TWI415672B - 一靜止薄膜產生器及用於垂直安置之聚合作用反應器之薄膜支撐結構 - Google Patents

一靜止薄膜產生器及用於垂直安置之聚合作用反應器之薄膜支撐結構 Download PDF

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William Speight Murdoch
Thomas Lloyd Yount
Paul Keith Scherrer
Richard Gill Bonner
Christopher Scott Slaughter
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Description

一靜止薄膜產生器及用於垂直安置之聚合作用反應器之薄膜支撐結構
本發明係關於一種用於產生諸如線性聚酯及共聚酯之聚縮合產物之設備。更特定言之，本發明係關於用於垂直定向之聚合作用反應器中的改良塔盤設計。
用於經由聚縮合反應產生諸如聚酯及共聚酯之聚合材料的方法涉及當分子之聚合官能基互相反應以產生更長分子鏈分子時，副產物之釋放。通常，將此等所釋放之副產物分子自反應混合物中萃取出來係必要的，以便驅動聚合物之分子堆積。若不移除副產物化合物，則化學平衡將抑制所形成之聚合物鏈的長度。在許多此等聚縮合反應系統中，用於萃取所釋放之副產物之較佳方法係使副產物從反應混合物中蒸發出來。
已設計並操作各種產生器設計及多步驟反應系統，以促進副產物之蒸發及相關聚縮合材料之產生。用於該等聚縮合反應(至少用於產生低至中等分子量之聚合物材料)之最經濟設計係一系列攪拌槽反應器。在此等反應器系統中，可經由使用機械攪動、熱虹吸再沸器，及/或簡單氣泡攪動以增強熱轉移及液體－蒸汽表面區域之更新來產生大量材料。不幸地，聚合物熔體之黏度隨著聚合度("DP")增加而顯著增加。因此，由於攪動器設計之實際限制，此等材料之高黏度大大地減少更新液體－蒸汽表面之能力且因此減少攪拌槽反應器之質量轉移效率。
除上述缺陷以外，在該聚縮合方法中，其他操作參數亦可受到限制。舉例而言，為增加反應動力學及反應副產物之揮發性，可需要較高溫度。副產物之較高揮發性減少反應混合物中副產物之濃度，藉此推進聚合反應。然而，聚合物材料對於降解反應之溫度敏感性限制將愈來愈高之溫度作為一推進聚合度之方法的使用。同樣地，可由使用低操作壓力進一步增加副產物之揮發性。然而，極低操作壓力之使用受到達成低操作壓力之成本及防止聚合物夾帶入真空源所需之反應器蒸汽空間數量的限制。而且，聚合池之深度可抑制在低壓聚縮合反應器中對反應容積之有效使用。具體言之，反應混合物之過量深度增加揮發性副產物在逸出之前須行進之擴散及對流路徑。此外，隨著聚合池之深度增加，池之較深部分經受較大靜水壓力。液體內部之較高局部壓力抑制副產物氣泡之形成，其阻止副產物之釋放，且因此阻止為推進聚合作用對反應容積之有效使用。
由於上述原因，增加聚合度需要以特殊反應設備置換簡單攪拌槽反應器。該特殊設備須克服上文表明之一或多個操作限制，以達成所需之聚合度。目前，存在用於增強之液體－蒸汽表面更新的兩種基本方法，其最佳地描述為動態方法及靜態方法。
第一種方法可稱為動態方法，因為其涉及移動機械裝置之使用以增強液體－蒸汽表面更新。如上文所表明，增強之液體－蒸汽表面更新促進副產物之釋放。在該動態方法中，在旋轉軸或穿經反應器壁之軸的周圍需要密封。須維持此等密封以便防止空氣洩漏入反應器中。又，在該動態方法中，隨著容器之尺寸及產物之黏度增加，機械組件之尺寸必須增加，以便應付負載增加。第二種方法可稱作靜態方法，因為不使用移動裝置用於液體－蒸汽表面更新。此後種方法使用與垂直降落(vertical drop)組合之重力來產生薄聚合物薄膜。通常，在該垂直降落期間，該等聚合物薄膜在塔盤之間流動。組合由垂直降膜產生之剪切效應及表面轉換效應的薄聚合物薄膜藉由增強副產物之釋放來驅動聚合反應。
揭示使用組合垂直降落之重力的先前技術專利包括：美國專利號為5,464,590('590專利)、5,466,419('419專利)、4,196,168('168專利)、3,841,836('836專利)、3,250,747('747專利)，及2,645,607('607專利)的專利。早期塔盤設計使用利用容器之大部分橫截面積的垂直間隔之圓形塔盤(組合空心圓之全圓，及分段圓形)。此等圓形塔盤反應器使用可用壓力容器之水平橫截面之一大部分用於液體停滯。在一些設計中，一圓形塔盤之後為一空心圓塔盤，從而形成一盤式－環形排列。因此，當聚合物自塔盤至塔盤通過時，其流過一圓形邊緣。所釋放之氣體副產物因此流經圓形及環狀開口。在其他設計中，塔盤係分段的，以為聚合物提供一直緣以在降落至下一個塔盤之前流過。該分段塔盤設計亦在聚合物流過之直緣與該氣體副產物可穿經之容器壁之間提供開放區域。然而，在兩個設計中，自塔盤蒸發之副產物被迫與聚合物熔體流流經相同空間。為解決此顧慮，使圓形塔盤之直徑稍小於反應器容器之直徑。所得環狀空間用於允許蒸汽流量逸出每一塔盤且沿一在聚合物流之路徑外部的路徑行進至反應器容器之蒸汽排放噴嘴。簡單圓形塔盤設計之一缺陷在於存在死區(塔盤上之非常慢之移動或停滯區域)。此等停滯區域中之聚合物傾向於烹煮過度，變得過分黏性、交連及/或降解，且因此緩慢固化。淨結果係一有效反應容積之損失。
下一代設計者將塔盤之形狀自圓形改變為其他幾何形狀。其消除不如反應容積完全有效之死區。死區之消除亦改良產物品質，因為該等死區係由於過度烹煮聚合物而產生高程度之降解副產物及惡劣色彩之區域。不幸地，此等非圓形塔盤不增加對圓柱形壓力容器之橫截面積的有效使用。
'590專利及'419專利之較近期發明的基礎為一空心圓形塔盤，其更有效地利用一圓柱形壓力容器之橫截面積，同時提供最小化液體死區區域且防止溝流的聚合物熔體流動路徑。與非圓形塔盤相比，淨結果係一可用於液體滯留之塔盤面積的大約40%之增加。塔盤之中心開口提供一煙囪，經由其移除蒸汽副產物。
然而，如上文所述，聚合池之深度亦可抑制在低操作壓力下對反應容積之有效使用。在一給定操作壓力(真空水平)下，聚合物深度之影響與聚合度成比例地增加。此係由於隨著聚合物端基之濃度經由聚合物鏈之增長而減少，用於聚合作用之化學平衡驅動力減少。因此，為獲得可接受結果，須進一步增強用於自聚合物熔體釋放聚縮合副產物之機構。在較高聚合度時，此係必要的，以便充分低程度之副產物剩餘在該熔體中，以致能聚合作用有效進行。然而，另一重要因素係：隨著聚合作用進行至較高聚合度，黏度大體上增加。
在一充分高黏度，水平塔盤不能達成高聚合物產量與淺聚合物深度兩者之所需組合。Lewis等人的設計(168專利)藉由使聚合物流下斜塔盤來達成對聚合物深度之一定程度的控制。增加連續塔盤之斜率以解決隨著聚合物沿其行程聚合，聚合物之預期遞增黏度。在本文所描述之本發明中，由於所釋放之氣體須穿經的減少之薄膜厚度，大體上垂直之表面對於具有較高產量，甚至較高黏度之聚合物系統係需要的。
'168專利之設計(頂－槽塔盤)藉由將聚合物熔體***為自反應器之頂部至底部橫過傾斜塔盤之兩個等流(且一流動路徑為另一流動路徑之一鏡像)，亦達成對聚合物深度之某程度的控制。Lewis在簡單傾斜塔盤上的設計創新係將該等塔盤封閉於一真空環境內所需之反應器容器容積之減少。藉由***聚合物流，一塔盤達成一所需斜率所需要的垂直維度(垂直降落)及因此一所需聚合物深度得以減小。該頂－槽組態切割該塔盤之水平長度，使得該聚合物流之每一半在降落至下一個塔盤之前須橫向移動。由於聚合物流之每一半橫過水平距離之一半，所以各自之滯留時間大約與一簡單傾斜塔盤相同，同時使用較小總垂直高度。
由於產生率增加，可藉由通常以二元方式－－二、四、八......將聚合物流***為更多等流來擴展頂－槽設計概念。
因此，對反應器容器容積之良好利用隨著容器尺寸增加以容納聚合物產量得以維持。
然而，即使在Lewis之頂－槽塔盤設計中，對反應器容器容積的利用隨著所需聚合度增加至較高，及/或質量轉移對滯留時間之操作窗口變窄以達成較好品質而減少。隨著目標聚合度增加至較高，聚合物黏度增加，因此為維持相同之聚合物深度要求，需要較陡之塔盤斜率。同樣地，若藉由將淺聚合物深度作為目標來增加質量轉移，則需要較陡塔盤。在某點，斜率變得大體上垂直(與水平面呈大於60°之斜率)，且經由進一步改變斜率不可達成產量與黏度之一給定組合的相當較薄深度。在此高產量、目標淺深度，及高黏度之區域，在本文中所描述之本發明的薄膜產生及薄膜支撐結構增加一給定反應器容器橫截面積內部之聚合物薄片的數量，藉此達成高產量及較好質量轉移。
因此，存在一對於用於聚縮合反應器中之薄膜產生及薄膜支撐之改良設計的需要，其更有效地利用一用於高黏度、高產量及薄膜之組合的垂直、重力流驅動之聚合作用反應器中的空間。
本發明藉由在一實施例中提供一用於一垂直、重力流驅動之聚合作用反應器之靜態內部組件的束流總成來克服先前技術之一或多個問題，該聚合作用反應器用於高黏度、高產量及薄聚合物熔體薄膜之組合。本發明係亦使用重力及垂直降落之方法來達成所需聚合度的較早期設計之增強。該等較早期設計在美國專利號為5,464,590('590專利)、5,466,419('419專利)、4,196,168('168專利)、3,841,836('836專利)、3,250,747('747專利)，及2,645,607('607專利)的專利中加以揭示。此等專利之全部揭示內容係以引用的方式併入本文中。本發明藉由在被稱為'束流總成'內部之新穎組件，提供較大表面區域，在其上液體與反應器之氣體接觸，同時仍獲得充分液體停滯時間用於發生聚合作用。反應器容器提供一用於控制環繞該束流總成之空間中之壓力與溫度兩者的構件。
本發明之束流總成包括一或多個靜止薄膜產生器。該束流總成進一步包括薄膜支撐結構之一或多個靜止陣列，其中陣列係由薄膜產生器分離。通常，薄膜支撐結構之每一陣列以一或多個列排列，該或該等列之特徵為一列內部之所有薄膜支撐結構係位於相同高程(意即高度)。根據一反應器容器內部之束流總成中的組件之垂直排列，聚合物熔體噴流下容器內部之垂直長度。
該薄膜產生器係將一流動聚合物流細區分為兩個或兩個以上獨立流動流，且結果自由表面之數量增加的任何裝置。藉由將聚合物熔體分開，可將其更均衡地施加至位於其下之薄膜支撐結構。此外，薄膜產生器產生用於流動聚合物流之大量自由表面區域，其由薄膜支撐結構固持及/或延伸。
薄膜支撐結構之陣列提供固體表面，來自薄膜產生器之聚合物流流動於其上。每一薄膜支撐結構具有一第一側及一第二側。每一細區分聚合物流之一部分流過該第一側，且細區分聚合物流之一第二部分流過該第二側。以此方式，薄膜支撐結構以流動聚合物塗佈。薄膜支撐結構通常自水平面以至少60度，且較佳地約90度定向。薄膜支撐結構之一列可以若干方式產生。舉例而言，可藉由安裝複數個水平間隔之平坦薄膜支撐結構於一等高程處來形成一列。對於該陣列而言，鄰近薄膜支撐結構之平面之間的線性或正間距較佳地對一給定列係恆定的。或者，可藉由繞一大體上垂直之線排列薄膜支撐結構來形成一列。對於該後種狀況，鄰近薄膜支撐結構之間之角間距較佳地在一給定列內係恆定的。薄膜支撐結構不需為平坦的。舉例而言，可自一系列同心圓柱或橢圓產生薄膜支撐結構之一陣列。在另一變化中，可藉由繞一垂直線蝸旋薄膜支撐結構來產生一陣列。
視需要，垂直排列多個薄膜產生器及薄膜支撐結構之陣列以形成束流總成。薄膜支撐結構之該等垂直排列之列通常具有一最高定位列、一最低定位列，及視情況一或多個中間定位列。反之，每一列包括一或多個薄膜支撐結構，該或該等其經定位，使得當聚合物熔體接觸一薄膜支撐結構時，該聚合物熔體在重力之下在一向下方向上移動。列之該排列使得每一列(最低列除外)將聚合物熔體轉移至一較低垂直鄰近薄膜產生器或薄膜支撐結構之列。薄膜支撐結構之列之間的一薄膜產生器的存在促進自一列至後續較低列改變薄膜支撐結構之表面的數量、定向或形狀。
現將詳細參照本發明之目前較佳的組合物或實施例及方法，其構成目前為發明者已知的操練本發明之最佳模式。
在本發明之一實施例中，提供一經調適以置放於一反應器中用於聚合一聚合物熔體之束流總成。參看圖1及2，提供具有及不具有聚合物熔體之本發明之該束流總成之一實施例的橫截面示意圖。束流總成10包括支撐結構12。束流總成10亦包括垂直薄膜支撐結構之靜止陣列24之前之一靜止薄膜產生器14。通常，靜止陣列24係定位於一大體上相等升程(意即高度)之垂直薄膜支撐結構之一列。而且，稱該陣列及薄膜產生器靜止係因為其在操作期間不移動。本文所用之術語"薄膜支撐結構"意謂一具有一聚合物熔體可流過之一第一及第二表面的物件。束流總成10將亦視情況包括薄膜支撐結構之一或多個額外陣列(例如列)26、28、30及靜止薄膜產生器32、34、36之一或多個額外列。當存在額外陣列26、28、30時，陣列24係最高陣列且陣列30係最低陣列。每一陣列24－30包括一或多個薄膜支撐結構。在一變化中，每一陣列24－30包括複數個薄膜支撐結構38、40、42、44。在每一陣列24－30中，定向該複數個薄膜支撐結構38、40、42、44，以具有帶有一致間隙的連續水平間隔之大體上垂直之表面。在本文中所使用之"一致間隙"意謂藉由一充分距離分離該等薄膜支撐結構，以防止鄰近聚合物自由表面合併，且避免聚合物熔體46之自由表面區域之淨損失。在一變化中，此等水平間隔之表面亦係大體上平行的。
通常，每一薄膜支撐結構38、40、42、44以一在每一薄膜支撐結構與一水平面之間的等於或大於約60度之角大體上垂直。在本發明之一變化中，該複數個薄膜支撐結構38、40、42、44之每一薄膜支撐結構以一在每一薄膜支撐結構與一水平面之間的等於或大於約80度之角大體上垂直。在本發明之另一變化中，該複數個薄膜支撐結構38、40、42、44之每一薄膜支撐結構以一在每一薄膜支撐結構與一水平面之間的自約80至較佳約90度之角大體上垂直。在本發明之又一變化中，複數個薄膜支撐結構38、40、42、44之每一薄膜支撐結構以一在每一薄膜支撐結構與一水平面之間的約90度之角大體上垂直。定位複數個薄膜支撐結構38－44之每一薄膜支撐結構，使得當聚合物熔體46接觸該複數個薄膜支撐結構38－44之一薄膜支撐結構時，聚合物熔體46在重力之下在一向下方向上移動。而且，當存在額外陣列26、28、30時，垂直排列之陣列24、26、28之每一陣列將聚合物熔體46轉移至一較低垂直鄰近陣列。
圖1中之薄膜支撐結構之表面的平行排列具有一在一列之表面之間的均衡線性或正間距。或者，該等表面可繞一垂直線排列，使得其具有一均衡角間距，以便當自上觀察時，薄膜支撐結構極似一輪之輪輻。此外，薄膜支撐結構38、40、42、44之表面不需為平坦的。其可為任何形狀及定向，其中在鄰近薄膜支撐結構之表面之間存在一一致間隙。因此，包含平板、諸如圓柱之同心形狀，及螺旋表面之薄膜支撐結構皆包含於本發明之範疇中。為說明之目的，在圖1、2、3、4、7、8及9中展示矩形平行支撐表面。
參看圖2A及2B，提供說明聚合物熔體46之流動的橫截面示意圖，其包括一在薄膜產生器上之聚合物池、來自該薄膜產生器之多個聚合物流，及在平行薄膜支撐結構上之所得聚合物薄膜。在束流總成10之頂部引入聚合物熔體46，其首先進入將該流分為流動流52、54、56、58的入口薄膜產生器14，該等流動流流至複數個薄膜支撐結構38之每一薄膜支撐結構上。聚合物熔體46之流動隨後以一相似方式沿複數個薄膜支撐結構38之每一薄膜支撐結構之側62、64進行。聚合物熔體46在重力之下流下，直至到達複數個薄膜支撐結構38之底部。聚合物熔體46隨後進行至將流分為流動流66、68、70、72之薄膜產生器32。對於複數個薄膜支撐結構40、42、44及在到達束流總成10之底部之前可存在的薄膜支撐結構之任何額外陣列，此過程以一相似方式進行。定位陣列24－30之每一薄膜支撐結構，使得當聚合物熔體46流經束流總成10時，使用薄膜支撐結構38－44之兩側。例如，如在圖2B中所示，聚合物熔體46之第一部分74在重力之下流過薄膜支撐結構38之第一側76，且聚合物熔體46之第二部分78在重力之下流過薄膜支撐結構38之第二側80。最終，在薄膜支撐結構之一單一列內，鄰近薄膜支撐結構藉由一距離分離，使得當聚合物熔體46流經束流總成10時，在穩態操作期間，該聚合物熔體之該第一部分74與該第二部分78各獨立地具有一較佳地為鄰近薄膜支撐結構之間之距離的至少10%之厚度。
該薄膜產生器為可加以使用以將聚合物流均衡細區分至薄膜支撐結構上的任何裝置。可易於排列桿、棒、管、半管及角之陣列，以為平行之平坦薄膜支撐結構形成薄膜產生器。對於更複雜之薄膜支撐結構，可藉由增加適當定位之開口的陣列以自一板形成一薄膜產生器。參看圖3A及3B，提供可用於薄膜產生器14、32、34、36之一些設計變化的示意圖。在圖3A中，薄膜產生器100使用由距離d1 分離以形成空隙104之半管102。後續薄膜支撐結構106藉由水平距離d2 分離，且經定位以與空隙104之中心對準。而且，薄膜支撐結構106為一在薄膜產生器100之底部之下的垂直距離d3 。該等空隙104之中心與後續薄膜支撐結構106之對準確保兩側112、114均以聚合物熔體46塗佈。在圖3B中所展示之另一變化中，薄膜產生器120包括用於該薄膜產生器122之等邊角，其由距離d4 分離以形成空隙124。後續薄膜支撐結構126藉由水平距離d5 分離，且經定位以與空隙124對準。而且，薄膜支撐結構126為一在薄膜產生器120之底部之下的垂直距離d6 。此外，空隙124與薄膜支撐結構126之對準確保兩側132、134均以聚合物熔體46塗佈。通常，距離d1 及d4 為自約0.25至約2吋，距離d2 及d5 為自約0.5至約10吋，且距離d3 及d6 為自約0至約2吋。較佳地，距離d2 及d5 為自約0.75至約3吋。在其他變化中，薄膜支撐結構可或者完全穿經空隙104、124。薄膜產生器之組態可經調適以將一單一流饋送至薄膜支撐結構之兩側或饋送兩個分離流，將一者流至薄膜支撐結構之每一側。
參看圖4A、4B及4C，提供可用於束流總成10中的各種類型之薄膜支撐結構38－44中之一些的一透視圖。圖4A提供用於該等薄膜支撐結構38－44之一變化的一框形固體平板之一透視圖。在此變化中，薄膜支撐結構140包括固體板區142及框架區144、146。框架區144、146輔助將框形薄膜支撐結構置放入一支撐架，並增加機械強度以維持薄膜支撐結構之形狀與位置。圖4B提供一小孔薄膜支撐結構之一透視圖，該小孔薄膜支撐結構包括一可用於薄膜支撐結構38－44之一變化中的框形網篩。在此變化中，薄膜支撐結構150包括網篩區152及框架區154、156。任何網篩式樣(意即，金屬絲布或織物、網狀篩層、打孔金屬或膨脹金屬薄片)可用於網篩區152。通常，小孔薄膜支撐結構中之開口在0.25至3吋之範圍內變動。圖4C提供可用於薄膜支撐結構38－44之另一變化中的大體上垂直之金屬絲之一框形組的一透視圖。在此變化中，薄膜支撐結構160包括金屬絲薄膜支撐結構區162及框架區164、166。金屬絲薄膜支撐結構區162由一組大體上共平面且大體上平行之金屬絲168形成。金屬絲直徑通常為自約0.010至0.125吋，且該等金屬絲之間的間距為自約0.25至約2.0吋。儘管稱為金屬絲，但亦可使用桿或管，且一圓形橫截面並非必需。
參看圖5A及5B，提供圖1之薄膜支撐結構之平行排列的一替代方法之一實例。在此實施例中，薄膜支撐結構係以一不平行組態排列。圖5A提供一使用鄰近薄膜支撐結構之間之等角間距示範繞一垂直線排列之平坦薄膜支撐結構180之使用的透視圖。圖5B提供一置放於圖5A之有角度地移位之薄膜支撐結構之上的薄膜產生器182之一透視圖。薄膜產生器182包括一經定位以將聚合物熔體引入至平坦薄膜支撐結構之表面上的開口184之一陣列。
參看圖6A、6B、6C及6D，提供用於圖1之薄膜支撐結構之平坦表面之替代方法的實例。圖6A提供一示範同心圓柱形式之薄膜支撐結構190、192、194之使用的透視圖。圖6B提供一置放於圖6A之該等同心圓柱之上的薄膜產生器196之透視圖。薄膜產生器196包括經定位以將聚合物熔體引入至該等圓柱形薄膜支撐結構上之開口198之一陣列。同樣地，圖6C提供一螺旋薄膜支撐結構200之一透視圖，同時圖6D提供定位於該螺旋薄膜支撐結構200上之薄膜產生器202的一透視圖。此外，薄膜產生器202包括經定位以將聚合物熔體引入至該螺旋薄膜支撐結構200之表面上的開口204之一陣列。亦應瞭解，圖6A－D之薄膜支撐結構中的不連續或空隙亦涵蓋於本發明之範疇內。
為裝配之簡易，本發明之束流總成之各種組件實際上有利地為模組。參看圖7A、7B及7C，提供一固持本發明中所描述之各種平坦薄膜支撐結構之一些的支撐架210之透視圖。圖7A說明一固持框形固體平板薄膜支撐結構140之支撐架210。圖7B說明一固持框形網篩薄膜支撐結構150之支撐架210。最終，圖7C說明一固持框形金屬絲薄膜支撐結構162之支撐架210。應瞭解，該支撐架210可固持框形固體板薄膜支撐結構140、框形網篩薄膜支撐結構150，及框形金屬絲薄膜支撐結構162之任何所需組合。在典型應用中，架210將固持僅一種類型之薄膜支撐結構。
亦應瞭解，可堆疊複數個薄膜產生器及薄膜支撐結構之陣列，以為聚合物熔體提供一較長流動路徑。參看圖8A及8B，給出透視圖，其中堆疊架中之薄膜產生器及薄膜支撐結構以形成一束流總成。圖8A為一說明一束流且每一支撐架固持相同類型之薄膜支撐結構之一列的透視圖。束流212包括入口薄膜產生器214。入口薄膜產生器214定位於固持薄膜支撐結構216之一陣列的架210之上。架210定位於包括上文所述之該等薄膜產生器之中間薄膜產生器218之上。中間薄膜產生器218定位於固持薄膜支撐結構216之一第二陣列的架220之上。此外，架220定位於中間薄膜產生器222上，接著該中間薄膜產生器222定位於架224之上的。儘管本實例提供一具有三個架之束流總成，但應瞭解，可利用任意數量之支撐架。而且，儘管此實例利用一組皆為相同類型之固體板的薄膜支撐結構216，但亦可使用不同類型之薄膜支撐結構(意即，固體、網篩或金屬絲)之組合。圖8B為一說明一束流且薄膜支撐結構之每一架(列)利用一不同類型之薄膜支撐結構的透視圖。在此變化中，束流230包括入口薄膜產生器214。入口薄膜產生器214定位於固持薄膜支撐結構232之一陣列的架210之上。薄膜支撐結構232係框形固體平板薄膜支撐結構。架210定位於包括上文所述之該等薄膜產生器的中間薄膜產生器238之上。中間薄膜產生器238定位於固持薄膜支撐結構242之一第二陣列的架240之上。薄膜支撐結構242係框形網篩薄膜支撐結構。此外，架240定位於中間薄膜產生器248上，接著中間薄膜產生器248定位於架244上。架244固持為框形金屬絲薄膜支撐結構的薄膜支撐結構246之一第三陣列。
儘管多數實例展示三個薄膜產生器，但所需之實際數量視若干因素而定。中間薄膜產生器通常適用於改變連續列中之薄膜支撐結構的數量。為了達成有效空間利用，可調適薄膜支撐結構之一列內部的水平間距至液體(意即，聚合物熔體)之熔融黏度。因此，隨著自反應器頂部至底部黏度增加，在鄰近薄膜支撐結構之間的最小水平間距增加。通常結果係，一列中之薄膜支撐結構之數量減少。中間薄膜產生器亦促進薄膜支撐結構之定向的改變，例如，使得連續列中之薄膜支撐結構繞反應器中心線旋轉90度。
在本發明之另一實施例中，提供一利用上文所述之束流總成的聚合作用反應器。參看圖9，聚合作用反應器250包括束流總成10及垂直安置之圍阻體252。聚合物熔體入口254附接於垂直安置之圍阻體252之頂部256附近，且聚合物熔體出口258附接於外部殼252之底部260附近。而且，聚合作用反應器250亦包括附接至外部殼252之蒸汽出口262。最終，該聚合作用反應器250包括束流總成10，其自聚合物熔體入口接收該聚合物熔體，且將聚合物熔體轉移至該聚合物熔體出口，如上文所述。聚合作用反應器250亦包括一用於維持聚合物熔體在一流體狀態的加熱器(未圖示)及一用於減少該聚合作用反應器內部之壓力的真空泵(未圖示)。該真空泵通常通過蒸汽出口262運轉。具體言之，該束流總成10包括薄膜支撐結構272、274、276之陣列及薄膜產生器278、280及282。在此實施例之另一變化中，除在圖9中所說明的薄膜支撐結構272、274、276之堆疊排列之外或替代其，可並排地置放薄膜支撐結構。最終，束流總成之操作與上文所述相同。
該等薄膜支撐結構安裝於容器中，以提供對聚合物熔體之保持，藉此增加反應器內部之液體滯留時間，及其至反應條件之曝露。需要該液體滯留時間，為聚合作用動力學提供充分時間以趕上由液體－蒸汽表面區域之增加及其之更新增強所達成的增強之副產物釋放率。此設計不僅為蒸汽離開聚合物提供更多自由表面區域，而且亦提供更多平行流動路徑，使得當與諸如頂－槽塔盤之先前技術相比薄膜之厚度得以減少。
在本發明之又一實施例中，提供一使用上文所述之束流總成來增加一聚合物熔體中之聚合度的方法。本發明之方法包括在一充分溫度及壓力下引入該聚合物熔體至一束流總成中。該束流總成之細節陳述於上文中。此實施例之方法包括將最高薄膜產生器，隨後將薄膜支撐結構之最高定位列與該聚合物熔體接觸。其次，將可選中間薄膜產生器及薄膜支撐結構之列與聚合物熔體接觸。最終，將薄膜支撐結構之最低定位列與聚合物熔體接觸。在穿過薄膜支撐結構之該最低定位列之後，聚合物熔體自束流總成落下。自束流總成移除之聚合物熔體有利地比當該聚合物引入至束流總成時具有一更高聚合度。在此實施例之一變化中，反應溫度自約250℃至約320℃，且反應壓力自約0.2托至約30托。
儘管已說明並描述本發明之實施例，但不希望此等實施例說明並描述本發明之所有可能形式。相反，在說明書中所用之字係描述之字而非限制之字，且當然，在不脫離本發明之精神與範疇的情況下，可作出各種改變。
10．．．束流總成
12．．．支撐結構
14．．．薄膜產生器
24．．．陣列
26．．．陣列
28．．．陣列
30．．．陣列
32．．．薄膜產生器
34．．．薄膜產生器
36．．．薄膜產生器
38．．．薄膜支撐結構
40．．．薄膜支撐結構
42．．．薄膜支撐結構
44．．．薄膜支撐結構
46．．．聚合物熔體
52．．．流動流
54．．．流動流
56．．．流動流
58．．．流動流
62．．．薄膜支撐結構之側
64．．．薄膜支撐結構之側
66．．．流動流
68．．．流動流
70．．．流動流
72．．．流動流
74．．．聚合物熔體之第一部分
76．．．薄膜支撐結構之第一側
78．．．聚合物熔體之第二部分
80．．．薄膜支撐結構之第二側
100．．．薄膜產生器
102．．．半管
104．．．空隙
106．．．薄膜支撐結構
112．．．側
114．．．側
120．．．薄膜產生器
122．．．薄膜產生器
124．．．空隙
126．．．薄膜支撐結構
132．．．側
134．．．側
140．．．薄膜支撐結構
142．．．固體板區
144．．．框架區
146．．．框架區
150．．．薄膜支撐結構
152．．．網篩區
154．．．框架區
156．．．框架區
160．．．薄膜支撐結構
162．．．金屬絲薄膜支撐結構區
164．．．框架區
166．．．框架區
168．．．金屬絲
180．．．平坦薄膜支撐結構
182．．．薄膜產生器
184．．．開口
192．．．薄膜支撐結構
194．．．薄膜支撐結構
196．．．薄膜產生器
198．．．開口
200．．．螺旋薄膜支撐結構
202．．．薄膜產生器
204．．．開口
210．．．支撐架/架
212．．．束流
214．．．入口薄膜產生器
216．．．薄膜支撐結構
218．．．中間薄膜產生器
220．．．架
222．．．中間薄膜產生器
224．．．架
230．．．束流
232．．．薄膜支撐結構
238．．．中間薄膜產生器
240．．．架
242．．．薄膜支撐結構
244．．．架
246．．．薄膜支撐結構
248．．．中間薄膜產生器
250．．．聚合作用反應器
252．．．圍阻體/外部殼
254．．．聚合物熔體入口
256．．．頂部
258．．．聚合物熔體出口
260．．．底部
262．．．蒸汽出口
272．．．薄膜支撐結構
274．．．薄膜支撐結構
276．．．薄膜支撐結構
278．．．薄膜產生器
280．．．薄膜產生器
282．．．薄膜產生器
圖1為展示薄膜產生器及平行薄膜支撐結構的本發明之一實施例之束流總成的一橫截面圖；圖2A展示用於圖1之該束流總成之聚合物熔體流；圖2B更詳細展示在一薄膜支撐結構兩側之來自該薄膜產生器的聚合物熔體薄膜；圖3A為一平坦薄膜支撐結構之頂部邊緣及位於其上之薄膜產生器之一橫截面圖，其中該薄膜產生器利用一半管將熔體流分開，產生薄膜且隨後導向該等薄膜至適當間隔之薄膜支撐結構上。
圖3B為一平坦薄膜支撐結構之頂部邊緣及位於其上之薄膜產生器之一橫截面圖，其中該薄膜產生器利用等邊角將熔體流分開，產生薄膜且隨後導向該等薄膜至適當間隔之薄膜支撐結構上；圖4A為一在本發明之一變化中用作一薄膜支撐結構的一框形固體板之透視圖；圖4B為一在本發明之一變化中用作一薄膜支撐結構的一框形網狀篩層之透視圖；圖4C為一在本發明之一變化中用作一薄膜支撐結構的垂直及平行金屬絲或桿之一框形組之透視圖；圖5A為利用具有等角間距之平坦表面的薄膜支撐結構之一列之一透視圖；圖5B為一定位於圖5A之該薄膜支撐結構之上的薄膜產生器之一透視圖；圖6A為利用同心圓柱之薄膜支撐結構之一列之一透視圖；圖6B為一定位於圖6A之該薄膜支撐結構之上的薄膜產生器之一透視圖；圖6C為一利用一螺旋排列之薄膜支撐結構之一透視圖；圖6D為一定位於圖6C之該薄膜支撐結構之上的薄膜產生器之一透視圖；圖7A為一安裝架中之框形平行固體板薄膜支撐結構之一列的一透視圖；圖7B為一安裝架中之用於薄膜支撐結構的網狀篩或打孔金屬薄片之一列之一透視圖；圖7C為一安裝架中之用於薄膜支撐結構的金屬絲、桿或管之框形組之一列之一透視圖；圖8A為一說明將薄膜產生器及薄膜支撐結構之架(列)堆疊以形成一束流總成，且每一架固持相同類型之薄膜支撐結構的透視圖；圖8B為一說明將薄膜產生器及薄膜支撐結構之架(列)堆疊以形成一束流總成，且每一架固持一不同類型之薄膜支撐結構的透視圖；及圖9為一包含一封閉本發明之該束流總成之容器的聚合作用反應器之一側視圖。
10．．．束流總成
250．．．聚合作用反應器
252．．．圍阻體/外部殼
254．．．聚合物熔體入口
256．．．頂部
258．．．聚合物熔體出口
260．．．底部
262．．．蒸汽出口
272．．．薄膜支撐結構
274．．．薄膜支撐結構
276．．．薄膜支撐結構
278．．．薄膜產生器
280．．．薄膜產生器
282．．．薄膜產生器

Claims (29)

  1. 一種用於聚合一聚合物熔體之垂直安置之聚合作用反應器，其包含靜態內部組件的一束流總成，該束流總成包括：一或多個薄膜支撐結構之一第一靜止陣列，該等薄膜支撐結構經定向而具有帶有一致間隙的連續水平間隔之大體上垂直之表面，每一薄膜支撐結構具有一第一側及一第二側；及一或多個靜止薄膜產生器，其定位於一或多個薄膜支撐結構之該第一靜止陣列上方，其中該反應器之該內部組件係呈靜態且包含該一或多個薄膜支撐結構及該一或多個薄膜產生器，其中在該反應器內部之該聚合物熔體流係由重力驅動，其中該一或多個薄膜產生器係完全定位在該一或多個薄膜支撐結構之該第一靜止陣列上方，且其中該一或多個薄膜產生器經由配置在一後續薄膜支撐結構上方且與該後續薄膜支撐結構對準之至少一開口而細區分且導引該聚合物熔體至該一或多個薄膜支撐結構上；使得當一聚合物熔體流經該至少一開口時，該細區分聚合物熔體之一第一部分被導引而流過該後續薄膜支撐結構之該第一側，且該細區分聚合物熔體之一第二部分被導引而流過該後續薄膜支撐結構之該第二側。
  2. 如請求項1之反應器，其中該等大體上垂直之表面係大體上平行的。
  3. 如請求項1之反應器，其中每一薄膜支撐結構定位成相對於水平面具有一大於或等於約60度之角。
  4. 如請求項1之反應器，其中每一薄膜支撐結構係定位成相對於水平面具有一大於約80度之角，薄膜支撐結構之該靜止陣列經排列以形成一或多個列，每一列具有定位於相等高度處的水平間隔之薄膜支撐結構。
  5. 如請求項1之反應器，其進一步包括薄膜支撐結構之一或多個額外靜止陣列，該等額外靜止陣列各排列至一或多個額外垂直排列之列中，每一列具有定位於等高度處的水平間隔之薄膜支撐結構，其中該等額外陣列包括一最低靜止陣列，使得該束流總成經調適以允許該聚合物熔體自該第一靜止陣列流至該最低靜止陣列。
  6. 如請求項1之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之每一薄膜支撐結構包括一固體板。
  7. 如請求項1之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之每一薄膜支撐結構包括一小孔薄膜支撐結構。
  8. 如請求項7之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之每一小孔薄膜支撐結構包括金屬布或織物、網狀篩層、打孔金屬或膨脹金屬薄片。
  9. 如請求項8之反應器，其中該小孔薄膜支撐結構具有自約0.25吋至約3吋之開口。
  10. 如請求項1之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之每一薄膜支撐結構包括一組大體上垂直且大體上平行之金屬絲、桿或管。
  11. 如請求項1之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之鄰近薄膜支撐結構之間的水平間隔距離使得當該聚合物熔體流經該束流總成時，在穩態操作期間，該等細區分且獨立聚合物熔體流各具有一為每一薄膜支撐結構之間之距離的至少10%之厚度。
  12. 如請求項1之反應器，其中薄膜支撐結構之該陣列之每一薄膜支撐結構係與一水平鄰近之薄膜支撐結構分離一自約0.5吋至約10吋之距離。
  13. 如請求項1之反應器，其中該聚合物熔體薄膜產生器為組成緊靠在該薄膜產生器之下的薄膜支撐結構之該陣列的每一薄膜支撐結構產生一或多個聚合物流。
  14. 如前述請求項1至13其中任一項之反應器，其中該束流總成係置放於一垂直安置之圍阻體內部。
  15. 如請求項1之反應器，其中該或該等支撐結構包括一選自由具有圓柱形狀之結構、具有一螺旋形狀之結構及具有大體上垂直但不平行表面之結構組成之群的組件。
  16. 一種增加一聚合物熔體之聚合度之方法，該方法包括：a)在一用於該聚合物熔體之聚合作用的充分溫度及壓力下將該聚合物熔體引入如請求項1之反應器之一束流總成中；b)將所形成之該聚合物熔體之自由表面曝露於該產生器之氣體中；及c)將該聚合物熔體自該束流總成移除，其中自該束流總成移除之該聚合物熔體比當該聚合物熔體引入該束流 總成時具有一更高聚合度。
  17. 如請求項16之方法，其中該束流總成進一步包括薄膜支撐結構之該陣列之一排列以在等高度處形成列，薄膜支撐結構之該等列係垂直排列的，所有額外列皆垂直定位於薄膜支撐結構之該第一列之下，其中除了一最低定位列以外，該或該等額外列之每一列係經調適以在重力之下轉移該聚合物熔體至一較低垂直鄰近列。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包括在步驟c之前將薄膜支撐結構之該或該等額外列與該聚合物熔體接觸。
  19. 如請求項16之方法，其中該溫度係自約250℃至約320℃。
  20. 如請求項16之方法，其中該壓力係自約0.2托至約30托。
  21. 如請求項16之方法，其中該等薄膜支撐結構各定位成相對於水平面具有一大於或等於約60度之角。
  22. 如請求項16之方法，其中薄膜支撐結構之一陣列中的每一薄膜支撐結構包括一固體板。
  23. 如請求項16之方法，其中薄膜支撐結構之一陣列中的每一薄膜支撐結構包括一小孔薄膜支撐結構。
  24. 如請求項23之方法，其中薄膜支撐結構之一陣列中的每一薄膜支撐結構包括金屬絲布或織物、網狀篩層、打孔金屬或膨脹金屬薄片。
  25. 如請求項24之方法，其中該小孔薄膜支撐結構具有自約0.25吋至約3吋之開口。
  26. 如請求項16之方法，其中薄膜支撐結構之一陣列中的每 一薄膜支撐結構包括一組大體上垂直且大體上平行之金屬絲、桿或管。
  27. 如請求項1之反應器，其中該薄膜支撐結構之第一靜止陣列係被配置以形成薄膜支撐結構之一第一靜止列。
  28. 如請求項27之反應器，其進一步包括：薄膜支撐結構之一或多個額外靜止列，每一薄膜支撐結構具有一第一側及一第二側；及一或多個額外薄膜產生器，其中該等額外薄膜產生器係定位於每一該等額外列之上，使得該束流總成經調適以允許該聚合物熔體自該第一靜止列流至若存在的任何中間靜止列而至一最低靜止列。
  29. 如請求項27之反應器，其中薄膜支撐結構之該列中的每一元件係定位成相對於水平面而具有一大於約60度之角。
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