專(zhuān)利名稱(chēng)：生產(chǎn)聚氯乙烯的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及氯乙烯液相聚合以形成聚氯乙烯。更具體地，本 發(fā)明涉及用于生產(chǎn)聚氯乙烯的裝置和方法，其采用了反應(yīng)物的高剪切 混合。
背景技術(shù)：
聚氯乙烯(PVC)f—種熱塑性聚合物，廣泛用于生產(chǎn)各種民用產(chǎn)
品，包括建筑材料、鉛錘管、服裝、室內(nèi)裝飾、地板和乙烯基錄音帶，
僅舉幾個(gè)例子。PVC通過(guò)使用單體可溶的引發(fā)劑或催化劑進(jìn)行氯乙烯
單體的自由基聚合來(lái)合成。 一些已知的引發(fā)劑是偶氮二異丁腈、叔丁 基氫過(guò)氧化物、月桂酰過(guò)氧化物、過(guò)氧苯甲酰和異丙基過(guò)氧化二碳酸
酯。 一批懸浮液制備物一般包含約0.01到1.0重量％的氯乙烯單體，pH 為約7-9。如下開(kāi)始聚合，將引發(fā)劑溶解在單體溶液中并在約35-75°C 的溫度范圍加熱約2-12小時(shí)，并且持續(xù)攪拌反應(yīng)物。該過(guò)程在一個(gè)分 解的氫原子連接于PVC鏈末端的不成對(duì)電子上時(shí)、或者在碳原子通過(guò) 被稱(chēng)為歧化(其產(chǎn)生游離的氫原子)的過(guò)程形成雙鍵時(shí)結(jié)束。
氯乙烯單體的自由基聚合一般被認(rèn)為是目前合成PVC的最容易和 最經(jīng)濟(jì)的方法，盡管該聚合過(guò)程也可能在聚合物中產(chǎn)生雜質(zhì)和缺陷。 由于自由基聚合的不可預(yù)測(cè)的性質(zhì)，有時(shí)碳-氫鍵斷開(kāi)，而不只是單體 的碳-碳鍵斷開(kāi)，導(dǎo)致在生長(zhǎng)的聚合物鏈上的碳-氫鍵斷開(kāi)的多個(gè)位置出 現(xiàn)支鏈。與一些PVC合成反應(yīng)有關(guān)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是有時(shí)在聚合反應(yīng)停 止之后有一定量的未聚合的單體剩余。許多現(xiàn)有技術(shù)的用于生產(chǎn)聚氯乙烯的方法和生產(chǎn)設(shè)施還有各種限制，例如質(zhì)量流限制、產(chǎn)品產(chǎn)率、 工廠(chǎng)規(guī)模和能量消耗。因此，持續(xù)需要開(kāi)發(fā)出改善從氯乙烯單體的自 由基聚合生產(chǎn)聚氯乙烯的選擇性和收率的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，提供了生產(chǎn)聚氯乙烯的方法。所述 方法包括在高剪切混合裝置中將氯乙烯溶液與引發(fā)劑溶液混合以形成 聚合混合物，所述高剪切混合裝置包含至少一個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組，產(chǎn)生至
少5.1 m/sec(1,000 ft/'min)的轉(zhuǎn)子尖端速度；和使所述混合物通過(guò)自由基 聚合作用聚合為聚氯乙烯。在一些實(shí)施方案中，所述聚合混合物經(jīng)歷 自由基聚合條件，包括約20-約23(TC的溫度范圍。在一些實(shí)施方案中， 所述高剪切混合裝置產(chǎn)生至少20,000 s"的剪切速率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，提供了包含高剪切混合裝置的系 統(tǒng)，所述高剪切混合裝置包含至少一個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組，其被配置為產(chǎn)生 至少5.1 m/sec(l,0O0ft/min)的轉(zhuǎn)子尖端速度；與所述高剪切混合裝置的 進(jìn)口流體連通的泵；和與所述高剪切混合裝置的出口流體連通并被配 置用于保持預(yù)定壓力和溫度的容器。在一些實(shí)施方案中，所述高剪切 混合裝置產(chǎn)生至少20,000 s"的剪切速率。這些和其它實(shí)施方案和可能 的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)以下詳細(xì)說(shuō)明和附圖而顯而易見(jiàn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，生產(chǎn)聚氯乙烯的方法的工藝 流程圖。
圖2是在圖1的系統(tǒng)的實(shí)施方案中所使用的多級(jí)高剪切裝置的縱 向截面圖。
發(fā)明詳述
本發(fā)明的用于通過(guò)氯乙烯的液相自由基聚合生產(chǎn)聚氯乙烯(PVC) 的方法和系統(tǒng)采用了外部的高剪切機(jī)械裝置，用來(lái)在高剪切混合器裝置和/或單獨(dú)的反應(yīng)器中在受控環(huán)境下提供化學(xué)成分的快速接觸和混 合。所述高剪切裝置降低了對(duì)反應(yīng)的傳質(zhì)限制并由此提高總的反應(yīng)速 率。
涉及液體、氣體和固體的化學(xué)反應(yīng)依賴(lài)于涉及時(shí)間、溫度、和壓 力的動(dòng)力學(xué)定律來(lái)決定反應(yīng)速率。如果期望使不同相的兩種或更多種 原材料(例如，固體和液體；液體和氣體；固體、液體和氣體)反應(yīng)，則 控制反應(yīng)速率的一個(gè)限制性因素涉及反應(yīng)物的接觸時(shí)間。在非均相催 化反應(yīng)的情況中，有另一個(gè)速率限制因素，即，從催化劑的表面移除 反應(yīng)的產(chǎn)物以使催化劑催化另外的反應(yīng)物。反應(yīng)物和/或催化劑的接觸 時(shí)間經(jīng)常由混合來(lái)控制，所述混合為化學(xué)反應(yīng)中所涉及的兩種或更多 種反應(yīng)物提供接觸。均相反應(yīng)也可以受益于高剪切混合，如本文中公 開(kāi)的，通過(guò)至少提供在反應(yīng)器內(nèi)的均勻的溫度分布和使可能的副反應(yīng) 減到最少。因此，在一些實(shí)施方案中，本文中描述的高剪切過(guò)程促進(jìn) 均相化學(xué)反應(yīng)。
本文中所述的包括外部高剪切裝置或混合器的反應(yīng)器組件使得有 可能降低傳質(zhì)限制，并從而允許反應(yīng)更緊密地接近動(dòng)力學(xué)極限。當(dāng)反 應(yīng)速率被加速時(shí)，可以縮短停留時(shí)間，從而增加可獲得的處理量。由 于該高剪切系統(tǒng)和方法，可以提高產(chǎn)品產(chǎn)率。作為選擇，如果現(xiàn)有工 藝的產(chǎn)品產(chǎn)率是可接受的，則通過(guò)并入適合的高剪切來(lái)縮短所需的停
留時(shí)間使得可使用比常規(guī)工藝更低的溫度和/或壓力。在一些情況中， 還有可能減小反應(yīng)器尺寸，同時(shí)保持相同的產(chǎn)品產(chǎn)率。
用于生產(chǎn)聚氯乙烯的系統(tǒng)
下面參考圖1描述高剪切系統(tǒng)，圖1是工藝流程圖，顯示了用于 通過(guò)相應(yīng)單體的催化聚合來(lái)生產(chǎn)聚氯乙烯的高剪切系統(tǒng)1的實(shí)施方案。
該系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件包括外部的高剪切混合裝置(HSD)40、容器10、和泵 5。如圖1中所示，所述高剪切裝置位于容器/反應(yīng)器10以外。這些部 件的每一個(gè)都在下文進(jìn)行更詳細(xì)的描述。管道21連接于泵5，用于引入氯乙烯單體溶液。管道13將泵5連接于HSD40,管道i8將HSD40 連接于容器10。管道22連接于管道13，用于引入處于適合的溶劑中 的引發(fā)劑(例如，有機(jī)過(guò)氧化物)或催化劑。管道17連接于容器10，用 于除去排出氣體。如果需要，可以在容器10和HSD 40之間、或者在 泵5或HSD 40的前面并入額外的部件或工藝步驟(例如，未反應(yīng)單體 的再循環(huán))。
高剪切混合裝置。外部的高剪切混合裝置(HSD)40有時(shí)也稱(chēng)為高 剪切混合器，被配置用于經(jīng)由管道13接收進(jìn)口物流，包括單體和引發(fā) 劑物流。作為選擇，HSD 40可以配置用于經(jīng)由單獨(dú)的進(jìn)口管道(未示出) 接收單體和引發(fā)劑物流。盡管圖1中僅示出了一個(gè)高剪切裝置，應(yīng)該 理解，該系統(tǒng)的一些實(shí)施方案可以具有以串聯(lián)流或并聯(lián)流布置的兩個(gè) 或更多個(gè)高剪切混合裝置。HSD40是一種機(jī)械裝置，其利用了一個(gè)或 多個(gè)發(fā)生器，所述發(fā)生器包括轉(zhuǎn)子/定子組合，每個(gè)組合在定子和轉(zhuǎn)子 之間具有固定的縫隙。HSD40被配置為使得其能夠產(chǎn)生亞微米(即，直 徑小于1微米)和微米級(jí)的包含催化劑的粒子在流過(guò)混合器的液體介質(zhì) 中分散的分散體。所述高剪切混合器包括殼體或外殼，以便可以控制 反應(yīng)混合物的壓力和溫度。
高剪切混合裝置一般根據(jù)它們混合流體的能力分為三大類(lèi)?；旌?是使流體內(nèi)的粒子或非均相物質(zhì)的尺寸減小的過(guò)程。混合的程度或徹 底性的一個(gè)度量是混合裝置產(chǎn)生的、用于破壞流體粒子的每單位體積 的能量密度。所述分類(lèi)根據(jù)傳遞的能量密度的不同而不同。具有充分 的能量密度以便不斷地產(chǎn)生粒子尺寸在亞微米到50微米范圍內(nèi)的混合 物或分散體的工業(yè)混合器的三個(gè)種類(lèi)包括均化閥系統(tǒng)、膠體磨和高速 混合器。在被稱(chēng)為均化閥系統(tǒng)的高能量裝置的第一類(lèi)別中，將待處理 的流體在非常高的壓力下泵送通過(guò)具有窄縫隙的閥進(jìn)入較低壓力的環(huán) 境中。跨閥壓差以及所得的渦流和空化作用將流體內(nèi)的任何粒子進(jìn)行 破碎。這些閥系統(tǒng)最通常用于乳的均化，并且可以產(chǎn)生O-l微米范圍的 平均粒子尺寸。能量密度譜的相對(duì)端是被稱(chēng)為低能量裝置的第三類(lèi)裝置。這些系 統(tǒng)通常具有在待處理的流體的容器中以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳或流體轉(zhuǎn)子，所 述流體在許多更常見(jiàn)的應(yīng)用中是食品。當(dāng)在被處理流體中的粒子或氣 泡的尺寸大于20微米可被接受時(shí)，這些低能量系統(tǒng)通常被使用。
就被遞送至流體的混合能量密度而言，介于低能量高剪切裝置和 均質(zhì)閥系統(tǒng)之間的是膠體磨，其被分在中間能量裝置類(lèi)別內(nèi)。典型的 膠體磨構(gòu)造包括錐形的或碟形的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子以被密切控制的轉(zhuǎn)子-定 子縫隙與互補(bǔ)的液冷式定子分隔開(kāi)，所述轉(zhuǎn)子-定子縫隙通常為約
0.0254 mm-約10.16mm(約0.001-0.40英寸)。轉(zhuǎn)子通常由電動(dòng)馬達(dá)通過(guò) 直接傳動(dòng)或帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子的外表面和 定子的內(nèi)表面之間泵送流體，并且在縫隙中產(chǎn)生的剪切力處理流體。 許多經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)的膠體磨在被處理流體中實(shí)現(xiàn)約0.01微米到約25微 米的平均的粒子或氣泡尺寸。這些能力使得膠體磨適合于許多應(yīng)用， 所述應(yīng)用包括膠體和油/水基乳化處理，諸如化妝品、蛋黃醬，硅氧垸/ 銀汞齊形成所需的乳化處理，或屋頂焦油混合。
可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)能量(kW)和流體輸出(L/min)來(lái)估算被輸入到 流體中的能量的近似值(kW/L/min)。尖端速度是轉(zhuǎn)子尖端在每單位時(shí)間 內(nèi)運(yùn)行的圓周距離。因此，尖端速度是轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的函數(shù)。 尖端速度(例如，單位是米/分鐘)可如下計(jì)算由轉(zhuǎn)子尖端記錄的圓 周距離2ttR (其中R是轉(zhuǎn)子的半徑(例如，單位是米))乘以旋轉(zhuǎn)頻 率(例如，單位是轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘即rpm)。例如，膠體磨可具有超過(guò)22.9 m/sec(4500 ft/min)的尖端速度，并且可以超過(guò)40 m/sec(7900 ft/min)。 對(duì)于本公開(kāi)的目的，術(shù)語(yǔ)"高剪切"是指能夠達(dá)到超過(guò)5.1 m/sec(1000 ft/min)的尖端速度并且需要外部機(jī)械驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力裝置以驅(qū)動(dòng)能量進(jìn)入 要起反應(yīng)的產(chǎn)品的物流內(nèi)的機(jī)械式轉(zhuǎn)子定子裝置(諸如磨或混合器)。例 如，在HSD40中，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)22.9m/sec(4500 ft/min)的尖端速度， 并且可以超過(guò)40m/sec(7900 ft/min)。在一些實(shí)施方案中，HSD 40能夠在至少22.9 m/sec(4500 ft/min)的公稱(chēng)尖端速度下以約1.5 kW的能量消 耗遞送至少300 L/h。
HSD 40將高的尖端速度與極小剪切縫隙相結(jié)合以在被處理的材 料上產(chǎn)生顯著的剪切。剪切的量依賴(lài)于流體的粘度。因此，在高剪切 裝置的操作過(guò)程中在轉(zhuǎn)子的尖端產(chǎn)生局部區(qū)域的高壓和高溫。在 些 情況中，局部升高的壓力為約1034.2 MPa(150，000psi)。在一些情況中， 局部的高溫為約50(TC。在一些情況中，這些局部的壓力和溫度升高可 以持續(xù)數(shù)納秒或皮秒。在一些實(shí)施方案中，高剪切混合器的能量消耗 大于1000 W/m3。在實(shí)施方案中，HSD 40的能量消耗為約3000 W/m3 到約7500 W/n^的范圍。剪切速率是尖端速度除以剪切縫隙寬度(轉(zhuǎn)子 和定子之間的最小縫隙)。HSD40中產(chǎn)生的剪切速率可大于20,000 s—'。 在一些實(shí)施方案中，剪切速率為至少1,600,000 s—1。在實(shí)施方案中，HSD 40產(chǎn)生的剪切速率為20,000 s"到IOO，OOO s"。例如，在一個(gè)應(yīng)用中， 轉(zhuǎn)子尖端速度為約40 m/sec(7900 ft/min)且剪切縫隙寬度是0.0254 mm(0.001英寸)，產(chǎn)生1，600，000 s"的剪切速率。在另一個(gè)應(yīng)用中，轉(zhuǎn) 子尖端速度為約22.9 m/sec(4500 ft/min)且剪切縫隙寬度是0.0254 mm(0.001英寸)，產(chǎn)生約902,000 s"的剪切速率。
HSD 40能夠?qū)⒎磻?yīng)物和液體介質(zhì)在使得至少一部分單體反應(yīng)以 產(chǎn)生聚合產(chǎn)物的條件下充分混合，其中有一些反應(yīng)物和液體介質(zhì)在正 常情況下是不互溶的。在一些實(shí)施方案中，HSD40包括膠體磨。合適 的膠體磨例如由IKA Works, Inc. Wilmington, NC禾Q APV North America, Inc. Wilmington, MA制造。在一些情況下，HSD 40包括IKA Works, Inc的Dispax Reactor ?？色@得具有多種進(jìn)口/出口接頭、馬力、 公稱(chēng)尖端速度、輸出rpm和公稱(chēng)流量的幾種型號(hào)。特定裝置的選擇將 根據(jù)預(yù)定應(yīng)用的具體處理量要求而定，并且根據(jù)得自高剪切混合器的 出口分散體內(nèi)的所需粒子尺寸而定。在一些實(shí)施方案中，選擇HSD40
內(nèi)的適當(dāng)?shù)幕旌瞎ぞ?發(fā)生器)可允許減小催化劑粒子尺寸/增加催化劑 表面積。
10高剪切裝置包括至少一個(gè)產(chǎn)生被施加于反應(yīng)物上的機(jī)械力的旋轉(zhuǎn) 部件。高剪切裝置包括以間隙被分隔開(kāi)的至少一個(gè)定子和至少一個(gè)轉(zhuǎn) 子。例如，轉(zhuǎn)子可以是錐形的或盤(pán)形的并與具有多個(gè)周邊間隔開(kāi)的高 剪切開(kāi)口的互補(bǔ)形狀的定子分隔開(kāi)。例如，轉(zhuǎn)子可以是錐形的或盤(pán)形 的并與互補(bǔ)形狀的定子分隔開(kāi)；轉(zhuǎn)子和定子二者都可以包括多個(gè)周邊 間隔開(kāi)的齒。在一些實(shí)施方案中，定子是可調(diào)節(jié)的，以便在每個(gè)發(fā)生 器(轉(zhuǎn)子/定子組合)的轉(zhuǎn)子和定子之間獲得所需縫隙。轉(zhuǎn)子和/或定子中 的凹槽可以在交替的階段改變方向，以便增加湍流。每個(gè)發(fā)生器可以 由配置用于提供必要的旋轉(zhuǎn)的任何適合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
在一些實(shí)施方案中，定子和轉(zhuǎn)子之間的最小間隙為約0.0254毫米 到約3.175毫米(O.OOl英寸到約0.125英寸)。在某些實(shí)施方案中，定子 和轉(zhuǎn)子之間的最小間隙為約1.524毫米(0.060英寸)。在某些構(gòu)造中，定 子和轉(zhuǎn)子之間的最小間隙為至少約1.778毫米(0.07英寸)。由高剪切混 合器產(chǎn)生的剪切速率可以隨沿著流動(dòng)途徑的縱向位置而變化。在一些 實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)子被配置為以與轉(zhuǎn)子直徑和所需的尖端速度相當(dāng)?shù)乃?度旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施方案中，膠體磨在定子和轉(zhuǎn)子之間具有固定的縫 隙?；蛘?，膠體磨具有可調(diào)節(jié)的間隙。。
在一些實(shí)施方案中，HSD 40包括單級(jí)分散室(即單一的轉(zhuǎn)子/定子 組合，單一發(fā)生器)。在一些實(shí)施方案中，高剪切裝置40是多級(jí)串聯(lián)的 膠體磨并且包括多個(gè)發(fā)生器。在某些實(shí)施方案中，HSD40包括至少兩 個(gè)發(fā)生器。在其它實(shí)施方案中，高剪切裝置40包括至少三個(gè)高剪切發(fā) 生器。在一些實(shí)施方案中，高剪切裝置40是多級(jí)混合器，憑借其，剪 切速率(其與尖端速度成正比并與轉(zhuǎn)子/定子縫隙成反比)隨著沿流通道
的縱向位置而改變，這在下文中進(jìn)一步進(jìn)行描述。
在一些實(shí)施方案中，外部高剪切裝置的每一級(jí)具有可互換的混合 工具，提供靈活性。例如，IKA Works, Inc. Wilmington, NC和APVNorth America, Inc. Wilmington, MA白勺DR 2000/4 Dispax Reactor 包 括三級(jí)分散模塊。該模塊可包括最多三個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組合(發(fā)生器)，每 一級(jí)為精細(xì)、中等、粗糙和超細(xì)的選擇。這使得可產(chǎn)生具有所需粒子 尺寸的較窄分布的分散體。在一些實(shí)施方案中，每個(gè)級(jí)以超細(xì)發(fā)生器 操作。在一些實(shí)施方案中，至少一個(gè)發(fā)生器組具有大于約5.08mm(0.20 英寸)的最小轉(zhuǎn)子/定子間隙。在一些實(shí)施方案中，至少一個(gè)發(fā)生器組具 有大于約1.778 mm(0.07英寸)的最小轉(zhuǎn)子/定子間隙。在一些實(shí)施方案 中，轉(zhuǎn)子直徑是60mm，定子直徑是64毫米，提供約4mm的間隙。
現(xiàn)在參考圖2，提供了適合的高剪切裝置200的縱向截面圖。高剪 切裝置200是包括三個(gè)級(jí)或轉(zhuǎn)子-定子組合220、 230、和240的分散裝 置。三個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組或發(fā)生器220、 230、和240沿著驅(qū)動(dòng)輸入250串 聯(lián)對(duì)準(zhǔn)。第一發(fā)生器220包括轉(zhuǎn)子222和定子227。第二發(fā)生器230包 括轉(zhuǎn)子223和定子228;第三發(fā)生器240包括轉(zhuǎn)子224和定子229。對(duì) 于每個(gè)發(fā)生器，轉(zhuǎn)子由輸入250旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)并且如箭頭265所示繞軸260 旋轉(zhuǎn)。定子227固定地連接于高剪切裝置的壁255。每個(gè)發(fā)生器的剪切 縫隙為轉(zhuǎn)子和定子之間的距離。第一發(fā)生器220包括第一剪切縫隙225， 第二發(fā)生器230包括第一剪切縫隙235，第三發(fā)生器240包括第三剪切 縫隙245。在一些實(shí)施方案中，剪切縫隙225、 235、 245為約0.025 mm 到10.0 mm寬。在一些實(shí)施方案中，所述方法包括利用高剪切裝置200， 其中縫隙225、 235、 245為約0.5mm到約2.5mm。在某些情況中，縫 隙保持為約1.5 mm?；蛘撸瑢?duì)于發(fā)生器220、 230、 240來(lái)說(shuō)，縫隙225、 235、 245是不同的。在某些情況中，第一發(fā)生器220的縫隙225大于 第二發(fā)生器230的縫隙235，第二發(fā)生器230的縫隙235又大于第三發(fā) 生器的縫隙245。如上所述，各級(jí)發(fā)生器可互換，提供了靈活性。
發(fā)生器220、 230、和240可以包括粗糙、中等、精細(xì)、和超細(xì)的 特征。轉(zhuǎn)子222、 223、和224和定子227、 228、和229可以是有齒設(shè) 計(jì)。每個(gè)發(fā)生器可以包括兩組或更多組轉(zhuǎn)子-定子齒。轉(zhuǎn)子222、 223、 和224可以包括繞每個(gè)轉(zhuǎn)子的圓周周邊間隔開(kāi)的多個(gè)轉(zhuǎn)子齒。定子227、223、和229可以包括繞每個(gè)定子的圓周周邊間隔開(kāi)的多個(gè)互補(bǔ)的定子 齒。在實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑為約11.8cm。在實(shí)施方案中，定子的 外徑為約15.4cm。在某些實(shí)施方案中，三級(jí)中的每一級(jí)采用包括剪切 縫隙為約0.025毫米到約3毫米的超細(xì)發(fā)生器進(jìn)行操作。對(duì)于其中要將 固體顆粒發(fā)送通過(guò)高剪切裝置200的應(yīng)用中，可以選擇剪切縫隙寬度 來(lái)減小粒子尺寸和增加粒子表面積。在一些實(shí)施方案中，分散器被配 置為使得剪切速率沿著流動(dòng)方向縱向逐步增加。例如，所述IKA⑧DR 2000/4型包括皮帶傳動(dòng)、4M發(fā)生器、PTFE密封環(huán)、進(jìn)口法蘭25.4mm(1 英寸)清潔夾鉗、出口法蘭19mm(3/4英寸)清潔夾鉗、2HP電源、輸出 速度7900 rpm供液能力(水)大約300-700 L/h(取決于發(fā)生器)、尖端速 度為9.4-41 m/sec(1850 ft/min-8070 ft/min)。
反應(yīng)器/容器。容器或反應(yīng)器10是任何類(lèi)型的容器，其中多相反 應(yīng)可被波及到此以進(jìn)行上述的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。例如，容器10可以是連續(xù)攪 拌罐或半連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器，或者其可以包括串聯(lián)或并聯(lián)布置的一個(gè) 或多個(gè)間歇式反應(yīng)器。在其它實(shí)施方案中，容器IO可以是塔式反應(yīng)器、 管式反應(yīng)器或多管式反應(yīng)器。 一個(gè)或多個(gè)管道15可以連接于容器10， 用于根據(jù)特定的應(yīng)用，引入單體、溶劑、引發(fā)劑或催化劑、或其它材 料。
容器10可包括以下項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)攪拌系統(tǒng)、加熱和/或 冷卻設(shè)施、壓力測(cè)量?jī)x器、溫度測(cè)量?jī)x器、 一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)、和液 面調(diào)節(jié)器(未示出)，如反應(yīng)容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中已知的。例如，攪拌系統(tǒng)可 以包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合器。加熱和/或冷卻設(shè)備可以包括例如熱交換器。
或者，在一些實(shí)施方案中，由于大部分聚合反應(yīng)可以在HSD 40內(nèi)發(fā)生， 在一些情況中，容器IO可以主要起到儲(chǔ)存容器的作用。盡管通常不那 么期望，但是在一些應(yīng)用中，容器10可以省略，特別是如果將多個(gè)高 剪切混合器/反應(yīng)器串聯(lián)使用時(shí)，如以下進(jìn)一步描述的。管道16連接于 容器IO，用于抽出或除去聚氯乙烯產(chǎn)物。傳熱裝置。除了上述的容器10的加熱/冷卻設(shè)施之外，在圖1中舉例說(shuō)明的實(shí)施方案的變體中還考慮了用于加熱或冷卻工藝物流的其它外部的或內(nèi)部的傳熱裝置。用于一種或多種這種傳熱裝置的一些適
合的位置在泵5和HSD40之間，HSD40和容器IO之間，以及當(dāng)系統(tǒng)1以多程模式操作時(shí)在容器10和泵5之間。這種傳熱裝置的一些非限制性實(shí)例為殼式、管式、板式、和盤(pán)管換式熱器，如本領(lǐng)域中已知的。
泵。泵5配置用于連續(xù)操作或半連續(xù)操作，并且可以是能夠提供大于203 kPa(2個(gè)大氣壓)壓力、優(yōu)選大于304 kPa(3個(gè)大氣壓)壓力以允許控制通過(guò)HSD 40和系統(tǒng)1的流動(dòng)的任何適合的泵裝置。例如，R叩erType 1 齒車(chē)侖泵，Roper Pump Company(Commerce Georgia)DaytonPressure Booster Pump Model 2P372E， Dayton Electric Co(Niles, IL)是一種適合的泵。優(yōu)選地，泵的所有接觸部分包括不銹鋼。如果要泵送腐蝕性物質(zhì)，還希望提供鍍金接觸表面。在系統(tǒng)的一些實(shí)施方案中，泵5能夠產(chǎn)生大于約2027kPa(20個(gè)大氣壓)的壓力。除了泵5之外，可以在圖1所舉例說(shuō)明的系統(tǒng)中包括高壓泵(未示出)。例如可以在HSD40和容器10之間包括與泵5相似的增壓泵，用于推動(dòng)壓力進(jìn)入容器10。作為另一個(gè)實(shí)例，可以在管道15中包括與泵5相似的補(bǔ)充進(jìn)料泵，用于將額外的單體、溶劑、引發(fā)劑或催化劑引入到容器10中。在一些實(shí)施方案中，管道16可以連接于管道21，用于多程操作，如本文中以下進(jìn)—步描述的。作為又一個(gè)實(shí)例，可以在管道17和HSD 40之間配置壓
縮機(jī)型泵，用于使未反應(yīng)的氣體從容器io再循環(huán)到高剪切裝置的進(jìn)口。
生產(chǎn)聚氯乙烯的方法
在通過(guò)氯乙烯的自由基聚合生產(chǎn)聚氯乙烯的操作中，液體氯乙烯單體的物流經(jīng)由管道21引入到系統(tǒng)1中，被泵送通過(guò)13并進(jìn)料到HSD40中。經(jīng)由管道22引入的引發(fā)劑或催化劑物流在管道13中與單體合并。引發(fā)劑或催化劑可以被溶解或懸浮在單體中或溶解或懸浮在含水或非水溶劑中?；蛘撸梢詫⒁l(fā)劑物流直接進(jìn)料到HSD40中而不是在管道13中與單體合并。所述方法以連續(xù)或半連續(xù)流動(dòng)模式操作，或者可以間歇模式操作。操作泵5以從管道21泵送液體反應(yīng)物(單體溶液)，并且建立壓力和為
HSD 40進(jìn)料，提供通過(guò)管道13和高剪切混合器(HSD)40且貫穿高剪切系統(tǒng)1的受控流動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，泵5將單體物流的壓力提高到大于203 kPa(2個(gè)大氣壓)，優(yōu)選大于約304 kPa(3個(gè)大氣壓)。在一些應(yīng)用中，可以使用大于約2027kPa(20個(gè)大氣壓)的壓力來(lái)加速反應(yīng)，限制因素為所選的泵5和高剪切混合器40的壓力極限。管道13中的溶液包括氯乙烯單體和可選的用于氯乙烯自由基聚合的含水或非水溶齊ij，得到引發(fā)劑或催化劑的促進(jìn)，以形成聚氯乙烯。
或者，可以最初經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料管道15將氯乙烯和溶劑引入到容器10中，并且在混合之后進(jìn)料到管道21中。使用適合的加熱和/或冷卻設(shè)施(例如，冷卻盤(pán)管)和溫度測(cè)量?jī)x器將容器10的內(nèi)容物保持在特定的批料反應(yīng)溫度。例如，因?yàn)槁纫蚁┰诃h(huán)境溫度和壓力下作為氣體存在，系統(tǒng)1可以被充分加壓，以保持氯乙烯單體在給定的溫度下處于溶液中或處于液相中。可以使用適合的壓力測(cè)量?jī)x器來(lái)檢測(cè)容器中的壓力，并且可以使用液面調(diào)節(jié)器(未示出)控制容器中的反應(yīng)物水平面，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)。將內(nèi)容物連續(xù)地或半連續(xù)地?cái)嚢杌蜓h(huán)。
引發(fā)劑。通過(guò)管道22引入包含溶解于適合的含水或非水溶劑中的適合的聚合引發(fā)劑(或催化劑)的溶液而使其在管道13中與單體物流合并。在一些實(shí)施方案中，自由基引發(fā)劑是有機(jī)過(guò)氧化物化合物，例如叔丁基過(guò)氧化氫、月桂酰過(guò)氧化物、過(guò)氧苯甲酰、或異丙基過(guò)氧二碳酸酯。如果使用固體催化劑，其可以作為在適合的含水或非水溶劑中的漿料通過(guò)管道22引入。在一些實(shí)施方案中，選擇HSD 40中的所選混合工具(即，轉(zhuǎn)子/定子組或發(fā)生器)來(lái)減小催化劑尺寸和/或增大催化劑表面積。在一些實(shí)施方案中，單體溶液被連續(xù)地泵送入管道13中，以形成高剪切混合器進(jìn)料物流?？梢詫⒘硗獾娜軇┮氲焦艿?3中，并且，
在一些實(shí)施方案中，可以將單體溶液或溶劑獨(dú)立地引入到HSD40中。所用的原材料的實(shí)際比例是基于期望的選擇性和操作溫度和壓力來(lái)決定的。優(yōu)選壓力保持足夠高，以便保持單體在溶液中。對(duì)于本公開(kāi)的目的，術(shù)語(yǔ)"表面壓力"和"表面溫度"是指分別在系統(tǒng)的容器、導(dǎo)管或裝置中的表觀(guān)的、整體的或測(cè)量的壓力或溫度。反應(yīng)物在由高剪切混合器的流體動(dòng)力產(chǎn)生的在瞬變空化微環(huán)境中接觸并反應(yīng)時(shí)所處的實(shí)際的溫度和/或壓力可能完全不同，如本文中其它地方所進(jìn)一步討論的。對(duì)于整體聚合實(shí)施方案，可以使用100%單體?；蛘?，液體氯乙烯物流還可以包括適合的溶劑。在溶液聚合中，使用有機(jī)溶劑，而在乳液聚合中，可以將各成分預(yù)分散，以形成乳液，并且在膠態(tài)的乳液中進(jìn)行聚合。因此，在一些實(shí)施方案中，反應(yīng)可以包括其中氯乙烯單體和含水引發(fā)劑溶液處于非常細(xì)的乳液形式的均質(zhì)的液相反應(yīng)。
在泵送之后，引發(fā)劑和單體液相在HSD40內(nèi)混合，這樣提供優(yōu)異的溶解到溶液中和/或增強(qiáng)的反應(yīng)物混合。在一些實(shí)施方案中，可以產(chǎn)生反應(yīng)物的精細(xì)混合物、乳液或分散體，還可以包括催化劑和/或另外的不互溶的溶劑。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)"分散體"是指包含不容易混合和溶解在一起的兩種可區(qū)分的物質(zhì)(或相)的液化混合物。分散體包括連續(xù)相(或基質(zhì))，在其中保持另一相或物質(zhì)的不連續(xù)的液滴、氣泡、和/或粒子。因此，術(shù)語(yǔ)分散體可能是指包括懸浮在液體連續(xù)相中的氣泡的泡沫，其中第一液體的小滴分散在整個(gè)的包括與第一液體是不互溶的第二液體的連續(xù)相中的乳液，和其中整個(gè)分布有固體粒子的連續(xù)的液相。術(shù)語(yǔ)"分散體"包括其中整個(gè)分布有氣泡的連續(xù)液相，其中整個(gè)分布有固體粒子(例如固體催化劑)的連續(xù)液相，其中整個(gè)分布有第二液體的小滴的第一液體的連續(xù)相(該第二液體的小滴實(shí)質(zhì)上不溶于該連續(xù)相中)，和其中整個(gè)分布有固體粒子、不溶混的液滴和氣泡中的任一項(xiàng)或其組合的液相。因此，分散體有時(shí)可作為均勻混合物存在(例如液/液相)，或作為非均勻混合物存在(例如氣/液、固/液、或氣/固/液)，根據(jù)被選擇用于組合的材料的性質(zhì)的不同而異。
在一些實(shí)施方案中，由HSD 40形成包含催化劑或另一種不互溶組分的納米粒子和微粒。例如，使用分散器IKA⑧型號(hào)DR 2000/4來(lái)產(chǎn)生催化劑在包括單體和任何引發(fā)劑(g卩，"反應(yīng)物")的液體介質(zhì)中的分散體，其中所述分散器IKA⑧型號(hào)DR 2000/4是被配置有串聯(lián)對(duì)準(zhǔn)的三個(gè)轉(zhuǎn)子定子組合的高剪切、三級(jí)分散裝置。轉(zhuǎn)子/定子組可以如例如圖2中所舉例說(shuō)明的那樣配置。對(duì)于一些應(yīng)用，發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)方向可以與
箭頭265所示相反(例如，繞旋轉(zhuǎn)軸260為順時(shí)針?lè)较蚧蚰鏁r(shí)針?lè)较?。經(jīng)由管道13進(jìn)入高剪切混合器的合并的反應(yīng)物前進(jìn)到具有周邊間隔開(kāi)的第一級(jí)剪切開(kāi)口的第一級(jí)轉(zhuǎn)子/定子組合。在一些應(yīng)用中，進(jìn)入進(jìn)口205的反應(yīng)物物流的流動(dòng)方向?qū)?yīng)于旋轉(zhuǎn)軸260。從第一級(jí)離開(kāi)的粗分散體進(jìn)入具有第二級(jí)剪切開(kāi)口的第二級(jí)轉(zhuǎn)子/定子組合。從第二級(jí)形成的粒子尺寸被減小的分散體進(jìn)入具有第三級(jí)剪切開(kāi)口的第三級(jí)轉(zhuǎn)子/定子組合。分散體經(jīng)由管道19離開(kāi)高剪切混合器。在一些實(shí)施方案中，剪切速率沿著流動(dòng)方向縱向地逐步升高。例如，在一些實(shí)施方案中，在第一轉(zhuǎn)子/定子級(jí)中的剪切速率大于在隨后各級(jí)中的剪切速率。在其它實(shí)施方案中，剪切速率沿著流動(dòng)方向大體上不變，各級(jí)具有相同的剪切速率。如果高剪切混合器包括PTFE密封，例如，所述密封可以使用本領(lǐng)域中已知的任何適合的技術(shù)來(lái)冷卻。例如，在管道3中流動(dòng)的反應(yīng)物物流可以用于冷卻該密封，由此根據(jù)需要在進(jìn)入高剪切混合器之前被預(yù)熱。
HSD 40的轉(zhuǎn)子被配置為以與轉(zhuǎn)子直徑和期望的尖端速度相稱(chēng)的速度旋轉(zhuǎn)(例如，在約9.4-41 m/sec(約1850 ft/min到約8070 ft/min))。如上所述，高剪切混合器(例如，膠體磨)在定子和轉(zhuǎn)子之間具有固定的縫隙，或者具有可調(diào)節(jié)的縫隙。HSD40用于密切地混合反應(yīng)物。在該方法的一些實(shí)施方案中，通過(guò)高剪切混合器的操作降低了反應(yīng)物的傳送阻力，使得聚合反應(yīng)的速度增加大于5倍。在一些實(shí)施方案中，反應(yīng)速度增加至少10倍。在一些實(shí)施方案中，所述速度增加約10到約100倍。在一些實(shí)施方案中，HSD 40能夠在至少22.9 m/sec(4500 ft/min) 的公稱(chēng)尖端速度(其可以超過(guò)40 m/sec(7900 ft/min))下以約1.5 kW的能 量消耗遞送至少300 L/h。在一些實(shí)施方案中，混合物經(jīng)歷大于20,000 s—1 的剪切速率。
盡管測(cè)量在HSD 140內(nèi)的旋轉(zhuǎn)剪切單元或旋轉(zhuǎn)部件的末端處的瞬 時(shí)溫度和壓力是困難的，但據(jù)估計(jì)，在空化條件下，從密切混合的反 應(yīng)物可見(jiàn)局部溫度超過(guò)500°C以及壓力超過(guò)5000 kPa(50個(gè)大氣壓)。在 存在有不互溶的固體(例如，催化劑)或不溶混液體(例如，含水溶劑)時(shí)， 高剪切混合產(chǎn)生微米級(jí)或亞微米級(jí)的粒子(即，平均直徑小于1微米) 的催化劑或含水溶劑的分散體。在一些實(shí)施方案中，得到的分散體具 有小于約1.5微米的平均液滴直徑或粒子尺寸。在一些實(shí)施方案中，所 述平均直徑小于1微米。在一些實(shí)施方案中，平均液滴直徑或粒子尺 寸為約0.4微米到約1.5微米。在一些實(shí)施方案中，平均液滴直徑或粒 子尺寸小于約400納米、為約200納米-約400納米、或在有時(shí)為約100' 納米。不希望限制于理論，但是認(rèn)為分散在液體中的亞微米粒子或氣 泡主要通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)作用進(jìn)行移動(dòng)。山HSD4G產(chǎn)生的產(chǎn)物分散體中的 氣泡可以具有更大的通過(guò)催化劑粒子(如果存在)邊界層的移動(dòng)性，從而 通過(guò)增強(qiáng)反應(yīng)物的傳送而促進(jìn)和加速聚合反應(yīng)。
對(duì)于本公開(kāi)的目的，納米分散體是其中被分散相中的液滴或粒子 尺寸小于1000納米(即，<1微米)的不溶混的液-液相或非均質(zhì)的固-液
相的分散體。納米分散體有時(shí)在本文中也稱(chēng)為"分散體"。在許多實(shí) 施方案中，納米分散體能夠在大氣壓力保持分散至少15分鐘。
得到的高剪切混合物經(jīng)由管道19離開(kāi)HSD 40并進(jìn)料到容器10 中，如圖1中所舉例說(shuō)明的，在其中發(fā)生聚合或繼續(xù)進(jìn)行聚合。如果 需要，高剪切混合物可以在進(jìn)入容器10之前進(jìn)行進(jìn)一步的處理。例如， 可以在工藝物流進(jìn)入反應(yīng)器/容器10之前在與HSD40相似的具有相同 或不同發(fā)生器構(gòu)造的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)高剪切混合裝置中進(jìn)行進(jìn)一步混合。如果需要，可以在管道13或8處、或者在過(guò)程的任何其它適合 的點(diǎn)、或如圖1中所示流程圖中舉例說(shuō)明的那樣注入一種或多種添加 齊IJ。在一些實(shí)施方案中，發(fā)生均相自由基聚合反應(yīng)。在一些其它實(shí)施 方案中，發(fā)生非均相反應(yīng)，其中密切混合的單體溶液和細(xì)分散的催化 齊IJ、或不互溶的引發(fā)劑溶液為高度分散的液體或納米乳液的形式。
在一些實(shí)施方案中，由于反應(yīng)物在進(jìn)入反應(yīng)器IO的密切混合，可
以在有或者沒(méi)有催化劑存在的情況下在HSD 40中發(fā)生大部分的化學(xué) 反應(yīng)。只要存在合適的時(shí)間、溫度與壓力條件，會(huì)發(fā)生單體聚合，形 成相應(yīng)的聚合物，在一些情況中，通過(guò)催化劑和/或引發(fā)劑的存在得以 促進(jìn)。在這種意義上，如果溫度和壓力條件適合，可以在圖1的流程 圖中的任一點(diǎn)發(fā)生單體的聚合。聚合反應(yīng)可以在高剪切混合器中進(jìn)行 到顯著的程度。然而，通常期望離散的反應(yīng)器，以允許延長(zhǎng)整體反應(yīng) 物的停留時(shí)間、攪拌和加熱和/或冷卻。因此，在一些實(shí)施方案中，反 應(yīng)器/容器10可以主要用于加熱和從聚合產(chǎn)品分離揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物(即， 排出氣體)。作為選擇或除此之外，容器IO可以作為在其中生產(chǎn)大部分 聚合物的初級(jí)反應(yīng)容器。例如，所述方法可作為單程或"一回"過(guò)程 進(jìn)行操作，以便使形成的聚合物經(jīng)歷最小程度的剪切，在該種情況中， 容器IO可以作為初級(jí)反應(yīng)容器。容器/反應(yīng)器IO可以連續(xù)流或半連續(xù) 流模式操作，或者可以間歇模式操作。
如上所述，可以使用加熱和/或冷卻設(shè)施(例如，冷卻盤(pán)管)和溫度 測(cè)量?jī)x器將容器10的內(nèi)容物保持在指定的反應(yīng)溫度?？梢允褂眠m合的 壓力測(cè)量?jī)x器來(lái)檢測(cè)容器中的壓力，并且可以使用液面調(diào)節(jié)器(未示出) 控制容器中的反應(yīng)物水平，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)。將內(nèi)容
物連續(xù)攪拌或半連續(xù)攪拌。反應(yīng)物的本體或總體操作溫度希望被保持 在低于它們的閃點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)1的操作條件包括約20 。C-約23(TC的溫度范圍。在一些實(shí)施方案中，所述溫度低于約20(TC。 在一些實(shí)施方案中，所述溫度為約16(TC-18(TC。在特定的實(shí)施方案中， 容器10的反應(yīng)溫度特別地為約155匸-約16CTC。在一些實(shí)施方案中，所述方法在環(huán)境溫度操作。在一些實(shí)施方案中，容器10的反應(yīng)壓力為
約203 kPa到約6080 kPa(約2個(gè)大氣壓到約55-60個(gè)大氣壓)。在一些 實(shí)施方案中，容器10的反應(yīng)壓力為約81kPa到約1520 kPa(約8個(gè)大 氣壓到約15個(gè)大氣壓)。在一些實(shí)施方案中，反應(yīng)壓力低于600 kPa(6 個(gè)大氣壓)。由外部的高剪切混合提供的優(yōu)異的溶解和/或分散可能允許 降低操作壓力同時(shí)保持甚至提高反應(yīng)速率。在高剪切增強(qiáng)的聚合過(guò)程 的一些實(shí)施方案中，在降低的壓力下操作聚合過(guò)程可能減少構(gòu)成反應(yīng) 器、管道、和設(shè)備的機(jī)械零件以及輔助設(shè)備的材料的磨損。
根據(jù)需要，聚合產(chǎn)物可以連續(xù)、半連續(xù)或間歇的方式被制造，并 且經(jīng)由產(chǎn)品管道16從系統(tǒng)1移出。在一些實(shí)施方案中，使用不止一個(gè) 反應(yīng)器產(chǎn)品管道16來(lái)移出產(chǎn)品。包含例如未轉(zhuǎn)化的氣態(tài)氯乙烯和任何 揮發(fā)性副反應(yīng)產(chǎn)物的排除氣體經(jīng)由管道17離開(kāi)反應(yīng)器10。包括聚氯乙 烯和溶解的未轉(zhuǎn)化的單體的產(chǎn)物物流經(jīng)由管道16離開(kāi)反應(yīng)器10。在一 些實(shí)施方案中，在這個(gè)產(chǎn)物物流中的未轉(zhuǎn)化的氯乙烯的含量低于常規(guī)
PVC生產(chǎn)方法的未轉(zhuǎn)化的氯乙烯的含量。在一些實(shí)施方案中，對(duì)產(chǎn)物 物流進(jìn)行進(jìn)一步處理。例如，可以使用適合的技術(shù)降低產(chǎn)物物流中的 未轉(zhuǎn)化單體的含量，如已知的那樣。在溶液聚合的情況中，可以將聚 合的PVC顆粒過(guò)濾或離心出來(lái)，并使其再循環(huán)通過(guò)高剪切混合裝置。 在整體聚合的情況中，可以將剩余的氯乙烯單體汽提出來(lái)并使其再循 環(huán)通過(guò)高剪切混合裝置。PVC產(chǎn)物可用于生產(chǎn)多種民用產(chǎn)品。例如， 其可以作為原料來(lái)生產(chǎn)服裝、室內(nèi)裝飾、鉛垂管、乙烯基地板、和其 它建筑材料。排出氣體可以經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理并且排放，或者可以根據(jù) 需要使用己知的技術(shù)將其組分再循環(huán)。
多程操作。仍然參見(jiàn)圖l，所述系統(tǒng)被構(gòu)建用于單程或多程操作， 其中在最初在容器10中制備單體-溶劑溶液并且所述過(guò)程開(kāi)始之后，得 自容器10的管道16的輸出物直接地用于回收聚合物產(chǎn)品或者進(jìn)一步 處理。在一些實(shí)施方案中，可能需要使容器IO的內(nèi)容物或其包含未反 應(yīng)的單體溶液的一部分第二次經(jīng)過(guò)HSD40。在這種情況中，可以通過(guò)將管道16連接于管道21或管道13而使得自容器10的所有輸出物或 其一部分返回用于在HSD 40中進(jìn)一步分散和反應(yīng)?？梢越?jīng)由管道 22將額外的引發(fā)劑或催化劑漿料注入管道13中，或者，如果需要，可 以將其直接添加到高剪切混合器(未示出)中。如果需要，對(duì)于特定的應(yīng) 用，可以在管道21注射額外的溶劑或單體。
多個(gè)髙剪切混合裝置。在一些實(shí)施方案中，將與HSD40相同或不 同配置的兩個(gè)或更多個(gè)高剪切裝置串聯(lián)排列，并用于進(jìn)一步增強(qiáng)反應(yīng)。 它們的操作可以是間歇或連續(xù)模式。在其中期望單程或"一回"的一些情 況中，串聯(lián)使用多個(gè)高剪切裝置可能也是有利的。例如，在一些應(yīng)用 中，在期望包含較短聚合物鏈的低密度產(chǎn)物時(shí)，可以經(jīng)由管道24和21 將產(chǎn)物再循環(huán)到泵5，并通過(guò)高剪切混合器40，之后經(jīng)由管道19返回 到容器10。在其中串聯(lián)操作多個(gè)高剪切裝置的一些實(shí)施方案中，可以 省略容器10。在串聯(lián)操作多個(gè)高剪切裝置時(shí)，可以將額外的反應(yīng)物注 入到每個(gè)裝置的進(jìn)口進(jìn)料物流中。在一些實(shí)'施方案中，多個(gè)高剪切裝 置40并聯(lián)操作，并且由其產(chǎn)生的出口分散體被引入到一個(gè)或多個(gè)容器 10中。
在一些方法實(shí)施方案中，通過(guò)HSD 40增強(qiáng)反應(yīng)物混合的應(yīng)用可能 產(chǎn)生更大的單體聚合。在一些實(shí)施方案中，增強(qiáng)的混合強(qiáng)化了工藝物 流的處理量的增加。在一些實(shí)施方案中，將高剪切混合裝置并入到已 經(jīng)存在的方法中，從而使得產(chǎn)量增加(S卩，處理量更大)。與試圖通過(guò)提 高反應(yīng)器壓力來(lái)增加聚合度的一些現(xiàn)有技術(shù)方法相比，在許多情況中， 由外部的高剪切混合所提供的出色的溶解和/或分散可以允許總體操作 壓力降低，同時(shí)保持甚至提高聚合速率。不希望限于限制于特定的理 論，認(rèn)為高剪切混合的水平或程度足以提高傳質(zhì)速率并且還可能產(chǎn)生 局部化的非理想狀態(tài)，這使得基于吉布斯自由能預(yù)測(cè)不會(huì)發(fā)生的反應(yīng) 得以發(fā)生。認(rèn)為在高剪切裝置內(nèi)發(fā)生局部化的非理想狀態(tài)，導(dǎo)致溫度 和壓力升高，最顯著的升高是局部壓力的升高。高剪切裝置內(nèi)的壓力 和溫度的升高是瞬時(shí)的和局部化的，并且在離開(kāi)高剪切裝置之后迅速恢復(fù)到整體或平均系統(tǒng)狀態(tài)。在一些情況中，高剪切混合裝置誘導(dǎo)充 分強(qiáng)度的空化作用，以將一種或多種反應(yīng)物離解為自由基，這可以加 強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)或允許反應(yīng)在與以其它方式進(jìn)行時(shí)可能需要的嚴(yán)格條件相 比不那么嚴(yán)格的條件下發(fā)生。空化作用就可以通過(guò)產(chǎn)生局部湍流度和 液體微循環(huán)(聲流)而提高傳送過(guò)程的速率。關(guān)于空化現(xiàn)象在化學(xué)/物理
工藝應(yīng)用中的應(yīng)用概述由Gogate等人在"Cavitation: A technology on the horizon," Current Science 91 (No. 1): 35-46(2006)提供。本發(fā)明的系統(tǒng) 和方法的某些實(shí)施方案的高剪切混合裝置在被認(rèn)為是將引發(fā)劑和單體 有效離解為自由基的空化條件下操作，所述自由基隨后反應(yīng)以形成聚 合物。
在一些實(shí)施方案中，使用上述高剪切方法允許更大規(guī)模的單體催 化聚合為聚合產(chǎn)品和/或增加反應(yīng)物處理量。在一些實(shí)施方案中，將外 部的高剪切混合裝置并入到已經(jīng)建立的工藝中，從而使得與沒(méi)有反應(yīng) 物的高剪切混合操作的工藝相比有對(duì)能提高產(chǎn)量。在一些實(shí)施方案中， 與以前沒(méi)有并入外部的高剪切混合裝置的設(shè)計(jì)相比，所公開(kāi)的方法或 系統(tǒng)使得有可能設(shè)計(jì)較小和/或較低資本密集的工藝。在一些實(shí)施方案 中，應(yīng)用所公開(kāi)的方法可能降低生產(chǎn)成本/增加產(chǎn)量。在某些實(shí)施方案 中，使用所公開(kāi)的方法可以降低設(shè)計(jì)新的聚合工藝的投資成本。用于 生產(chǎn)聚氯乙烯的系統(tǒng)和方法的一些實(shí)施方案的其它可能的利益包括但 不限于，由于設(shè)計(jì)較小反應(yīng)器和/或在較低的溫度和/或壓力下操作聚合 過(guò)程的可能性，可以使循環(huán)時(shí)間更快、處理量增加、單體轉(zhuǎn)化率更高、 操作成本降低和/或資本消耗降低。在一些實(shí)施方案中，提供了用于生 產(chǎn)聚氯乙烯的聚合方法，其無(wú)需大體積的反應(yīng)器并且無(wú)需回收顯著量 的未轉(zhuǎn)化單體。
盡管已經(jīng)展示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但是可以由本領(lǐng) 域技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行修飾而不脫離本發(fā)明的主旨和教導(dǎo)。本文所述的 實(shí)施方案只是示例性的，而非限制性的。本文所公開(kāi)的本文的許多變 體和修飾是可能的并處于本發(fā)明。在明確地說(shuō)明數(shù)值范圍或限制時(shí)，這種表達(dá)范圍或限制應(yīng)該理解為包括落入所述明確表明的范圍或極限
范圍內(nèi)的相同量級(jí)的疊代的范圍或限制(例如，從約1到約10包括2、 3、 4等；大于O.lO包括O.ll、 0.12、 0.13等)。使用更上位概念諸如包括、包 含、具有等，應(yīng)被理解為更狹義的術(shù)語(yǔ)諸如由…組成、基本上包含、 實(shí)質(zhì)上包含等的支持。
因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受上述說(shuō)明書(shū)的限制，而是只受權(quán)利 要求書(shū)的限制，該保護(hù)范圍包括權(quán)利要求所述主題的所有的等價(jià)體。 所有且每個(gè)原始的權(quán)利要求作為本發(fā)明的實(shí)施方案被并入本說(shuō)明書(shū) 中。因此，權(quán)利要求書(shū)是進(jìn)一步的描述并且是本發(fā)明的優(yōu)選方案的補(bǔ) 充。本文引用的所有的專(zhuān)利、專(zhuān)利申請(qǐng)和出版物的公開(kāi)作為參考并入 本文，并入程度為它們?yōu)楸疚乃龅哪切┨峁┝耸纠缘?、程序上?或其它詳細(xì)的補(bǔ)充。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)聚氯乙烯的方法，所述方法包括獲得包含轉(zhuǎn)子/定子組的高剪切混合裝置，所述轉(zhuǎn)子/定子組包含轉(zhuǎn)子尖端，所述轉(zhuǎn)子/定子組被配置為提供至少5.1m/sec(1,000ft/min)的轉(zhuǎn)子尖端速度；在高剪切混合裝置中以所述轉(zhuǎn)子尖端速度高剪切混合氯乙烯溶液與引發(fā)劑溶液，以形成聚合混合物；和使所述聚合混合物聚合以形成聚氯乙烯。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合混合物經(jīng)歷約2(TC到約230 'C的溫度。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述高剪切混合包括至少20,000 s" 的剪切速率。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中所述高剪切速率為約20,000 s"到約 1,600,000 s人
5. 權(quán)利要求l的方法，其中所述剪切速率為至少900,000 s—1。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中所述尖端速度為至少100,000 s人
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述高剪切混合在所述尖端處產(chǎn)生至 少約1,034 MPa的局部壓力。
8. 權(quán)利要求l的方法，其中所述溫度低于20(TC。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合混合物經(jīng)歷低于600 kPa的 壓力。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合發(fā)生的速度是其中氯乙烯 溶液和引發(fā)劑未在所述尖端速度下進(jìn)行混合的類(lèi)似方法的速度的至少5倍。
11. 權(quán)利要求1的方法，包括使所述聚合混合物從所述高剪切混 合裝置傳遞到反應(yīng)容器中。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合混合物包含乳液，該乳液 包含在液相中分散的平均直徑小于1微米的液滴。
13. 權(quán)利要求l的方法，其中所述平均直徑小于400納米。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平均直徑為約200到400納米。
15. 權(quán)利要求l的方法，其中所述平均直徑為約IOO納米。
16. 權(quán)利要求l的方法，其以連續(xù)操作模式進(jìn)行。
17. 權(quán)利要求l的方法，其以間歇操作模式進(jìn)行。
18. 權(quán)利要求1的方法，另外包括以至少300 L/h的流速產(chǎn)生所述 聚合混合物。
19. 生產(chǎn)聚氯乙烯的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含包含至少一個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組的高剪切混合裝置，其被配置為產(chǎn)生至少5.1 m/sec的轉(zhuǎn)子尖端速度；與所述高剪切混合裝置的進(jìn)口流體連通的泵；和 與所述高剪切混合裝置的出口流體連通并被配置用于保持預(yù)定的壓力和溫度的容器。
20. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述高剪切混合裝置被配置為產(chǎn)生 至少20,000 s—'的剪切速率。
21. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述高剪切混合裝置被配置用于在 至少22.9 m/sec的所述尖端速度下在至少300 L/h的流速下操作。
22. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述高剪切混合裝置被配置為提供 大于1000 W/n^的能量消耗。
23. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，包含至少兩個(gè)以串聯(lián)流布置的所述高剪 切混合裝置。
24. 權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述容器包含罐式反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了生產(chǎn)聚氯乙烯的方法，所述方法包括在至少一個(gè)高剪切混合裝置中將氯乙烯溶液與引發(fā)劑溶液混合，以形成聚合混合物，所述高剪切混合裝置包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子/定子組，所述轉(zhuǎn)子/定子組產(chǎn)生至少5.1m/sec(1000ft/min)的轉(zhuǎn)子尖端速度；和使所述混合物通過(guò)自由基聚合作用聚合，以形成聚氯乙烯。所述聚合混合物可以經(jīng)歷包括約20℃-約230℃的溫度范圍的自由基聚合條件。在一些實(shí)施方案中，所述高剪切混合裝置產(chǎn)生至少20,000s^-1的剪切速率。本發(fā)明還公開(kāi)了用于實(shí)施所示方法的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)C08F14/06GK101687948SQ200880020903
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者易卜拉西姆·巴蓋爾扎德, 格雷戈里·博爾西格, 阿巴斯·哈桑, 阿齊茲·哈桑, 雷福德·G·安東尼 申請(qǐng)人:Hrd有限公司