一种脱溶釜系统及其在水性聚氨酯生产溶剂脱除中的应用

技术领域

本发明涉及水性聚氨酯生产工艺领域，尤其是涉及一种脱溶釜系统及其在水性聚氨酯生产溶剂脱除中的应用。

背景技术

水性聚氨酯是以水替代传统溶剂作为分散介质，具有低VOC、不燃、对人体健康危害性低等诸多优点，已成功应用于粘合剂、涂料、纺织印花等领域，并不断向锂离子电池粘结剂等新应用领域拓展，且随着环保要求的不断升级，正在逐步挤占溶剂型聚氨酯的市场，聚氨酯“油转水”是未来的大趋势。

水性聚氨酯生产的方法有丙酮法、预聚体法、熔融分散法等，而丙酮法因生产工艺控制简单、产品固含高、质量优等因素，目前已作为业内公知的规模化生产水性聚氨酯的主要方法。丙酮法生产水性聚氨酯的基本步骤为：1)将小分子醇类扩链剂、异氰酸酯、催化剂加入到高分子多元醇中进行混合反应，得到含有端NCO的预聚体，然后加入大量丙酮降低预聚体的粘度，以保证后续扩链、分散乳化工艺的顺利进行；2)丙酮稀释后的预聚体中加入亲水性扩链剂反应一段时间后，加去离子水并在高速剪切作用下，完成从“油包水”到“水包油”的相转变，从而得到含有丙酮的水性聚氨酯粗乳液；3)含有丙酮的粗乳液通过减压蒸馏脱除溶剂丙酮和多余的去离子水，得到固含达标的水性聚氨酯乳液；4)蒸馏出来的含水丙酮经过溶剂回收装置回收后重复使用。

在上述生产工艺中，将粗乳液中的溶剂丙酮和多余的水分脱除是一个高耗能过程。脱溶过程实质上是一个溶剂蒸发过程，一方面因溶剂气化潜热巨大，另一方面受配方所限，脱溶过程需要脱除的丙酮和多余的水以达到固含及VOC要求，整个脱溶过程不但需要耗费大量热能，且耗时很长。因此，如何提高水性聚氨酯脱溶生产效率、降低生产能耗是影响规模化生产水性聚氨酯的关键因素之一。

中国专利CN208809498U公开了一种用于水性聚氨酯生产的高效脱溶设备，该脱溶剂釜内设环状电加热器、液位计、框式搅拌等部件，脱溶釜配套设有真空泵、预冷却管、冷凝器等设备。其基本原理为脱溶釜内的环状电加热器根据液位计实时监测及时关闭液面以上的加热器，一定程度上降低了电能消耗；蒸发出来的溶剂蒸汽通过蒸汽管在预冷却管内初步降温，预降温的溶剂蒸汽最终通过冷凝器进行溶剂的回收，从而完成水性聚氨酯粗乳液的脱溶过程。采用釜内电加热方法对粗乳液进行加热具有较高的热交换效率，但因粗乳液中含有大量易燃易爆的有机溶剂，采用电加热存在一定的安全风险。据此需要一种理想的解决方案。

发明内容

本发明为了克服水性聚氨酯溶剂脱除不安全的问题，提供一种水性聚氨酯生产溶剂脱除方法，在带有外循环加热系统的脱溶釜中实现，可提高溶剂脱除的效率，降低能耗，且生产过程中安全性高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种脱溶釜系统，包括脱溶釜、外循环泵和温水循环加热系统，温水循环加热系统包括依次连接的温水循环泵、温水加热器、换热器和温水缓存罐，外循环泵的进、出口分别与脱溶釜釜底、换热器冷侧进口连接，换热器热侧出口与脱溶釜的入釜管口连接，脱溶釜内设有雾化喷头，脱溶釜后依次连接有冷凝器和溶剂回收罐。

温水加热器用于保持温水系统温度，换热器用于提供料液脱溶所需热量。温水循环加热系统中的温水由厂供蒸汽通过温水加热器提供热量保持温水系统温度，热源成本低。采用上述带有外循环加热系统的脱溶釜，可保证粗乳液的充分换热，可实现粗乳液中溶剂在雾状、大比表面积条件下蒸发，将会大大提高溶剂蒸发效率。

作为优选，换热器热侧出口通过外循环管路与脱溶釜内的雾化喷头连接，外循环管路与去离子水冲洗管线连通。所述的雾化喷头总流量需满足板式换热器对粗乳液流量要求，雾化喷头流量通过改变喷孔直径实现。作为优选，外循环管路与去离子水冲洗管线之间设有自动控制阀，用以防止粗乳液反串进入去离子水管路。

作为优选，温水加热器为管壳式换热器，管壳式换热器的蒸汽管上设有自动调节阀，温水缓存罐上设有温度计，自动调节阀和温度计连锁控制温水温度。

作为优选，温水循环加热系统中加入杀菌、除锈药剂。可以防止温水系统管路发生锈蚀，导致系统堵塞。

作为优选，外循环泵为隔膜泵或转子泵，外循环泵的出口管线上设有流量计，和/或，外循环泵的进口管线上设有过滤器。

作为优选，脱溶釜内含有搅拌器，搅拌方式优选为最大叶片式搅拌+桨式搅拌。

作为优选，换热器为板式换热器，因为板式换热器为高效换热设备，热能利用率高。作为进一步优选，板式换热器为可拆卸板式换热器，方便定期清理换热器的乳液结皮，保证换热效率。

本发明还提供上述脱溶釜系统在水性聚氨酯生产溶剂脱除中的应用，将未脱溶剂的水性聚氨酯粗乳液从脱溶釜的入釜管口加入，真空状态下，开启外循环泵并保持稳定的外循环流量，再开启温水循环加热系统，通过换热器对粗乳液进行加热并经雾化喷头将粗乳液喷洒至脱溶釜内，釜内粗乳液沸腾蒸发出的溶剂蒸汽进入冷凝器冷凝后流入溶剂回收罐，直至脱溶结束。随着脱溶过程不断进行，粗乳液中的溶剂会不断减少，脱溶后期根据产品配方需求再脱除多余的去离子水，直至脱溶结束，即可得到VOC满足要求、固含合格的水性聚氨酯乳液。

作为优选，未脱溶剂的水性聚氨酯粗乳液的组分为：聚氨酯固体与溶剂的比例为1:(0.1-3)，聚氨酯与水的比例为1:(0.5-10)。

作为优选，所述的溶剂为丙酮、丁酮、四氢呋喃和乙酸乙酯中的一种或多种，还包括因固含要求所需要脱除的多余的水。

作为优选，脱溶釜内压力为0.0005-0.101325Mpa(A)。

作为优选，温水循环加热系统温度为50-75℃，并保持比釜内温度高20-40℃。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)本发明采用一种带有外循环加热系统的脱溶釜系统，利用温水通过换热器对粗乳液进行加热，与现有的直接通过脱溶釜电加热器加热相比，可大幅度提高脱溶过程的粗乳液换热效率，缩短粗乳液脱溶时间，保证最终乳液品质；

(2)与现有的釜内电加热器相比，本发明采用的是50-75℃温水加热方式，加热过程无电火花等引火源发生，不会造成釜内有机溶剂的闪燃、爆炸，脱溶过程本质安全性高；

(3)与现有换热设备相比，本发明采用的高效率的板式换热器，能较大程度提高热能的利用率，且采用的最终热源为水蒸气，热源成本低；

(4)采用的雾化喷头能够实现粗乳液中溶剂在釜内以雾状、大比表面积条件下蒸发，大大提高溶剂蒸发效率。

附图说明

图1是脱溶釜系统的示意图。

图例说明：脱溶釜1、搅拌器2、搅拌电机3、脱溶釜保温4、外循环泵5、板式换热器6、外循环管路7、雾化喷头8、溶剂蒸汽管路9、冷凝器10、蒸汽凝液管11、溶剂回收罐12、溶剂回收罐液位计13、温水缓存罐14、温水循环泵15、温水加热器16、温水循环管路17、去离子水冲洗管线18。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

如图1所示，一种脱溶釜系统，包括脱溶釜1、外循环泵5、和温水循环加热系统。脱溶釜1上设有入釜管口供粗乳液进入；脱溶釜1内设有雾化喷头8、搅拌器2和搅拌电机3，搅拌方式优选为最大叶片式搅拌+桨式搅拌；脱溶釜1外侧设有脱溶釜保温4；脱溶釜1上方与溶剂蒸汽管路9连接，溶剂蒸汽管路9后方依次设有冷凝器10、蒸汽凝液管11和溶剂回收罐12，溶剂回收罐12上设有溶剂回收罐液位计13。

温水循环加热系统包括依次连接形成循环的温水循环泵15、温水加热器16、温水循环管路17、板式换热器6和温水缓存罐14。温水循环加热系统中的温水由厂供蒸汽通过温水加热器16提供热量保持温水系统温度，温水加热器16优选为管壳式换热器，管壳式换热器的蒸汽管上还设有自动调节阀，温水缓存罐14上设有温度计，自动调节阀和温度计连锁实现自动控制温水温度的功能。板式换热器6用于提供料液脱溶所需热量，优选为可拆卸板式换热器，方便定期清理换热器的乳液结皮，保证换热效率。温水循环加热系统中还可以加入杀菌、除锈药剂，以防止温水系统管路发生锈蚀，导致系统堵塞。

温水循环加热系统和脱溶釜1通过一个外循环泵5连接，具体连接方式为：外循环泵5的进口与脱溶釜1釜底连接，管线上可设置过滤器；外循环泵5的出口通过外循环管路7与板式换热器6冷侧进口连接，管线上可加装流量计。板式换热器6热侧出口通过另一段外循环管路7与脱溶釜1的入釜管口连接，并进一步与雾化喷头8连接，外循环管路又与去离子水冲洗管线连通。雾化喷头8总流量需满足板式换热器6对粗乳液流量的要求，雾化喷头8的流量通过改变喷孔直径实现。作为优选，外循环管路与去离子水冲洗管线之间设有自动控制阀，用以防止粗乳液反串进入去离子水管路。

采用上述带有外循环加热系统的脱溶釜，可保证粗乳液的充分换热，可实现粗乳液中溶剂在雾状、大比表面积条件下蒸发，将会大大提高溶剂蒸发效率。

实施例1

(1)粗乳液D1的制备：向反应釜中依次加入1000kg的DL2000聚醚多元醇，25kg的小分子醇，50kg的2,2-二羟甲基丙酸，在搅拌状态下加入300kg的TDI，少量催化剂、50kg丙酮，升温至80±2℃反应3h后，降到50℃再加入200kg丙酮，得到预聚体，向预聚体中加入30kg三乙胺完成中和反应，在分散盘强烈搅拌下，向已中和的预聚体内加入去离子水3000kg，得到未脱溶聚氨酯粗乳液，从该粗乳液中称取2327kg并标记为粗乳液D1，余下2328kg粗乳液标记为粗乳液D2。

(2)脱溶：将未脱溶的粗乳液D1加入图1所示的脱溶釜中。未脱溶的粗乳液D1的组分为：非挥发固体聚氨酯含量为30.2％，溶剂含量为5.4％，去离子水含量64.4％；

根据配方要求，需要得到非挥发固体聚氨酯含量为33.0％，溶剂含量小于0.1％的水性聚氨酯乳液，故需脱除全部溶剂丙酮和多余的去离子水74kg；

外循环泵采用隔膜泵，换热器采用普通可拆卸式板式换热器，单片换热面积为0.27m

温水循环加热系统控制温水温度在55-65℃；

开启脱溶釜外循环，调节隔膜泵气源保持稳定流量，开启真空机组为脱溶釜系统抽真空，前期控制压力在0.0025MPa(A)，开启温水循环加热系统经板式换热器对外循环内粗乳液进行加热至乳液沸腾，丙酮蒸汽经蒸汽管进入冷凝器冷凝后自流入丙酮溶剂回收罐。

脱溶初始，釜内乳液温度为25.1℃，随着脱溶过程不断进行，粗乳液中残留的丙酮含量不断减少，釜内压力不断降低，釜内乳液温度不断升高，至脱溶结束，釜内压力为0.0001MPa(A)，釜内乳液温度为37.2℃，停止抽真空后，关闭溶剂蒸汽管线根部阀门，防止蒸汽管线内残液回流至釜内污染乳液，造成固含偏低；

最终得到非挥发固体聚氨酯含量为33.2％，丙酮含量835ppm的水性聚氨酯乳液2341kg，得到的水性聚氨酯乳液满足配方要求，可直接包装出售；

脱出来的含水量为29.5％的丙酮送至丙酮连续精馏装置回收；

利用上述方法进行溶剂脱除，整个过程耗时4h，消耗厂供0.2MpaG蒸汽0.43t，耗电114度。

对比例1

作为实施例1的对比例，对比例1采用业内公知的常规脱溶方法进行脱溶，具体过程是将实施例1中未脱溶的粗乳液D2加入仅带有夹套加热的脱溶釜中，开启真空机组为脱溶釜系统抽真空，前期控制压力在0.0025MPa(A)；

向夹套中通入65-72℃温水对粗乳液D2进行加热至釜内乳液沸腾，丙酮蒸汽经蒸汽管进入冷凝器冷凝后自流入丙酮溶剂回收罐；

脱溶初始，釜内乳液温度为25.3℃，随着脱溶过程不断进行，粗乳液中残留的丙酮含量不断减少，釜内压力不断降低，釜内乳液温度不断升高，至脱溶结束，釜内压力为0.0001MPa(A)，釜内乳液温度为31.4℃，最终得到非挥发固体聚氨酯含量为33.1％，丙酮含量965ppm的水性聚氨酯乳液2342kg。整个脱溶过程共耗时13h，消耗厂供蒸汽0.2MpaG蒸汽0.52t，耗电216度。

实施例2

(1)粗乳液D3的制备：向反应釜中依次加入2000kg的PBA2000聚酯多元醇,100kg的小分子醇，在搅拌状态下加入400kg的HDI，少量催化剂、400kg丙酮后，升温80±2℃反应3h后，降温至50℃再加入4000kg丙酮后得到预聚体，再向预聚体中加入40kg扩链剂、50kg亲水扩链剂完成扩链反应，在分散盘强烈搅拌下，向已扩链的预聚体内加入去离子水3200kg，得到未脱溶聚氨酯粗乳液，从该粗乳液中称取5095kg并标记为粗乳液D3，余下5095kg粗乳液标记为粗乳液D4。

(2)脱溶：将未脱溶的粗乳液D3加入带有外循环加热系统的脱溶釜；

未脱溶的粗乳液D3的组分为：非挥发固体聚氨酯含量为25.4％，溶剂含量为43.2％，去离子水含量31.4％；

根据配方要求，需要得到非挥发固体聚氨酯含量为50.0％，溶剂含量小于0.1％的水性聚氨酯乳液，故需脱除全部溶剂丙酮和多余的去离子水610kg；

外循环泵采用2台隔膜泵并联，板式换热器采用普通可拆卸式，单片换热面积为0.46m

温水循环加热系统控制温水温度在58-68℃；

开启脱溶釜外循环，调节隔膜泵气源保持稳定流量，开启真空机组为脱溶釜系统抽真空，前期控制压力在0.0025MPa(A)，开启温水循环加热系统经板式换热器对外循环内粗乳液进行加热至乳液沸腾，丙酮蒸汽经蒸汽管进入冷凝器冷凝后自流入丙酮溶剂回收罐；

脱溶初始，釜内乳液温度为21.4℃，随着脱溶过程不断进行，粗乳液中残留的丙酮含量不断减少，釜内压力不断降低，釜内乳液温度不断升高，至脱溶结束，釜内压力为0.0001MPa(A)，釜内乳液温度为38.4℃，停止抽真空后，关闭溶剂蒸汽管线根部阀门；

最终得到非挥发固体聚氨酯含量为50.1％，溶剂含量608ppm的水性聚氨酯乳液2590kg，得到的水性聚氨酯乳液满足配方要求，可直接包装出售；

脱出来的含水量为12.2％的丙酮送至丙酮连续精馏装置回收；

利用上述方法进行溶剂脱除，整个过程耗时8.5h，消耗厂供0.2MpaG蒸汽2.76t，耗电235度。

对比例2

作为实施例2的对比例，对比例2采用业内公知的常规脱溶方法进行脱溶，具体过程是将实施例2中未脱溶的粗乳液D4加入仅带有夹套加热的脱溶釜中，开启真空机组为脱溶釜系统抽真空，前期控制压力在0.0025MPa(A)；

向夹套中通入68-75℃温水对粗乳液D4进行加热至釜内乳液沸腾，丙酮蒸汽经蒸汽管进入冷凝器冷凝后自流入丙酮溶剂回收罐；

脱溶初始，釜内乳液温度为21.6℃，随着脱溶过程不断进行，粗乳液中残留的丙酮含量不断减少，釜内压力不断降低，釜内乳液温度不断升高，至脱溶结束，釜内压力为0.0001MPa(A)，釜内乳液温度为32.3℃，最终得到非挥发固体聚氨酯含量为50.0％，溶剂含量923ppm的水性聚氨酯乳液2590kg。整个脱溶过程共耗时22h，消耗厂供蒸汽0.2MpaG蒸汽6.14t，耗电412度。

通过上面两组实施例和对比例的比较可以看出，利用本发明的脱溶釜系统进行水性聚氨酯生产溶剂脱除，可以有效提高溶剂脱除的效率，降低能耗，且生产过程中安全性高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。