Un procedimiento para minimizar el consumo de energía durante la producción de poli(tereftalato de etileno) en el que se cristalizan gránulos amorfos a temperatura elevada y se introducen posteriormente en un reactor de polimerización en estado sólido,

que comprende retirar calor de gránulos calientes del reactor de polimerización en estado sólido, transferir el calor retirado para calentar gránulos fríos que constituyen la alimentación a un cristalizador

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la invención

La presente invención pertenece a la fabricación comercial de polímeros de poli(tereftalato de etileno) ("PET").

2. Técnica antecedente

El PET tiene numerosos usos, entre los principales están las películas, fibras, y los recipientes alimentarios. A pesar de la estricta matriz de propiedades requeridas para los usos de este tipo, particularmente para envases alimentarios, el PET ha llegado a ser un polímero básico. La producción comercial de PET requiere alto consumo de energía, y por lo tanto incluso las mejoras relativamente pequeñas en consumo de energía son de valor comercial considerable.

La producción de PET (incluso copolímeros) comienza con una etapa de esterificación en la que se suspende el componente de ácido dicarboxílico, predominantemente ácido tereftálico, en etilenglicol y se calienta para producir una mezcla de oligómeros de bajo grado de polimerización. Esta etapa de "esterificación" puede continuarse con una etapa adicional de "oligomerización" o de "prepolímero", en la que se obtiene un grado de polimerización más alto. El producto todavía tiene un peso molecular muy bajo en esta fase.

Las etapas previamente descritas se continúan entonces con una policondensación. La policondensación se cataliza mediante compuestos de metales tales como Sb; Ti, Ge, Sn, etc. La policondensación se produce a temperatura relativamente alta, generalmente en el intervalo de 260-300ºC, al vacío, y siendo retirados el agua y el etilenglicol producidos por la condensación. Al final de la policondensación el polímero tiene una viscosidad inherente generalmente en el intervalo de 0,4 a 0,65, correspondiente a un peso molecular demasiado bajo para muchas aplicaciones.

La producción comercial de poliésteres de PET ha requerido una postpolimerización posterior en el estado sólido, denominada "tratamiento en estado sólido". En esta fase del proceso, los gránulos de PET se calientan en gas inerte, preferiblemente nitrógeno, a temperaturas por debajo de la temperatura de fusión, es decir de 210-220ºC en muchos casos. El tratamiento en estado sólido es complicado por el hecho de que la mayoría de los polímeros de PET, después de extrusión de la masa fundida y formación de gránulos, son sustancialmente amorfos. A fin de impedir la sinterización y aglomeración de los gránulos en el reactor en estado sólido, los gránulos se cristalizan en primer lugar durante un período de 30 a 90 minutos a temperatura más baja, por ejemplo 160-190ºC, típicamente en flujo de gas inerte. Se debería destacar que "tratamiento en estado sólido" se refiere en este documento a la policondensación en estado sólido per se, y no a los procesos combinados de cristalización y policondensación en estado sólido. Las etapas de esterificación, policondensación en fase fundida, cristalización, y policondensación en estado sólido son bien conocidas por los expertos en la técnica, como se ha evidenciado en las patentes de EE.UU.

5.597.891 y 6.159.406.

En el proceso convencional de PET, los gránulos que salen del reactor en estado sólido se enfrían en aire o nitrógeno. El gas de refrigeración se puede dirigir por un refrigerante y se puede reutilizar, o se puede pasar una sola vez por el mismo y expulsar. En uno y otro caso, el contenido en energía térmica se va sin ser usado. Más aun, cuando se usa nitrógeno como gas de refrigeración, el coste de materia prima es elevado, particularmente en refrigeradores de paso.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La energía térmica en los gránulos calientes de poli(tereftalato de etileno) que salen de un reactor en estado sólido se puede recuperar mediante intercambio de calor entre el calor contenido en los gránulos calientes y los gránulos fríos que van a entrar en el reactor en estado sólido. Se elimina así la penalización energética asociada con el calentamiento de gránulos fríos en el reactor en estado sólido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 ilustra el proceso de la técnica anterior de tratamiento en estado sólido.

La Figura 2 ilustra una realización de un proceso objeto de la invención.

La Figura 3 ilustra una realización adicional de un proceso objeto de la invención.

La Figura 4 ilustra un intercambiador de calor de tipo placas útil en procesos del objeto de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERIDAS

La esterificación, oligomerización, y otras etapas de proceso, incluso la porción de cristalización del proceso de producción de poli(tereftalato de etileno) pueden ser los que se usan habitualmente, y que se conocen bien por los expertos en la técnica.

Los polímeros de PET se preparan a partir de ácido tereftálico y etilenglicol. Aun cuando se puede usar en principio tereftalato de dimetilo de la misma manera que ácido tereftálico, se prefiere el uso de este último. Además, los polímeros de PET pueden contener hasta 20 por ciento molar, preferiblemente hasta 10 por ciento molar, y más preferiblemente no más de 5 por ciento molar de ácidos dicarboxílicos que no son ácido tereftálico, y los mismos porcentajes molares de glicoles (dioles) que no son etilenglicol.

Ejemplos de otros ácidos dicarboxílicos adecuados que se pueden usar con ácido tereftálico son ácido isoftálico, ácido ftálico, ácidos naftaleno dicarboxílicos, ácidos ciclohexano dicarboxílicos, ácidos alifático dicarboxílicos, y similares. Esta lista es ilustrativa, y no limitante. En algunos casos, la presencia de cantidades minoritarias de ácidos tri- o tetracarboxílicos puede ser útil para generar poliésteres ramificados o parcialmente reticulados. El ácido isoftálico y los ácidos naftaleno dicarboxílicos son el ácido dicarboxílico preferido cuando se emplean mezclas de ácidos.

Ejemplos de dioles que no son etilenglicol que se pueden emplear incluyen, pero sin limitación, 1,2-propano diol (propilenglicol), 1,3-propano diol (trimetilenglicol), dietilenglicol, trietilenglicol, dipropilenglicol, 1,4-butano diol, 1,6hexano diol, neopentilglicol, ciclohexano diol, y ciclohexano dimetanol. Glicoles preferidos que no son etilenglicol incluyen dietilenglicol, y lo más preferidamente ciclohexanodimetanol ("CHDM"), este último generalmente usado como una mezcla de isómeros. Además, se pueden usar polioles tales como pentaeritritol, glicerina, y trimetilolpropano en cantidades sumamente pequeñas cuando se desean poliésteres ramificados o parcialmente reticulados. Lo más preferiblemente, solamente se emplean ácidos carboxílicos difuncionales y compuestos hidroxilo-funcionales difuncionales (glicoles).

En la producción de PET convencional, los gránulos que se forman después de la policondensación se enfrían con agua, se secan y se almacenan en un silo de gránulos a una temperatura de 20ºC a 30ºC antes de ser introducidos en el cristalizador. El cristalizador funciona típicamente a 180ºC, aunque algunos procesos emplean también temperaturas más altas o más bajas. Los gránulos cristalizados se introducen a continuación en el reactor de tratamiento en estado sólido.

El proceso convencional se puede ilustrar en forma esquemática de diagrama de bloques en la Figura 1. La policondensación 1 tiene lugar generalmente a temperaturas relativamente altas, esto es 260ºC a 300ºC, particularmente en las últimas fases, en las que la temperatura está más comúnmente en el intervalo de 285ºC a 290ºC. El poliéster que sale del reactor de policondensación se extruye en hebras, se enfría y se granula en el granulador 2, después de lo cual los gránulos se enfrían más y se secan (3). Antes de la granulación, las hebras se enfrían inicialmente con agua. Los gránulos son ahora esencialmente amorfos, y se almacenan de 20ºC a 30ºC en un silo 4 de almacenamiento de gránulos amorfos. Se ha pensado que la temperatura de almacenamiento relativamente baja es necesaria para prevenir la sinterización y aglomeración de los gránulos amorfos.

Los gránulos del silo de almacenamiento 4 se introducen a continuación en el cristalizador 5, donde se tratan con gas caliente durante 30 a 50 minutos, por ejemplo, para convertir al menos una porción del PET amorfo en PET cristalino. Si no están cristalizados, los gránulos amorfos se aglomerarán en el reactor de tratamiento en estado sólido. La temperatura... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para minimizar el consumo de energía durante la producción de poli(tereftalato de etileno) en el que se cristalizan gránulos amorfos a temperatura elevada y se introducen posteriormente en un reactor de polimerización en estado sólido, que comprende retirar calor de gránulos calientes del reactor de polimerización en estado sólido, transferir el calor retirado para calentar gránulos fríos que constituyen la alimentación a un cristalizador.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que se emplea un intercambiador de calor, en el que gránulos calientes que salen de un reactor de polimerización en estado sólido se introducen en una zona de refrigeración de un primer intercambiador de calor y gránulos fríos que se han de introducir en un cristalizador se introducen en una zona de calentamiento de un segundo intercambiador de calor, el calor retirado de los gránulos calientes en dicho primer intercambiador de calor se suministra a dicho segundo intercambiador de calor.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho primer intercambiador de calor y dicho segundo intercambiador de calor están físicamente ubicados en un dispositivo.

4. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de contacto directo.

5. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor placa-placa.

6. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de placa y carcasa.

7. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el flujo de gránulos al menos en una porción de dicho intercambiador de calor se acompaña con un flujo de gas en corriente paralela o en contracorriente.

8. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de contacto remoto.

9. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho intercambiador de calor comprende una zona de calentamiento ubicada lejos de una zona de refrigeración y el calor se transfiere desde dicha zona de refrigeración a dicha zona de calentamiento por medio de un fluido.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que dicho fluido es un gas que atraviesa dicha zona de calentamiento y dicha zona de refrigeración en un bucle cerrado.

11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que se separan mecánicamente gránulos enfriados del gas calentado en la zona de refrigeración o después de ella y dicho gas calentado arrastra gránulos fríos a una zona de calentamiento o antes de ella.

12. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que dicho intercambiador de calor comprende un bucle continuo de tuberías por el que se circula dicho gas.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que dicho bucle continuo de tuberías contiene en el mismo o está interrumpido al menos por un separador de gránulos que separa gránulos del gas que fluye.

14. El procedimiento de la reivindicación 9, en el se enfrían gránulos calientes mediante una corriente de gas en un lecho fluidizado o agitado, y la corriente de gas se dirige a un lecho fluidizado adicional en el que se calientan gránulos fríos mediante dicho gas.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que dicha corriente de gas y dichos lechos fluidizados constituyen un bucle continuo por el que se circula dicho gas.

16. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que una porción del calor retirado de gránulos que salen del reactor de polimerización en estado sólido se usa para calentar gránulos que salen de un cristalizador antes de su entrada en un reactor de polimerización en estado sólido, y la porción restante de dicho calor retirado se usa para calentar gránulos antes de su entrada en dicho cristalizador.