一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺及其产品

技术领域

本发明涉及的是汽提工艺领域，B01D3/10，尤其涉及一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺及其产品。

背景技术

丙烯酸乳液为乳白色或近透明黏稠液体，是由丙烯酸酯类单体共聚而成的乳液，它是一种小粒径、多用途、性能卓著的乳液，适用于多种涂料配方，具有突出的耐水性和耐候性，特别是在高光和半光涂料中有优异的表现。丙烯酸乳液有良好的耐水性、耐碱性和抗污性，对砖石、木材和钢材表面有良好的粘附力，它不仅可以配制平光、半光和高光乳胶漆，还可以配制高质量的地板、水泥彩瓦和网球场所用的涂饰涂料。

丙烯酸乳液在合成后，需要进行净味处理，即通过净味处理消除乳液中的残单、降低VOC含量。现有技术可以通过物理或化学法实现残单、降低VOC。专利CN105169730A公开了一种丙烯酸乳液VOC脱离方法及其装置，将丙烯酸乳液粗提物进行预热，并将预热后的丙烯酸乳液粗提物通入到蒸发器中，向蒸发器内通入含有水蒸汽和惰性气体的混合气体进行VOC脱离。另外，巴斯夫公司发明了用于降低聚合物乳液中有机挥发物的逆流塔，但其处理乳液的最佳粘度为50～1000cps，对于粘度高的乳液处理，其处理效果比较有限。

不同性质的乳液对于汽提处理工艺提出了不同的要求。对于粘度比较高、固含比较大的乳液处理，实际处理难度大。这类高粘度乳液，一方面在汽提塔内部易分布不均匀，容易积流阻塞，另一方面乳液中所包裹的VOC和残单作用力大，不容易分离，导致高粘度乳液残单以及VOC难以被有效去除，处理效果往往不理想，难以达到相应的指标要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，能够有效脱除高粘度乳液内的残单及VOA。

本发明的技术方案为：

采用填料式汽提塔作为乳液汽提设备；

待处理乳液由汽提塔的填料层上部送入；

低温蒸汽由汽提塔的填料层下部送入；

所述待处理乳液送入时的温度控制为50～80℃，所述蒸汽送入时的温度控制为70～130℃，所述汽提塔内为真空负压状态。

本发明采用填料汽提塔作为汽提设备，在由填料形成的一定厚度填料层中，自上而下的乳液与自下而上的蒸汽充分接触，乳液与水蒸气的接触面积大，乳液与水蒸气充分接触，乳液脱除单体和VOC的效率极大提高。乳液在汽提塔横截面上全面铺展开来，与塔内的蒸汽进行广泛接触，高粘度乳液经蒸汽处理后，乳液中残留的残单及VOC能被蒸汽带出，同时乳液的粘度也得到一定程度的降低，容易流入下部填料层，高粘度乳液以类似这种“涓涓细流”方式均匀进入填料层，使乳液净味脱除彻底。

另外，控制乳液送入时的温度以及蒸汽送入时的温度对于高粘度乳液处理具有重要影响。本发明待处理乳液的进入温度控制为50～80℃，该温度下，乳液的粘度较低，具有较好的流动性，乳液能顺利流经填料层，与自下而上的蒸汽充分接触；与此同时将蒸汽送入时的温度控制为70～130℃，汽提塔内保持真空负压状态，且使压力控制在蒸汽进入时对应温度水的饱和蒸汽压以下，该条件下的水蒸气加快乳液的脱析速度，同时不会导致乳液破乳出渣结皮，不影响乳液质量。如果蒸汽温度过低，难以有效脱除高沸点单体组分，脱除残单及VOC的效率较低；而如果温度过高，高温蒸汽和物料直接接触下，易导致对温度敏感的乳液性质改变，在高温下乳液易出现破乳和出渣结皮的状况，且能耗也将增加。

作为本发明优选的技术方案，所述待处理乳液送入时的温度控制为60～70℃，所述蒸汽送入时的温度控制为70～90℃；进一步优选地，所述待处理乳液送入时的温度控制为60～65℃，所述蒸汽送入时的温度控制为70～80℃，该工艺条件下，乳液处理效果更佳。

在一些优选的实施方式中，按重量计，单位时间内，所述水蒸汽的流量为乳液总流量的1/5～1/20，进一步优选地，所述水蒸汽的流量为乳液总流量的1/5～1/10，更进一步优选地，蒸汽流量为乳液流量的1/5～1/8。

作为本发明优选的技术方案，所述乳液在汽提塔中的停留时间为0.1～20min，进一步优选地，所述乳液在汽提塔中的停留时间为0.1～10min，更进一步优选地，乳液在汽提塔中的停留时间为1～8min，例如，停留时间为3～7min。

作为本发明优选的技术方案，汽提塔内的填料层可以上下依次设置多层，优选为2～6层，例如3层，每一层填料层的下部均通入蒸汽，这种情况下，待处理的乳液可以被多个填料层汽提处理，能够进一步提高处理效率，尤其对于超高粘度乳液具有更佳的汽提效果。此外，对于净味要求高的乳液，设置多层填料层，可以将乳液中的残单和VOC脱除至更低水平，满足更苛刻的要求。

由于高粘度乳液在净味处理后，容易残留在汽提塔内部，造成阻塞，作为本发明优选的技术方案，所述汽提塔连接气体吹扫装置或清洗装置，在汽提完成后，通过开启气体吹扫装置或清洗装置，可以对汽提进行清扫，实现对残留物质的清除，防止高粘度乳液阻塞汽提塔内部。

作为本发明优选的技术方案，所述气体吹扫装置包括第一管道组、第二管道组、风机部件，所述第一管道组与第二管道组分别连接于汽提塔的上下两端，所述风机部件安装于所述第一管道组与第二管道组中间，所述风机部件产生气流并在所述汽提塔内形成正、反双向循环气体流动，对汽提塔内部进行疏通。

作为本发明优选的技术方案，所述清洗装置为高压喷水设备，包括接管部件，以及连接于所述接管部件下部的盘形管组，所述盘形管组由多个同心且间隔设置的圆环状的管体部件组成，所述管体部件的底壁周向间隔开设有若干第一喷出口，所述管体部件的侧壁周向间隔开设有若干第二喷出口。

在具体的实施方式中，汽提处理工艺包括如下步骤：

S1.将汽提塔的内底部通过蒸汽降温缓冲槽通入蒸汽进行降温减压处理；

S2.将待处理乳液通过进料泵送入汽提塔处理，乳液自上而下在汽提塔中分布，与蒸汽逆流接触；

S3.将处理后的乳液通过排料泵排出，收集即可得到处理后的乳液；

S4.在汽提塔的顶部设置有冷凝器和高位槽，通过真空泵收集尾气，通过废水泵收集废水；

S5.完成后通过气体吹扫装置或清洗装置对设备进行清扫处理，避免高粘度乳液阻塞设备，便于下次利用。

在某些具体的实施方式中，蒸汽降温缓冲槽中加入工艺水，所述工艺水的加入流量为20～100kg/h；优选地，所述工艺水的加入流量为30～80kg/h，例如，工艺水的加入流量为50kg/h。通过控制工艺水进而可以控制蒸汽温度，蒸汽冷凝水则由蒸汽降温缓冲槽底部排出。

在某些具体的实施方式中，所述S2中乳液的进料速度为3～8m

在一些优选的实施方式中，所述填料汽提塔中的填料根据具体处理乳液进行选择。优选地，所述填料式汽提塔中的填料选自金属、塑料、陶瓷、碳纤维中的至少一种，填料采用规整填料、散装填料中的一种或多种。

所述规整填料具体可选自孔板波纹填料、板波纹填料、刺孔板波纹填料、丝网波纹型填料、网孔波纹填料中的一种或多种。

所述散装填料具体可选自鲍尔环、拉西环、异鞍环、矩鞍环、阶梯环、海尔环、泰勒花环、雪花环、八四内弧环中的一种或多种。

进一步优选地，所述填料汽提塔中的填料为板波纹填料。填料比表面积大，乳液经过具有一定高度的填料层后，在填料内与蒸汽能够进行更彻底更充分的接触，使乳液中的残单和VOC降到极低水平。

在一些优选的实施方式中，所述板波纹填料的当量通径为Φ5～Φ25；选地，所述板波纹填料的当量通径为Φ5～Φ15；进一步优选地，所述板波纹填料的当量通径为Φ10。

在一些优选的实施方式中，所述S3中排料泵的压力为2～5Mpa(A)，排料速度为3～9m

在一些优选的实施方式中，所述汽提塔的顶部依次设置冷凝器和高位槽，高位槽上部连接真空泵，通过真空泵收集尾气，高位槽下部通过废水泵收集废水。

在一些优选的实施方式中，所述S4中高位槽的温度为25～45℃，压力为-90～-65KPa(G)；优选地，所述S4中高位槽的温度为30～40℃，压力为-85～-70KPa(G)，例如，所述S4中高位槽的温度为35℃，压力为-80KPa(G)。

本发明第二方面提供一种低VOC乳液，其是由上述一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺制备得到。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明是针对高粘度乳液汽提处理所存在的问题，通过深入探究和工艺优化，采用填料式汽提塔对乳液进行汽提，将待处理乳液送入时的温度控制为50～80℃，蒸汽送入时的温度控制为70～130℃，该处理条件下，不仅能够有效实现高粘乳液的净味处理，大幅度降低残单含量和VOC含量，同时还不会导致乳液破乳出渣结皮，保证乳液质量性质的稳定。此外，反应后的高温乳液无需再加热，可直接进入减压低温填料塔内与蒸汽进行气质交换脱除有害残留单体和VOC挥发物，停留时间短，在能源消耗上相比其他公开专利技术具有突出的节能优势，实现了真正意义上的低碳环保。

(2)本申请中汽提塔采用蒸汽加热，蒸汽在进入汽提塔之前，设置了蒸汽降温装置，将蒸汽温度降低后再进入汽提塔，避免高温蒸汽和物料直接接触，避免乳液物料性质的改变。而且采用真空操作，可控制物料的处理温度，防止物料在高温下出现破乳和出渣结皮的状况。

(3)在汽提塔内可以通过多层设置的填料层，并通过分流通入蒸汽的方式，进一步提高处理效率，对于超高粘度乳液具有更佳的汽提效果。对于净味要求高的乳液，可以通过多层填料层，将乳液中的残单和VOC脱除至更低水平。这种方式还有助于保证汽提塔中的塔内温度、压力的稳定，有效促进残留单体的脱除率，保证残留单体/水蒸汽混合气体的流速稳定，增加系统的稳定性。

(4)本申请中汽提塔连接气体吹扫装置或清洗装置，在汽提完成后，开启气体吹扫装置或清洗装置，对汽提塔内部进行清扫，防止高粘度乳液阻塞汽提塔，满足高粘度乳液的净味处理要求。

附图说明

图1为一种汽提法脱除乳液VOC的工艺流程图；

图2为清洗装置喷洒部件的结构示意图主视图；

图3为清洗装置喷洒部件的结构示意图俯视图；

图4为吹扫装置的结构示意图；

图5为汽提塔内多层填料层汽提处理示意图；

附图说明：1-反应釜；2-进料泵；3-汽提塔；4-冷凝器；5-真空泵；6-高位槽；7-废水泵；8-排料泵；9-蒸汽降温缓冲槽；100-乳液；200-工艺水；300-蒸汽；400-蒸汽冷凝水；500-尾气；600-废水；700-清洗管线；800-处理后乳液；

201-接管部件；202-盘形管组；203-管体部件；203a-第一喷出口；203b-第二喷出口。

具体实施方式

实施例中所处理的乳液为上海保立佳新材料有限公司制备的丙烯酸(酯)类乳液，包括苯丙乳液，醋丙乳液、纯丙乳液和硅丙乳液等。

该类乳液是由常规乳液合成工艺制得，合成工艺描述如下：将水、乳化剂或种子乳液加入反应器，搅拌均匀，待温度升高到60～90℃，加入初始引发剂溶液后，开始滴加单体乳化液和引发剂溶液，滴加完成后保温一定时间，降温至80-50℃，同时滴加氧化剂的水溶液和还原剂水溶液。滴加完成保温一定时间，降温至50℃以下，经过200目滤布过滤除去可能生成的凝胶，如有需要，可通过碱性溶液将乳液的pH调至中性。

所用单体包括但不限于丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、苯乙烯、丙烯酰胺、羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸和甲基丙烯酸等。引发剂溶液可为氧化还原体系，也可为热引发体系；氧化剂包括但不局限于过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化氢和叔丁基过氧化氢等；还原剂包括但不局限于亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠和FF6等。

阴离子乳化剂包括磷酸酯类阴离子乳化剂和/或硫酸盐类阴离子乳化剂；较佳地，磷酸酯类阴离子乳化剂包括脂肪磷酸酯；较佳地，所述硫酸盐类阴离子乳化剂包括乙氧基化烷基硫酸盐、烷基硫酸盐和脂肪醇醚硫酸酯盐中的任意一种或多种，更佳地为乙氧基化烷基硫酸钠盐、乙氧基化烷基硫酸铵盐、烷基硫酸钠盐和脂肪醇醚硫酸酯钠盐中的任意一种或多种；非离子乳化剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚类乳化剂。

所得乳液具有如下性质：固含为30～60％、粘度(mPa·s)为50-5000、Tg(℃)为-20～50、乳液的残单含量≤2000ppm、VOC含量≤10000ppm。

以下选用上海保立佳新材料有限公司制备的乳液1、乳液2、乳液3为处理对象进行汽提处理，表1为待处理乳液的具体组成原料及物性参数。

实施例1

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺(工艺流程具体参见图1)，包括如下步骤：

S1.将汽提塔3的内底部通过蒸汽降温缓冲槽9通入蒸汽，蒸汽降温缓冲槽9中通入蒸汽300以及工艺水200，通过控制工艺水200调解蒸汽300进入汽提塔3的温度，蒸汽冷凝水400则由蒸汽降温缓冲槽底部排出；

S2.将反应釜1中反应完全的乳液100通过进料泵2送入汽提塔3处理，乳液自上而下在汽提塔中分布，与蒸汽逆流接触，其中，汽提塔为填料式汽提塔，汽提塔内的填料层为1层，填料式汽提塔中的填料为板波纹填料，板波纹填料的当量通径为Φ10；

S3.将处理后的乳液通过排料泵8排出，排料泵的压力为2.5Mpa(A)，收集即可得到处理后的乳液800；

S4.在汽提塔3的顶部设置有冷凝器4和高位槽6，通过真空泵5收集尾气500，通过废水泵7收集废水600，其中，高位槽的温度为35℃，压力为-80KPa(G)；

S5.完成后通过清洗管线700连接清洗汽提装置，汽提塔连接气体吹扫装置或者清洗装置，在汽提完成后，通过开启气体吹扫装置或清洗装置，对汽提进行清扫，实现对残留物质的清除，防止高粘度乳液阻塞汽提塔内部。

本实施例中，待处理乳液为苯丙乳液，其具体单体原料及性能参数见表1。

本实施例中，控制蒸汽通入时的温度为75℃，保持汽提塔内真空压力为-62.6KPa。

S2中乳液的进料速度约88kg/min，水蒸汽进料速度约12.7kg/min，即单位时间内，水蒸汽的用量为乳液的1/7。

S2中乳液进入汽提塔时的温度控制为60℃。

S2中乳液在汽提塔中的停留时间为3min。

如图2、3所示，为清洗装置喷洒部件的结构示意图。清洗装置为高压喷水设备，包括接管部件201，以及连接于接管部件下部的盘形管组202，盘形管组由多个同心且间隔设置的圆环状的管体部件203组成，管体部件的底壁周向间隔开设有若干第一喷出口203a，管体部件的侧壁周向间隔开设有若干第二喷出口203b，盘形管组202连接于接管部件203下部。盘形管组202呈圆盘形，与圆筒状结构的汽提塔3相匹配，通过安装在汽提塔3内顶部，圆环状管体部件203的底壁及其侧壁周向间隔开设有若干喷出口，具有一定压力的清洗液经过第一喷出口203a、第二喷出口203b喷出后，清洗液能够在汽提塔内分别沿竖直向向下、水平向同时喷射清洗液，清洗液的均匀喷洒，同时把汽提塔内部的侧壁、乳液均布器和分布填料等部件上的乳液残留附着物全部清洗掉，不留任何死角，实现对汽提塔内部的全面彻底、清洗，清洗效果好，有利于高粘度乳液循环使用。

作为另一种实施方式，如图4所示，为吹扫装置的结构示意图。气体吹扫装置包括第一管道组、第二管道组、风机部件，第一管道组与第二管道组分别连接于汽提塔的上下两端，风机部件安装于第一管道组与第二管道组中间，风机部件产生气流并在汽提塔内形成正、反双向循环气体流动，对汽提塔内部进行疏通。通过控制阀门的开启，在汽提塔内形成双向循环气体，对汽提塔内部易堵塞部位进行有效的疏通，避免汽提塔内部出现长时间的积流，有效防止内部堵塞的形成。

实施例2

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S1中蒸汽通入时的温度为90℃，汽提塔内真空压力为-31.2KPa。

单位时间内，水蒸汽的流量为乳液总流量的1/10。

S2中乳液进入汽提塔时的温度为控制为62℃。

乳液具体为纯丙乳液，通过常规乳液合成工艺制得，其具体单体原料及性能参数见表1。

实施例3

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S1中蒸汽通入时的温度为70℃，汽提塔内真空压力为-70.0KPa。

单位时间内，水蒸汽的流量为乳液总流量的1/6。

S2中乳液在汽提塔中的停留时间为5min。

汽提塔内的填料层为2层。

实施例4

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S1中蒸汽通入时的温度为80℃，汽提塔内真空压力为-53.9KPa。

单位时间内，水蒸汽的流量为乳液总流量的1/6。

S2中乳液进入汽提塔时的温度为控制为65℃。

乳液具体为纯丙乳液，通过常规乳液合成工艺制得，其具体单体原料及性能参数见表1。

S2中乳液在汽提塔中的停留时间为5min。

汽提塔内的填料层为2层。

实施例5

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S1中蒸汽通入时的温度为70℃，汽提塔内真空压力为-70.0KPa。

单位时间内，水蒸汽的流量为乳液总流量的1/8。

乳液具体为硅丙乳液，通过常规乳液合成工艺制得，其具体单体原料及性能参数见表1。

S2中乳液在汽提塔中的停留时间为3min。

实施例6

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S1中蒸汽通入时的温度为65℃，汽提塔内真空压力为-76.1KPa。

单位时间内，水蒸汽的流量为乳液总流量的1/5。

乳液具体为纯丙乳液，通过常规乳液合成工艺制得，其具体单体原料及性能参数见表1。

S2中乳液在汽提塔中的停留时间为9min。

汽提塔内的填料层为3层，如图5所示。

表1实施例1-6中所用乳液的种类及参数

注：粘度测试在25℃下使用Brookfield LV转子进行，使用3#60rpm。

实施例1-6中净味汽提处理工艺具体参数设置见表2。

表2实施例1-6汽提工艺具体参数

根据标准GB/T 20623-2006附录A对实施例处理前后乳液的残单含量进行测定，根据标准GB/T 18582-2020对实施例的乳液进行VOC含量测试。

乳液气味评估方法具体为：将乳液装在洁净磨砂广口瓶中，液面高度为瓶身高度一半处，盖上玻璃盖，静置24小时，由5名气味评估员评价气味强度等级，气味强度等级分为0-5级，0级为无气味。1级为可察觉到，无干扰性气味，轻微强度，2级为可明显察觉到，无干扰性气味，中等强度；3级为可明显察觉到，有干扰性气味，较大强度；4级为可明显察觉到，有强烈干扰性气味，很大强度；5级为难以忍受的气味。

测试结果参见表3。

表3实施例1-6所得测试结果

由表3可知，本发明实施例能够对乳液进行有效净味处理，VOC含量以及残单含量均得到大幅度降低，经过处理后，VOC含量降至400ppm以下，残单总和降至50ppm以下，乳液气味得到大幅降至，有效消除乳液气味。

对比例1

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

以乳液1为处理对象，通过真空抽提方式处理，温度为50℃，抽提压力为-0.1Mpa，抽提时间为2小时。

对比例2

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

以乳液1为处理对象，通过真空抽提方式处理，温度为50℃，抽提压力为-0.1Mpa，抽提时间为4小时。

对比例3

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

以乳液1为处理对象，通过真空抽提方式处理，温度为60℃，抽提压力为-0.1Mpa，抽提时间为4小时。

对比例4

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S2中乳液进入汽提塔时的温度为控制为45℃。

对比例5

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S2中乳液进入汽提塔时的温度为控制为85℃。

对比例6

一种高粘度丙烯酸乳液的净味汽提处理工艺，与实施例1的不同之处在于：

S2中乳液进入汽提塔时的温度为控制为135℃。

对比例1～6实验结果详见表4。

表4对比例1-6所得测试结果

由表4可知，对比例1～3采用真空抽提方式对乳液处理，不仅VOC含量和残单总和脱除效果差，乳液还存在不同程度的结皮或出渣情况，处理效果不理想。

对比例4中，乳液温度过低时，VOC含量和残单总和脱除效果比实施例1要差，推测可能的原因是，乳液温度低的情况下，乳液的粘度较高，导致流动性不佳，不利于其在填料层中与蒸汽的交互。

对比例5以及对比例6中，尽管乳液VOC和残单能得到有效去除，但乳液出现了一定程度的结皮甚至出渣情况，推测可能的原因是乳液或蒸汽温度过高，影响了乳液的性质。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。