CZ20004403A3 - Řídící soustava pro kontinuální polyamidační proces - Google Patents

Abstract

Zlepšená polyamidační soustava a řídicí soustava k výrobě polyamidu z roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu. Řídicí soustava polyamidace měří molámí poměr roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu u částečně zpolymerované směsi. V rámci řídicí soustavy je použit algoritmus pro řízení přísunu za účelem určení hodnoty poměru, na niž musí být změněn poměr výchozích reaktantů před smísením, aby byl vyroben výsledný polyamid se stechiometricky vyrovnaným molámím poměrem.

Description

Řídicí soustava pro kontinuální polyamidační proces

Oblast techniky

Vynález se obecně týká způsobů výroby polyamidů z monomerů dikarboxylové kyseliny a monomerů diaminu. Konkrétněji, vynález se týká zlepšené polymerační soustavy a k ní příslušející řídicí soustavy, která udržuje požadovaný hmotnostní průtok roztavených reaktantů pomocí měření molárního poměru reaktantů po započetí polymerace a upravování průtoku surovin pro strojní zpracování, roztavených reaktantů.

Dosavadní stav techniky

Velkou výzvou ve výrobě polyamidů je zajištění smíchání reaktantů dostatečně ktomu, aby byl počet karboxylových a/nebo aminových koncových skupin ve výsledném polyamidu vyrovnaný. Jestliže se reaktanty smísí tak, že zbyde nestejný počet karboxylových a/nebo aminových koncových skupin, může to negativně ovlivnit určité vlastnosti výsledného polyamidu. Např. se zjistilo, že při výrobě nylonu 6,6 z kyseliny adipové a hexamethylendiaminu mohou nevyrovnané koncové skupiny nepříznivě ovlivnit barvitelnost nylonu, stejně jako snížit schopnost tvorby nylonu 6,6 o vysoké molekulové hmotnosti. Výsledkem toho je, že výrobci kladou důraz na vyrovnání molárního poměru reaktantů během polymerace v zájmu maximalizace kvality polyamidů.

Jedna z dosavadních technik výroby polyamidů zahrnuje dvoustupňový způsob, v němž reagují dikarboxylová kyselina s diaminem ve vodě a vytvoří spolu sůl, a pak je sůl zahřáta, čímž je zapříčiněna polymerace. Tento dvoustupňový polymerační způsob má však nevýhody v tom, že vyžaduje přidání vody a použití vypařovacích komor za účelem odstranění vody přidané při tvorbě soli. Je také těžké řídit proces, aby byla zajištěna správná molární rovnováha v konečném polymeru, protože vypařovací komory jsou velmi nevypočitatelné a obtížně se modelují.

U tohoto dvoustupňového způsobu bylo použito mnoho různých řídicích mechanismů. Jeden známý řídicí mechanismus zahrnuje fyzické odstraňování vzorku materiálu v průběhu procesu pro analýzu koncových skupin. To je však nevýhodné v tom, že provedení zabírá čas a má sklon k zavedení nepřesnosti, protože vzorky neodrážejí vždy adekvátně vlastnosti materiálů v průběhu procesu.

Další známý řídicí mechanismus zahrnuje provedení vřazené analýzy koncových skupin ve snaze zajistit správnou molární rovnováhu ve výsledném polyamidu. Tyto vřazené řídicí mechanismy jsou užitečné ve smyslu zamezení potřeby fyzického odebírání vzorků materiálů v průběhu procesu. Jedna technika zahrnuje nepřímé stanovení molární rovnováhy pomocí měření pH soli vytvořené ve dvoustupňovém procesu. Tato technika měření pH je však omezená, protože pH není přesným ukazatelem rovnováhy koncových skupin ve výsledném polyamidu.

Další technika vřazené analýzy koncových skupin zahrnuje měření poměru koncových skupin roztavených reaktantů během polymerace a na základě tohoto stanovení nástřik přiměřeného množství reaktantů k roztavené polymerační směsi, aby byla zajištěna požadovaná molární rovnováha ve výsledném polyamidu. Tento systém je nevýhodný v tom, že vyžaduje drahá přídavná měřicí zařízení a systém k nástřiku dodatečného reaktantů do roztavené polymerační směsi. Tato soustava je také omezena v tom, že vyžaduje přídavný čas ktomu, aby se následně přidané reaktanty smísily s roztavenou polymerační směsí.

Byly podniknuty snahy vyrábět polyamidy přímo z monomerů bez přidání vody. Ukázalo se však, že řízení stupně vázání reaktantů je poměrně obtížné, protože přebytek jednoho nebo druhého reaktantů nepříznivě ovlivní molekulovou hmotnost a tím fyzikální vlastnosti produktu. Další problémy u takových přímých polymeračních způsobů zahrnují degradaci monomerů a/nebo polymerního produktu následkem (1) udržování při vysokých teplotách po dlouhé časové intervaly (např. několik hodin), (2) kontaktu roztaveného monomeru s kyslíkem a (3) vystavení stopovým kovovým nečistotám v materiálech, z nichž je zhotoveno procesní zařízení.

Je zde dlouhotrvající potřeba zlepšené polymerační soustavy a její řídicí soustavy, které by překonaly výše zmíněné nevýhody dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Jedním aspektem vynálezu je zlepšená polymerační soustava k výrobě polyamidu z monomeru dikarboxylové kyseliny a monomeru diaminu. První měřicí prostředky jsou vybaveny pro měření přívodu roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny. Druhé měřicí prostředky jsou vybaveny pro měření přívodu roztaveného monomeru diaminu. První a druhé měřicí prostředky jsou spolu spojeny tak, aby se přívod roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a přívod roztaveného monomeru diaminu smíφ ·· ·

sily a vytvořily roztavenou polymerační směs. Je zde poskytnuta alespoň jedna neodvětraná reakční nádoba k polymeraci polymerační směsi. Jsou zde prostředky pro detekci molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi. Řídicí prostředky jsou komunikativně spojeny s prostředky pro detekci a prvními a druhými měřicími prostředky. Řídicí prostředky selektivně upravují hmotnostní průtok alespoň jednoho z přívodů roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu za účelem vyvážení molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi.

Dalším aspektem vynálezu je řídicí soustava polymerace k výrobě polyamidu z monomeru dikarboxylové kyseliny a monomeru diaminu. Jsou zde poskytnuty první prostředky pro měření přívodu roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny. Jsou zde druhé prostředky pro měření přívodu roztaveného monomeru diaminu do přívodu roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny k vytvoření roztavené polymerační směsi. Jsou zde prostředky pro detekci molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi. Je zde regulátor komunikativně spojený s prostředky pro detekci a s alespoň jedněmi z prvních a druhých prostředků pro měření. Regulátor řídí alespoň jedny z prvních prostředků pro měření a druhých prostředků pro měření na základě vstupního signálu molárního poměru z prostředků pro detekci za účelem úpravy hmotnostního průtoku alespoň jednoho z roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu, aby byl molární poměr roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi vyrovnaný.

Tato řídicí soustava pracuje kontinuálně, aby byla zajištěna polymerace reaktantů vyrovnaným způsobem se stejným počtem karboxylových a aminových koncových skupin ve výsledném polyamidu. Jakákoli modifikace průtoku reaktantů se provádí před tvorbou roztavené polymerační směsi. To znamená, že první a druhé měřicí prostředky jsou upraveny tak, aby měnily hmotnostní průtok alespoň jednoho z roztaveného karboxylového monomeru a roztaveného diaminového monomeru. Po smísení se nemusí přidávat žádný dodatečný monomer dikarboxylové kyseliny nebo monomer diaminu.

Řídicí soustava podle vynálezu se hodí zvláště pro použití v rámci polymerační soustavy, která produkuje polyamidy přímo z monomerů. Takto není nutné přidávat k dikarboxylové kyselině, k diaminu nebo k roztavené polymerační směsi vodu.

·· ···· ·· · · · · · ··· · · 4 ······ ···· ······ • · · 4 · · · · ···· · ··· ··· ·· ··

Teplota polymerační směsi v alespoň jedné neodvětrané reakční nádobě je mezi asi 220 a asi 300 °C. Přetlak v alespoň jedné neodvětrané reakční nádobě je s výhodou 0 až 3,45 MPa, výhodněji mezi asi 0,34 až 1,72 MPa, nejvýhodněji mezi asi 0,83 až 1,24 MPa. Doba zdržení polymerační směsi v alespoň jedné neodvětrané reakční nádobě je s výhodou mezi asi 0,01 minut až asi 30 minut, výhodněji mezi asi 0,5 až 30 minut, nejvýhodněji mezi asi 1 až 5 minutami. Polymerační směs vycházející z alespoň jedné neodvětrané reakční nádoby obvykle obsahuje méně než 40 %hm. nezpolymerovaných monomerů, s výhodou méně než 10%hm. nezpolymerovaných polymerů.

V určitých provedeních může být alespoň jedna větraná reakční nádoba případně použita za tou alespoň jednou neodvětranou reakční nádobou pro odstraňování vody, která vznikla při procesu polymerace a/nebo pro další polymeraci. Když je ta alespoň jedna větraná reakční nádoba takto použita, je v ní doba zdržení polymerační směsi s výhodou od asi 1 minuty po asi 60 minut.

Lze použít i soustavu pro regeneraci odplynu za účelem regenerace zplyněného monomeru diaminu a/nebo monomeru dikarboxylové kyseliny v odplynu produkovaném tou alespoň jednou větranou reakční nádobou. Tento proud odplynu obvykle obsahuje vodní páru a odpařený monomer diaminu. Odplyn je uveden do styku s roztaveným monomerem dikarboxylové kyseliny v regenerační koloně, čímž alespoň část odpařeného monomeru diaminu reaguje s monomerem dikarboxylové kyseliny a tvoří polyamid. To slouží k vytvoření proudu kapalného odpadního toku v regenerační koloně, kde tento proud obsahuje polyamid a nezreagovaný roztavený monomer dikarboxylové kyseliny. Proud kapalného odpadního toku může být následně smíchán s roztaveným monomerem diaminu.

V jednom provedení je relativní viskozita (RV) nylonu 6,6 v polymerační směsi vycházející z neodvětrané reakční nádoby mezi asi 0 a asi 3 a relativní viskozita nylonu 6,6 v polymerační směsi vycházející z větrané reakční nádoby je mezi asi 3 a asi 15. Relativní viskozita, tak jak je zde použita, představuje poměr viskozity (v Pa.s) 8,4% hmotn. roztoku polyamidu v 90% kyselině mravenčí (90 % hmotn. kyseliny mravenčí a 10 % hmotn. vody) při 25 °C kviskozitě (v Pa.s) samotné 90% kyseliny mravenčí při 25 °C.

Polyamidační způsob podle vynálezu může vyprodukovat svůj výsledný produkt bez potřeby přidání vody k reaktantům a bez meziproduktového kroku tvorby soli. Navíc může způsob podle vynálezu probíhat kontinuálně a s mnohem kratšími dobami zdržení • φ

roztavených reaktantů a roztaveného polymeru ve vysokoteplotních oddílech procesu. To výrazně snižuje spotřebu vody, produkci odpadní vody a spotřebu energie při procesu. To také odstraňuje potřebu nebo snižuje požadovanou velikost některých procesních zařízení, které lze nalézt u způsobů dosavadního stavu techniky, jako např. odparky, které se používaly k odstraňování procesní vody. Dále se ruší vystavení reaktantů a produktu nadměrným teplotám.

Aspekt vynálezu týkající se kontinuálního tavení dikarboxylové kyseliny, jako je např. kyselina adipová, zajišťuje praktický a ekonomický způsob kontinuálního přivádění roztavené dikarboxylové kyseliny pro použití v procesu polyamidace nebo pro jiná použití. Proces poskytuje vysoce kvalitní roztavenou kyselinu beze změny barvy nebo jiné tepelné degradace. Výroba čisté roztavené kyseliny usnadňuje výrobu vysoce kvalitního polyamidu.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 je blokové schéma znázorňující zlepšenou polyamidační soustavu podle vynálezu; obrázek 2 je blokové schéma znázorňující řídicí soustavu polymerace podle vynálezu; obrázek 3 je druhé blokové schéma znázorňující řídicí soustavu polymerace podle vynálezu, jak je znázorněno na obr.2; a obrázek 4 je blokové schéma znázorňující další možnou řídicí soustavu polymerace podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Polymerační soustava a řídicí soustava polymerace podle vynálezu mohou být použity k výrobě různých polyamidů z monomerů dikyseliny a diaminu. Tyto soustavy jsou obzvlášť užitečné pro výrobu nylonu 6,6 z kyseliny adipové a hexamethylendiaminu.

Obrázek 1 představuje technologické blokové schéma jednoho provedení způsobu. Roztavený hexamethylendiamin (HMD) je dodáván ze zásobníku 20 roztaveného HMD. Existuje několik vhodných způsobů dodávání roztaveného HMD. Jedním je umístění zařízení pro polyamidační proces hned vedle zařízení, kde je vyráběn HMD, aby mohl být proud roztaveného HMD veden potrubím přímo do zásobníku 20. Dalším způsobem by byla příprava vodného roztoku HMD, vypaření vody a roztavení HMD.

• · · · ·· ··

Případně může být v tomto zásobníku 20 uplatněno teplo, např. pomocí pláště pro přenos tepla okolo zásobníku 20. Teplota v tomto zásobníku je s výhodou asi 70 °C. Roztavený HMD je pak čerpán přes HMD měřicí soustavu 22, která přesně řídí množství HMD dodávaného do následujícího zařízení.

Kyselina adipová, obvykle ve formě suchých krystalů, je dodávána ze zásobníku 24. Kyselina adipová putuje ze zásobníku do tlakového tanku 26 k eliminaci kyslíku. V tomto tanku 26 je odstraněn vzduch. S výhodou se dosáhne odstranění vzduchu v tanku 26 cyklováním vakua a vytěsnění dusíku v dávkovém režimu. Vakuum může být indukováno prostřednictvím vakuové pumpy 28. Frekvence cyklování mezi vakuem a dusíkovým tlakem může být upravena za účelem dosažení požadovaného stupně odstranění kyslíku.

Tlakový tank 26 k odstranění kyslíku s výhodou obsahuje tlakovou nádobu, jejíž spodní část tvoří násypku se zmenšujícím se průměrem směrem ke spodní části. Strany násypkové části tlakového tanku k odstranění kyslíku s výhodou tvoří s horizontálou úhel alespoň 70° za účelem usnadnění proudu ven ze spodní části tanku.

Krystaly kyseliny adipové, které jsou převážně zbavené kyslíku, potom proudí (s výhodou gravitaci, s pomocí dusíkového tlaku v tlakovém tanku k odstranění kyslíku) z tlakového tanku 26 k odstranění kyslíku do taviči nádoby 30 kyseliny adipové. Taviči nádoba 30 je s výhodou kontinuálně míchaná nádoba s pláštěm, která pracuje mírně natlakovaná dusíkem při teplotě mírně nad bodem tání kyseliny adipové (tj. nad 153 °C). Krystaly kyseliny adipové, které vstupují do této nádoby její vrchní částí, se rychle roztaví na povrchu roztavené kyseliny adipové, která tam je. Takto může tento proces kontinuálně roztavovat kyselinu adipovou. S výhodou má tavící nádoba 30 obrácené kónické vstupní ústí, aby se snížil proudový odpor. Je také výhodné, je-li taviči nádoba 30 vyrobena ze slitiny kovů obsahující málo nebo žádné nečistoty, které by nepříznivě ovlivnily roztavený monomer. Vhodnými materiály jsou Hastolloy C a nerezová ocel 316.

Může být užitečné zahrnout dodatečná opatření pro další odstranění kyslíku z této taviči nádoby, aby se minimalizovala možnost tepelné degradace. Jedním způsobem, jak to provést, je dodávat roztavené kyselině adipové v taviči nádobě 30 vibrační energii, např. prostřednictvím ultrazvukového zařízení. Vibrační energie může usnadnit únik pohlceného vzduchu z roztavené kyseliny, a to tak, že způsobuje výstup vzduchových bublin na povrch rožtavené kyseliny.

·· *· • 9 9 ·

9 9 9

9 9 ·

9 9 9

9 99

Doba zdržení roztavené kyseliny adipové v tavící nádobě 30 se s výhodou minimalizuje, aby se omezilo vystavení reaktantu teplu. S výhodou je doba zdržení méně než tři hodiny, výhodněji mezi přibližně 1 až 2 hodinami. Roztavená kyselina adipová vychází ze spodní části taviči nádoby 30 a je čerpána do měřicí soustavy 32 kyseliny adipové, která přesně řídí množství kyseliny adipové přiváděné do následujícího zařízení.

Spojení tlakového tanku 26 k odstranění kyslíku a taviči nádoby 30 kyseliny adipové umožňuje kontinuální tavení krystalů kyseliny adipové bez tepelné degradace nebo změny barvy.

Měřicí soustava 22 HMD a měřicí soustava 32 kyseliny adipové dodávají roztavené monomery ve stechiometrických množstvích tak, aby se roztavený HMD a roztavená kyselina adipová smísily ve spoji 38 tvaru Y a vytvořily „polymerační směs“, jak se na ni bude níže odkazovat. Jinými slovy, roztavené monomery se smísí a promíchají ve spoji tvaru Y a tak je iniciován proces polymerace. Polymerační směs postupuje dalším úsekem 40 čerpání a do neodvětraného mísiče 42, kterým je s výhodou vřazený statický mísič.

Ve výhodném provedení má proud 36 roztavené kyseliny adipové teplotu asi 170 °C a proud 34 roztaveného HMD má teplotu asi 70 °C a přetlak ve spoji 38 tvaru Y je přibližně 1,03 MPa. Vřazeným statickým mísičem je s výhodou statický mísič Kenics s 24 prvky. Stěny spoje tvaru Y a vřazeného mísiče 42 jsou s výhodou udržovány na teplotě přibližně 268 °C. Doba zdržení monomerů v mísiči 42 je s výhodou mezi asi 1 až 30 sekundami, výhodněji asi 3 sekundy. Polymerační směs opouštějící mísič 42 prochází do neodvětraného potrubí, což umožní např. dalších 10 až 60 sekund reakčního času při 260 °C a přetlaku 1,03 MPa.

Přestože může způsob podle vynálezu pracovat bez obsahu vody v reaktantech, nepožaduje se, aby byly reaktanty úplně bezvodé. Např. přívodný proud HMD by mohl obsahovat až asi 5 % hmotn. vody a proud kyseliny adipové by mohl obsahovat až asi 2 % hmotn. vody a proces by měl stále řádně probíhat. Proudy reaktantů s tak nízkým obsahem vody jsou zde uváděné jako „v podstatě suché“.

Část reakce HMD a kyseliny adipové probíhá od doby jejich vzájemného kontaktu ve spoji 38 tvaru Y a pokračuje po čas jejich vstupu do tepelného výměníku 44. Teplota a doba zdržení užité v této části procesu mohou být zvoleny tak, aby způsobily úplnou polymeraci do tohoto bodu nebo aby zabránily výskytu úplné polymerace od tohoto bodu. U druhé z těchto dvou situací se produkt parciální reakce vzniklý kontaktem

Úp ·· • · · * · ·

• fl • · · · • · · · • · · · · • · · · • flfl ·· monomerů zde uvádí jako „prepolymer“. Hmota prepolymeru v potrubí za mísičem 42 se obvykle z 60 až 90 % přemění na nylon 6,6. Nemělo by dojít k žádnému ucpání, protože použité podmínky zabraňují krystalizací meziproduktů o nízkém bodu tání. Pro optimální činnost je důležité, aby byly potrubí 40 a mísič 42 neodvětrané a aby v nich byl relativně nízký přetlak, např. mezi asi 0 až 3,45 MPa, velmi výhodně asi 1,03 MPa.

V provedení znázorněném na obr.1 prepolymer dále prochází tepelným výměníkem 44 a do větraného prepolymerního reaktoru 46 Není rozhodující, je-li zde použit tepelný výměník. Jakékoli požadované teplo může být místo toho zajištěno vnitřními topnými hady v reaktoru 46 nebo pláštěm okolo reaktoru. Ohřátý prepolymer, který vychází z tepelného výměníku 44, s výhodou vstupuje do reaktoru 46 v bodě pod povrchem v něm obsaženého kapalného materiálu. Další polymerace může probíhat v tomto reaktoru 46, kterým je s výhodou kontinuálně míchaný tankový reaktor. Proud 48 ze dna reaktoru může být případně rozdělen do recyklačního proudu 50 a druhého proudu 52, který je odváděn pro další zpracování. Použije-li se recyklace, je průtok s výhodou alespoň 15krát větší než průtok přívodu čerstvého prepolymeru do reaktoru 46. Reaktor 46 je s výhodou provozován asi z 50 % naplněný kapalným materiálem, aby se zajistil velký povrch pro uvolňování pára/kapalina.

V tomto procesu je velmi žádoucí zajistit zpětné míchání koncových skupin polymeru, generaci velké plochy povrchu rozhraní, která usnadňuje vyprchání roztaveného materiálu, a vysoké rychlosti přenosu tepla, kde tyto vlastnosti mohou rychle zvýšit teplotu roztaveného materiálu. Těchto výhod lze dosáhnout např. použitím kontinuálně míchaného tankového reaktoru nebo použitím uzavřeného průtokového reaktoru spolu s recyklací proudu produktu.

Horním proudem 54 z reaktoru 46 je proud obsahující páru (tj. vypařená voda, která vznikla polykondenzační reakcí) a obvykle nějaký HMD. Horní proud 54 prochází do regenerační kolony 56 HMD, do níž je dodávána i voda. Proud kondenzátu 60 obsahující nějaký HMD a vodu se vrací zpět do reaktoru 46, zatímco zbylá pára se ochladí tepelným výměníkem 62 a odstraní se jako část proudu odplynu 64.

V jednom provedení je prepolymer zahřát na asi 260 °C v tepelném výměníku 44 a reaktor 46 pracuje při teplotě asi 260 °C a přetlaku 1,03 MPa. Jako příklad vhodných relativních průtoků je, je-li čerstvý prepolymer dodáván do reaktoru 46 rychlostí 45,4 kg za hodinu a recyklační průtok ze dna reaktoru je s výhodou přibližně 907,2 kg za hodinu. Reaktor 46, který pracuje za těchto podmínek, může poskytnout více než 95% • ; · · * · · · .:.. · »♦* »·« ·· ·* konverzi monomerů na nylon 6,6 s koncentrací vody 3 % hmotn. po době zdržení v reaktoru 46 20 minut.

Podle vynálezu je řídicí soustava uzpůsobena pro úpravu rychlosti přívodu nebo hmotnostního průtoku alespoň jednoho z roztaveného monomeru kyseliny adipové a roztaveného monomeru diaminu, aby byl zajištěn správný molární poměr. Ve výhodném provedení je hmotnostní průtok alespoň jednoho z reaktantů upraven v závislosti na rovnováze karboxylových koncových skupin a aminových koncových skupin reaktantů v polymerační směsi. Toto vřazené měření koncových skupin může být provedeno v jakémkoli bodě za spojem 38 tvaru Y. Ve znázorněném provedení je toto měření rovnováhy koncových skupin v proudu 52 vycházejícím z reaktoru 46. Výhodnou metodou měření rovnováhy karboxylových a aminových koncových skupin roztavených monomerů v polymerační směsi je fotospektrometrie. Ve výhodném provedení analyzátor 66 z blízké infračervené oblasti (NIR) detekuje počet karboxylových a aminových koncových skupin v polymerační směsi stanovením v ní obsaženého spektrálního fotometrického obsahu monomerů. .

V jednom provedení zahrnuje řídicí soustava vynálezu zařízení 66 z blízké infračervené oblasti (NIR), regulátor 67, který přijímá vstupní signál z NIR analyzátoru 66, měřicí soustavu 22 HMD a měřicí soustavu 32 roztavené kyseliny adipové.

NIR analyzátor 66 představuje, jako příklad a ne omezení, zařízení k určení molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi. NIR analyzátor 66 toho dosahuje pomocí kontinuální detekce počtu karboxylových a aminových koncových skupin v parciálně zpolymerovaném materiálu, který vystupuje z reaktoru 46. Přestože je použití NIR analyzátoru 66 výhodné, v uvažované řídicí soustavě podle vynálezu může být použito jakékoli množství prostředků pro stanovení molárního poměru nebo molární rovnováhy roztavené kyseliny adipové a roztaveného diaminu během polymerace.

NIR analyzátor 66 generuje vstupní signál do regulátoru 67 udávající rovnováhu karboxylových a aminových skupin roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi. Za použití tohoto signálu může regulátor 67 upravit hmotnostní průtok roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a/nebo roztaveného monomeru diaminu tak, aby polyamid vytvořený polymerací polymerační směsi měl požadovaný molární poměr. Ve výhodném provedení používá regulátor 67 algoritmus pro řízení přísunu, který mění rychlost přísunu roztaveného monomeru diaminu v závislosti na vstupním signálu z NIR analyzátoru 66. Při použití tohoto algoritmu pro řízení přísunu může být poměr roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu řízen na vstupu za účelem výroby zpolymerovaného konečného produktu, který má předem určený molární poměr. Ve výhodném provedení se tohoto dosáhne úpravou rychlosti přísunu roztaveného monomeru diaminu pomocí měřicí soustavy 22 HMD. Řízení a provoz měřicí soustavy 22 HMD a měřicí soustava 32 roztavené kyseliny adipové budou diskutovány podrobněji níže s odkazem na obrázky 2 až 4.

Stojí za povšimnutí, že přestože je NIR analyzátor 66 znázorněn umístěný u proudu 52, zvažuje se i možnost jeho umístění v jakémkoli bodě za spojem 38 tvaru Y. NIR analyzátor 66 může být např. umístěn uvnitř reaktoru 46 v bodě pod hladinou kapaliny, mezi statickým mísičem 42 a reaktorem 46, uvnitř statického mísiče 42 nebo mezi statickým mísičem 42 a spojem 38 tvaru Y.

Přestože je materiál v tomto okamžiku procesu zpolymerovaný, v některých provedeních způsobu nebude rozsah polymerace, a tím molekulová hmotnost a relativní viskozita (RV) polymeru, tak vysoký, jako se požaduje u konečného produktu. Proto může parciálně zpolymerovaný materiál procházet Bensonovým kotlem 68 za účelem dodání dalšího tepla, a pak do druhého reaktoru 70. Účel druhého reaktoru 70 je umožnění další polymerace a tak zvýšení molekulové hmotnosti a RV produktu. Polymerní produkt v proudu 72 za spodní části druhého reaktoru by měl mít požadovanou molekulovou hmotnost. S výhodou je teplota ve druhém reaktoru 70 mezi asi 260 a asi 280 °C a tlak je atmosférický.

HMD pára generovaná ve druhém reaktoru 70 je odstraněna v horním proudu 74, který vstupuje do pračky 76. Vodní proud 78 je také přiváděn do této pračky, aby pára zkondenzovala a mohla být odstraněna jako proud 80 odpadní vody. Zbylá pára opouští pračku 76 v horním proudu 82 a stává se součástí proudu 64 odplynu.

Polymerní produkt může být buď poslán přes stroj na granulování 84 nebo může být veden vedlejším potrubím 86. Prochází-li produkt přes stroj na granulování, postupují potom polymerní granule do sušičky 88. Přívod 90 plynného dusíku, kompresor 92 dusíku a ohřívač 94 dusíku jsou použity pro dodání plynného dusíku do nádoby 88, což vysuší polymerní granule. Vysušené granule vycházející ze spodní části sušičky 88 procházejí přes chladič 96 s vodní sprchou, třídič 98 a pomocí ventilátoru 100 jsou přesunuty do prostoru 102 pro skladování produktu.

Na obr. 2 je znázorněno blokové schéma řídicí soustavy výhodného provedení vynálezu označené obecně jako 120 pro použití u zlepšené polymerační soustavy zná• φ • φ zorněné na obr. 1. Řídicí soustava 120 zahrnuje měřicí soustavu 22 roztaveného diaminu (HMD), měřicí soustavu 32 roztavené kyseliny adipové, regulátor 67 a NIR analyzátor 66. Řídicí soustava 120 slouží k řízení množství roztavené kyseliny adipové, která se smíchá s roztaveným diaminem ve spoji 38 tvaru Y za účelem tvorby polymerační směsi, která vstupuje do statického mísiče 42 po cestě do prepolymerní reakční nádoby 46.

Měřicí soustava 22 roztaveného diaminu zahrnuje pumpu 124 měřicí diamin a sestavu 126 průtokoměru pro diamin. Ve výhodném provedení je pumpou 124 měřicí diamin objemové čerpadlo s hlavním hnacím motorem 128, s mnoha hlavními čerpacími hlavicemi 130 až 134 a s vyrovnávací hlavicí 136. Hlavní hnací motor 128 zahrnuje hnací hřídel 138, která dosahuje do každé každé z hlavních čerpacích hlavic 130 až 134 a do vyrovnávací hlavice 136. Jednotlivé písty (neznázorněné) jsou umístěny v hlavních čerpacích hlavicích 130 až 134 a ve vyrovnávací hlavici 136. Písty (neznázorněné) jsou spojeny s hnací hřídelí 138 a tím zajišťují objemové čerpání roztaveného monomeru diaminu z nádoby 20 s roztaveným diaminem přes sestavu 126 průtokoměru a dále do spoje 38 tvaru Y za účelem průchodu do statického mísiče 42.

Hlavní hnací motor 128 také zahrnuje rychlostní kodér 140 a regulátor rychlosti 142, které souhrnně tvoří soustavu s uzavřenou zpětnou vazbou k regulaci rychlosti hlavního hnacího motoru 128. Rychlostní kodér 140 sleduje rychlost hlavního hnacího motoru 128 a přenáší signál udávající rychlost motoru do regulátoru 67. Regulátor rychlosti 142 přijímá vstupní signál z regulátoru 67 za účelem regulace rychlosti hlavního hnacího motoru 128.

Hlavní čerpací hlavice 130 až 134 jsou vybaveny servomotory 144 až 148, kodéry 152 až 156 pro seřízení polohy zdvihu a regulátory 160 až 164 polohy zdvihu . Servomotory 144 až 148 jsou napojeny na písty (neznázorněny) umístěné v příslušných hlavních čerpacích hlavicích 130 až 134. Kodéry 152 až 156 pro seřízení polohy zdvihu sledují polohu hřídele každého servomotoru 144 až 148 a přenášejí signály udávající zdvihový objem (0 až 100 %) do regulátoru 67. Regulátory 160 až 164 polohy zdvihu přijímají vstupní signály z regulátoru 67 za účelem regulace polohy hřídele servomotorů 144 až 148, aby vznikl předem určený zdvihový objem (0 až 100 %) uvnitř hlavních čerpacích hlavic 130 až 134. Hlavní čerpací hlavice 130 až 134 jsou s výhodou schopné poskytnout průtokové rychlosti vhodné k zásobování dostatečným objemem roztaveného diaminu do soustavy v závislosti na rozsahu aplikace.

*) · t) ·····* ΐχ ···«·····« • · · · ···· ···· · ··· ··· ·» ··

Vyrovnávací hlavice 136 je obdobně vybavená servomotorem 150, kodérem 158 pro seřízení polohy zdvihu a regulátorem 166 polohy zdvihu. Servomotor 150, kodér 158 pro seřízení polohy zdvihu a regulátor 166 polohy zdvihu spolupracují stejným způsobem jako ty, které jsou u hlavních čerpacích hlavic 130 až 134. Hlavním rozdílem je to, že vyrovnávací hlavice 136 má výrazně pomalejší kapacitu průtoku než hlavní čerpací hlavice 130 až 134. Důvodem je to, že vyrovnávací hlavice 136 je použita k dodávání roztaveného diaminu poměrně pomalou průtokovou rychlostí do větších průtokových rychlostí z hlavních čerpacích hlavic 130 až 134 v zájmu doladění celkového přívodu roztaveného diaminu do statického mísiče 42. Jak bude podrobněji popsáno níže, tato vlastnost je důležitá v tom, že umožňuje řídicí soustavě 120 podle vynálezu měnit poměr počátečních reaktantů (roztavená kyselina adipová a roztavený diamin) před smícháním, tak aby měl výsledný polyamid stechiometricky vyrovnaný molární poměr.

Sestava 126 průtokoměru měřicího systému 22 roztaveného diaminu zahrnuje průtokoměr 168 a proudový přenašeč 170. Proudový přenašeč 170 je vytvořen tak, aby sledoval průtok roztaveného monomeru diaminu, jak je detekován průtokoměrem 168, a simultánně vysílal výstupní signál do regulátoru 67 reprezentující průtok diaminu do statického mísiče 42. Průtokoměr 168 a proudový přenašeč 170 se mohou skládat z jakéhokoli z mnoha různých komerčně dostupných průtokoměrů a proudových přenašečů. Souhrnně sestava 126 průtokoměru a pumpa 124 pro diamin spolupracují s regulátorem 67 a tak vytváří uspořádání s uzavřenou zpětnou vazbou za účelem selektivního nastavení průtoku roztaveného diaminu do statického mísiče 42.

Měřicí soustava 32 roztavené kyseliny adipové zahrnuje pumpu 172 měřicí kyselinu adipovou a sestavu 174 průtokoměru. Ve výhodném provedení je pumpou 172 měřicí kyselinu adipovou objemové čerpadlo s hlavním hnacím motorem 176 a mnoha hlavicemi 178 až 182. Hlavní hnací motor 176 má jedinou hnací hřídel 184 dosahující do každé z hlavic 178 až 182. Jednotlivé písty (neznázorněny) jsou umístěny uvnitř hlavic 178 až 182 a jsou spojeny s hnací hřídelí 184 za účelem zajištění objemového čerpání roztavené kyseliny adipové z tavící nádoby 30 s kyselinou adipovou přes sestavu 174 průtokoměru a dále do spoje 38 tvaru Y a pak do statického mísiče 42.

Hlavní hnací motor 176 také zahrnuje rychlostní kodér 186 a regulátor 188 rychlosti, které souhrnně tvoří soustavu s uzavřenou zpětnou vazbou za účelem regulace rychlosti hlavního hnacího motoru 176. Rychlostní kodér 186 sleduje rychlost hlavního hnacího motoru 176 a přenáší signál udávající rychlost motoru do regulátoru 67. Regu13 látor 188 rychlosti přijímá vstupní signál z regulátoru 67 a reguluje rychlosti hlavního hnacího motoru 176. Manuální regulátory 190 až 194 zdvihu jsou zajištěny za účelem nastavení zdvihového objemu pístů uvnitř hlavic 178 až 182, s výhodou mezi 0 až

100 %.

Sestava 174 průtokoměru měřicí soustavy 32 roztavené kyseliny adipové zahrnuje průtokoměr 196 a proudový přenašeč 198. Proudový přenašeč 198 je vytvořen tak, aby sledoval průtok roztaveného monomeru kyseliny adipové, jak je detekován průtokoměrem 196, a aby simultánně přenášel výstupní signál do regulátoru 67 reprezentujícího průtokovou rychlost kyseliny adipové do statického mísiče 42. Průtokoměr 196 a proudový přenašeč 198 se mohou skládat z jakéhokoli z mnoha komerčně dostupných průtokoměrů a proudových přenašečů.

Regulátor 67 je uzpůsoben k příjmu různých vstupních signálů a výstupu různých řídicích signálů za účelem koordinace činnosti řídicí soustavy 120. Regulátor 67 by měl být s výhodou naprogramován, aby fungoval podle algoritmu pro řízení přísunu. Při takovém řídicím schématu je měřen počet karboxylových a aminových koncových skupin, aby se stanovila rovnováha koncových skupin nezreagovaných roztavených monomerů v polymerační směsi. Z tohoto měření může regulátor 67 použít vyhledávací tabulku, aby určil, do jaké míry musí být změněn poměr výchozích reaktantů před smícháním, aby měl výsledný polyamid stechiometricky vyrovnaný molární poměr.

NIR analyzátor 66 zahrnuje analyzační prvek 200 a analyzační přenašeč 202. Analyzační prvek 200 je napojen přímo na prepolymerní reaktor 46 pro detekci počtu karboxylových a diaminových koncových skupin nezreagovaných monomerů uvnitř polymerační směsi při jejich výstupu z prepolymerního reaktoru 46. Analyzační přenašeč 202 je napojen mezi analyzační prvek 200 a regulátor 67 za účelem přenosu výstupu z analyzačního prvku 200 do regulátoru 67. NIR analyzátor 66 může být tvořen jakýmkoli počtem komerčně dostupných analyzátorů z blízké infračervené oblasti schopných stanovit diaminové koncové skupiny ve výsledném polyamidu.

NIR analyzátor 66 přenáší do regulátoru 67 výstupní signál udávající molární rovnováhu nezreagovaných monomerů uvnitř polymerační směsi. Regulátor 67 používá algoritmus pro řízení přísunu, který mění rychlost přísunu roztaveného monomeru diaminu v závislosti na výstupním signálu z NIR analyzátoru 66. Pomocí tohoto algoritmu pro řízení přísunu může být řízen poměr roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu na vstupu, aby měl zpolymerovaný výsledný produkt stechiometricky vyrovnaný molární poměr.

V jednom provedení se tohoto dosáhne zkrácením rychlosti přísunu roztaveného monomeru diaminu přes měřicí soustavu 22 diaminu. Řízení a činnost měřicí soustavy 22 diaminu a měřicí soustavy 32 kyseliny adipové budou podrobněji diskutovány níže s odkazem na obr. 2 až 4.

Pokud se týká obr. 3, regulátor 67 může být tvořen jakýmkoli množstvím komerčně dostupných programovatelných regulátorů, včetně, ale bez omezení, rozvodné řídicí soustavy (DCS), programovatelné logické jednotky nebo osobního počítače na bázi mikroprocesoru. Uspořádání řízení přísunu použité v regulátoru 67 je možné, protože složky zlepšené polyamidační soustavy znázorněné na obr.1 jsou z hlediska jejich vlastností a účinku na polyamidační proces předvídatelné. Zejména vynecháním kroku tvorby soli přidáním vody tento vynález eliminuje potřebu odparek v polyamidačním procesu. Odpařovací nádoby jsou z hlediska jejich účinku na polyamidaci nepředvídatelné a mohou během výroby vykazovat rozsáhlé změny.

Nyní bude popsána činnost řídicí soustavy 120 s navázaným odkazem na obr.2 a 3. S odvoláním nejprve na obr. 3 počáteční krok v řídicí soustavě 120 zahrnuje to, že operátor vloží zadanou hodnotu (kapacitu SP) do regulátoru 67. Pro usnadnění je regulátor 67 znázorněn na obr. 3 tak, že obsahuje terminál 67a pro vložení zadané hodnoty a předsunutý modelující regulátor 67b k řízení činnosti řídicí soustavy 120. Poté, co uživatel zadá požadovanou zadanou hodnotu (kapacitu SP), počítačový terminál 67a přenáší tuto informaci do předsunutého modelujícího regulátoru 67b.

Předsunutý modelující regulátor 67b pak nastaví řízení rychlosti motoru u regulátoru 188 rychlosti pro hlavní hnací motor 176 pumpy 172 pro měření kyseliny adipové. Ve výhodném provedení je průtok měřicí soustavy 32 kyseliny adipové dále řízen manuálním nastavením regulátorů 190 až 194 zdvihu tak, aby roztavená kyselina adipová postupovala do statického mísiče 42 předem určenou rychlostí toku odpovídající zadané hodnotě, která byla zvolena operátorem. Jakmile je průtoková rychlost nastavena, neměla by být raději měněna změnou řídicího signálu z regulátoru 67 nebo nastavením manuálních regulátorů 190 až 194 zdvihu.

Předsunutý modelující regulátor 67b také nastavuje řízení rychlosti motoru pro regulátor 142 rychlosti spojený s hlavním hnacím motorem 128 pumpy 124 pro měření diaminu. Předsunutý modelující regulátor 67b nepřetržitě sleduje výstupní signál z NIR analyzátoru 66, aby dosáhl stanovení molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi. V jednom důležitém ohledu předsunutý modelující regulátor 67b používá tento NIR výstupní

··· 4 · ·· ·· • · · · · ···· • · · · · · · • « · · · · · · · • ' · · · · · · ··· ··· ·· ·· signál ke generaci a přenosu signálu vyrovnávací zadané hodnoty do regulátoru 166 polohy zdvihu servomotoru 150 spojeného s vyrovnávací hlavicí 136. Signál vyrovnávací zadané hodnoty přenášený do regulátoru 166 polohy zdvihu je generován na základě algoritmu pro řízení přísunu, který se nachází v regulátoru 67b. Tento algoritmus pro řízení přísunu může být ve formě paměťové vyhledávací tabulky, která obsahuje data představující stupeň, na nějž se musí poměr reaktantů (roztavená kyselina adipová a roztavený diamin) změnit, aby byla dosažena požadovaná schopnost zadané hodnoty zvolená operátorem na základě vstupu z NIR analyzátoru 66.

Ve výhodném provedení bude průtoková rychlost měřicí soustavy 22 diaminu kontinuálně nastavována k zajištění vhodného poměru reaktantů (roztavená kyselina adipová a roztavený diamin) před smícháním, aby měl výsledný polyamid stechiometricky vyrovnaný molární poměr.

Pokud se týká obr.2, regulátor 67 tohoto dosahuje nejprve řízením hlavního hnacího motoru 128 a alespoň jednoho ze servomotorů 144 až .148. aby byl roztavený diamin přenesen z hlavních čerpacích hlavic 130 až 134 směrem do statického mísiče 42. Regulátor 67 pak nastaví vyrovnávací hlavici 136, aby doladil poměr reaktantů přenášených do statického mísiče 42. Vyrovnávací úprava je založena na průtokové rychlosti roztavené kyseliny adipové (jak je měřena sestavou 174 průtokoměru), průtokové rychlosti roztaveného diaminu (jak je měřena sestavou 126 průtokoměru), měření procentuální hmotnosti každého reaktantů v parciálně zpolymerované směsi uvnitř nebo za reaktorem 46 (jak je měřena NIR analyzátorem 66) a zdvihovém objemu a informaci o rychlosti motoru v pumpě 124 pro měření diaminu (jak je měřena polohovými kodéry 152 až 158, regulátory 160 až 166 polohy, rychlostním kodérem 140 a regulátorem 142 rychlosti).

Do rámce tohoto vynálezu patří použití algoritmu pro řízení přísunu, kde hmotnostní průtok roztavené dikarboxylové kyseliny je nastaven na základě měření rovnováhy koncových skupin. S odkazem na obr. 4, průtok roztaveného monomeru diaminu je udržován na konstantní rychlosti, zatímco dikarboxylový monomer je dolaďován, aby byl vytvořen vhodný poměr reaktantů za účelem tvorby požadované schopnosti zadané hodnoty. Jak bude oceněno, řídicí soustava obvodů na obr. 4 je obrácená vůči tomu na obr. 2, a proto není nutná kompletní diskuse činnosti provedení z obr. 4.

Předchozí popis jednotlivých provedení vynálezu není zamýšlen jako kompletní seznam všech možných provedení vynálezu. Odborníci v tomto oboru poznají, že lze • ·· ·

IX · φ · · · · ·

ΙΟ * · · · ·«···· _{e φ} · · · · · · «··· · ······ · ·. ·· provést úpravy jednotlivých provedení, která jsou zde popsána, kde tyto úpravy by byly v rozsahu vynálezu. Např. přestože ve zde detailně popsaných provedeních reagují kyselina adipová a hexamethylendiamin za vzniku nylonu 6,6, mohou být použity jiné monomery známé odborníkům v tomto oboru za vzniku jiných polyamidů.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Řídicí soustava k výrobě polyamidu z monomeru dikarboxylové kyseliny a monomeru diaminu, obsahující:

   (a) první prostředky pro měření přívodu roztaveného monomeru kyseliny dikarboxylové;

   (b) druhé prostředky pro měření přívodu roztaveného monomeru diaminu do přívodu roztaveného monomeru kyseliny dikarboxylové za účelem tvorby roztavené polymerační směsi;

   (c) prostředky pro detekci molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi; a (d) regulátor komunikativně napojený na prostředky pro detekci a na alespoň jeden z prvních a druhých prostředků pro měření, kde regulátor řídí alespoň jeden z prvních prostředků pro měření a druhých prostředků pro měření na základě vstupního signálu molárního poměru z prostředků pro detekci k úpravě průtoku materiálu alespoň jednoho z roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu, aby se vyrovnal molární poměr roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi.
2. 2. Řídicí soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, Že prostředky pro detekci tvoří analyzátor z blízké infračervené oblasti k měření počtu koncových skupin karboxylového monomeru a koncových skupin diaminového monomeru v roztavené polymerační směsi během polymerace.
3. 3. Řídicí soustava podle nároku 1a 2, vyznačující se tím, Že první prostředky pro měření zahrnují první pumpu napojenou na přívod roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a druhé prostředky pro měření zahrnují druhou pumpu napojenou na přívod roztaveného monomeru diaminu.
4. 4. Řídicí soustava podle nároku 1,vyznačuj ÍCÍ S e tím, že monomerem dikarboxylové kyseliny je kyselina adipová, monomerem diaminu je hexamethylendiamin a polyamidem je nylon 6,6.

   * ·, • ·
5. 5. Soustava k výrobě polyamidu z monomeru dikarboxylové kyseliny a monomeru diaminu obsahující:

   (a) první prostředky pro měření opatřené pro přívod roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny;

   (b) druhé prostředky pro měření jsou opatřené pro přívod roztaveného monomeru diaminu, první a druhé prostředky pro měření spojené spolu tak, aby se přívod roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny smísil s přívodem roztaveného monomeru diaminu a vytvořily spolu roztavenou polymerační směs;

   (c) alespoň jednu neodvětranou reakční nádobu k polymeraci polymerační směsi;

   (d) prostředky pro detekci molárního poměru roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi; a (e) řídicí prostředky komunikativně napojené na prostředky pro detekci a první a druhé prostředky pro měření, kde řídicí prostředky upravují průtok alespoň jednoho z přívodů roztaveného monomeru dikarboxylové kyseliny a roztaveného monomeru diaminu v polymerační směsi.
6. 6. Soustava podle nároku 5, v y z n a Č U j í C í S Θ t í m , že monomerem dikarboxylové kyseliny je kyselina adipová, monomerem diaminu je hexamethylendiamin a polyamidem je nylon 6,6.