Reactor de polimerización por etapas verticales.

Un reactor de polimerización (250) dispuesto verticalmente para polimerizar una masa fundida de polímero que comprende un montaje de haces (10) de componentes internos,

comprendiendo el montaje de haces (10):

- una primer matriz estacionaria (24) de una o más estructuras de soporte (38; 106; 126; 140; 150; 160, 162; 180; 190, 192, 194; 200; 216; 232; 242; 246; 272, 274, 276) de la película, orientadas para tener sucesivas superficies horizontalmente separadas con espacio libre consistente, en la que cada estructura de soporte de la película se coloca respecto al plano horizontal con un ángulo mayor o igual que aproximadamente 60 grados, y en la que cada estructura de soporte de la película tiene una primera cara (76) y una segunda cara (80),

- una o más matrices estacionarias (24) adicionales de una o más estructuras de soporte de la película, disponiéndose cada una de las matrices estacionarias adicionales en una o más filas adicionales verticalmente dispuestas, teniendo cada fila estructuras de soporte de la película horizontalmente separadas, colocadas a la misma elevación, en las que las matrices adicionales incluyen una matriz estacionaria más baja de tal manera que el montaje de haces se adapta para permitir a la masa fundida de polímero fluir desde la primera matriz estacionaria hasta la matriz estacionaria más baja, y

- uno o más generadores de película estacionarios (14, 32, 34, 36; 100; 102; 120; 122; 182; 196; 202; 214, 218, 222, 238, 248; 278, 280, 282) colocados por encima de una correspondiente matriz estacionaria de las matrices estacionarias de una o más estructuras de soporte de la película,

en el que

- el flujo de la masa fundida (46) de polímero dentro del reactor (250) se conduce por gravedad,

- el único o más generadores de película se colocan completamente por encima de la correspondiente matriz de una o más de las estructuras de soporte de la película,

- el único o más generadores de película subdividen y dirigen la masa fundida de polímero (46) sobre la una o más estructuras de soporte de la película a través de al menos una abertura (104; 124; 184; 198; 204) dispuesta por encima y en alineación con una estructura de soporte de la película posterior, de manera que cuando una masa fundida de polímero (46) fluye a través de al menos una de las aberturas (104; 124; 184; 198; 204) una primera parte (74) de la masa fundida de polímero subdividida se dirige para fluir sobre la primera cara (76) de la estructura de soporte de la película posterior y una segunda parte (78) de la masa fundida de polímero subdividida se dirige a fluir sobre la segunda cara (80) de la estructura de soporte de la película posterior.

Reactor de polimerizaciïn por etapas verticales Antecedentes de la invenciïn Campo de la invenciïn La presente invenciïn se refiere a un aparato para la producciïn de productos de policondensaciïn, tales como poliïsteres y copoliïsteres lineales. Mïs particularmente, la presente invenciïn se refiere a diseïos de bandeja mejorados para su uso en reactores de polimerizaciïn de orientaciïn vertical.

Tïcnica anterior

Los procesos para producir materiales polimïricos tales como poliïsteres y co-poliïsteres por medio de reacciones de policondensaciïn implican la liberaciïn de subproductos como los grupos funcionales polimïricos de las molïculas que reaccionan entre sï para producir molïculas de cadena molecular mïs larga. Generalmente, es necesaria la extracciïn de estas molïculas liberadas de subproductos, de la mezcla de reacciïn, para impulsar la acumulaciïn molecular del polïmero. Si los compuestos de subproductos no se eliminaran, el equilibrio quïmico inhibirï la longitud de la cadena polimïrica que se forma. En muchos de estos sistemas de reacciïn de policondensaciïn el mïtodo preferido para extraer el subproducto liberado es vaporizar el subproducto fuera de la mezcla de reacciïn.

Se han diseïado y puesto en funcionamiento varios diseïos de reactores y sistemas de reacciïn multietapas para facilitar la vaporizaciïn de los subproductos y la producciïn asociada de materiales de policondensaciïn. El diseïo mïs econïmico para tales reacciones de policondensaciïn (al menos para la producciïn de materiales polimïricos de bajo a moderado peso molecular) es una serie de reactores de cubeta agitada. En estos sistemas de reactores se pueden producir grandes cantidades de materiales mediante el uso de agitaciïn mecïnica, intercambiadores de calor de termosifïn, y/o agitaciïn simple por burbujas para mejorar la transferencia de calor y la renovaciïn del ïrea superficial lïquido-vapor. Desafortunadamente, la viscosidad de las masas fundidas polimïricas aumenta dramïticamente a medida que el grado de polimerizaciïn ("DP") aumenta. Por consiguiente, debido a las limitaciones prïcticas de los diseïos de agitador, la alta viscosidad de estos materiales disminuye considerablemente la capacidad de renovar las superficies lïquido-vapor y por lo tanto disminuye la eficiencia de la transferencia de masa del reactor de cubeta agitada.

Ademïs de las deficiencias expuestas anteriormente, tambiïn pueden estar restringidos otros parïmetros de funcionamiento en el proceso de policondensaciïn. Por ejemplo, pueden ser deseables temperaturas mïs altas para aumentar la cinïtica de la reacciïn y la volatilidad de los subproductos de reacciïn. Una mayor volatilidad de los subproductos disminuye la concentraciïn de subproducto en la mezcla de reacciïn, fomentando asï la reacciïn de polimerizaciïn. Sin embargo, la sensibilidad a la temperatura de las reacciones de degradaciïn del material polimïrico limita la utilizaciïn de un aumento cada vez mayor de la temperatura como un medio de fomentar el grado de polimerizaciïn. De forma similar, la volatilidad de los subproductos se puede aumentar aïn mïs mediante el uso de presiones de funcionamiento bajas. Sin embargo, el uso de presiones de funcionamiento extremadamente bajas estï limitado por el coste de alcanzar presiones de funcionamiento bajas y por la cantidad de espacio de vapor del reactor, necesario para impedir el arrastre del polïmero a la fuente de vacïo. Por otra parte, la profundidad de la piscina polimïrica puede inhibir el uso efectivo del volumen de reacciïn en reactores de policondensaciïn de baja presiïn. Especïficamente, la profundidad excesiva de la mezcla de reacciïn aumenta las rutas de difusiïn y de convecciïn que los subproductos volïtiles deben recorrer antes de escapar. Ademïs, como la profundidad de la piscina polimïrica aumenta, las partes mïs profundas de la piscina se someten a mayor presiïn hidrostïtica. Las altas presiones locales dentro del lïquido inhiben la formaciïn de burbujas de subproductos, lo que dificulta la liberaciïn de los subproductos y de ahï el uso efectivo del volumen de reacciïn para fomentar la polimerizaciïn.

Por las razones expuestas anteriormente, el aumento del grado de polimerizaciïn requiere la sustituciïn de los reactores de cubeta agitada simples por equipamiento especializado de reacciïn. Dicho equipamiento especializado debe superar una o mïs de las limitaciones de funcionamiento indicadas anteriormente para conseguir el grado deseado de polimerizaciïn. En la actualidad, existen dos enfoques fundamentales para mejorar la renovaciïn de la superficie lïquido-vapor que se describen mejor como el enfoque dinïmico y el enfoque estïtico.

El primer enfoque podrïa denominarse el enfoque dinïmico porque implica el uso de dispositivos mecïnicos en movimiento para mejorar la renovaciïn de la superficie lïquido-vapor. Como se seïalï anteriormente, el aumento de la renovaciïn de la superficie lïquido-vapor facilita la liberaciïn de los subproductos. Con el enfoque dinïmico, se necesitan juntas alrededor del eje o de los ejes de rotaciïn que pasan a travïs de las paredes del reactor. Estas juntas se deben mantener con el fin de impedir que el aire se escape en el reactor. Tambiïn con el enfoque dinïmico, como el tamaïo del recipiente y la viscosidad del producto aumentan, el tamaïo de los componentes mecïnicos debe aumentar con el fin de manejar el aumento de la carga. El segundo enfoque se puede denominar como el enfoque estïtico, en el que no se utilizan dispositivos mïviles para la renovaciïn de la superficie lïquido-vapor. Este ïltimo enfoque utiliza la gravedad en combinaciïn con la caïda vertical para crear pelïculas polimïricas delgadas. Por lo general, tales pelïculas polimïricas fluyen entre las bandejas durante la caïda vertical. Las pelïculas polimïricas delgadas combinadas con efectos de rotaciïn superficial y cizallamiento creados por pelïculas que caen verticales impulsan la reacciïn de polimerizaciïn al mejorar la liberaciïn de subproductos.

Las patentes que describen el uso de gravedad en combinaciïn con la caïda vertical incluyen: las Patentes de EE.UU. Nos 5.464.590 (la ‘patente 590’) , 5.466.419 (la ‘patente 419’) , 4.196.168 (la ‘patente 168’) , 3.841.836 (la ‘patente 836’) ,

3.250.747 (la ‘patente 747’) y 2.645.607 (la ‘patente 607’) . Los primeros diseïos de bandejas utilizaron bandejas circulares separadas verticalmente (cïrculo completo en combinaciïn con el cïrculo hueco y segmentado circular) que utiliza la mayor parte del ïrea de la secciïn transversal del recipiente. Estos reactores de bandeja circular utilizan una gran parte de la secciïn transversal horizontal del recipiente a presiïn disponible, para la retenciïn de lïquido. En algunos diseïos, una bandeja circular fue seguida por una bandeja circular hueca, formando asï una disposiciïn de disco-y-donuts. Asï, el polïmero fluïa sobre un borde circular mientras pasaba de bandeja en bandeja. El subproducto gaseoso liberado asï fluïa a travïs de aberturas circulares y anulares. En otros diseïos, las bandejas estaban segmentadas para proporcionar un borde recto para que el polïmero fluyera sobre ïl antes de caer a la siguiente bandeja. El diseïo de la bandeja segmentada tambiïn proporcionï un espacio abierto entre el borde recto en el cual el polïmero fluïa y la pared del recipiente a travïs de la que el subproducto gaseoso podïa pasar. Con ambos diseïos, sin embargo, los subproductos vaporizados desde las bandejas se forzaron a fluir a travïs del mismo espacio que el flujo de masa fundida de polïmero. Para abordar esta preocupaciïn, el diïmetro de las bandejas circulares se hizo un poco menor que el diïmetro del recipiente del reactor. Se utilizï el espacio anular resultante para permitir al trïfico de vapor escapar de cada bandeja y viajar a la boquilla de descarga de vapor del recipiente del reactor a lo largo de una ruta externa a la ruta del flujo de polïmero. Un inconveniente de los diseïos de bandeja circular simple es la existencia de zonas muertas (que se mueven muy lentas o regiones estancadas en las bandejas) . El polïmero en estas regiones estancadas tiende a cocer demasiado, volverse excesivamente viscoso, reticularse y/o degradarse, y como resultado solidificar lentamente. El resultado neto es una pïrdida de volumen eficaz de reacciïn.

La siguiente generaciïn de diseïadores cambiï la forma de las bandejas de circular a otras formas geomïtricas. Se eliminaron las zonas muertas, que no son totalmente eficaces como volumen de reacciïn. La eliminaciïn de zonas muertas tambiïn mejorï la calidad del producto ya que las zonas muertas son... [Seguir leyendo]

1. Un reactor de polimerizaciïn (250) dispuesto verticalmente para polimerizar una masa fundida de polïmero que comprende un montaje de haces (10) de componentes internos, comprendiendo el montaje de haces (10) :

-una primer matriz estacionaria (24) de una o mïs estructuras de soporte (38; 106; 126; 140; 150; 160, 162; 180; 190, 192, 194; 200; 216; 232; 242; 246; 272, 274, 276) de la pelïcula, orientadas para tener sucesivas superficies horizontalmente separadas con espacio libre consistente, en la que cada estructura de soporte de la pelïcula se coloca respecto al plano horizontal con un ïngulo mayor o igual que aproximadamente 60 grados, y en la que cada estructura de soporte de la pelïcula tiene una primera cara (76) y una segunda cara (80) ,

-una o mïs matrices estacionarias (24) adicionales de una o mïs estructuras de soporte de la pelïcula, disponiïndose cada una de las matrices estacionarias adicionales en una o mïs filas adicionales verticalmente dispuestas, teniendo cada fila estructuras de soporte de la pelïcula horizontalmente separadas, colocadas a la misma elevaciïn, en las que las matrices adicionales incluyen una matriz estacionaria mïs baja de tal manera que el montaje de haces se adapta para permitir a la masa fundida de polïmero fluir desde la primera matriz estacionaria hasta la matriz estacionaria mïs baja, y

-uno o mïs generadores de pelïcula estacionarios (14, 32, 34, 36; 100; 102; 120; 122; 182; 196; 202; 214, 218, 222, 238, 248; 278, 280, 282) colocados por encima de una correspondiente matriz estacionaria de las matrices estacionarias de una o mïs estructuras de soporte de la pelïcula,

en el que

-el flujo de la masa fundida (46) de polïmero dentro del reactor (250) se conduce por gravedad,

-el ïnico o mïs generadores de pelïcula se colocan completamente por encima de la correspondiente matriz de una o mïs de las estructuras de soporte de la pelïcula,

-el ïnico o mïs generadores de pelïcula subdividen y dirigen la masa fundida de polïmero (46) sobre la una o mïs estructuras de soporte de la pelïcula a travïs de al menos una abertura (104; 124; 184; 198; 204) dispuesta por encima y en alineaciïn con una estructura de soporte de la pelïcula posterior, de manera que cuando una masa fundida de polïmero (46) fluye a travïs de al menos una de las aberturas (104; 124; 184; 198; 204) una primera parte (74) de la masa fundida de polïmero subdividida se dirige para fluir sobre la primera cara (76) de la estructura de soporte de la pelïcula posterior y una segunda parte (78) de la masa fundida de polïmero subdividida se dirige a fluir sobre la segunda cara (80) de la estructura de soporte de la pelïcula posterior.

2. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que las superficies son substancialmente paralelas.

3. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula se coloca respecto al plano horizontal con un ïngulo mayor que aproximadamente 80 grados, disponiïndose la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula para formar una o mïs filas, teniendo cada fila estructuras de soporte de la pelïcula horizontalmente separadas, colocadas a la misma elevaciïn.

4. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende una placa sïlida.

5. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende una estructura de soporte de la pelïcula foraminada.

6. El reactor de la reivindicaciïn 5 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula foraminada de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula se compone de tela o tejido de alambre, pantalla de malla, metal perforado o chapa de metal expandido.

7. El reactor de la reivindicaciïn 6 en el que la estructura de soporte de la pelïcula foraminada tiene aberturas desde aproximadamente 0, 25 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 6, 35 mm) a aproximadamente 3 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 76, 2 mm) .

8. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende un conjunto de alambres, varillas o tubos substancialmente paralelos y substancialmente verticales.

9. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que la distancia horizontalmente separada entre las estructuras de soporte de la pelïcula adyacentes de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula es tal que cuando fluye la masa fundida polimïrica a travïs del montaje de haces, durante el funcionamiento en estado estacionario, cada una de las corrientes de masa fundida polimïrica subdivididas e independientes tiene un espesor de al menos el 10% de la distancia entre cada estructura de soporte de la pelïcula.

10. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula de la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula se separa de una estructura de soporte de la pelïcula horizontalmente adyacente por una distancia desde aproximadamente 0, 5 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 12, 7 mm) a aproximadamente 10 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 254 mm) .

11. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que el generador de pelïcula de masa fundida polimïrica crea una o mïs corrientes polimïricas para cada estructura de soporte de la pelïcula que compone la matriz de estructuras de soporte de la pelïcula inmediatamente debajo del generador de pelïcula.

12. El reactor de la reivindicaciïn 1 en el que las una o mïs estructuras de soporte comprenden un componente seleccionado del grupo que consiste en las estructuras que tienen la forma de cilindros, las estructuras que tienen la forma de una espiral y las estructuras con superficies sustancialmente verticales, pero no paralelas.

13. Un mïtodo de aumentar el grado de polimerizaciïn en una masa fundida polimïrica (46) , comprendiendo el mïtodo:

a) introducir la masa fundida polimïrica (46) en el montaje de haces (10) del reactor (250) de la reivindicaciïn 1 a una temperatura y presiïn suficientes para la polimerizaciïn de la masa fundida polimïrica (46) ;

b) exponer las superficies libres resultantes (74, 78) de la masa fundida de polïmero a la atmïsfera del reactor (250) ; y

c) retirar la masa fundida polimïrica del montaje de haces (10) en el que la masa fundida polimïrica retirada del montaje de haces (10) tiene un mayor grado de polimerizaciïn que cuando la masa fundida polimïrica (46) fue introducida en el montaje de haces (10) .

14. El mïtodo de la reivindicaciïn 13 en el que la temperatura va desde aproximadamente 250 ïC hasta aproximadamente 320 ïC.

15. El mïtodo de la reivindicaciïn 13 en el que la presiïn va desde aproximadamente 0, 2 torr (que corresponden a aproximadamente 26, 7 Pa) hasta aproximadamente 30 torr (que corresponden a aproximadamente 4 kPa) .

16. El mïtodo de la reivindicaciïn 13 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula en una matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende una placa sïlida.

17. El mïtodo de la reivindicaciïn 13 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula en una matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende una estructura de soporte de la pelïcula foraminada.

18. El mïtodo de la reivindicaciïn 17 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula en una matriz de estructuras de soporte de la pelïcula se compone de tela o tejido de alambre, pantalla de malla, metal perforado o chapa de metal expandido.

19. El mïtodo de la reivindicaciïn 18 en el que la estructura de soporte de la pelïcula foraminada tiene aberturas desde aproximadamente 0, 25 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 6, 35 mm) a aproximadamente 3 pulgadas (que corresponden a aproximadamente 76, 2 mm) .

20. El mïtodo de la reivindicaciïn 13 en el que cada estructura de soporte de la pelïcula en una matriz de estructuras de soporte de la pelïcula comprende un conjunto de alambres, varillas o tubos substancialmente paralelos y substancialmente verticales.