Procedimiento para la producción de poliésteres a bajo coste usando un reactor tubular.

Procedimiento para la preparación de un éster monomérico a partir de una pluralidad de reactantes,

que comprende:

(a) proporcionar un reactor tubular de esterificación que presenta una entrada, una salida y una superficie interior;

(b) añadir los reactantes en las condiciones de reacción de la esterificación al reactor tubular de esterificación enproximidad de la entrada y generar un flujo bifásico de manera que los reactantes formen una fase líquida y una fasede vapor a lo largo del reactor tubular de esterificación, en el que el reactor tubular de esterificación se hacefuncionar en un régimen de flujo seleccionado del grupo formado por flujo de burbujas, flujo tapón, flujo estratificado,flujo ondular, flujo bache, flujo disperso y flujo espuma, y en el que los reactantes reaccionan entre sí para formar eléster monomérico dentro del reactor tubular.

Procedimiento para la producción de poliésteres a bajo coste usando un reactor tubular

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere en general a procedimientos y aparatos para la producción de poliésteres en los que los procedimientos de esterificación, de policondensación, o tanto de esterificación como de policondensación, se realizan en un reactor tubular.

A medida que el negocio de producción de poliésteres se vuelve más competitivo, resultan altamente deseables los procedimientos de producción alternativos de bajo coste. Se ha desarrollado una diversidad de procedimientos. En los comienzos se usó una destilación reactiva (patente de Estados Unidos nº 2, 905, 707) con vapor de etilenglicol ("EG") como reactivo (patente de Estados Unidos nº 2, 829, 153) . Se han descrito múltiples cámaras agitadas para obtener un control adicional de la reacción (patente de Estados Unidos nº 4, 110, 316 y documento WO 98/10007) . La patente de Estados Unidos nº 3, 054, 776 describe el uso de caídas de presión menores entre los reactores, mientras que la patente de Estados Unidos nº 3, 385, 881 describe múltiples etapas de reactor en una sola envoltura de reactor. Estos diseños fueron mejorados para resolver los problemas de arrastre u obstrucción, integración de calor, transferencia de calor, tiempo de reacción, número de reactores, etc., como se describe en las patentes de Estados Unidos nº 3, 118, 843; 3, 582, 244; 3, 600, 137; 3, 644, 096; 3, 689, 461; 3, 819, 585; 4, 235, 844; 4, 230, 818; y 4, 289, 895. Desafortunadamente, los reactores y las plantas son extremadamente complejos. Los reactores agitados de policondensación presentan diseños complejos que requieren cálculos detallados y destreza. El reactor tiene que funcionar al vacío y mantener su forma tanto si se calienta como si se enfría de manera que el agitador no arañe las paredes, y se mantiene una tolerancia estrecha para proporcionar una transferencia de masa eficaz. Estos diseños complejos no se pueden construir o instalar rápidamente. Asimismo requieren experiencia para su mantenimiento y funcionamiento.

Los reactores de esterificación o de intercambio estérico cilíndricos convencionales, tales como un reactor continuo de tanque agitado ("CSTR") , presentan muchas partes internas, tales como deflectores, serpentines para el calentamiento, grandes rebosaderos, bandejas, relleno, agitadores y tubos de aspiración, etc. Los reactores de esterificación o de intercambio estérico también pueden ser columnas de destilación reactiva, de separación o de rectificación, con sus bandejas, relleno, tubos de bajada, evaporadores, condensadores, intercambiadores de calor internos, sistemas de reflujo, bombas etc. internos asociados. Los reactores de policondensación convencionales, que son típicamente dispositivos de pseuso-flujo tapón que tratan de mantener un tiempo de residencia medio con una estrecha distribución de tiempos, son típicamente (1) CSTR, típicamente del tipo de reactores de película agitada o de película fina, o (2) dispositivos de destilación reactiva. Tales reactores de condensación convencionales presentan habitualmente medios para potenciar la renovación superficial, normalmente preparando películas finas del polímero. Tales dispositivos de policondensación convencionales contienen bandejas, serpentines calentadores internos, diques, deflectores, películas agitadas, agitadores internos y agitadores grandes con juntas o motores magnéticos, etc. Estos reactores normalmente presentan raspadores u otros dispositivos muy complicados para evitar la obstrucción de los conductos de vapor. Muchos reactores de policondensación también presentan requerimientos de tolerancia muy estrictos y deben mantener su forma en un intervalo de temperaturas. Estos reactores cilíndricos requieren mucho trabajo cualificado, de ingeniería y de elaboración de planos para su construcción. El reactor cilíndrico también presenta una camisa fabricada especialmente que presenta múltiples camisas tubulares parciales y líneas de soldadura que conectan las camisas tubulares entre sí y con el reactor. El reactor cilíndrico presenta componentes externos adicionales, tales como engranajes, agitadores, sistemas de juntas, motores y similares. La complejidad, los materiales y la habilidad extraordinarios requeridos para construir los reactores cilíndricos genera los mayores costes.

En patentes de la técnica anterior se ha descrito un tubo que está integrado en el procedimiento o equipo. La patente de Estados Unidos nº 3, 192, 184, por ejemplo, describe un tubo con deflectores internos dentro del reactor, y la patente de Estados Unidos nº 3, 644, 483 describe el uso de un tubo para la adición de masa. Como otros ejemplos, la solicitud de patente WO 96/22318 y la patente de Estados Unidos nº 5, 811, 496 describen dos reactores tubulares entre los reactores de esterificación y de polimerización, y la patente de Estados Unidos nº 5, 786, 443 describe un reactor tubular entre un reactor de esterificación y un calentador, obteniéndose un reactor por etapas. Cada uno de estos trenes de reactores incorpora un reactor tubular en los otros reactores y equipos complejos.

Aunque se ha propuesto la teoría de que un intercambio estérico o esterificación óptimo se produciría en un continuo de reducción continua de presión y aumento continuo de temperatura (véase la figura 1, Santosh K. Gupta y Anil Kumar, Reaction Engineering of Step Growth Polymerization, The Plenum Chemical Engineering Series, capítulo 8, Plenum Press, 1987) , el coste para realizarlo con equipos convencionales existentes es prohibitivo porque requiere numerosos reactores pequeños, cada uno con sus propios instrumentos y válvulas asociados para el control del nivel, la presión y la temperatura, así como bombas. Así, en los diseños convencionales de las plantas de producción de poliésteres, el número de etapas de reducción de presión (reactores cilíndricos) está minimizado para minimizar el coste. A cambio, si en lugar de ello se aumentara el número de reactores, se minimizaría la caída de presión.

En la técnica existe la demanda de aparatos y procedimientos más sencillos y de menor coste para la producción de poliésteres.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a equipos y procedimientos para la producción de poliésteres. Más específicamente, la presente invención se refiere a reactores tubulares y a equipos y procedimientos asociados para el uso en plantas de producción de poliésteres tanto nuevas como existentes (reajustadas) . Los materiales de partida, o los reactantes, pueden ser materias primas líquidas, gaseosas o sólidas, usándose todos los componentes para el poliéster o modificadores. El reactor tubular de la presente invención presenta muchas ventajas frente a los procedimientos y aparatos convencionales para la producción de poliésteres.

Ventajosamente, los reactores tubulares de la presente invención no requieren los serpentines calentadores internos de un reactor continuo de tanque agitado, sino que en lugar de ello pueden usar diversos medios de calentamiento, como un intercambiador de calor o un tubo con camisa. Entre muchas otras limitaciones de los CSTR, la cantidad de serpentines calentadores está limitada debido a la necesidad de mantener la agitación de los líquidos. Demasiados serpentines calentadores no dejan espacio suficiente entre los serpentines para la agitación. Puesto que en un sistema de reactores tubulares la función de transferencia de calor y la función de agitación están desacopladas, el sistema de reactores tubulares de la presente invención no presenta esta y otras limitaciones de los CSTR.

Los reactores tubulares no están limitados al volumen de un recipiente para consideraciones cinéticas, como es el caso de un CSTR; los reactores tubulares usan la longitud del tubo para la cinética, que se puede modificar fácilmente. En cuanto a la transferencia de masa o la agitación, los reactores tubulares no requieren la hélice o el rotor de un CSTR; en su lugar se puede usar una bomba o el flujo gravitacional para remover el líquido.

Otra ventaja del reactor tubular reside en la separación del gas de la interfase líquida, mientras que un procedimiento en un CSTR controla la interfase líquido/gas mediante el volumen del reactor. Controlar la interfase controlando el volumen reactivo es una manera complicada de controlar la velocidad de los líquidos. Si el CSTR se construye alto y delgado, resulta difícil controlar el nivel, aumentan las deflexiones del eje agitador y los problemas de hermeticidad, las velocidades del vapor aumentan incrementándose también el arrastre y los costes del reactor aumentan a... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la preparación de un éster monomérico a partir de una pluralidad de reactantes, que comprende:

(a) proporcionar un reactor tubular de esterificación que presenta una entrada, una salida y una superficie interior;

(b) añadir los reactantes en las condiciones de reacción de la esterificación al reactor tubular de esterificación en proximidad de la entrada y generar un flujo bifásico de manera que los reactantes formen una fase líquida y una fase de vapor a lo largo del reactor tubular de esterificación, en el que el reactor tubular de esterificación se hace funcionar en un régimen de flujo seleccionado del grupo formado por flujo de burbujas, flujo tapón, flujo estratificado, flujo ondular, flujo bache, flujo disperso y flujo espuma, y en el que los reactantes reaccionan entre sí para formar el éster monomérico dentro del reactor tubular.

2. Procedimiento para la preparación de un éster oligomérico o polimérico a partir de una pluralidad de reactantes, que comprende:

(a) proporcionar un reactor tubular de esterificación que presenta una entrada, una salida y una superficie interior;

(b) añadir los reactantes en las condiciones de reacción de la esterificación al reactor tubular de esterificación en proximidad de la entrada y generar un flujo bifásico de manera que los reactantes formen una fase líquida y una fase de vapor a lo largo del reactor tubular de esterificación, en el que el reactor tubular de esterificación se hace funcionar en un régimen de flujo seleccionado del grupo formado por flujo de burbujas, flujo tapón, flujo estratificado, flujo ondular, flujo bache, flujo disperso y flujo espuma, en el que los reactantes reaccionan entre sí para formar un éster monomérico y en el que una porción del poliéster monomérico se hace reaccionar en el reactor tubular de esterificación para formar el éster oligomérico.

3. Procedimiento para la preparación de un poliéster polimérico, que comprende:

(a) proporcionar un reactor tubular de esterificación que presenta una entrada, una salida y una superficie interior;

(b) añadir los reactantes en las condiciones de reacción de la esterificación al reactor tubular de esterificación en proximidad de la entrada y generar un flujo bifásico de manera que los reactantes formen una fase líquida y una fase de vapor a lo largo del reactor tubular de esterificación, en el que el reactor tubular de esterificación se hace funcionar en un régimen de flujo seleccionado del grupo formado por flujo de burbujas, flujo tapón, flujo estratificado, flujo ondular, flujo bache, flujo disperso y flujo espuma, en el que los reactantes reaccionan entre sí para formar un poliéster monomérico y en el que una porción del poliéster monomérico se hace reaccionar en el reactor tubular de esterificación para formar un poliéster oligomérico; y

(c) hacer reaccionar el poliéster oligomérico en las condiciones de reacción de la policondensación en un reactor tubular de policondensación, en el que al menos una porción del oligómero forma un poliéster.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que se forma un poliéster polimérico a partir de una pluralidad de reactantes, que comprende:

(a) proporcionar un reactor tubular de esterificación que presenta una primera entrada y una primera salida;

(b) añadir los reactantes en las condiciones de reacción de la esterificación al reactor tubular de esterificación en proximidad de la primera entrada y generar un flujo bifásico de manera que los reactantes formen una fase líquida y una fase de vapor a lo largo del reactor tubular de esterificación, en el que al menos una porción de los reactantes forma un poliéster monomérico;

(c) hacer reaccionar el poliéster monomérico en las condiciones de reacción de la policondensación en un reactor tubular de policondensación, en el que al menos una porción del poliéster monomérico forma un poliéster oligomérico; y

(d) hacer reaccionar el oligómero en las condiciones de reacción de la policondensación en el reactor tubular de policondensación, en el que al menos una porción del poliéster oligomérico forma el poliéster polimérico.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichos reactantes incluyen diácido o un generador de diácido seleccionado del grupo formado por ácidos dicarboxílicos aromáticos que presentan 8 a 14 átomos de carbono, ácidos dicarboxílicos alifáticos que presentan 4 a 12 átomos de carbono y ácidos dicarboxílicos cicloalifáticos que presentan 8 a 12 átomos de carbono y ésteres de estos diácidos; y en el que dichos reactantes incluyen un diol o generador de diol seleccionado del grupo formado por dioles cicloalifáticos que presentan 6 a 20 átomos de carbono y dioles alifáticos que presentan 3 a 20 átomos de carbono.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicho diácido o generador de diácido comprende ácido tereftálico o tereftalato de dimetilo y dicho diol comprende etilenglicol.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la recirculación de una porción de los líquidos del procedimiento al reactor tubular de esterificación.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, que comprende además la adición de al menos un reactante al líquido de procedimiento recirculado.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además la eliminación de una porción del vapor de al menos uno de los reactores tubulares.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende hacer funcionar el reactor tubular de esterificación en un régimen de flujo de burbujas o espuma.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende hacer funcionar el reactor tubular de policondensación en un régimen de flujo estratificado.

12. Procedimiento según la reivindicación 3 o 4, que comprende además el control de la presión entre el procedimiento de esterificación y el procedimiento de policondensación usando una pata de sello en comunicación fluida con y situada entre el reactor tubular de esterificación y el reactor tubular de policondensación.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que el líquido en la pata de sello se calienta a la temperatura de ebullición.

14. Aparato para la producción de un éster oligomérico o polimérico de acuerdo con la reivindicación 2, 3

o 4, que comprende:

(a) un reactor tubular de esterificación que presenta una entrada, una salida y una superficie interior a través de las cuales se hacen pasar los reactantes líquidos para la esterificación; y

(b) un reactor tubular de policondensación formado por separado y en comunicación fluida con el reactor de esterificación, en el que el reactor de policondensación presenta una entrada, una salida y una superficie interior a través de las cuales se hace pasar al menos un reactante líquido para la policondensación.

15. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además un bucle de recirculación que presenta un canal de entrada y un canal de salida, estando el canal de salida en comunicación fluida con el reactor tubular de esterificación.

16. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además al menos un dique unido a la superficie interior del reactor tubular de esterificación y en el que los líquidos de esterificación fluyen por encima del dique.

17. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además al menos un dique unido a la superficie interior del reactor tubular de policondensación y en el que los líquidos de policondensación fluyen por encima del dique.

18. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además un conducto de evacuación en comunicación fluida con el reactor de esterificación, comprendiendo el conducto de evacuación adicionalmente un tubo ascendente de desgasificación acoplado al conducto de evacuación, presentando el tubo ascendente de desgasificación un extremo receptor en comunicación fluida con el conducto de evacuación y un extremo de evacuación opuesto dispuesto verticalmente sobre el extremo receptor, y en el que el tubo ascendente de desgasificación no es lineal, extendiéndose en su dirección longitudinal entre el extremo receptor y el extremo de evacuación del mismo, y en el que el tubo ascendente de desgasificación se compone de tres secciones contiguas que están en comunicación fluida entre sí, una primera sección adyacente al extremo receptor y que se extiende de forma sustancialmente vertical desde el conducto de evacuación, una segunda sección acoplada a la primera sección y orientada en un ángulo respecto a la primera sección en la vista en planta y una tercera sección acoplada a la segunda sección y orientada en un ángulo complementario respecto a la segunda sección en la vista en planta de manera que la sección esté orientada de forma sustancialmente horizontal.

19. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además un conducto de evacuación en comunicación fluida con el reactor de policondensación, comprendiendo el conducto de evacuación adicionalmente un tubo ascendente de desgasificación acoplado al conducto de evacuación, presentando el tubo ascendente de desgasificación un extremo receptor en comunicación fluida con el conducto de evacuación y un extremo de evacuación opuesto dispuesto verticalmente sobre el extremo receptor, y en el que el tubo ascendente de

desgasificación no es lineal, extendiéndose en su dirección longitudinal entre el extremo receptor y el extremo de evacuación del mismo, y en el que el tubo ascendente de desgasificación se compone de tres secciones contiguas que están en comunicación fluida entre sí, una primera sección adyacente al extremo receptor y que se extiende de forma sustancialmente vertical desde el conducto de evacuación, una segunda sección acoplada a la primera sección y orientada en un ángulo respecto a la primera sección en la vista en planta y una tercera sección acoplada a la segunda sección y orientada en un ángulo complementario respecto a la segunda sección en la vista en planta de manera que la sección esté orientada de forma sustancialmente horizontal.

20. Aparato según la reivindicación 14, en el que la entrada del reactor tubular de esterificación se coloca al menos 6, 1 metros verticales por debajo de la salida del reactor tubular de esterificación.

21. Aparato según la reivindicación 14, en el que el reactor tubular de policondensación está orientado de forma sustancialmente horizontal.

22. Aparato según la reivindicación 14, en el que el reactor tubular de esterificación y el reactor tubular de policondensación presentan cada uno secciones lineales y no lineales alternantes que se extienden en su dirección longitudinal correspondiente entre las entradas y salidas correspondientes de los mismos.

23. Aparato según la reivindicación 14, que comprende además una pata de sello situada entre y en comunicación fluida con el reactor de esterificación y el reactor de policondensación para controlar la presión entre los reactores de esterificación y de policondensación.

24. Aparato según la reivindicación 14, en el que el reactor de policondensación incluye al menos dos secciones diferentes en comunicación fluida entre sí, presentando cada sección una presión de líquido diferente, y en el que se sitúa una pata de sello entre y en comunicación fluida con cada sección para controlar la presión entre las secciones correspondientes del reactor.

25. Aparato según la reivindicación 14, en el que el reactor de policondensación incluye una sección superior, una sección central y una sección inferior y comprende además al menos tres mecanismos de desgasificación incorporados en el reactor de policondensación de manera que los líquidos de policondensación que pasan por su superficie interior fluyan también sucesivamente a través de los tres mecanismos de desgasificación correspondientes cuando fluyen desde el primer extremo hasta el segundo extremo del reactor de policondensación, y en el que los tres mecanismos de desgasificación están situados en y en comunicación fluida con la sección superior, la sección central y la sección inferior, respectivamente, del reactor de policondensación.

26. Aparato según las reivindicaciones 15 a 25, en el que el reactor tubular de esterificación y el reactor tubular de policondensación comprenden ambos un tubo sustancialmente vacío.