一种强化高粘聚合物深度脱挥的装置及方法

1.本发明设计涉及高粘度聚合物脱除单质、溶液及副产物等挥发性成分，更具体地，涉及一种高粘度聚合物脱挥的装置及方法。


背景技术：

2.硅油具有耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力等优点，被广泛应用于日化行业、橡胶、塑料、机械、仪表、医疗和食品等行业。聚合物材料是当代的研究热点之一，如有机硅聚合物一般是通过二甲基硅氧烷环体的开环聚合和平衡反应制得，但因单体的生理毒害性，国内外相应法规对聚合物中单体的含量进行了限制规定，因此脱挥在聚合物加工领域的重要性也与日俱增。脱挥过程实质是将低分子量组分从聚合物体系中分离出来的过程，例如将单质、小分子溶剂、水等挥发分从高粘度的聚合物体系中脱除，以保证聚合物的质量满足后续各种产品的加工需求。随着生产生活的进步，对高性能和高安全指标的聚合物材料需求与日俱增。在某些行业对于聚合物材料中挥发分含量的要求已经低至ppm级别，传统的脱挥工艺和设备已经不能实现深度脱挥的需求。因此，研究聚合物深度脱挥并实现工业化生产就显得尤为重要。
3.聚合物脱挥是一个涉及热力学和组分传质的分离问题，挥发性组分通过扩散或起泡的方式，首先从聚合物主体中转移至气液相界面，然后在相界面处气化转移，最终在真空环境中脱除。工业上挥发分的脱除具体可分为以下三个步骤：闪蒸脱挥、起泡脱挥和扩散脱挥。闪蒸脱挥多运用于初级脱挥，过程主要由相平衡控制，使挥发分的含量从80％降低到20％。闪蒸脱挥阶段挥发分含量大，体系粘度相对较低，在加热和真空的作用下，聚合物很容易沸腾并形成蒸气气泡，气泡聚集膨胀并最终破裂，向气相中释放所含挥发分，实现挥发分的初步脱除。起泡脱挥将挥发分的含量从20％降至5％，聚合物中的挥发分在过饱和状态下核化形成胚胎、生长变形、剪切破碎将挥发分释放至蒸气环境中去。工业上通过增大真空度或添加助脱挥剂如惰性气体来提高脱挥效果。深度脱挥主要为扩散脱挥，可以将挥发分含量从5％继续下降至产品要求的ppm级别。聚合物中挥发分的浓度梯度是扩散的推动力，但是此时聚合物挥发分含量已经很低，聚合物粘度急剧增大，流动性较差，所以扩散脱挥的过程进行得缓慢且困难。因传质过程受到相平衡条件的约束，需要从设备强化的角度提升聚合物的脱除效率。
4.现有的脱挥设备从广义上分类可以分为两种类型：静态脱挥设备和动态脱挥设备。根据脱挥聚合物粘度物性的不同，两种设备各有侧重点。
5.静态脱挥设备大多应用于低粘度且易流动的聚合物体系,工业上采用的静态脱挥设备主要有闪蒸器和落条式脱挥器等。闪蒸器脱挥原理是将一定温度的进料输送进一定真空度的闪蒸器内腔中，此时挥发分在闪蒸器内部达到沸点，沸腾后快速汽化并形成气泡，气泡汇聚后胀大破裂，释放出挥发分，并被真空系统抽离实现脱除。落条式脱挥器与闪蒸器原理类似，都是降低体系压力，使挥发分被闪蒸脱除，但落条式脱挥器在进口处设置了导流器或者分布器，使聚合物被拉扯成条状膜，达到了充分换热和增大表面积的目的，更易于挥发
分的脱除。但静态脱挥设备没有外在的机械动力，而且极易造成死区和局部产品粘连问题，因此仅适用于粘度低、易于流动、脱挥要求较低的工况。
6.通过动态脱挥设备内部设置旋转件来强制高粘流体的混合、输送和表面更新，可大幅度提高传质和传热效果，从而获得更好的分离效果，但这类设备耗能较高且操作过程中易损坏。工业上运用较为广泛的动态脱挥设备主要有螺杆挤出机、薄膜蒸发器、盘环反应器、共转盘式脱挥器等。但是这些设备也存在一些问题：螺杆挤出机存在真空度过大易冒料，薄膜蒸发器等设备庞大，维修困难，盘环反应器脱挥效率低等。
7.超重力，指物质在比地球重力加速度g大得多的情况下所受到的力，目前超重力环境主要依靠旋转设备产生的离心力提供。使用旋转床进行脱挥时，高速旋转的转子对高粘流体作用强剪切力，使高粘流体被破碎成液膜、液丝和液滴，很大程度增加了传质表面积，更易于挥发分的溢出。北京化工大学的陈建峰等开发了一种利用超重力旋转脱除聚合物中挥发分的装置(cn 101372522a),其转子的超重力水平可以达到30～1000倍标准重力,脱挥效果良好，但是其进料方式采用液体分布器，因此处理物料流量和粘度上限较低，而且填料为丝网填料，过程中容易堵塞。中北大学的刘有智等利用超重力旋转床脱除脲醛树脂中的游离甲醛(cn100427522)，引入汽提剂带离填充床内的游离甲醛，经脱挥操作后，原料中95％的甲醛都被脱除，但由于引入汽提剂，极限真空受限且增加了其余的操作流程。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种强化高粘聚合物深度脱挥的装置，该装置涉及进料系统、真空系统和脱挥系统。设计了新型的外壳结构、转子结构和进料方式，解决了高粘度流体深度脱挥的技术问题：(1)克服了现有设备苛刻的操作条件；(2)改善了高粘流体在转子内部的流动性；(3)解决了旋转填充床内物料滞留的“死区”问题；(4)汇集在旋转床底部的液体得到了充分的循环和再分散，即在设备内部即可以实现多次分散和多次脱挥；(5)提升了聚合物溶液的脱挥效果。
9.上述技术方案中，所述的新型的外壳结构主要特征如下：旋转填充床装置外壳上端呈弧形，下端呈漏斗状。
10.上述的装置外壳上包覆加热夹套，夹套内可以通入液态导热油或水蒸气，提高旋转填充床内部环境温度。优选地本发明采用芳烃类导热油，可以通过加热系统来调节旋转床内部温度，以适应于不同物系对温度的要求，增大设备的弹性操作需求。
11.上述芳烃类导热油，优选地最高操作温度为240℃，以避免过高温度引起旋转床内部高分子聚合物结焦或分解。旋转床开车之前需提前开启加热系统，避免产品质量波动。
12.上述外壳下端呈漏斗形，外壳内部涂有耐磨性疏水材料，增大液滴与壁面的接触角，同时配合转子外侧刮刀，可以减少因流体的高粘度物性造成的壁面挂料情况。该结构高强度耐压，可以满足旋转床腔内对真空度的操作需求。
13.上述漏斗形下端外壳底部储液槽，可以储存沿着壁面滑落的液体。当聚集了一定高度的液位时，液体将被螺旋流道输送至分布盘，并且在储液槽旁路开设一个出料口，方便循环完成后排除脱挥后的产品。同时形成一定高度的物料液封，对出料管路提供一定的压头，以便连接齿轮泵连续出料。
14.本发明提供了一种新型的进料方式，改善了物料在填料内部的流动状况，减少了
高粘物料的堵塞，其特征如下：转子底部连接盘中间设计呈倒梯形凹陷，物料输送至距离转盘底部两厘米处，并跌落至高速旋转转盘上。
15.上述的进料方式如下：输料管自原料罐连接齿轮泵，并从旋转填充床的外壳顶部延伸至空腔内部。高粘度流体在带有加热夹套的储料罐加热至所需预热温度后，经齿轮泵输送至转子结构转盘凹处并滴落在高速转动的转盘上。
16.上述转盘带动转盘上设计的分散叶轮一起转动，当流体碰撞在叶轮上时，流体做离心运动并沿着转盘上特定的斜面飞出，以极高的初速度进入转子填料中并被剪切。该进料方式为流体提供了一定的初始动能，不仅可以处理粘度很高的体系，还改善了高粘流体在转子填料中易堵塞的问题。
17.本发明提供了一种新型的转子结构，其特征如下：转子整体为可拆卸式结构。
18.所述可拆卸转子结构由以下部件构成：上盖板、中心填料、下托盘和螺杆螺母。
19.所述的转子结构在上盖板和填料顶部均开设小孔，开孔率为60％，利于抽真空系统抽离挥发分。
20.上盖板和下托盘四周均匀分布六个相同孔径的小孔，长螺杆穿过后，用螺母固定，完成装配。
21.所述的转子填料为多层定型填料，经建模软件设计并打印成型，可依据不同脱挥系统及要求，设计多种不同结构的材料，并且根据工况需求更换打印材料。优选地，本发明填料采用同心多层填料组合按照水平格栅-垂直格栅-水平格栅的顺序多层排列，沿径向保持一定间距装填。
22.所述填料最外侧分布有纵向刮刀。
23.所述填料3d打印成品后，表面喷涂高强度耐磨疏水性涂料。
24.所述转子底部、转盘底部均有反向螺纹并与转轴连接，中部呈现倒梯形凹陷。
25.本发明将转子设置为可拆卸式，具体操作如下：底部托盘反向螺纹连接转轴螺杆，转轴上面放置整体式填料，再放上盖板，六根长螺杆穿过上下两转盘后用垫片螺帽固定，由此组装成转子整体结构。组装式转子可根据所需分离体系对设备和流动形态的特殊要求来设计，拓宽装置处理物系的黏度范围。
26.所述的3d打印填料所用的材料优选为高强度尼龙材料，对高温物系也可选用316l不锈钢材质。
27.本发明提供的一种强化高粘聚合物深度脱挥的方法，该方法利用旋转填充床转动剪切高粘度聚合物流体，将高粘度流体打碎、剪破成液膜或液滴，增大气液两项接触面积并强化传质过程。
28.上述脱挥方法中，物料在夹套储罐内部加热后输送至转子内腔底部托盘上，经托盘甩飞后进入填料内部完成进料操作。物料在规整型填料内部按照设定的流道从内腔流过至外腔完成传质过程。
29.上述脱挥方法中，旋转填充床内需要高真空度主要是为了降低气相压力，从而降低挥发分在气相中的平衡分压，提高气液两相的传质推动力。本方法不涉及汽提剂，只需将挥发分气体经抽真空系统抽出后进入吸收单元吸收并再利用，减少了后续的分离操作。
30.上述脱挥方法中，物料被加热后进入旋转填充床内部，外壳夹套可控制操作环境温度，保障产品质量。在脱挥过程中，温度升高，一方面使聚合物粘度降，低利于在填料内部
流动，另一方面增大挥发分的扩散系数也会，使传质过程得到强化。
31.上述脱挥方法中，温度、真空度和超重力水平均可根据所需脱挥物系的要求进行设定。也可以按照转子尺寸自行建模，打印并更换整体填料结构以适用不同粘度的聚合物脱挥操作。
32.发明效果：
33.本发明的方法：利用强离心力剪切环境对高粘度聚合物进行脱挥，工艺设备简单，且不需要汽提气输送，省去了后续汽提气与挥发分分离的过程。此强化装置对流体的剪切诱导作用强，脱挥效果较传统脱挥工艺更好。本脱挥方法主要由进料系统，抽真空系统和脱挥系统组成，可更改进料储罐的温度和压力、系统真空度等不同的脱挥工艺条件。通过调节旋转填充床的转子转速，达到改变脱挥环境离心力水平大小，可适应更多体系。
34.本发明的装置：采用立式旋转填充床，液体在旋转床内部分布更均匀；填充床外壳设计夹套结构，维持操作条件稳定，利于产品质量均衡；设计了新型的进料方式，为高粘度流体提供一定的初动能，改善其在填料区域的流动形态；采用可拆卸式转子，通过建模3d打印，设计不同类型的转子结构，应用于不同体系的旋转床脱挥操作；采用不同设计规格的填料，在高速旋转产生的强剪切力条件下，将聚合物剪碎成液滴或液膜并在填料内部聚合破碎反复重复，增大表面更新速度和气液传质表面积；连接轴上设置了螺旋的流道，可以利用转轴转动产生的能量将液体储槽里面的液体再次输送在分布盘上再次被剪切分散，即在设备内部就达到了多级脱挥；在真空度较高的环境中，挥发分易于脱出并被真空系统吸收。
【附图说明】
35.图1本发明旋转填充床示意图
36.图2本发明可拆卸转子装配图
37.图3本发明装置进料管和转子托盘示意图
38.图4本发明转子上盖板示意图
39.图5填料结构示意图
40.图6填料结构三维示意图(整体结构、填料排列)
41.图7本发明操作流程示意图
42.图中：1-外壳；2-拆装垫片；3-法兰；4-旋转轴；5-加热油进口；6-夹套；7-原料进口；8-气相出口；9-加热油进口；10-产品出口；11-轴封；12-底座；13-机体外壳；14-电机；15-支腿；16-分散叶轮；17-转子；18-转子下托盘；19-填料；20-集液区；21-外腔间隙；22-横置格栅；23-纵置格栅；24-转轴固定螺丝；25-刮刀；26-盖板开孔；27-转子上盖板；28-连接螺杆；29-内空腔；30-填料上压盖；31-填料下压盖；32-格栅连接柱；33-外磁缸体；34-内磁缸体；35-隔离套；36-螺旋流道；37-流道外筒壁；38-集液槽。
具体实施方式：
43.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实例和附图对本发明做进一步的说明。不同附图中相同的部件均以相同的标记进行表示。些许微小部件比较复杂且不影响说明本装置，附图中未全部进行展示与标注。本领域的技术人员应当理解，下面具体描述的内容仅对本发明进行说明而非限制，不应以此限制本发明的保护范围。
44.一种强化高粘聚合物深度脱挥的装置由图1所示，在传统的立式旋转填充床的结构设计上加以改造。主要部件由磁力驱动电机14、旋转填充床转子17和外壳1等组成。由图1所示，填充床外壳1上半部分可拆卸取出内部转子，通过法兰3和垫片2连接。设备外壳顶部连接电机底座12，并设有密封装置。电机旋转轴4为转子17传输动力，并通过转轴固定螺丝24锁定在转子下托盘18上。
45.本装置驱动采用磁力电机驱动以符合设备长时间高压条件下运行的条件。磁力电机通过机体外壳13和底座12连接设备外壳。在内部设置有内磁缸体34通过隔离套35与外磁缸体33分隔，驱动系统设置有轴封11以防止原料损坏电机。
46.请结合图2转子结构装配图所示，包括上盖板27、一体式填料19、转子下托盘18、旋转轴4、分散叶轮16、转轴固定螺丝24和连接螺杆28。旋转轴4连接分散叶轮16和转子下托盘18并由固定螺丝24加以固定。转子下托盘18四周设置有小孔，长连接螺杆28从中穿过，中间形成固定区域并放置一体式填料19，转子上压盖30四周也设置与下托盘同样小孔，螺杆28从中穿过后拧紧螺帽完成装配。所需装配一体式填料为3d打印件，本例中采用横纵格栅交错设计，也可以采用不同材料和设计适用于不同物系的分离过程，仅需拆卸转子更换填料即可。
47.请结合图3进料系统示意图，包括旋转轴4、进料口7、转子下托盘18、分散叶轮16。高粘度原料经螺杆泵从原料储罐输送至填充床内部空腔29并跌落于分散叶轮16上，被高速转动的叶轮击飞撞击在填料上，或者沿托盘斜面以一定的初速度进入填料内部被剪切、撕碎并放出挥发分，完成脱挥操作。
48.请结合图4的转子上盖板示意图，在转子下托盘和上盖板四周都均匀分布螺孔，便于长螺杆从中穿过并固定。一体式打印填料上压盖也在非连接结构处开设小孔，开孔率大约为60％。
49.请结合图5填料结构示意图，包括横置格栅22、纵置格栅23、填料上压盖30、填料下压盖31和格栅连接柱32。一体式转子中间有圆形空腔区域放置填料，填料装填排列如图5所示横纵格栅沿半径方向依次交替排列。纵置格栅23的两端连接转子上下压盖，形似传统立柱式填料，并绕转子圆心呈圆环状阵列。横置格栅在上下两个压盖之间从上至下排列，并且被四根连接立柱32贯穿，然后绕转子圆心呈圆环状阵列。最终形成两种横纵格栅以此循环排列的一体式格栅。纵置格栅形如刮刀结构，横置格栅剖面如同三角斜坡，在转动时可为流体提供向上的离心力。填料最外沿还配置有刮刀25，如图6三维结构图所示，以防过厚的高粘流体黏附在壳体内部。填料上压盖在非连接点位也开设有小孔结构以便于挥发分的脱除，开孔率为60％。
50.请结合图7操作流程示意图，包括进料单元、抽真空单元和旋转床单元。在操作开始之前先启动原料罐加热装置，稍后打开填充床外壳夹套的加热系统预热填充床内部。待高粘度流体被加热至所需温度后，打开真空泵抽真空，通过压力表检测达到所需真空度后开始进料。高粘度流体经过齿轮泵输送至填充床内部被高速转动的分散叶轮撞击后，以一定的初速度进入填料层内。流体在填料层内被剪切、击碎成液膜和液滴并沿着径向从内向外流过填料层，同时释放挥发分被真空系统抽出。流入储液槽的液体再次被提升至分布盘，由此重复分散、脱挥发分、汇集、分散的过程，一段时间后，待填充床底部积液区堆积一定的流体后，放料口产生一定的压头，打开产品齿轮输送泵将产品输送至产品储罐。经抽真空系
统抽走的低分子量挥发分经冷却器冷却后进入回收罐。
51.实施例1
52.实施本发明的强化脱挥装置对高粘度聚二甲基硅油进行深度脱挥，黏度为104mpa
·
s，含有六甲基环三硅氧烷(d3)、八甲基环四硅氧烷(d4)、环五聚二甲硅氧烷(d5)和十二甲基环六硅氧烷(d6)等挥发分，具体流程如图7所示。首先打开原料罐加热夹套加热物料至125℃左右，稍后打开真空系统使旋转填充床设备内部压力低至20pa，最后打开旋转填充床外夹套油浴加热系统对腔体内部预热。等待旋转填充床内部温度和真空度达到条件时，开启转轴电机设置转速在400rpm，打开齿轮泵进料。通过进料分散叶轮使高粘度物料从转子内腔流经填料层，液体被破碎成液滴和液膜等分散相，挥发分从液相中逸出被真空系统抽离，分散的液体被外壳内壁汇集在储液槽，并再次被输送至分散盘。设备运行十分钟之后，即完成整个脱挥流程，打开储液槽的液体出口旁路放出产品。对脱挥前后的物料进行分析，单体挥发分含量总量降低至1％以下。二甲基硅油中d4质量分数从5％降低至0.28％左右，d5质量分数从3.5％降低至0.4％左右，d3由于初始含量较低，且极容易被脱除，在此不用其脱除率评价旋转床的脱挥效果。d6因其分子量较大的原因，较难脱除，含量仅从1.2％降低至0.38％。
53.实施例2
54.相比于实施例1，维持温度125℃和真空度20pa条件不变，更改旋转床转速至600rpm。进料脱挥十分钟，分析进出口物料单体含量。二甲基硅油中d4质量分数从5％降低至0.25％左右，d5质量分数从3.5％降低至0.35％左右，d6质量分数从1.2％降低至0.36％。
55.实施例3
56.考虑到温度和真空度对单体脱除率的影响，调整真空度为20pa,原料罐和旋转床腔内温度维持在140℃，转速设定为600rpm,操作时间10分钟，分析产品各二甲基硅氧烷环体含量。二甲基硅油中d4质量分数从5％降低至0.14％左右，d5质量分数从3.5％降低至0.25％左右，d6质量分数由1.2％降低至0.24％。
57.最后需要指出的是：以上实施例仅用于说明本专利的技术和设备方案，而非对本发明实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无法对所有的实施方法予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申的显而易见的变化或改动仍处于本发明的保护范围之列。