BRPI0611130A2 - conjunto modular para um reator de polimerização acionado por fluxo vertical por gravidade para polimerizar uma massa fundida polimérica, e, método para aumentar o grau de polimerização em uma massa fndida polimérica - Google Patents

conjunto modular para um reator de polimerização acionado por fluxo vertical por gravidade para polimerizar uma massa fundida polimérica, e, método para aumentar o grau de polimerização em uma massa fndida polimérica Download PDF

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Abstract

CONJUNTO MODULAR PARA UM REATOR DE POLIMERIZAçãO ACIONADO POR FLUXO VERTICAL POR GRAVIDADE PARA POLIMERIZAR UMA MASSA FUNDIDA POLIMERICA, E, METODO PARA AUMENTAR O GRAU DE POLIMERIZAçãO EM UMA MASSA FUNDIDA POLIMéRICA. A presente invenção provê um conjunto para uso em reatores de polimerização de fluxo acionado verticalmente por gravidade para combinações de alta viscosidade, alta produtividade, e profundidades rasas de polímero. O módulo de conjunto de defletor da invenção inclui uma estrutura de suporte tendo uma pluralidade de aberturas laterais. As aberturas laterais permitem o escape de vapor liberado da massa fundida polimérica. O conjunto inclui adicionalmente um divisor de suprimento acompanhado por duas ou mais fileiras verticalmente arranjadas de chapas de defletor com o divisor de suprimento e defletores posicionados seqúencialmente na estrutura de suporte. A pluralidade de defletores paralelos em uma fileira é inclinada de modo que, quando uma massa fundida polimérica contata um dado defletor, a massa fundida polimérica se move em uma direção descendente sob a força de gravidade. O arranjo das fileiras é ta que cada fileira (exceto a mais baixa fileira) transfere a massa fundida polimérica para uma fileira inferior verticalmente adjacente até atingir a última fileira de defletores no módulo. De acordo com o arranjo vertical dos componentes no módulo de conjunto de defletor e pelo empilhamento de módulos de conjunto de defletor adicionais, caso necessário, dentro do reator, a massa fundida polimérica f cai em cascata pelo comprimento vertical do interior do vaso de reação. A presente invenção provê também um reator de polimerização que incorpora o conjunto da invenção e um método de aumentar o grau de polimerização de uma massa fundida polimérica pelo uso do conjunto da invenção.

Description

"CONJUNTO MODULAR PARA UM REATOR DE POLIMERIZAÇÃOACIONADO POR FLUXO VERTICAL POR GRAVIDADE PARAPOLIMERIZAR UMA MASSA FUNDIDA POLIMÉRICA, E, MÉTODOPARA AUMENTAR O GRAU DE POLIMERIZAÇÃO EM UMA MASSAFUNDIDA POLIMÉRICA"
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
1. Campo técnico
A presente invenção refere-se a um aparelho para a produçãode produtos de policondensação, como poliésteres e co-poliésteres lineares.Mais particularmente, a presente invenção refere-se a projetos decomponentes internos de reator aperfeiçoados para uso em reatores depolimerização orientados verticalmente.
2. Técnica anterior
Processos para produzir materiais poliméricos, comopoliésteres e co-poliésteres via reações de policondensação, envolvem aliberação de subprodutos quando grupos funcionais poliméricos dasmoléculas reagem um com outro para produzir moléculas de cadeia molecularmais longa. Tipicamente, a extração destas moléculas de subproduto liberadasda mistura de reação é necessária para ativar o acúmulo molecular dopolímero. Caso os compostos de subprodutos não sejam removidos, oequilíbrio químico inibiria o comprimento da cadeia polimérica formada. Emmuitos desses sistemas de reação de policondensação, o método preferidopara extrair o subproduto liberado é vaporizar o subproduto para fora damistura de reação.
Vários projetos de reator e sistemas de reação de múltiplasetapas fora, projetados e operados para facilitar a vaporização de subprodutose a produção associada de materiais de policondensação. O projeto maiseconômico para tais reações de policondensação (pelo menos para a produçãode materiais poliméricos de baixo a moderado peso molecular) é uma série dereatores de tanque de agitação. Nestes sistemas de reator, grandes quantidadesde materiais podem ser produzidas utilizando agitação mecânica, re-aquecedores de termo-sifao, e/ou simples agitação de bolhas para realçar atroca de calor e renovação de área superficial de líquido-vapor. Infelizmente,a viscosidade dos fundidos poliméricos aumenta dramaticamente à medidaque o grau de polimerização ("DP,") aumenta. Conseqüentemente, decido alimitações práticas de projetos de agitador, a alta viscosidade destes materiaisdiminui grandemente a capacidade de renovar as superfícies de líquido-vapore, assim, diminui a eficácia de transferência de massa do reator de tanqueagitado.
Em adição às características acima apresentadas, outrosparâmetros operacionais podem ser limitados no processo depolicondensação. Por exemplo, maiores temperaturas podem ser desejáveispara aumentar a cinética de reação e volatilidade de subprodutos de reação.Maior volatilidade dos subprodutos diminui a concentração de subprodutos namistura de reação, promovendo a reação de polimerização. Entretanto, asensibilidade à temperatura do material polimérico a reações de degradaçãolimita o uso de maior temperatura crescente como um meio de aumentar ograu de polimerização. Similarmente, a volatilidade dos subprodutos pode seradicionalmente aumentada pelo uso de baixas pressões operacionais.Entretanto, o uso de pressões operacionais extremamente baixas é limitadopelo custo de obter pressões operacionais baixas e a quantidade de espaço devapor de reação necessária para impedir carreamento de polímero para a fonteda vácuo. Além disso, a profundidade da piscina de polimérico pode inibir ouso efetivo do volume de reação em reatores de policondensação de baixapressão. Especificamente, profundidade excessiva da mistura de reaçãoaumenta aos trajetos de difusão e convecção que os subprodutos voláteis têmque percorrer antes de escapar. Além disso, quando a profundidade da piscinade polimérico aumenta, as porções mais profundas da piscina são sujeitas amaior pressão hidrostática. Maiores pressões locais dentro do líquido inibem aformação de bolas de subprodutos, o que impede a liberação dos subprodutose, assim, o uso efetivo do volume de reação para promover polimerização.
Pelas razões apresentadas acima, o aumento do grau depolimerização exige substituição de reatores simples de tanque de agitaçãopor equipamento de reação especializado. Este equipamento especializadodeve superar uma ou mais limitações operacionais acima para obter o graudesejado de polimerização. Presentemente, há duas abordagens fundamentaispara renovação realçada de superfície de líquido-vapor que são melhordescritas como a abordagem dinâmica e a abordagem estática.
A primeira abordagem deveria ser denominada abordagemdinâmica pelo fato de envolver o uso de dispositivos mecânicos móveis pararealçar a renovação de superfície de líquido-vapor. Como referido acima,renovação realçada de superfície de líquido-vapor facilita a liberação desubprodutos. Com a abordagem dinâmica, vedações são necessárias ao redorde haste ou hastes rotativas que passam através das paredes do reator. Estasvedações têm que ser mantidas de modo a impedir que o ar vaze para o reator.Com a abordagem dinâmica ainda, quando o tamanho de vaso e a viscosidadedo produto aumentam, o tamanho dos componentes mecânicos tem queaumentar para suportar o aumento na carga. A segunda abordagem pode sereferida como abordagem estática pelo fato de nenhum dispositivo móvel sersuado para a renovação de superfície de líquido-vapor. Esta última abordagemusa gravidade em combinação com queda vertical para criar películaspoliméricas finas. Tipicamente, essas películas poliméricas fluem entrebandejas durante a queda vertical. As películas poliméricas finas combinadascom efeitos de cisalhamento e giro de superfície criados pelas películascaindo verticalmente ativam a reação de polimerização por realçar a liberaçãode subprodutos.
Patentes da técnica anterior que revelam o uso da gravidadeem combinação com queda vertical incluem as patentes US 5.464.590 (apatente '590), 5.466.419 (a patente '419), 4.196.168 (a patente Ί68),3.841.836 (a patente '836), 3.250.747 (a patente '747) e 2.645.607 (a patente'607). Projetos de bandejas anteriores usaram bandejas circularesverticalmente espaçadas (círculo completo em combinação com círculovazado, e circular segmentado) que utilizavam a maior parte da área de seçãotransversal do vaso. Estes reatores de bandeja circular usam uma grandeporção da seção transversal horizontal de vaso de pressão disponível paracontenção de líquido. Em alguns projetos, uma bandeja circular era seguidapor uma bandeja circular vazada formando, assim, um arranjo de disco erosca. Desse modo, polímero fluía sobre uma borda circular ao passar debandeja para bandeja. O subproduto de gás liberado fluía, assim, através deaberturas circular e anular. Em outros projetos, as bandejas eram segmentadaspara prover uma borda reta para o polímero galgar antes de cair para abandeja seguinte. O projeto de bandeja segmentada também provia áreaaberta entre a borda reta sobre a qual o polímero fluía e a parede do vasoatravés da qual o subproduto de gás podia passar. Com ambos os projetos,porém, os subprodutos vaporizados provenientes das bandejas eram forçadosa fluir através do mesmo espaço do fluxo em fusão de polímero. Para resolveresta questão, o diâmetro das bandejas circulares foi feito algo menor do que odiâmetro do vaso do reator. O espaço anular resultante foi usado para permitirque o trêfego de vapor escapasse de cada bandeja e se deslocasse para o bocalde descarga de vapor do vaso do reator, ao longo de um trajeto externo aotrajeto do fluxo de polímero. Uma desvantagem dos projetos de bandejacircular simples é a existência de regiões de movimentação muito lenta ouestacionárias sobre as bandejas. O polímero nestas regiões estacionáriastendem a sobrecozer, tornando-se excessivamente viscoso, de ligação cruzadae/ou degradado e, como resultando, solidifica-se lentamente. O resultadolíquido é uma perda de volume de reação efetivo.A geração seguinte de projetos mudou a forma das bandejas decircular para outras formas geométricas. Eles eliminaram zonas mortas quenão são totalmente efetivas como volume de reação. A eliminação de zonasmortas melhorou também a qualidade do produto, uma vez que as zonasmortas são regiões que produzem altos níveis de degradação de produtodevido ao sob recozimento do polímero. Infelizmente, estas bandejas deforma não-circular não aumentaram o uso efetivo da área de seção transversaldo vazo de pressão cilíndrico.
A base para invenções mais recentes das patentes '590 e '419 éuma bandeja circular vazada que mais eficazmente utiliza a área de seçãotransversal de um vaso de pressão cilíndrico enquanto provê caminhos defluxo de fusão de polímero que minimiza regiões líquidas de zona morta eimpede canalização. O resultado líquido foi um aumento aproximado de 40%na área de bandeja disponível para retenção de líquido em comparação combandejas de forma não-circular. A abertura central nas bandejas provia umachaminé através da qual o subproduto de vapor eram removidos.
Entretanto, como apresentado acima, a profundidade daspiscinas poliméricas pode inibir também o uso efetivo do volume de reação abaixas pressões operacionais. A uma dada pressão operacional (nível devácuo), o impacto negativo de maior profundidade de polímero aumenta emproporção ao grau de polimerização. Isto é devido à redução da força deativação do equilíbrio químico para polimerização quando a concentração degrupos finais de polímero é reduzida através do crescimento de cadeias depolímero. Desse modo, para se obter resultados aceitáveis, os mecanismospara liberar subprodutos de policondensação da fusão de polímero têm que serainda mais realçados. A maiores graus de polimerização isto é necessário paraque níveis suficientemente baixos de subprodutos permaneçam na fusão,possibilitando a polimerização prosseguir eficientemente. Entretanto, outrofator importante é o fato da viscosidade aumentar substancialmente quando apolimerização prossegue para maiores graus de polimerização.
A uma viscosidade suficientemente alta, projetos de bandejaque utilizam essencialmente bandejas não podem obter a desejadacombinação de ambas alta produção de polímero e profundidades rasas depolímero. Os projetos de Lewis et al., na patente Ί68 atingem um grau decontrole sobre a profundidade do polímero por terem o polímero fluindo parabaixo por bandejas inclinadas. As inclinações das sucessivas bandejas sãoaumentadas para responsabilizar-se pela esperada viscosidade crescente dopolímero à medida que ele é polimerizado ao longo de seu curso. Asinvenções reivindicadas na patente Ί68 são extensões destes projetos debandeja inclinada para sistemas de polímeros com maiores produções, mesmomaiores viscosidades. e/ou menores profundidades operacionais.
O projeto da patente Ί68 (bandejas de teto-e-calha) obtiveramtambém algum grau de controle sobre profundidade de polímero pela divisãodo fluxo de polímero em duas correntes iguais (com um caminho de fluxosendo uma imagem de espelho do outro caminho de fluxo) que atravessam dotopo ao fundo do reator sobre bandejas inclinadas. A inovação do projeto dapatente '168sobre bandejas de inclinação simples foi uma redução do volumede vaso de reator necessário para envolver as bandejas dentro de um ambientede vácuo. Pela divisão do fluxo de polímero, a dimensão vertical (quedavertical) necessária para uma bandeja atingir uma inclinação desejada e,assim, uma profundidade de polímero desejada foi reduzida. A configuraçãode teto-e-calha corta o comprimento horizontal da bandeja que cada metadedo fluxo de polímero tem que atravessar antes de cair para a bandeja seguinte.
Uma vez que cada metade do fluxo de polímero atravessa metade da distânciahorizontal, o tempo de residência para cada uma é, aproximadamente, omesmo de uma bandeja inclinada simples enquanto usando menor altura totalvertical.
Uma vez que as taxas de produção são aumentadas, o conceitode projeto de teto-e-calha pode ser estendido pela divisão das correntes depolímero em mais correntes iguais, geralmente de modo binário - dois,quatro, oito... Desse modo, boa utilização do volume de vaso de reator émantida quando o vaso aumenta em tamanho para acomodar a produção depolímero.
Entretanto, mesmo com o projeto de teto-e-calha de Lewis, autilização do volume de vaso do reator diminui quando o grau desejado depolimerização é empurrado para mais alto e/ou a janela operacional detransferência de massa versus tempo de residência é estreitado para obtermelhor qualidade. Quando o grau alvejado de polimerização é empurradopara cima, a viscosidade do polímero aumenta. Desse modo, para manter osmesmos requisitos de profundidade de polímero, maiores inclinações debandeja são necessárias. Similarmente, se a transferência de massa tiver queser aumentada pelas profundidades-alvo rasas de polímero, então bandejasmais inclinadas serão necessárias. Em algum ponto, as inclinações se tornamessencialmente verticais (maiores do que inclinação de 60° com a horizontal)e profundidades apreciavelmente mais finas para uma dada combinação deprodução e viscosidade não podem ser obtidas pela mudança adicional dainclinação. Nesta região de alta produção, profundidades-alvo rasas, e altaviscosidade, os módulos de conjunto de defletor da presente invenção aquidescritos aumentam o número de lâminas de polímero dentro de uma dadaárea de seção transversal de vaso de reator, obtendo, desse modo, altasprodutividades e melhor transferência de massa.
Conseqüentemente, há a necessidade de projetos aperfeiçoadosde bandejas para reatores de policondensação que tornem mais eficiente autilização de espaço em um reator de polimerização ativado por fluxo porgravidade vertical para combinações de alta viscosidade, alta produtividade, eprofundidades rasas de polímero.
SUMÁRIO DA INVENÇÃOA presente invenção supera um ou mais problemas da técnicaanterior por prover em um modo de realização um módulo de conjunto dedefletor de componentes internos estáticos para um reator de polimerizaçãoativado por fluxo por gravidade vertical para combinações de altaviscosidade, alta produtividade e películas finas de massa fundida polimérica.
A presente invenção é um aperfeiçoamento de projetos anteriores que tambémusaram a abordagem de queda por gravidade e vertical para obter o graudesejado de polimerização. Esses projetos anteriores estão revelados naspatentes US 5.464.590 (a patente '590), 5.466.419 (a patente '419), 4.196.168(a patente Ί68), 3.841.836 (a patente '836), 3.250.747 (a patente '747) e2.645.607 (a patente '607). Todas as revelações dessas patentes são aquiincorporadas pela referência. A presente invenção provê áreas superficiaismaiores sobre as quais o líquido fica em contato com a atmosfera do reator,enquanto ainda atingindo tempos suficientes de contenção de líquido para quea polimerização ocorra, por meio de arranjo inédito dos componentescompreendendo o módulo de conjunto de defletor. O módulo de conjunto dedefletor da invenção inclui um divisor de suprimento estacionário e arranjosordenados estacionários de defletores ou bandejas montados em uma estruturade suporte. O divisor de suprimento é qualquer dispositivo que subdivida umacorrente de polímero fluindo em duas ou mais correntes fluindo de modoindependente com um aumento resultante no número de superfícies livres.Pela divisão da massa fundida polimérica, ele pode ser mais uniformementeaplicado ao arranjo ordenado de defletores localizados sob o mesmo.Tipicamente, os defletores (bandejas) no arranjo ordenado são arranjados emfileiras com os defletores em uma fila a uma elevação constante (ou seja,altura).
O arranjo ordenado de defletores provê superfícies sólidassobre as quais as correntes de polímero provenientes do divisor de suprimentofluem. Os defletores (bandejas) são, normalmente, orientados a pelo menos10° do plano horizontal.Uma fila de defletores pode se formada pelamontagem a uma mesma elevação de uma pluralidade de chapas paralelashorizontalmente espaçadas. Para tal arranjo ordenado, o espaçamento linearou normal entre defletores adjacentes em uma fileira é, de preferência,constante.
Duas ou mais fileiras de defletores (bandejas) são arranjadasverticalmente dentro do módulo de conjunto de defletor. As fileiras arranjadasverticalmente de defletores no módulo de conjunto de defletor têm,tipicamente, a fileira posicionada mais alta, uma fileira posicionada maisbaixa e, opcionalmente, uma ou mais fileiras posicionadasintermediariamente. Por sua vez, cada fileira inclui um ou mais defletoresposicionados de modo que, quando a massa fundida polimérica contata umdefletor, a massa fundida polimérica move-se em uma direção descendentesob a força da gravidade. Além disso, os defletores em cada fileira sãoarranjados de modo paralelo. O arranjo das fileiras de defletores nos módulosde conjunto de defletor é tal que cada fileira (exceto a fileira mais baixa)transfere a massa fundida polimérica para uma fileira de defletoressubseqüente verticalmente adjacente. De acordo com o arranjo vertical doscomponentes no módulo de conjunto de defletor e pelos empilhamento demódulos de conjunto de defletor adicionais, caso necessário, dentro do reator,a massa fundida polimérica desce em cascata o comprimento vertical dointerior do vaso do reator,
O vaso do reator provê um meio de controlar tanto a pressãocomo a temperatura no espaço circundando os módulos de conjunto dedefletor. Os módulos de conjunto de defletor são montados no vaso paraprover retenção dos polímeros em fusão, aumentando, desse modo, o tempode residência líquido dentro do reator e sua exposição às condições de reação.
O tempo de residência líquido é necessário para permitir tempo suficientepara a cinética de polimerização adaptar-se com as taxas de liberação desubproduto realçado pelo aumento na área superficial de líquido-vapor e orealce de sua renovação.Este projeto não só provê maior área superficial livrepara a massa fundida polimérica, como provê também mais caminhos defluxo paralelos para que a profundidade do polímero sobre os defletores sejareduzida.
A presença de um divisor de suprimento no topo de ummódulo de conjunto de defletor facilita a mudança de número ou orientaçãode defletores (bandejas) de um módulo pata um módulo subseqüente maisbaixo.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
A Fig. 1 é uma vista em seção transversal de um modo derealização do módulo de conjunto de defletor da presente invenção mostrandodivisores de suprimento e um arranjo ordenado subseqüente de defletoresparalelos em uma estrutura de suporte;
a Fig. Ib é uma vista de topo da caixa de divisor de suprimentono topo de um módulo de conjunto de defletor da presente invenção;
a Fig. 2a é uma vista em perspectiva de um módulo deconjunto de defletor da presente invenção;
a Fig. 2b é uma vista em perspectiva de um módulo deconjunto de defletor da presente invenção com uma parede da estrutura desuporte removida para expor o arranjo de defletor interno;
a Fig. 3a é uma vista lateral de uma seção de defletor com umamassa fundida polimérica fluindo sobre a mesma;
a Fig. 3b é um esquema ilustrando o fluxo de massa fundidapolimérica através do divisor de suprimento e sobre os defletoressubseqüentes no conjunto da invenção;
a Fig. 4 é uma diagrama mostrando a relação espacial entre osdefletores usados no módulo de conjunto de defletor da invenção;
a Fig. 5a é uma ilustração demonstrando um mecanismo noqual o fluxo de massa fundida polimérica pode perder um defletor;
a Fig. 5b é uma lustração demonstrando o uso de extensões dedefletor para impedir que o fluxo de polímero perca um defletor (conformemostrado na Fig. 5 a);
a Fig. 5c é uma ilustração demonstrando fluxo de massafundida polimérica descontínuo sobre um defletor;
a Fig. 5d é uma ilustração demonstrando o uso de extensões dedefletor para impedir fluxo descontínuo de polímero (mostrado na Fig. 5 c);
a Fig. 5e é uma ilustração demonstrando a redução na largurada lâmina de polímero quando ele cai entre os defletores;
a Fig. 5f é uma ilustração demonstrando o uso de extensões dedefletor para minimizar a redução na largura de lâmina de polímero(conforme mostrado na Fig. 5e);
a Fig. 6a é uma vista lateral de um reator de polimerizaçãocomposto de um vaso que envolve um módulo de conjunto de defletor dapresente invenção; e
a Fig. 6b é uma vista de topo de um reator de polimerizaçãocontendo um módulo de conjunto de defletor da presente invenção mostrandoum bocal de entrada de polímero e bocal de saída de polímero, bem como, umbocal para remoção de gás.
DESCRIÇÃO DETALHADA DOS MODOS DE REALIZAÇÃO PREFERIDOS
Será feita referência agora em detalhe às composições oumodos de realização e métodos presentemente preferidos da invenção, queconstituem os melhores modos de praticar a invenção presentementeconhecida para os inventores.
Em um modo de realização da presente invenção, um conjuntoadaptado para ser colocado em um reator para polimerizar uma fusãopolimérica é provido. Com referência às Figs. Ia, lb, 2a e 2b, o módulo deconjunto de defletor 10 consiste de um divisor de suprimento estacionário edefletores estacionários montados em uma estrutura de suporte 12. O divisorde suprimento e defletores são referidos como estacionários devido a eles nãoterem partes móveis nem se moverem durante a operação.
O módulo de conjunto de defletor 10 inclui uma fileira dedefletores 24 que fica mais elevadamente posicionada e outra fileira dedefletores 26 que fica posicionada mais baixa. O módulo de conjunto dedefletor 10 incluirá, opcionalmente, uma ou mais fileiras posicionadasintermediariamente 28, 30, 32, 34. cada fileira das fileiras verticalmentearranjadas de defletores 24-34 inclui uma pluralidade de defletores 36, 38, 40,42, 44, 46. Tipicamente, cada fileira tem de cerca de 8 a 60 defletores. Alémdisso, cada defletor da pluralidade de defletores 36-46 é inclinado e forçadopara a mesma direção, de modo que, quando a fusão polimérica contata umdefletor da pluralidade de defletores 36-46, a fusão polimérica se move emuma direção descendente sob a força da gravidade. Neste contexto, forçadopara a mesma direção significa que cada defletor da pluralidade de defletoresde uma dada fileira direciona o fluxo de massa fundida polimérica no mesmosentido, ou seja, quando observando os defletores a partir das extremidades, ofluxo de cada defletor na fileira é da esquerda para a direita ou da direita paraa esquerda. Dito de outro modo, os defletores em cada fileira sãosubstancialmente paralelos, ou ainda nenhum dois defletores em uma fileiratêm um ângulo relativo entre eles que seja maior do que 90 graus. Além disso,cada fileira de fileiras verticalmente arranjadas 24-34, exceto a fileiraposicionada mais baixo, transfere a fusão polimérica para uma fileira maisbaixa verticalmente adjacente. Além disso, há um espaçamento consistenteentre os defletores em uma fileira. "Espaçamento consistente" como usadoaqui significa que os defletores são separados por uma distância suficientepara impedir que massa fundida polimérica 46 cubra o vão entre defletoresadjacentes em uma fileira.O divisor de suprimento é qualquer dispositivo que possa serusado para, uniformemente, subdividir o fluxo de polímero sobre osdefletores. Um divisor de suprimento pode ser formado de uma chapa pelaadição de aberturas apropriadamente posicionadas. Além disso,, arranjosordenados de hastes, barras, tubos, meio-tubos e ângulos podem serfacilmente arranjados para formar o divisor de suprimento.
O módulo de conjunto de defletor 10 inclui uma caixa divisorade suprimento que divide o fluxo usando uma chapa perfurada. Após fluiratravés de fileiras de portas divisoras de fluxo 14, 16, 18, 20, a massa fundidapolimérica se choca contra divisores de fluxo adicionais 48, 50, 52, 54. Estesdivisores adicionais 48, 50, 52, 54 são necessários quando o número defileiras de portas divisoras 14, 16, 18, 20 é igual à metade do número dedefletores em uma fileira. Os divisores 48, 50, 52, 54, conforme mostrado, sãofeitos de uma chapa semicircular (meio-tubo). Deve ser notado, porém, queoutras formas como chapa dobrada (ou seja, "inclinada") também podem serusadas. A estrutura de suporte 12 inclui, tipicamente, um primeiro par delados opostos 60, 62 e um segundo par de lados opostos 64, 66. Fileiras dedefletores 24-34 são situadas entre o primeiro par de lados opostos 60, 62 ecada defletor das fileiras de defletores 24-34 é disposto entre o segundo par delados opostos 54, 66. Além disso, o segundo par de lados opostos 64, 66inclui a pluralidade de aberturas 22 adaptadas para permitir escape de vaporliberado da massa fundida polimérica.
Com referência à Fig. 3, uma figura esquemática ilustrando ofluxo da massa fundida polimérica no módulo de conjunto de defletor dapresente invenção é provida. A massa fundida polimérica 70 é introduzida notopo do módulo de conjunto de defletor 10, entrando através da porta 72. Opolímero flui descendentemente sobra a chapa 74. A massa fundidapolimérica 70 flui, então, através de fileiras de portas divisoras 14, 16, 18 e 20que são localizadas na chapa 74. O fluxo através de fileiras de portas divisoras14, 16, 18, 20 atua para dividir o fluxo de massa fundida polimérica 70. Amassa fundida polimérica 70 se choca, então, sobre divisores de fluxo 48, 50,52, 54 que dividem adicionalmente o fluxo em correntes de fluxo 76, 78, 80,82, 84, 86, 88, 90 que fluem sobre cada um dos defletores 36 da fileira maiselevada 24. A massa fundida polimérica 70 prossegue, então, a fluir pelosdefletores 36 e depois sobre os defletores 38, com cada uma das correntes defluxo 76-90 fluindo sobre o mais próximo defletor dos defletores 38. Esteprocesso se repete para cada fileira de defletores até atingir a fileira maisbaixa de defletores 46. Os defletores 36-46 em cada uma das fileiras 24-34são inclinados por alfa, medido a partir de um plano horizontal quando vistode lado. Tipicamente,, alfa varia de 10 a cerca de 80 graus medido a partir doplano horizontal. Além disso, quando vista pela lateral, uma dada fileira dedefletores direcionará o fluxo de massa fundida polimérica 70descendentemente, da esquerda para a direita ou ao contrário. Além disso, emcada fileira, o sentido do percurso da esquerda para a direita ou da direita paraa esquerda alternará entre filas adjacentes. Outro aspecto vantajoso desteprojeto de defletor (bandeja) é o fato dele manter os aspectos de giro dopolímero do projeto de bandeja de teto-e-calha. Quando o polímero flui dedefletor para defletor, os dois lados da corrente de polímero em fluxo laminarsão alternadamente expostos à interface vapor-líquido. O polímero que estavano topo da corrente de polímero sobre um defletor está no fundo da piscinacontra o piso do defletor seguinte, e vice versa, o polímero que estava nofundo da corrente está no topo da corrente de fluxo e exposto ao vapor sobre odefletor seguinte. Entretanto, cada defletor de uma dada fileira 24-34direcionará o fluxo no mesmo sentido. Por conseguinte, cada defletor,tipicamente, de uma dada fileira de fileiras 24-34 será substancialmenteparalelo. Defletores não-paralelos estão também no escopo da invenção, vezque o sentido direcional de todos os defletores dentro de uma fileira é omesmo.A relação da espessura de correntes de fluxo 76-90 com ageometria de defletor ou bandeja e propriedades físicas do fluido éaproximada pela equação 1:
(3Ρμ) / (pgd3) = WNsen(a) I
onde F é o fluxo de massa total de polímero através do reator,g é a aceleração devido à gravidade, d é a espessura da massa fundidapolimérica, conforme mostrado na Fig. 3 a, μ é a viscosidade dinâmica damassa fundida polimérica, ρ é a densidade da massa fundida polimérica, W éa largura dos defletores, N é o número de defletores em uma fileira, e α é oângulo definindo a inclinação dos defletores com respeito ao plano horizontal.
Tipicamente, o ângulo α variará de 10 a cerca de 80 graus em relação a umplano horizontal.
Com referência à Fig. 4, um diagrama ilustrando o arranjo dosdefletores é provido. Para um dado a, d2 é a distância do desvio horizontalentre fileiras de defletores verticalmente adjacentes, d3 é o desvio vertical ouvão entre fileiras de defletores adjacentes, d4 é o cobrimento horizontal decada defletor, e d5 é a queda vertical para cada defletor. A distância dl varia,tipicamente, de 2,54cm a 25,4cm. Em outras variações, dl varia de cerca de5,08cm a cerca de 20,32cm. Em outras variações ainda, dl varia de cerca de10,16cm a cerca de 12,70cm. Tipicamente, a distância entre cada defletor dapluralidade de defletores é tal que, quando a massa fundida polimérica fluiatravés do módulo de conjunto de defletor, durante operação em estado firme,a massa fundida polimérica tem uma espessura de pelo menos 10% dadistância entre defletores adjacentes em uma fileira. Tipicamente, d2 varia de2,54cm a cerca de 10,16, d3 de cerca de 0 a cerca de 15,24cm, d4 de cerca de10,08 a cerca de 121,92cm,e d5 varia de cerca de 10,08 a cerca de 121,92cm.
Em outras variações, d2 varia de 5,08 a cerca de 10,16cm, d3 de cerca de 2,54a cerca de 7,62cm, d4 de cerca de 15,24cm a cerca de 30,48cm, e d5 de cercade 20,32 a cerca de 61 cm. Em outras variações, durante operação em estadofirme, a massa fundida polimérica tem uma espessura de pelo menos 20% dadistância entre defletores adjacentes em uma fileira. Em outras variaçõesainda. Durante operação em estado firme, a massa fundida polimérica temuma espessura de pelo menos 40% da distância entre defletores adjacentes emuma fileira.
Em uma variação da presente invenção, uma ou maisextensões de defletores são acopladas à borda de fundo de cada defletor, quetransfere a massa fundida polimérica para um defletor subseqüenteverticalmente posicionado. Com referência às Figs. 5a-f, esquemas ilustrandoo efeito de extensões de defletor sobre o fluxo de massa fundida poliméricasão providos. Na Fig. 5a, o defletor 100 é desenhado para transferir massafundida polimérica 102 para o defletor 104. Entretanto, sob certas condiçõessem nenhum a extensão de defletor sobre a extremidade do defletor 100, háum potencial de que a massa fundida polimérica 104 possa saltar sobre odefletor 104. Isto se deve ao fato de que, quando ρ polímero fluidescendentemente de um defletor, o líquido sobre a superfície de topo expostaestá se movendo mais rápido do que o polímero fluindo ao longo do pisoformado pelo defletor. Conseqüentemente, quando o polímero atinge o fiindodo defletor, ele tende a se curvar para trás, em direção ao piso do defletor doqual o polímero está saindo. Normalmente, isto não resulta em uma tremendaquantidade de movimentação horizontal. Entretanto, uma vez que o defletorabaixo está inclinado na mesma direção sobre um forte ângulo, o polímeropode atingir o defletor mais baixo a seguir a alguma distância abaixo docomprimento do defletor ou saltar o defletor totalmente. Na Fig. 5b, o defletor100 inclui uma ou mais extensões de defletor 106 que ajuda a direcionar ofluxo sobre o defletor 104, conforme mostrado. Desse modo, extensões dedefletor consistindo de hastes ou dedos se estendendo da borda de fundo dosdefletores (bandejas) é um aperfeiçoamento desta invenção. O espaçamentodas hastes ou dedos depende da viscosidade esperada e taxa de fluxo dopolímero. Os dedos se estendem verticalmente para baixo a partir do defletorao qual eles estão ligados, mas terminam logo antes da altura esperada daprofundidade de polímero sobre o defletor mais baixo a seguir. Com estesdedos, a lâmina de polímero de um defletor é direcionada para o defletorsubseqüente para utilizar mais da área superficial do defletor subseqüente.
Com referência à Fig. 5 c, outro fluxo de massa fundidapolimérica não-ótimo que pode ocorrer sem extensão de defletor é ilustrado.
Neste cenário, a massa fundida polimérica 102 é observado fluir de umamaneira descontínua ("bola de neve") no defletor abaixo seguinte 100 e,assim, de defletor 100 para o defletor 104. NO loca em que o material emqueda 102 contata o defletor 104, há algum dobramento do material sobre seupróprio topo. A extensão deste dobramento em combinação com a inclinaçãodo defletor 104 pode resultar no fluxo descontínuo mostrado. A Fig. 5d ilustracomo as extensões de defletor 106 remediam a situação pela redução daextensão que o dobramento ocorre.
Com referência à Fig. 5e, uma vista terminal superior da massafundida polimérica 102 fluindo do defletor 100 é provida. Na ausência deextensões de defletor, a largura da película em queda é reduzida quando amassa fundida polimérica 102 é puxado em direção ao meio do defletor 100.
Como demonstrado na Fig. 5f, extensões de defletor 106 tendem a mitigareste efeito. Tipicamente, uma ou mais extensões de defletor compreendemuma pluralidade de protuberâncias em forma de haste se estendendo de umaborda de fundo de cada defletor.
Em outro modo de realização da presente invenção, um reatorde polimerização que utiliza um ou mais módulos de conjunto de defletordescritos acima é provido. Com referência às Figs. 1 e 6, o reator depolimerização 120 inclui módulo de conjunto de defletor 10 e contentordisposto verticalmente 122. A entrada de massa fundida polimérica 124 éacoplada próximo ao topo 126 da concha externa 122 e a saída de massafundida polimérica 128 é acoplada próximo ao fundo 130 da concha externa122. Além disso, o reator de polimerização 120 inclui também saída de vapor132 acoplada à concha externa 122. Finalmente, o reator de polimerização120 inclui o módulo de conjunto de defletor 10 que recebe a massa fundidapolimérica proveniente da entrada de massa fundida polimérica e o transferepara a saída de massa fundida polimérica 126, como ilustrado acima. Emoutra variação deste modo de realização, conjuntos de defletores adicionaispodem ser colocados lado a lado do módulo de conjunto de defletor 10 e/ouempilhado abaixo do conjunto de defletor 10.
O reator de polimerização 120inclui também um aquecedor (não mostrado) para manter a massa fundidapolimérica em um estado fluido e uma bomba de vácuo (não mostrada) parareduzir a pressão no interior do reator de polimerização (não mostrado). Abomba de vácuo atuará, tipicamente, através da saída de vapor 132.Especificamente, o módulo de conjunto de defletor 10 inclui duas ou maisfileiras arranjadas verticalmente de defletores 24-34. As fileiras arranjadasverticalmente tendo uma fila posicionada mais elevada 24, uma fileira maisbaixa 26 e, opcionalmente, uma ou mais fileiras posicionadasintermediariamente 28-34. Além disso, cada fileira de fileiras arranjadasverticalmente 24-34 inclui uma pluralidade de defletores que são inclinadospara que, quando a massa fundida polimérica contata um defletor dapluralidade de defletores, a massa fundida polimérica se mova em umadireção descendente sob a força de gravidade. Finalmente, cada uma dasfileiras, exceto a fileira posicionada mais baixa 26, é adaptada para transferir amassa fundida polimérica para uma fileira verticalmente adjacente.
Em outro modo de realização ainda da invenção, um métodode aumentar o grau de polimerização em uma massa fundida poliméricausando o módulo de conjunto de defletor apresentado acima é provido. Ométodo da invenção compreende introduzir a massa fundida polimérica nomódulo de conjunto de defletor a uma temperatura e pressão suficientes. Osdetalhes do conjunto estão apresentados acima. O método deste modo derealização compreende dividir a corrente de massa fundida polimérica antesde contatar a fileira posicionada mais alto de defletores com a massa fundidapolimérica. Em seguida, as fileiras intermediárias opcionais de defletores sãocontatadas pela massa fundida polimérica. Após passar sobre fileiraposicionada mais baixa de defletores, a massa fundida polimérica flui parafora do módulo de conjunto de defletor. A massa fundida poliméricaremovida do módulo de conjunto de defletor tem, vantajosamente,, um maiorgrau de polimerização do que quando a massa fundida polimérica foiintroduzido no conjunto. Em uma variação deste modo de realização, atemperatura de reação varia de cerca de 25O0C a cerca de 320°C, e a pressãode reação de cerca de 26,6Pa a cerca de 4000Pa.
De modo a obter utilização eficaz de espaço, o espaçamentohorizontal dentro de uma fileira de defletores pode ser adaptado à viscosidadeem fusão do líquido (ou seja, a massa fundida polimérica). Desse modo,quando a viscosidade aumenta do topo para o fundo do reator, o espaçamentomínimo horizontal pode aumentar entre os defletores adjacentes em umafileira. Como resultado, o número de defletores em uma fileira pode sermenor para os módulos de conjunto de defletor adjacentes inferiores. Oprojeto de divisor de suprimento usado em cada módulo deve, portanto, levarem conta qualquer mudança no número de defletores em uma fileira. Alémdisso, um projeto com um divisor de suprimento em cada módulo facilita amudança de orientação dos defletores, por exemplo, tendo os defletores e,módulos sucessivos girados de 90 graus ao redor da linha central do reator.
Deve ser apreciado também que um número de módulos deconjunto de defletor pode ser empilhado para prover um caminho de fluxomais longo para a massa fundida polimérica. Embora o presente exemploilustre o uso de um único conjunto de módulo, um número arbitrário deconjuntos de módulos pode ser utilizado. O número real de conjuntos demódulos necessário depende de vários fatores.
Embora modos de realização desta invenção tenham sidoilustrados e descritos,, não há a pretensão destes modos de realizaçãoilustrarem e descreverem todas as formas possíveis da invenção. Em vezdisso, as palavras usadas no relatório são palavras descritivas mais do que delimitação, e deve ser entendido que várias mudanças podem ser feitas sem seafastar do espírito e escopo da invenção.

Claims (25)

1. Conjunto modular para um reator de polimerizaçãoacionado por fluxo vertical por gravidade para polimerizar uma massa fundidade polímero tendo alta viscosidade, o conjunto caracterizado pelo fato decompreender:uma estrutura de suporte tendo uma pluralidade de aberturaslaterais adaptadas para permitir o escape de vapor liberado da massa fundidapolimérica; eum divisor de suprimento para subdividir o fluxo de polímero;eduas ou mais fileiras arranjadas verticalmente de defletoresposicionados na estrutura de suporte, as duas ou mais fileiras arranjadasverticalmente tendo uma fileira posicionada mais elevada, uma fileiraposicionada mais baixa e, opcionalmente, uma ou mais fileiras intermediárias,onde cada fileira das duas ou mais fileiras arranjadas verticalmente inclui umapluralidade de defletores, a pluralidade de defletores sendo inclinada eorientada na mesma direção de modo que, quando a massa fundida poliméricacontata um defletor da pluralidade de defletores, a massa fundida poliméricase move em uma direção descendente sob a força da gravidade e onde cadafileira das duas ou mais fileiras arranjadas verticalmente, exceto a fileira maisbaixa, é adaptada para transferir a massa fundida polimérica para uma fileiramais baixa verticalmente adjacente.
2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de cada fileira das duas ou mais fileiras posicionadas verticalmentecompreender uma pluralidade de defletores substancialmente paralelos.
3. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato da distância entre cada defletor da pluralidade de defletores em umaúnica fileira ser tal que, quando a massa fundida polimérica flui através doconjunto, durante operação em estado firme, a massa fundida polimérica temuma espessura de pelo menos 10% da distância entre defletoreshorizontalmente adjacentes.
4. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de cada defletor da pluralidade de defletores ser posicionado a umângulo de cerca de 10 graus a cerca de 80 graus medidos a partir de um planohorizontal.
5. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de cada fileira das duas ou mais fileiras arranjadas verticalmentecompreender cerca de 8 a cerca 60 defletores.
6. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato das fileiras arranjadas verticalmente compreenderem umapluralidade de defletores, com cada defletor da pluralidade de defletores emuma fileira separado por uma distância mínima de cerca de 2,54 a cerca de 25,4cm.
7. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato das fileiras arranjadas verticalmente compreenderem umapluralidade de defletores, com cada defletor da pluralidade de defletores emuma fileira separado por uma distância mínima de cerca de 5,08 a cerca de 20,3cm.
8. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de cada fileira das duas ou mais fileiras arranjadas verticalmente,exceto a fileira posicionada mais baixa, ser adaptada para transferir a massafundida polimérica para uma fileira mais baixa verticalmente adjacente, demodo que cada defletor transfira a massa fundida polimérica para um defletormais próximo abaixo verticalmente posicionado.
9. Conjunto de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de cada defletor que transfere massa fundida polimérica para umdefletor mais próximo abaixo verticalmente posicionado compreenderadicionalmente uma ou mais extensões de defletores.
10. Conjunto de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de uma ou mais extensões de defletores compreender umapluralidade de protuberâncias em forma de haste se estendendo de uma bordade fundo de cada defletor, as protuberâncias adaptadas para transferir massafundida polimérica para um defletor mais próximo abaixo verticalmenteposicionado.
11. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato da estrutura de suporte compreender um primeiro par de ladosopostos e um segundo par de lados opostos com duas ou mais fileirasarranjadas verticalmente de defletores dispostas entre o primeiro par de ladosopostos e cada defletor da pluralidade de defletores disposto entre o segundopar de lados opostos.
12. Conjunto de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato do segundo par de lados opostos incluir a pluralidade de aberturasadaptadas para permitir o escape de vapor liberado da massa fundidapolimérica.
13. Conjunto de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato da pluralidade de aberturas adaptada para permitir escape de vaporliberado da massa fundida polimérica ser adjacente a vãos entre doisdefletores adjacentes da pluralidade de defletores.
14. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizadoadicionalmente pelo fato de compreender um ou mais divisores de fluxo demassa fundida polimérica adaptada para dividir a massa fundida poliméricafluindo do divisor de suprimento ou de uma ou mais entradas de polímero.
15. Reator de polimerização, caracterizado pelo fato decompreender o conjunto como definido na reivindicação 1 colocado dentro deum contentor verticalmente disposto.
16. Método para aumentar o grau de polimerização em umamassa fundida polimérica, o método caracterizado pelo fato de compreender:a) introduzir a massa fundida polimérica em um conjunto auma temperatura e pressão suficientes para aumentar o grau de polimerizaçãoda massa fundida polimérica, o conjunto compreendendo:um divisor de suprimento e duas ou mais fileiras arranjadasverticalmente de defletores, as duas ou mais fileiras arranjadas verticalmentetendo uma fila de defletores posicionada mais elevada, uma fileira dedefletores posicionada mais baixa, e uma ou mais fileiras opcionaisintermediariamente posicionadas de defletores, onde cada fileira de duas oumais fileiras arranjadas verticalmente inclui uma pluralidade de defletores, apluralidade de defletores paralelos sendo inclinada e orientada na mesmadireção de modo que, quando a massa fundida polimérica contatar um defletorda pluralidade de defletores, a massa fundida polimérica se mover em umadireção descendente sob a força da gravidade e onde cada fileira das duas oumais fileiras arranjadas verticalmente, exceto a fileira mais baixa, seradaptada para transferir a massa fundida polimérica para uma fileira adjacenteverticalmente inferior;b) contar a mais alta fileira posicionada de defletores com amassa fundida polimérica;c) contatar as fileiras opcionais intermediárias de defletorescom a massa fundida polimérica;d) contatar a mais baixa fileira posicionada de defletores com amassa fundida polimérica; ee) remover a massa fundida polimérica do conjunto onde amassa fundida polimérica removido do conjunto tem um maior grau depolimerização do que quando a massa fundida polimérica foi introduzida noconjunto.
17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato da temperatura variar de cerca de 250°C a cerca de 320°C.
18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato da pressão variar de cerca de 26,6Pa a cerca de 4000Pa.
19. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de cada fileira das duas ou mais fileiras posicionadas verticalmentecompreender uma pluralidade de defletores essencialmente paralelos.
20. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato da distância entre cada defletor da pluralidade de defletores ser talque, quando a massa fundida polimérica flui através do conjunto duranteoperação em estado firme, a massa fundida polimérica ter uma espessura depelo menos 10% da distância entre defletores horizontalmente adjacentes.
21. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de cada fileira das duas ou mais fileiras verticalmente arranjadas,exceto a mais baixa fileira posicionada, ser adaptada para transferir a massafundida polimérica para uma fileira inferior verticalmente adjacente de modoque cada defletor transfira massa fundida polimérica para o mais próximodefletor abaixo verticalmente posicionado.
22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de cada defletor que transfere massa fundida polimérica para umdefletor mais próximo posicionado verticalmente abaixo compreenderadicionalmente uma ou mais extensões de defletor.
23. Método de acordo com a reivindicação 23, caracterizadopelo fato de uma ou mais extensões de defletor compreender uma pluralidadede protuberâncias em forma de haste a partir de uma borda de fundo de cadadefletor, as protuberâncias transferindo a massa fundida polimérica para umdefletor mais próximo verticalmente posicionado abaixo.
24. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato da estrutura de suporte compreender um envoltório que inclui umprimeiro par de lados opostos, e um segundo par de lados opostos com asduas fileiras verticalmente arranjadas de defletores dispostas entre o primeiropar de lados opostos e cada defletor da pluralidade de defletores disposta entreo segundo par de lados opostos, e onde o segundo par de lados opostos incluiuma pluralidade de aberturas adaptadas para permitir escape de vapor liberadoda massa fundida polimérica.
25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato da pluralidade de aberturas adaptadas para permitir escape de vaporliberado da massa fundida polimérica ser adjacente aos vãos entre doisdefletores adjacentes da pluralidade de defletores.
BRPI0611130-0A 2005-05-05 2006-04-25 conjunto modular para um reator de polimerização acionado por fluxo vertical por gravidade para polimerizar uma massa fundida polimérica, e, método para aumentar o grau de polimerização em uma massa fndida polimérica BRPI0611130A2 (pt)

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