技術分野
モノマー溶液が投入される孔を有するポリマー製造用のモノマー溶液の滴下装置と、滴下装置の上方にある気体供給箇所と、反応器の外周にある少なくとも1つの気体取出し箇所と、流動層とを有する液滴重合用の反応器を含む、粉末状ポリマーを製造するための装置を出発点とする。本発明はさらに、このような装置内で粉末状ポリマーを製造する方法
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この特許公報に記載されている図面[図面の簡単な説明]から抜粋
【図1】
滴下装置の下方に乱流を増加させる装置を有する液滴重合用の反応器の縦断面を示す。
【図2】
滴下装置の上方に乱流を増加させる装置を有する液滴重合用の反応器の縦断面を示す。
【図3】
半径方向に延びる様々な長さの滴下器通路およびこれらの通路の間に配置された乱流を増加させる装置の配置を示す。
【図4】
放射状に配置された滴下器通路およびこれらの通路の間に配置された乱流を増加させる装置の配置を示す。
【図5】
長方形に分割された滴下器通路およびこれらの通路の間に配置された乱流を増加させる装置の配置を示す。
【図6】
三角形に分割された滴下器通路およびこれらの通路の間に配置された乱流を増加させる装置の配置を示す。
【図7】
増加した乱流が生成されるように気体供給箇所が構成されている液滴重合用の反応器の上部断面を示す。
【図8】
上に向いた気体ノズルを乱流を増加させる装置として有する液滴重合用の反応器の上部断面を示す。
【図9】
乱流を増加させる装置の使用を伴ったおよび伴わない、粒子滞留時間に応じた粒子温度の標準偏差のプロファイルを示し、ここで、破線で描かれた曲線は、乱流増加を伴った場合を示し、実線で描かれた曲線は、乱流増加を伴わない場合を示す。
【図10】
乱流を増加させる装置の使用を伴ったおよび伴わない、粒子滞留時間に応じた温度全体のプロファイルを示し、ここで、破線で描かれた曲線は、乱流増加を伴った場合を示し、実線で描かれた曲線は、乱流増加を伴わない場合を示す。
図1は、液滴重合用の反応器の縦断面を示し、例えばこの反応器は、ポリ(メタ)アクリレート粒子を製造するために使用されることが好ましい。
液滴重合用の反応器1は、内部に滴下装置5が収容されている反応器ヘッド3、重合反応が起こる中部領域7、および反応が完了する流動層11を有する下部領域9を含む。
ポリ(メタ)アクリレートを製造するための重合反応を実施するために、滴下装置5にモノマー溶液を、モノマー供給部12を介して供給する。滴下装置5が複数の通路を有する場合、各通路に、専用のモノマー供給部12を介してモノマー溶液を供給することが好ましい。モノマー溶液は、滴下装置5内の、図1には図示されていない孔を通して排出され、分裂してそれぞれ液滴になり、これらの液滴は、反応器内で下方に向かって落ちる。滴下装置5の上方にある第一気体供給箇所13を介して、気体、例えば窒素または空気が反応器1に導入される。ここで気体流は、滴下装置5の孔から排出されるモノマー溶液が分裂してそれぞれ液滴になるのを補助する。さらに、この気体流によって、液滴がそれぞれ触れ合わないように、かつ一体化してより大きな液滴にならないように分離される。
一方で反応器の円筒形中部領域7をなるべく短く形作るために、そしてさらに、液滴が反応器1の壁にぶつかるのを回避するために、反応器ヘッド3は好適には、ここで図示されているように円錐形に作り上げられており、ここで滴下装置5は、円筒形領域の上方にある円錐形反応器ヘッド3内に存在している。しかしながら代替的には、反応器を、反応器ヘッド3においても中部領域7にあるような直径で円筒形に形作ることも可能である。しかしながら、反応器ヘッド3を円錐形に形作ることが好ましい。滴下装置5の位置は、モノマー溶液が供給される最も外側の孔と反応器の壁との間に、なおも十分に大きな間隔があり、液滴が壁に衝突するのが防止されるように選択される。そのために、この間隔は、少なくとも50~1500mmの範囲、好ましくは100~1250mmの範囲、殊に200~750mmの範囲にあることが望ましい。当然のことながら、反応器の壁への距離はより大きくてもよい。しかしながら、このことには、間隔が大きくなるほど、反応器断面の利用性が悪化するという欠点がある。
供給箇所13を介して供給される気体のさらに良好な利用性を得るためには、本発明による乱流を増加させる装置31をモノマー溶液の滴下装置5の領域において使用する。乱流を増加させる装置により気体の乱流が増加され、そのため、気体と滴下装置5により生成される液滴とのより良好な混合が実現される。これにより、液滴はより均一に水分を気体に放出することができる。さらに、反応器内で液滴の滞留時間にわたりより均一な温度分布が得られる。ここで、乱流を増加させる装置31により形成された乱流には、矢印33が付されている。
乱流を増加させる装置31としては、例えば、バッフルまたはノズル、殊に気体ノズル、気体/液体ノズルもしくは液体ノズルを使用することができる。ここに図示される実施形態において、乱流を増加させる装置31としては、気体ノズル35が用いられる。これらは、図1に図示される実施形態において、滴下装置5の下方に、好ましくは最大で下方2mに配置されている。気体ノズル35から排出される気体噴流37により、気体供給箇所13を介して供給される気体が加速される。同時に、気体ノズル35から排出される気体は減速され、それにより、気体噴流37は偏向および変形され、さらなる乱流が誘導される。ここで、気体供給箇所13により供給される気体と気体ノズル35により供給される気体との間の速度差は、生成される乱流が摩擦の発生により散逸しないように、大きすぎないよう注意すべきである。
下部領域9は流動層11で終わり、この層へと、落下の間にモノマー液滴から生成したポリマー粒子が落下する。流動層では、所望の生成物への後反応が起こる。本発明によると、モノマー溶液が滴下される最も外側の孔は、垂直に下方に向かって落ちる液滴が流動層11に落ちるように位置決めされている。このことは例えば、流動層の直径が少なくとも、滴下装置5における最も外側の孔を結んだ線により囲まれる面の直径と同じ大きさであることによって実現され、ここで流動層の断面と、最も外側の孔を結んだ線により形成される面とは、同じ形を有し、2つの面の中心点は、垂直投影図で同じ位置に重なって存在している。流動層11の位置に対して最も外側の孔の位置は、図1において点線15により図示されている。
さらに、液滴が中部領域7においても反応器の壁にぶつかるのを回避するために、滴下装置と気体取出し箇所との中間点の高さにおける流動領域の直径は、流動層の水力直径より少なくとも10%大きい。
ここで反応器1は、あらゆる任意の断面形を有することができる。しかしながら、好ましくは、反応器1の断面は円形である。この場合、流動領域の直径は反応器1の直径に相応する。
ここで図示する実施形態において、流動層11の上方では、反応器1の直径は増大し、そのため、反応器1は、下部領域9において下から上に円錐形に広がる。このことには、反応器1内で生成したポリマー粒子が壁にぶつかり、壁上で下方に向かって流動層11に滑り込めるという利点がある。さらに、固着物を回避するために、ここでは図示されていないノッカーを備えておくことができ、これらのノッカーにより、反応器の壁が振動し、それによって、付着しているポリマー粒子が剥がれ、流動層11に滑り込む。
流動層11を稼動させるための気体供給のために、流動層11の下方にガス分配器17が存在しており、これによって気体が流動層11に吹き込まれる。
気体は上からも下からも反応器1に導入されるため、適切な位置で気体を反応器1から取り出す必要がある。そのために、一定の断面を有する中部領域7から、円錐形に下から上に広がる下部領域9への移行部において、少なくとも1つの気体取出し箇所19が配置されている。ここで円筒形中部領域7は、その壁と一緒に、上に向かって円錐形に広がる下部領域9に入り込み、ここで、この位置において円錐形下部領域9の直径は、中部領域7の直径より大きい。こうすることで、中部領域7の壁を取り巻く環状チャンバ21が形成され、気体はこの中に流れ込み、環状チャンバ21と接続している少なくとも1つの気体取出し箇所19を通して抜き取ることができる。
流動層11の後反応したポリマー粒子は、流動層の領域にある生成物取出し箇所23を介して取り出される。
図2は、代替的な実施形態における液滴重合用の反応器を示す。
図1に図示される液滴重合用の反応器1とは異なり、図2に図示される反応器1においては、乱流を増加させる装置31は、モノマー溶液の滴下装置5の上方に配置されている。図2においても、例えば、乱流を増加させる気体ノズル35が図示されている。気体ノズル35から排出される気体噴流37により、気体流における乱流が増加し、ここで、気体ノズル35が滴下装置5の上方に配置されている場合、気体ノズル35を滴下装置5の下方に有する図1に示される変形形態の場合よりも、より高い位置において乱流の増加が開始する。よって、乱流を調整する際に、滴下装置5から出るモノマー液滴が滴下装置5にぶつかって堆積物を形成しないように注意する必要がある。殊に気体ノズル35を使用する場合、乱流は、気体ノズル35から出る気体の速度を変えることにより容易に調整可能である。
殊に乱流を増加させる装置31が滴下装置5の下方に配置されている場合、乱流を増加させる装置31に堆積物が形成されることを防止するために、乱流を増加させる装置31の個別のバッフルまたはノズルは、これらが滴下装置5の個別の滴下器ユニットの間に配置されるように位置決めされる。これは例示的には、乱流を増加させる装置31としての気体ノズル35の使用および滴下装置5の滴下器ユニットとしての滴下器通路25の使用について、図3~6に図示されている。
図3では、半径方向に延びる様々な長さの滴下器通路の配置が図示されている。
第一の実施形態において、滴下装置は、半径方向に延びる通路25を有する。ここで、通路25の部分は反応器1の中心まで突き出ている。通路24におけるさらなる部分はそれよりも反応器1内に突き出してはいない。反応器1の中心まで半径方向に延びて突き出た通路25の周方向間隔が大きい反応器外部領域において殊に、付加的に通路24が備えられており、これらを通して、モノマー溶液を反応器1に滴下投入することができる。これにより、反応器断面全体にわたり液滴を均一に分布させることが可能になる。
乱流を増加させるために使用される個別の気体ノズル35は、通路24、25の間に位置決めされている。ここで、反応器内における均一な乱流、ひいては均一な気体流のために、気体ノズル35は反応器断面にわたり均一に分布している。
通路25の相応する放射状の配置は、図4に図示されている。
図3に図示される実施形態および図4に図示される実施形態のどちらにおいても、通路24、25を水平面に対して角度βで傾けることが可能である。その結果、通路24、25が反応器の中心に向かって上っていると殊に有利である。このように傾けることで、反応器1内で均一な液滴分布が得られ、液滴と反応器壁との予定よりも早い接触が回避される。
図5および6は、通路のさらなる可能な配置を示す。ただしこれらにおいては、水平面に対する角度βでの配置を実現することは非常に難しく、そのため、この場合、通路25は水平に延びることが好ましい。図5は、長方形に分割された配置を示し、この配置では、個別の通路25は、それぞれ互いに90°の角度で配置されており、そのため、通路の交点27により、それぞれ長方形、好ましくは正方形が形成される。
図6は、三角形に分割された配置を示す。ここで通路25は、それぞれ互いに60°の角度で配置されており、そのため、通路25の交点27により、それぞれ辺の等しい三角形が形成される。ただしこれは、それぞれ平行に延びる通路が常に等しい大きさの間隔を有することをさらに条件とする。
滴下器ユニットとして使用される通路25の配置にかかわらず、バッフルまたはノズル、例えば気体ノズル35は、滴下器ユニットの間に位置決めされて、反応器断面にわたり均一に分布している。ここで長方形の分割または三角形の分割の場合、バッフルまたはノズルの位置は、通路25により形成される長方形または三角形の中心点にそれぞれあることが好ましい。
ここで、必要な気体および/または液体供給を、図3および4に図示されているように通路24、25の間に延在する管路39、または図5または6に図示されているように通路25の上方に延在する管路39を介して行い、滴下装置5内で生成された液滴が管路39に落下してそこで堆積物を形成することを防止する。
当然のことながら、ここに図示される実施形態の代わりに、平行に配置された通路の間の間隔が変わるように、または平行に配置された通路の間の間隔がそれぞれ等しい大きさであるように、また様々な方向に延びる平行に配置された通路の間の間隔が異なるように、通路を配置することも可能である。さらに、通路を互いに任意の別の角度で配置することも可能である。
しかしながら、殊に反応器断面が円形である場合、図3および4に図示されている配置が好ましい。しかしながらここで、通路の数は、反応器の周囲長に応じて変わってもよい。さらに、図3に示されているように、通路が異なる長さで反応器1内へと突き出るように、通路を異なる長さで形作ることが可能である。しかしながらここで、回転対称配置が常に好ましい。
モノマー溶液が反応器へと滴下される孔が形成されていて、モノマー溶液を供給するための通路が下面で終わっている滴下器プレート26の位置は、図3~6において網掛けされた面により示されている。
本発明によると、通路24、25の数は、最も外側の孔に沿った線の周囲長により画定される面積に対する、反応器内における通路24、25または滴下器ヘッドにより覆われた面積の比率が50%未満になるように選択される。これにより、気体が通路24、25を十分に流れ去ることが可能になること、および気体と通路24、25を出る液滴との十分な接触が実現されることが保証される。
気体流内に増加した乱流を生成するためのさらなる可能性は、図7に図示されている。ここでは、図1~6における実施形態とは異なり、気体供給箇所13は、増加した乱流が生成されるように形作られている。そのために、気体供給箇所13は少なくとも1つの孔付き板41を含み、これを通して気体が導かれる。ここで孔付き板は、5~200cm、好ましくは10~100cmの直径の孔を有する。ここで、複数の孔付き板が互いに重なり合って配置されており、かつ気体の流れ方向で最後の孔付き板が、先に記載のように、5~200cmの直径の孔を少なくとも有すると特に有利である。ここで孔付き板は、個別の孔付き板の孔が互いに正確に重ならないように配置されることが好ましい。これは、互いに上下に重なり合った孔の中心点が1つの垂直線上に位置しないことを意味する。
孔の形状は、任意で選択されてもよい。しかしながら、円形の孔が好ましい。
増加した乱流が生成されるように気体供給箇所13が形作られる場合、気体流は、すでに滴下装置5の上方で乱流33を有し、これにより、滴下装置5内で生成された液滴が反応器断面にわたり均質に分布する。ただし、乱流の増加は局所的に制限されるべきであり、好ましくは、滴下器ユニットの領域内または下方にのみ生じるべきである。それにより、乾燥ガスと液滴導入されたモノマー溶液との混合の望ましい改善が保証され、液滴が反応器断面にわたり均質に分布し、反応器壁における堆積物の形成のような不所望な効果は起こらない。
乱流を増加させる装置の好ましい図8に図示されている。
気体ノズル35が下方に向けられた図1および2に図示される乱流を増加させる装置とは異なり、図8において、気体ノズル35は、上方に向かって垂直に向けられている。したがって、気体供給箇所13を介して供給される乾燥ガスの流れ方向とは反対に向けられた気体噴流37が、気体ノズル35からそれぞれ出る。気体が乾燥ガスの流れ方向とは反対に気体ノズル35から排出されることにより、乱流33は滴下装置5の領域で生成される。乾燥ガスが主な気体流であるため、気体流全体は下方に向けられており、乾燥ガス流は、乾燥ガスの流れ方向において、滴下装置5を流れて通過する際にも乱流のままである。気体ノズル35を上方に垂直に向けることにより、流動乱流が、滴下装置5のさらに上流で誘導される。これにより、乾燥ガス流における流動乱流を滴下装置5までより良好に横向きに分布させることができ、したがって、効果的かつ均一に、滴下装置5から排出されるモノマー溶液に影響を与えることもできる。
滴下器ユニットの配置にかかわらず、乱流を増加させる装置31のバッフルまたはノズルは、常に液滴がバッフルまたはノズルに落下できないように位置決めされる。さらに、バッフルまたはノズルは、反応器断面にわたり均一に分布されており、そのため、均一な気体流および等しい乱流が反応器断面全体にわたり得られ、それにより、均一な製品ができあがる。
実施例
以下の例は、気体流における乱流生成を伴うおよび伴わない、液滴重合反応器の稼働の比較を示す。比較のために、数値での流動シミュレーションを用いて計算により求めた結果を引用した。比較において2つの場合を観察する:
(1) 液滴重合用の反応器を、図1に図示されているように、乱流を増加させる気体ノズルを16個用いて稼働させ、ここで気体ノズルは、3.8mおよび5.8mの直径をそれぞれ有する2つの理論上の同心円において周囲長にわたり均一に分布しており、滴下器通路に対して対称に配置されており、同心円のそれぞれに8つの気体ノズルが位置決めされている。そのために、図4に図示される実施形態に相応して放射状に配置された8つの滴下器通路を備える。ノズルすべてを通る気体体積流は、合計7500Nm3/hである。ノズルは、開口部の直径が45mmである。直径が一定である反応器の中部における直径は、10.3mである。滴下器ユニットの高さにおける反応器の直径は、7.2mである。気体供給箇所13を介して施与される気体体積流は、175000Nm3/hである。
(2) 最初の場合と同じ条件下で液滴重合反応器を稼働させるが、乱流ノズルおよびそれにより供給されるさらなる気体流を用いない。
図9は、計算した場合の双方について、粒子滞留時間に対する粒子温度の標準偏差のプロファイルを示し、ここで、乱流を増加させる気体ノズルを用いた第一の場合についてのプロファイルは、破線で図示されており、乱流の増加なしの第二の場合についてのプロファイルは、実線で図示されている。そのために、横軸に粒子滞留時間が秒で図示されており、縦軸に標準偏差が図示されている。標準偏差が大きいほど、粒子が不均等に加熱される。乱流ノズルを用いた稼働の場合、0~6秒の滞留時間範囲において、標準偏差は、乱流ノズルなしの場合よりも5Kまで低い。ここで6秒の滞留時間は、粒子が反応器の下端部にある流動層に到達するのに平均的に必要とする時間に相当する。
図10は、粒子滞留時間に応じた、粒子をその軌道に沿って囲む気体の気体温度を示す。ここでも、粒子滞留時間は秒で横軸に図示されている。縦軸は、粒子を囲む気体の温度を℃で示す。ここでも、乱流を増加させる気体ノズルを用いた第一の場合は、破線で図示されており、さらなる乱流の増加なしの第二の場合は、実線で図示されている。乱流を増加させる気体ノズルを用いて稼働させる場合、気体温度はより速く低下し、このことは、粒子が平均的により速く加熱されることを意味する。粒子温度の標準偏差と、粒子をその軌道に沿って囲む気体の気体温度のどちらも、乱流を増加させる気体ノズルを用いた稼働での粒子の乾燥が、より均一かつ速く行われることを示し、これにより、粒子が乾燥状態で反応器の下端部の流動床に到達し、よって、より低い凝集化傾向を有することに繋がる。
1 液滴重合用の反応器
3 反応器ヘッド
5 滴下装置
7 中部領域
9 下部領域
11 流動層
12 モノマー供給部
13 気体供給箇所
15 流動層を基準とした最も外側の孔の位置
17 ガス分配器
19 気体取出し箇所
21 環状チャンバ
23 生成物取出し箇所
24 通路
25 通路
26 滴下器プレート
27 通路の交点
29 反応器軸
31 乱流を増加させる装置
33 乱流
35 気体ノズル
37 気体噴流
39 管路
41 孔付き板
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