DE69921125T2

DE69921125T2 - Zentrifugierverfahren und -vorrichtung zur entgasung von polymeren

Info

Publication number: DE69921125T2
Application number: DE69921125T
Authority: DE
Inventors: Dan Tirtowidjojo; J. George QUARDERER; J. Clark CUMMINGS; R. Eugene MOORE
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: AU3791299A; AR019155A1; US6194541B1; KR20010052756A; TW427923B; EP1086148A1; JP2002517572A; CO5060517A1; WO1999064477A1; CN1305501A; ID28235A; EP1086148B1; KR100533440B1; HUP0101964A2; BR9911834A; HK1035546A1; HU223163B1; ES2228038T3; PL344793A1; HUP0101964A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entfernung von flüchtigen Bestandteilen aus thermoplastischen Polymeren und spezieller auf Verfahren und eine Vorrichtung dafür, die Zentrifugalkraft nutzt.
Chisholm, U.S.-Patent 3,409,712, das hierin vollständig durch Bezugnahme eingefügt, offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von flüchtigen Bestandteilen aus thermoplastischen Polymeren durch Schmelzen des Polymers und Fließenlassen des geschmolzenen Polymers auf einer rotierenden Scheibenoberfläche. Chisholm, U.S.-Patent 3,424,832, das hierin vollständig durch Bezugnahme eingefügt ist, offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Pelletierung eines thermoplastischen Polymers unter Verwendung einer rotierenden Kammer oder eines hohlen Rotors. Hay, II et al., U.S.-Patent 4,940,472, das hierin vollständig durch Bezugnahme eingefügt ist, offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von flüchtigen Bestandteilen aus thermoplastischen Polymeren durch Schmelzen des Polymers und Fließenlassen des geschmolzenen Polymers auf einer rotierenden Scheibenoberfläche. Moore et al., US-Patent 4,952,672, das hierin vollständig durch Bezugnahme eingefügt ist, offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von flüchtigen Bestandteilen aus thermoplastischen Polymeren durch Schmelzen des Polymers und Fließenlassen des geschmolzenen Polymers auf einer rotierenden Scheibenoberfläche. Baker Perkins, Einwohner von Saginaw Michigan, bot eine Zentrifugalpelletiervorrichtung zum Verkauf an. Modern Plastics, Dezember 1983, Seite 56, Haw, Master's Thesis, Case Western Research University, Januar 1995, mit dem Titel "Mass Transfer of Centrifugally Enhanced Polymer Devolatilization by using Foam Metal Packed Bed", die hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von flüchtigen Bestandteilen aus thermoplastischen Polymeren durch Schmelzen des Polymers und Fließenlassen des geschmolzenen Polymers durch einen Gas-Flüssig-Kontaktor mit offenzelligem Nickelmetallschaum, der innerhalb einer stationären Kammer rotierte.
Das Verfahren und die Vorrichtung von Haw litt an einigen Problemen. Zum Beispiel neigte Metallschaum dazu, unter den Zentrifugalkräften, denen er ausgesetzt war, zu kollabieren. Zusätzlich neigte die verwendete mechanische Dichtung dazu, das von flüchtigen Bestandteilen befreite Polymer mit dem Dichtungsöl zu verunreinigen. Des Weiteren erzeugte das Verfahren und die Vorrichtung von Haw das von flüchtigen Bestandteilen befreite Polymer nicht in Form von Pellets.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Befreiung eines thermoplastischen Polymers, das mindestens einen flüchtigen Bestandteil enthält, von flüchtigen Bestandteilen, wobei das Verfahren drei Schritte umfasst. Der erste Schritt ist es, das thermoplastische Polymer so zu erwärmen, dass das thermoplastische Polymer ein erwärmtes flüssiges oder geschmolzenes thermoplastisches Polymer ist. Der zweite Schritt ist Hindurch-Fließen-Lassen des erwärmten flüssigen thermoplastischen Polymers durch einen Flüssig-Gas-Kontaktor mit gepacktem Bett durch Zentrifugalkraft. Der dritte Schritt ist Strömenlassen eines Abstreifgases durch das gepackte Bett im Gegenstrom zu dem Fluss des erwärmten flüssigen thermoplastischen Polymers, so dass der flüchtige Bestandteil von dem erwärmten flüssigen thermoplastischen Polymer durch Gas-Flüssig-Kontakt in dem gepackten Bett in das Abstreifgas hinein verdampft.
Die vorliegende Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Befreiung eines thermoplastischen Polymers, das mindestens einen flüchtigen Bestandteil enthält, von flüchtigen Bestandteilen, wobei die Vorrichtung drei Elemente aufweist. Das erste Element ist eine drehbare Kammer, die eine Packung für eine Bearbeitung mit Gas-Flüssig-Kontakt enthält. Das zweite Element ist eine Polymerleitung, die sich in die drehbare Kammer hinein erstreckt und darin endet, so dass geschmolzenes thermoplastisches Polymer mithilfe der Leitung in die Kammer fließen kann, während die Kammer gedreht wird, so dass das geschmolzene thermoplastische Polymer dann mithilfe von Zentrifugalkraft durch die Packung fließt, so dass der flüchtige Bestandteil des geschmolzenen thermoplastischen Polymers in dem gepackten Bett in die Gasphase hinein verdampft. Das dritte Element ist eine Gasdichtung zwischen der Polymerleitung und der drehbaren Kammer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und
2 zeigt eine Rückansicht der Vorrichtung aus 1, die ferner ein Paar Elektromagnete aufweist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezugnahme auf 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst eine scheibenförmige Kammer 12, die durch eine Welle 13 um die Längsachse der Welle 13 gedreht wird. Die Welle 13 wird durch einen Elektromotor (nicht gezeigt) gedreht. Die Kammer 12 enthält einen kreisförmigen Ring aus einer offenzelligen Nickel-Chrom-Metallschaumpackung 14, die vorzugsweise aus einem größeren Stück Material durch das maschinelle Funkenerosionsbearbeitung herausgeschnitten wird. Die Packung 14 ist Celmet Brand #1 Material, das von Sumitomo Electric USA, NY, NY, erhältlich ist. Ein ringförmiges Stützband 15 umgibt die Packung 14. Das Stützband 15 ist mit durchgehenden Löchern 16 perforiert. Ein ringförmiges Verteilerband 17 ist auf der Innenseite der Packung 14 angeordnet. Das Verteilerband 17 mit durchgehenden Löchern 18 perforiert.
Eine Polymerleitung 19 erstreckt sich in die Kammer 12 und endet darin. Die Polymerleitung umfasst 19 Flansch 20 und Dichtungsbefestigungskörper 21. Eine rohrförmige Kammerverlängerung 22 endet nahe dem Flansch 20. Eine Gasdichtung 23 ist auf dem Dichtungsbefestigungskörper 21 befestigt. Die Details der Gasdichtung 23 sind in 1 nicht gezeigt. Eine bevorzugte Gasdichtung 23 ist von Durametallic Corporation von Kalamzoo Michigan als die GF 200 Dura Seal Brand Gassperrdichtung erhältlich. Stickstoff bei 0,2 MPa Druck wird der Dichtung 23 mithilfe von Stickstoffeinlassstutzen 24 zugeführt. Gassperrdichtungen sind Chemieingenieuren bekannt. Siehe zum Beispiel Chemical Engineering Progress, (1996), 92(10), Seiten 58-63, hierin vollständig durch Bezugnahme eingefügt.
Der Begriff thermoplastisches Polymer ist in der Technik wohl verstanden und umfasst zum Beispiel und ohne Einschränkungen Nylons, Fluorkohlenstoffe, Cellulosederivate, Acrylharze, Polystyrol, Copolymere von Styrol, wie etwa Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere, Ethylen/Styrol-Interpolymere, Polymilchsäure, Polyethylen und Polypropylen. Thermoplastische Polymere erweichen und werden geschmolzen, wenn sie ausreichend erwärmt werden. Es ist oft erwünscht, die Konzentration von flüchtigen Bestandteilen in einem thermoplastischen Polymer zu verringern, wie in U.S.-Patenten 4,952,672, 4,940,472 und 3,409,712 diskutiert. Zum Bei spiel ist es oft erwünscht, die Konzentration von restlichem Styrolmonomer in Polystyrol zu verringern.
Das thermoplastische Polymer wird wie in U.S.-Patenten 4,952,672 und 4,940,472 erhitzt, so dass es durch die Polymerleitung 19 und in die Kammer 12 fließen kann. Die Kammer 12 wird mithilfe der Welle 13 bei, zum Beispiel 4.000 U/min für eine Kammer mit einem Außendurchmesser von 46 cm, rotiert. Das flüssige, geschmolzene erwärmte thermoplastische Polymer wird dann durch die Zentrifugalkraft gegen das Verteilerband 17, unterstützt durch Lippe 17a, angesammelt. Das Polymer fließt dann mithilfe von Zentrifugalkraft durch die Löcher 18, durch die Packung 14, durch die Löcher 16, um sich am peripheren Ende der Kammer 12 zu sammeln. Eine Reihe von Öffnungen 25 sind am Rand der Kammer 12 angeordnet. Polymer fließt mithilfe von Zentrifugalkraft durch die Öffnungen 25, um einen Polymerstrang zu bilden. Ein endloses Band 26 aus geschärftem Legierungswerkzeugstahl bildet eine Messerkante, die den Polymerstrang zu Pellets zerschneidet. Das Band 26 bewegt sich auf Walzen 27, die durch einen Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben werden. Das Band 26 ist vorzugsweise wassergekühlt.
Die Packung 14 erleichtert den Gas-Flüssig-Kontakt. Gas-Flüssig-Kontakt ist eine Technik, die den Chemieingenieuren bekannt ist. Siehe zum Beispiel Abschnitt 18-19 bis 18-48 von Perry's Chemical Engineers' Handbook, 5. Auflage. Wenn ein partielles Vakuum (hierin definiert als ein Druck von mehr als 0 MPa, aber weniger als 0,1 MPa) auf Vakuumanschluss 28 angewandt wird, treten die flüchtigen Bestandteile des Polymers dann in die Gasphase in der Packung 14 ein, strömen um das Verteilerband 17 mithilfe von Entlüftungskanal 29 in die Kammer 12, in den Ring zwischen Leitung 19 und Verlängerung 22 und dann durch den Anschluss 28.
Optional enthält die Kammer 12 eine Abstreifgasleitung 30, so dass Stickstoff aus dem Einlassstutzen 24 mithilfe von Düse 31 in die Kammer eingeführt werden kann. Das Abstreifgas strömt durch die Löcher 16, durch die Packung 14, durch den Kanal 29 in den Ring zwischen der Leitung 19 und der Verlängerung 22 und dann durch den Anschluss 28. Jedes üblicherweise anwendbare Abstreifgas kann verwendet werden, wie etwa Kohlendioxid, Methanoldampf, Ethanoldampf, Butangas oder andere leichte Kohlenwasserstoffe. Zum Beispiel kann Dampf durch die Leitung 30 als das Abstreifgas strömen. Alternativ kann sich die Abstreifgasleitung durch die Welle 13 in die Kammer 12 erstrecken. Wenn das Abstreifgas Dampf ist, dann ist das bevorzugte Konstruktionsmaterial der Kammer 12 ein korrosionsbeständiger Stahl. Die Verwendung eines Abstreifgases ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn es erwünscht ist, auf Kosten der Handhabung des Abstreifgases vollständiger von flüchtigen Bestandteilen zu befreien.
Vorzugsweise ist die Kammer 12 erwärmt, um das Anspringen und den Betrieb der Vorrichtung 10 zu erleichtern. Das bevorzugte Mittel, um die Kammer 12 zu erwärmen, ist in 2 gezeigt. 2 ist eine Rückansicht der Vorrichtung 10 aus 1, die die Kammer 12, die Welle 13, das Band 26 und die Öffnungen 25 zeigt. Die Kammer 12 ist zwischen einem ersten Elektromagnet 32 und einem zweiten Elektromagnet 33 angeordnet. Wenn die Kammer 12 aus einem magnetischen Material hergestellt ist, dann werden, wenn die Kammer 12 gedreht wird, elektrische Wirbelströme in der Kammer 12 erzeugt, die die Kammer 12 erwärmen. Vorzugsweise ist die Kammer 12 aus einem magnetischen Edelstahl hergestellt (insbesondere, wenn Dampf als Abstreifgas verwendet wird), wie etwa dem wohl bekannten Edelstahl des Typs 17-4 PH, siehe Abschnitt 6-38 von Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, 8. Auflage.
Die Packung der vorliegenden Erfindung darf bei Verwendung nicht kollabieren und dadurch den Fluss von Polymer durch die Packung blockieren. Haw, siehe oben, offenbarte die Verwendung eines offenzelligen Nickelmetallschaums als eine Packung in einem Zentrifugalpolymerentgaser. Die Packung der vorliegenden Erfindung hat jedoch vorzugsweise eine Druckfestigkeit, die mindestens 25 Prozent größer als die einer äquivalenten Packung ist, die im Wesentlichen aus Nickel hergestellt ist. Wenn die Packung ein offenzelliger Metallschaum ist, dann reicht die mittlere Anzahl von Zellen pro Zentimeter des Schaums vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 7. Ein offenzelliger Metallschaum jedoch ist in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Zum Beispiel kann eine Packung, die aus einem gestrickten Metalldraht besteht, wie etwa einem gestrickten Edelstahldraht, ebenso wie jede andere Packung, die in der Technik des Flüssig-Gas-Kontakts bekannt ist, verwendet werden. Andere Beispiele für Packungen umfassen makronetzartigen Metallschaum, Metallgaze und gedrehtes, gewebtes metallisches Geflecht. Wenn eine lose Packung verwendet wird, dann kann ein perforiertes Band, wie das Stützband 15, auf der inneren Seite der Packung verwendet werden. Man glaubt jedoch, dass eine starre Packung, wie ein offenzelliger Metallschaum, leichter auszuwuchten ist.
1 zeigt eine Kammer 12 mit einer einzigen Reihe von Öffnungen 25. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Kammer 12 länger ist und viele Reihen von Öffnungen 25 aufweist, um die Produktivität der Vorrichtung 10 zu steigern. Wenn eine längere Kammer 12 verwendet wird, dann kann das Ende der Polymerleitungen 19 geschlossen sein und die Polymerleitung in Nachbarschaft zu der Packung kann dann mit Löchern perforiert sein, um das geschmolzene Polymer auf der Packung 14 zu verteilen.
Die Betriebsparameter der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung werden natürlich von vielen Faktoren, wie etwa den speziellen physikalischen Eigenschaften des thermoplastischen Polymers, das von flüchtigen Bestandteilen befreit wird, abhängen. Es ist jedoch ein guter Ausgangspunkt, den Lehren von U.S.-Patent 4,952,672 zu folgen. Wenn das thermoplastische Polymer ein Allzweck-Polystyrol ist, dann wird vorgeschlagen, dass das Polymer und die Kammer 12 auf etwa 240°C erhitzt werden, so dass das Polymer eine Viskosität von etwa 30.000 Centipoise hat.

Claims

Verfahren zur Befreiung eines thermoplastischen Polymers, das mindestens einen flüchtigen Bestandteil enthält, von flüchtigen Bestandteilen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erwärmen des thermoplastischen Polymers, so dass das thermoplastische Polymer ein erwärmtes flüssiges thermoplastisches Polymer ist, Hindurch-Fließen-Lassen des erwärmten flüssigen thermoplastischen Polymers durch ein gepacktes Bett durch Zentrifugalkraft und Strömenlassen eines Abstreifgases durch das gepackte Bett im Gegenstrom zu dem Fluss des erwärmten thermoplastischen Polymers, so dass der flüchtige Bestandteil von dem erwärmten flüssigen thermoplastischen Polymer durch Gas-Flüssig-Kontakt in dem gepackten Bett in das Abstreifgas hinein verdampft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abstreifgas ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Kohlendioxid, Butan, Methanol und Ethanol.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abstreifgas Dampf ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Druck des Abstreifgases in dem gepackten Bett mehr als 0 MPa, aber weniger als 0,1 MPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Packung eine Druckfestigkeit aufweist, die mindestens 25% größer als von einer äquivalenten Packung ist, die im Wesentlichen aus Nickel hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Packung ein offenzelliger Metallschaum ist, das Metall eine Legierung aus Nickel und Chrom ist, der Schaum eine Druckfestigkeit aufweist, die mindestens 25% größer ist als wenn der Schaum im Wesentlichen aus Nickel hergestellt wäre.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mittlere Zahl von Zellen pro Zentimeter des Schaums von etwa 2 bis etwa 7 reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt des Fließenlassens des von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymers durch eine Öffnung umfasst, um einen Strang aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner den Schritt des Schneidens des Strangs aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer umfassend, um ein Pellet aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer zu bilden.
Vorrichtung zur Befreiung eines thermoplastischen Polymers, das mindestens einen flüchtigen Bestandteil enthält, von flüchtigen Bestandteilen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine drehbare Kammer, die eine Packung für eine Bearbeitung mit Gas-Flüssig-Kontakt enthält; eine Polymerleitung, die sich in die drehbare Kammer erstreckt und darin endet, so dass geschmolzenes thermoplastisches Polymer mithilfe der Leitung in die Kammer fließen kann, während die Kammer gedreht wird, so dass das geschmolzene thermoplastische Polymer dann mithilfe von Zentrifugalkraft durch die Packung fließt, so dass der flüchtige Bestandteil des geschmolzenen thermoplastischen Polymers in dem gepackten Bett in die Gasphase hinein verdampft, und eine Gasdichtung zwischen der Polymerleitung und der drehbaren Kammer.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Packung ein offenzelliger Metallschaum ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der offenzellige Metallschaum eine Legierung von Nickel und Chrom ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Packung gestrickten Metalldraht enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Metalldraht ein Edelstahl-Metalldraht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner einen Magneten enthält, wobei die drehbare Kammer ein magnetisches Metall enthält, die drehbare Kammer ausreichend nahe an dem Magneten angeordnet ist, so dass, wenn die drehbare Kammer rotiert wird, die drehbare Kammer durch Wirbelströme erhitzt wird, die in dem magnetischen Metall induziert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das magnetische Metall ein magnetischer Edelstahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der magnetische Edelstahl ein magnetischer Edelstahl des Typs 17-4PH ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Abstreifgasleitung aufweist, die sich in die drehbare Kammer erstreckt und darin endet, so dass ein Abstreifgas durch das gepackte Bett im Gegenstrom zu dem Fluss des geschmolzenen Polymers strömen lassen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Peripherie der drehbaren Kammer mindestens eine Öffnung enthält, so dass das von flüchtigen Bestandteilen befreite thermoplastische Polymer durch die Öffnung fließen kann, um einen Strang aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer zu bilden, wenn die drehbare Kammer rotiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, die ferner ein Messer aufweist, das nahe der Peripherie der drehbaren Kammer angeordnet ist, so dass der Strang aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer in ein Pellet aus von flüchtigen Bestandteilen befreiten thermoplastischen Polymer durch das Messer geschnitten werden kann, wenn die drehbare Kammer rotiert wird.