имеет произвольно выбранную температуру, предпочтительно от 10°C до 160°C, и предпочтительно представляет собой диоксид углерода, азот или воздух.
Смешанное вещество, которое находится под давлением, и при необходимости, однородно перемешано с добавками, для дегазации пропускают через сопловую пластину в дегазационной смесительной машине, которая установлена ниже по потоку, и в этом случае быстрое испарение летучих компонентов и добавок приводит к увеличению поверхности частиц, аналогично эффекту попкорна. Форму сопла, расположение сопла, количество отверстий и расстояние между отверстиями в сопловой пластине оптимизируют с точки зрения сокращения диффузионного пути, возможности удаления свободного газа и увеличения периода диффузии.
Смешанное вещество в дегазационной смесительной машине предпочтительно подвергают действию заградительного потока и постоянному обновлению активной поверхности, в этом случае механическая рассеянная энергия поглощается смешанным веществом.
В ходе дегазации в дегазационной смесительной машине температуру смешанного вещества поддерживают ниже температуры, которая может вызывать разрушение смешанного вещества, при этом температуру регулируют добавлением легко испаряющихся или газообразных добавок, которые не растворяются в смешанном веществе, в одном или нескольких местах дегазационной смесительной машины. Добавки, вводимые в дегазационную смесительную машину, представляют собой, например, воду, спирты или газы.
Благодаря введению в дегазационную смесительную машину легко испаряющихся добавок, температуру смешанного вещества ограничивают путем охлаждения также и из-за испарения. Ограничение подъема температуры смешанного вещества вследствие механической подачи рассеянной энергии с целью обновления поверхности контролируют с помощью приборов для измерения температуры и соответственно регулируют загружаемое количество добавок для охлаждения испарением.
Выдержку в дегазационной смесительной машине регулируют по выходящей массе, посредством чего механическая подача рассеянной энергии и охлаждение испарением точно сбалансированы между собой, что предотвращает перегрев смешанного вещества.
Благодаря испарению легко испаряющихся или газообразных добавок, парциальное давление в газообразной фазе летучих компонентов, удаляемых из смешанного вещества, значительно снижается, таким образом вызывая эффект отпарки, которая ускоряет диффузию.
В итоге, содержание летучих компонентов в смешанном веществе в дегазационной смесительной машине снижают так, что оно становится ниже требуемого остаточного содержания от 0 до 10000 ppm (частей на миллион), предпочтительно, от 10 до 1000 ppm, еще более предпочтительно от 10 до 300 ppm.
Летучие компоненты смешанного вещества следует отделять почти полностью, предпочтительно путем добавления небольшого количества добавок, которые загружают по все длине смесительной(ых) машины(ин). В этом случае, количество дополнительных веществ (добавок) устанавливают на таком уровне, чтобы энергетический баланс, при котором учитывают рассеянную энергию смешивания, контактный нагрев или контактное охлаждение с помощью вала и корпуса смесительной(ых) машины (ин) и охлаждение испарением добавляемого вещества и других летучих компонентов, приводил к температуре, которая гарантирует эффективное удаление нежелательных летучих компонентов из пастообразного смешанного вещества.
Примешивание добавляемого вещества также способствует образованию микроорганизмов и микропузырьков в смешанном веществе, которые поглощают летучие компонентов и перемещают их, например, при вращении вала, к поверхности смешанного вещества, таким образом существенно улучшая скорость дегазации нежелательных летучих компонентов. Одновременно, давление в газовой камере смесительной машины можно периодически изменять, таким образом дополнительно способствуя образованию микропузырьков в расплаве и таким образом дополнительно увеличивая скорость дегазации.
Добавление небольшого количества добавок не изменяет химически смешанное вещество и не происходит ни повреждения из-за реализации технологических приемов, ни изменения характеристик смешанного вещества.
Добавленные дополнительные вещества могут быть распределены равномерно по всему смешанному веществу равномерно по всей длине или в точках, соответственно распределенных по всей длине смесительной машины.
В итоге, введение добавок приводит к более благоприятным свойствам продукта, особенно в отношении поверхностей, вязкости и так далее.
Рабочее давление выбирают на таком уровне, чтобы охлаждение испарением летучих компонентов и добавленных испаряющихся добавок предотвращало разрушение смешанного вещества из-за перегрева. Диапазон значений составляет от 0,1 до 1000 кПа абс. (от 1 до 10000 мбар абс.), более предпочтительно от 1 до 200 кПа абс. (от 10 до 2000 мбар абс.). Температура нагрева смесительной машины и максимальная температура смешанного вещества ни в какой момент времени в ходе процесса не достигает или не превосходит температуру разрушения и она составляет от -100°C до 300°C, предпочтительно, от 60°C до 160°C. Время пребывания смешанного вещества в испарителе-смесительной машине и дегазационной смесительной машине должно быть насколько возможно малым, предпочтительно, от 5 мин до максимально 2 ч для каждой машины. Испарителе-смесительная машина и дегазационная смесительная машина имеют свободный объем от 2 л до 25000 л.
Смешанное вещество, сгущенное в дегазационной смесительной машине, непрерывно выходит через выходное отверстие, при этом смешанное вещество, выходящее из дегазационной смесительной машины и не содержащее летучих компонентов, теперь называемое массой, с помощью дополнительного увеличения давления, предпочтительно с помощью шестеренного насоса, доводят до давление более 100 кПа (1 бар).
Впоследствии массе, через фильерную плиту с режущим устройством, установленную ниже по потоку, предпочтительно гранулятор, придают форму, которая подходит для дальнейшей обработке массы. Предпочтительно, но не обязательно, указанную массу направляют к упаковочному прессу.
Технологическое размещение элементов, относящихся к процессу, тип смесительных машин и параметры процесса выбирают так, чтобы избегать образования пены и, если нежелательная пена образуется, снижать ее количество подходящими средствами, соответственно разрушающими/устраняющими ее.
На всех стадиях технологического процесса формируют достаточные поверхности раздела для оптимальных процессов перехода внутри смешанного вещества, соответственно в массе, и переноса летучих компонентов в газовую фазу.
Большие крутящие моменты, большое число оборотов и высокие характеристики скорости для внесения рассеиваемой энергии в испаряющиеся фазы получают благодаря особой конструкции привода, в соответствии с которой в электродвигателе с регулируемой частотой используют очень большой гидравлический двигатель в качестве поставщика необходимого количества масла, аналогично насосу, и это большое количество масла непосредственно направляют к гидравлическому двигателю смесительной машины, без какой-либо дополнительной перенастройки массового потока.
Уровень подачи в смесительную машину регулируют в зависимости от крутящего момента смесительной машины через количество выходящей массы, т.е. число оборотов разгрузочного устройства, или через количество поступающей массы, т.е. снижение или увеличение добавляемого количества смешанного вещества. Большее число оборотов в смесительной машине, предпочтительно в дегазационной смесительной машине, приводит к более быстрому обновлению поверхности, что ускоряет преобразование вещества и увеличивает подачу рассеиваемой энергии, по этой причине температура массы возрастает и, соответственно, возрастает добавляемое количество добавки для охлаждения испарением, чтобы не перегреть эластомер, соответственно, не разрушить его, тогда как одновременно парциальное давление добавки в газовой камере возрастает, так что парциальное давление компонентов, которые необходимо удалить, снижается, таким образом, с другой стороны, достигают большей движущей силы для передачи вещества и эффект удаления дегазацией нежелательных компонентов снижается.
Дополнительно предложен способ непрерывной обработки растворов полимеров в испарителе и/или в дегазаторе с рабочей и газовой камерами непрерывного действия, в котором вводят по меньшей мере одну добавку путем периодической загрузки, для регулирования температуры продукта, так что температура всегда остается ниже значения, при котором происходит разрушение полимера. Загрузку предпочтительно осуществляют в нескольких местах, так что продукт обогащают добавкой в нескольких местах в рабочей и газовой камере. Предпочтительно в качестве добавки используют воду.
С помощью разгрузочного устройства уровень подачи предпочтительно задают таким образом, что происходит эффективное обновление поверхности при удалении летучих компонентов в испарителе и/или дегазаторе. В этом случае, для определения уровня подачи используют крутящий момент испарителя и/или дегазатора. Кроме того, путем выбора числа оборотов можно задавать обновление поверхности и, следовательно, остаточное содержание растворителя. Кроме того, на выходе смесительной машины может быть расположено разгрузочное устройство спиральной формы с одним или несколькими валами, а за ним шестеренный насос. В этом случае, число оборотов разгрузочного устройства спиральной формы следует устанавливать так, что заранее заданное давление возникает на выходе шестеренного насоса, так что шестеренный насос почти полностью заполнен продуктом.
Более того, возможно задавать определенный уровень подачи, соответственно, крутящий момент смесительного элемента, путем изменения числа оборотов, предпочтительно, шестеренного насоса, но также и разгрузочного устройства спиральной формы.
Тогда число оборотов шестеренного насоса предпочтительно устанавливают на таком значении, что возникает заранее заданное давление на входе шестеренного насоса, так что шестеренный насос почти полностью заполнен продуктом. Одновременно, число оборотов смесительного элемента можно устанавливать на таком значении, что уровень подачи, соответственно, крутящий момент может сохраняться постоянным.
Разгрузочное устройство спиральной формы предпочтительно эксплуатируют при таком числе оборотов, что продукт, выходящий из смесительной машины, выпускается немедленно, без возникновения противодавления.
Добавку дозируют и вводят при таких условиях процесса, что она испаряется, таким образом вызывая эффект охлаждения, который задает температуру продукта, и используя добавку в качестве транспортировочного газа и для снижения парциального давления. Тогда транспортировочный газ подают в направлении, противоположном потоку продукта. Также на скорость паров (транспортировочный газ и испарившийся растворитель) влияют через диаметр поперечного сечения парового купола таким образом, что продукт не поступает в канал для паров.
В испарители-сушилки непрерывного действия сгущаемый раствор обычно вводят в одном месте и под действием силы тяжести или подходящими средствами транспортируют по нагретой поверхности, где он кипит при предварительно заданном давлении, и таким образом растворитель удаляется. Выполняемый идеально непрерывный процесс соответствует процессу, происходящему в самотечной трубе, поскольку скорость испарения зависит от разности между температурой кипения и температурой нагревательной поверхности (движущая разность) и от коэффициента теплообмена. При увеличивающемся содержании твердого вещества температура кипения повышается, следовательно, движущая разность снижается.
В непрерывных процессах сушки коэффициент теплообмена снижается при увеличении содержания твердого вещества, поскольку увеличивается вязкость при увеличении содержания твердого вещества, и коэффициент теплообмена снижается при увеличении вязкости, вследствие ослабления конвекции. При удалении растворителя из растворов или суспензий твердого вещества, особенно полимерных растворов или суспензий, особенно растворов или суспензий эластомера, путем испарения растворителя, поведение при кипении часто оказывается обратным. Коэффициент теплообмена снижается при увеличении содержания твердого вещества, если превышено критическое содержание твердого вещества, поскольку продукт сильно пенится, пена уменьшает поверхность теплообмена, таким образом ухудшая теплообмен. В сильно разбавленных растворах конвективный перенос пузырьков к поверхности газа не ухудшается. Содержание твердого вещества ухудшает перенос пузырьков. Также пузырьки становятся более стабильными, если они существуют в виде пены. Таким образом, необходимо разрушать пузырьки механически.
Это происходит автоматически при содержании твердого вещества более 30 до 80%, при наличии достаточного количества густых растворов твердого вещества (большая выдержка). В этом случае раствор твердого вещества является настолько вязким, что он переносит кипящие пузырьки к поверхности газа посредством транспортировки.
Соответственно, механизм данного явления работает только тогда, когда существует достаточный транспортный поток к поверхности. В ротационных испарителях критерии достаточного транспортного потока эквивалентны степени обновления поверхности.
Помимо контактного нагрева, скорость испарения при высоком содержании твердого вещества может быть дополнительно увеличена, поскольку из-за увеличенной вязкости крутящий момент на единицу объема испарителя и, следовательно, скорость механического рассеяния, вызванного вращающимся валом, увеличивается. В показателях управления процессом непрерывная загрузка разбавленного раствора в сгущенную массу соответствует повторному смешиванию. По этой причине, в известном патенте предлагают выпаривать раствор или суспензию в большом объеме, обеспечивая самоочистку смесительной машины при повторном смешивании. Смесительная машина, используемая здесь, состоит из пластины или тарелок, или анкеров, которые расположены на валу и снабжены месильными перекладинами, которые очищают корпус, и возможно присутствующего второго вала, соответственно снабженного статическими элементами для той же задачи очистки вала, такими же как в смесительных машинах с одним валом. Кольца или анкеры разделяют рабочую камеру на зоны смешивания.
Самоочищающиеся смесительные машины большого объема отвечают критериям высокой скорости обновления поверхности и большого времени пребывания. Они сконструированы так, чтобы выдерживать эксплуатацию при большой вязкости и большом крутящем моменте. Другим преимуществом самоочищающихся смесительных машин большого объема является то, что благодаря открытой конструкции транспортных устройств, которые осуществляют транспортировку в потоке одном направлении, так же как и в противоположном направлении, они гарантируют определенную скорость повторного смешивания и обеспечивают автоматическое равномерное распределение продукта в продольном направлении, так же и для вязких продуктов. Поэтому уровень подачи в смесительной машине можно регулировать посредством шестеренного насоса, соответственно, разгрузочного устройства. Повторное смешивание, необходимое в соответствии с указанным выше патентом, задают с помощью длины устройства и конфигурации смесительных элементов. В этом патенте описано подобное использование самоочищающейся смесительной машины большого объема для реакции (полимеризации) продуктов, которые становятся вязкими при увеличении степени преобразования. Здесь предложен принцип повторного смешивания как преимущество, поскольку реакция является экзотермической и холодные исходные продукты нагревают до температуры реакции с помощью уже прореагировавшего продукта. Часть жидких исходных продуктов испаряется и после испарения эту часть снова вводят в смесительную машину, при этом предварительно установленное давление в рабочей камере регулирует температуру испарения и защищает продукт от перегрева. Если уровень степени преобразования возрастает со степенью преобразования, тогда повторное смешивание также благоприятно. Если один из этих продуктов испарения является более летучим, чем другие, состав раствора изменяется в ходе испарения, и повторное смешивание может компенсировать этот эффект.
Для охлаждения при испарении действуют те же вышеупомянутые критерии, такие как большое время пребывания и высокая скорость обновления поверхности, и следовательно, они являются почти такими же. Предложенное повторное смешивание также имеет недостатки. Поскольку необходимо, чтобы диапазон времен пребывания в смесительной машине был довольно широким, порция продукта может оставаться в рабочей камере довольно долго. Соответственно, необходима уверенность, что внутри испарителя в ходе этого периода продукт не разрушается термически или химически. Если производят смену продукта, необходимо либо полностью очищать смесительную машину и затем повторно заполнять, что требует весьма больших затрат времени, либо новый продукт загружают в соответствии с существующей дозой загрузки и получают весьма большое количество смешанного продукта из двух последовательных циклов получения продукта. В случае полимеризации, широкий диапазон времен пребывания приводит к широкому молекулярно-массовому распределению.
Рабочую камеру смесительной машины можно описать как ряд последовательно проходящих зон смешивания, расположенных одна за другой. Смесительная машина требует определенного количества зон смешивания, чтобы распределить механическую деформацию, когда работает смесительный элемент, и достичь хорошего эффекта смешивания. Однако на практике оказалось, что разделение рабочей камеры на зоны смешивания ухудшает смешивание в продольном направлении вала. Данный признак смесительной камеры предпочтителен, если смеситель должен иметь узкий диапазон времен пребывания. Когда необходимо как можно большее повторное смешивание, данный признак является ненужным.
Была сделана попытка улучшить свойства смешивания в продольном направлении путем подбора геометрии смесительных элементов. Однако, все это имеет только ограниченный успех, поскольку хорошо смешиваемый продукт низкой вязкости вымешивают с получением вязкой массы. Если смешивание улучшают в общем, улучшают как смешивание исходного раствора, так и смешивание в продольном направлении, при этом смешивание вязкой массы в продольной направлении остается менее благоприятным, чем смешивание исходного раствора. Диапазон времен пребывания можно приблизительно описать как каскад смесителей-испарителей со 100% перемешиванием.
Теоретические расчеты, а также практические эксперименты показали, что характеристики времен пребывания используемого смесителя-испарителя можно сопоставить минимально с 3-7 смесителями-испарителями с мешалкой. Расчеты показали, что такое число смесителей-испарителей слишком велико для большинства реализаций, и практически следует ограничиваться 1-2 испарителями. На практике, все смесители-испарители имеют колебания характеристик согласно режиму работы. Эти колебания приводят к нежелательным изменениям в работе смесительной машины.
В соответствии с изобретением, недостатки описанных способов смешивания преодолевают тем, что подаваемый раствор или повторно сгущаемый раствор загружают в смесительную машину не в одной точке, а через несколько точек загрузки.
Расстояние между точками загрузки подразделяют таким образом, что каждая зона смешивания содержит одну точку загрузки, и в достаточной степени обеспечено повторное смешивание. На практике требуется от 1 до 3 точек подачи для того, чтобы обеспечить достаточное повторное смешивание, особенно в ходе основного испарения. В соответствии с изобретением, дозу загрузки для каждой точки загрузки либо сохраняют постоянной, либо регулируют в зависимости от параметра, который характеризует содержание твердого вещества или степень преобразования.
Оборачиваемость точек загрузки в каждом случае можно устанавливать независимо. При этом оборачиваемость в точке загрузки в каждом случае задают или регулируют, хотя не обязательно, в зависимости от рабочей температуры вблизи соответствующей точки загрузки. Кроме того, давление в питающих трубах можно задать таким образом, чтобы не происходило испарения в питающих трубах.
Рабочий режим согласно изобретению имеет преимущество в том, что диапазон времен пребывания является более стабильным и продукт подвергается лучшему обмену. В случае продуктов с высокой энергией смешивания по всему массовому потоку, особенно преимущественной является одна точка загрузки в задней области рабочей камеры, поскольку испарившийся растворитель оказывает охлаждающее действие и таким образом продукт не перегревается.
В соответствии с изобретением, выбор нескольких точек загрузки имеет дополнительное преимущество, поскольку можно задействовать несколько рабочих точек повторного смешивания. Таким образом возможно эффективно использовать, в передней области испарителя, контактный нагрев при содержании от 30 до 60% твердого вещества со все еще относительно низкой вязкостью, которой, однако, все же достаточно для механического разрушения пены.
С другой стороны, в задней части аппарата может быть установлено содержание твердого вещества от 80 до 98%. Таким образом, скорость испарения возрастает, поскольку используют как механическое рассеяние, так и контактное тепло.
Кроме того, уровень подачи в смесительную машину можно повысить путем настройки длины, по которой предполагается низкая вязкость, причем путем этого повышения существенно облегчают разгрузку на выходе из смесительной машины.
В соответствии с изобретением, контроль содержания твердого вещества можно осуществлять путем измерения температуры. Определение общего уровня подачи осуществляют с помощью крутящего момента вала. В случае смесительной машины-реактора, степень преобразования может быть определена посредством извлечения образцов по всей длине смесительной машины. Эти образцы также показывают, правильный ли состав, поскольку рассматривают несколько извлеченных продуктов, чтобы таким образом убедиться, что удаление испаряемых компонентов происходит в правильном составе.
В соответствии с изобретением, состав можно адаптировать на входе, ведущем к точке загрузки. Пары выпускают из испарителе-смесительной машины или смесительной машины-реактора либо через спираль, которая транспортирует в направлении, противоположном газовому потоку, или через паровой купол. Если, несмотря на это, образуется пена, она разрушается механически в спирали или, в соответствии с изобретением, возвращается в рабочую камеру по стенкам сосуда парового купола и одновременно разрушается.
В еще одном воплощении изобретения температуру продукта следует регулировать на выходе с помощью числа оборотов смесительной машины, при заданном количестве поступающего продукта. Аналогично этому, температуру продукта можно регулировать с помощью количества поступающего продукта при заданном крутящем моменте, и/или число оборотов смесительной машины можно регулировать с помощью количества поступающего продукта при заданной температуре продукта.
Описание чертежей
Дополнительные преимущества, характеристики и подробности изобретения вытекают из представленного ниже описания предпочтительного воплощения и из чертежа, на котором представлена блок-схема способа непрерывного термического разделения смешанных веществ, в особенности при обработке полимерных растворов, согласно изобретению, выполняемого на установке в несколько стадий.
Любой выбранный полимерный раствор 1 загружают в испаритель 2. Указанный испаритель, например, может представлять собой трубчатый испаритель. В испарителе 2 осуществляют предварительное сгущение. Жидкий полимерный раствор, в большинстве случаев, поступает непосредственно из полимеризации в растворе и имеет содержание полимера от 5 до 50%, и с помощью термической обработки его сгущают до концентрации приблизительно от 20 до 80%. Испарившиеся летучие компоненты (пары) извлекают из испарителя и подают в конденсатор 3.
Затем сгущенный полимерный раствор поступает из испарителя 2 в испарителе-смесительную машину 4. Этот аппарат предпочтительно представляет собой смесительную машину горизонтального типа с одним или несколькими горизонтально расположенными смесительными валами, на которых расположены соответствующие смесительные элементы. К этим смесительным валам присоединен двигатель 5.
Сгущенный полимерный раствор можно подавать в одну точку или несколько точек, последовательно или одновременно. При этом загружаемое количество полимерного раствора в каждом случае регулируют с помощью предварительно заданной температуры продукта.
С другой стороны, на испарителе-смесительной машине 4 расположен паровой купол 6 для выбросов большинства очень летучих компонентов, которые в свою очередь, могут быть конденсированы в конденсаторе 7 и выведены.
Полимерный раствор, который теперь сгущен в испарителе-смесительной машине 4, непрерывно выпускают через выход 8 для полимерного продукта. При этом следует с помощью нагнетания давления довести полимерный раствор, выходящий из испарителе-смесительной машины 4, предпочтительно с помощью шестеренного насоса 9, до давления более 100 кПа (1 бар), предпочтительно, от 100 до 1000 кПа (от 1 до 10 бар). В находящийся под давлением полимерный раствор, при необходимости, загружают жидкую или газообразную добавку и смешивают с полимерным раствором как можно более однородно в смесительной трубе 10, статическом или динамическом смесителе. Затем в представленном здесь воплощении эту смесь пропускают через сопловую пластину 11 в дегазационную смесительную машину 12, для дегазации, при этом, благодаря быстрому испарению летучих компонентов и добавок, происходит увеличение поверхности частиц. Это происходит по аналогии с так называемым эффектом попкорна.
В дегазационной смесительной машине протекает заградительный поток для полимерного раствора, в этом случае происходит постоянное обновление активной поверхности указанной массы и рассеянная энергия одновременно поглощается полимерным раствором.
В течение дегазации температуру полимерного раствора внутри дегазационной смесительной машины, путем добавления легко испаряющихся добавок, которые не растворяются в полимерном растворе, в одну или более точек дегазационной смесительной машины, поддерживают ниже температуры, при которой может происходить разрушение полимерного раствора. Это показано стрелками 13. Весь данный процесс контролируют с помощью устройств для измерения температуры, с помощью чего соответственно регулируют количество загружаемых добавок для охлаждения испарением.
Сверху дегазационной смесительной машины 12 расположен другой паровой купол 14, через который, также и в этом случае, выводят очень летучие компоненты из дегазационной смесительной машины.
Рядом и за дегазационной смесительной машиной расположен другой выход 15 для выпуска полимера, где готовую полимерную массу путем еще одного подъема давления, предпочтительно с помощью шестеренного насоса 16, доводят до давления более 0 бар, предпочтительно более 1000 кПа (10 бар).
Затем эту полимерную массу подают в режущее устройство, в котором ее предпочтительно гранулируют или придают какую-либо другую требуемую форму. Этот гранулят затем извлекают.
Перечень обозначений
1. Полимерный раствор
2. Испаритель
3. Конденсатор
4. Испарителе-смесительная машина
5. Привод
6. Паровой купол
7. Конденсатор
8. Выход полимерного продукта
9. Шестеренный насос
10. Смесительная труба
11. Сопловая пластина
12. Дегазационная смесительная машина
13. Стрелка
14. Паровой купол
15. Выход продукта
16. Шестеренный насос
17. Режущее устройство