ES2238068T3 - Procedimiento y dispositivo para la preparacion continua de poliesteres. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la preparacion continua de poliesteres.

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ES2238068T3 ES03770944T ES03770944T ES2238068T3 ES 2238068 T3 ES2238068 T3 ES 2238068T3 ES 03770944 T ES03770944 T ES 03770944T ES 03770944 T ES03770944 T ES 03770944T ES 2238068 T3 ES2238068 T3 ES 2238068T3
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Abstract

Procedimiento para la preparación continua de poliésteres (PES) mediante la esterificación /reesterificación de ácidos dicarboxílicos, preferentemente ácido tereftálico, o bien de ésteres de ácidos dicarboxílicos con dioleno, etilenglicol (EG), en al menos un paso de la reacción, una policondensación previa del producto de esterificación /reesterificación al vacío mediante un paso de reacción que se compone de un reactor vertical y la policondensación del producto de la policondensación previa en al menos un paso de policondensación, caracterizado porque en el reactor vertical, en el que existe una presión de 10 a 40% de la presión de equilibrio del diol en el producto de la policondensación previa que sale del reactor, el producto ingresante de la esterificación / reesterificación fluye en movimiento libre sucesivamente en primer lugar a través de una primera zona de reacción conformada por una canaleta, con calentamiento limitado y con una altura constante del producto, luego fluye dentro del canal anular ubicado radialmente del lado externo o interno de al menos una zona de reacción conformada por una canaleta anular subdividida en varios canales anulares concéntricos, siendo guiado con una altura constante del producto sucesivamente a través de los canales anulares hasta la salida y luego hacia una tercera zona de reacción con agitación que se encuentra en el piso del reactor.

Description

Procedimiento y dispositivo para la preparación continua de poliésteres.
La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la preparación continua de poliésteres (PES) mediante la esterificación/reesterificación de ácidos dicarboxílicos o ésteres de ácidos dicarboxílicos con dioleno, preferentemente de polietilenteraftalato (PET), partiendo del ácido tereftálico (PTA) o dimetiltereftalato (DMT) y etilenglicol (EG), en al menos un paso de la reacción, una policondensación previa del producto de esterificación/reesterificación al vacío mediante un paso de reacción que se compone de un reactor vertical y la policondensación del producto de la policondensación previa en al menos un paso de policondensación.
Para la preparación continua de PET se utiliza PTA o dimetiltereftalato (DMT) y etilenglicol como sustancias de partida. El PTA se mezcla con EG y una solución catalizadora formando una pasta y se someten a un primer de reacción para la esterificación, en donde se produce la esterificación a presión atmosférica o a una presión superior produciéndose la escisión de agua. Al utilizar DMT, el DMT fundido y el catalizador en forma conjunta con el EG son sometidas a un primer paso de reacción para su reesterificación, en donde la reacción se produce a presión atmosférica con la escisión de metanol (MeOH). El flujo del producto de la esterificación/reesterificación es sometido a un paso de reacción para su policondensación previa, que en general se realiza al vacío. El flujo del producto de la policondensación previa se lleva a un paso de reacción para la policondensación. El poliéster fundido obtenido es procesado directamente para obtener fibras o chips.
El procedimiento convencional para la obtención de PES se compone en cada caso de dos pasos de agitación para la esterificación y policondensación previa y un reactor en cascada en posición horizontal para la policondensación, que incluye cámaras del lado de la decantación y un sistema agitador equipado con discos perforados o anulares verticales en un eje horizontal a efectos de producir una superficie definida. Las desventajas de este procedimiento se producen especialmente cuando con rendimientos suficientemente altos del reactor en cascada se producen temperaturas comparativamente elevadas de 284 a 288ºC que son desventajosas para la calidad. El vacío dispuesto en el primer paso de agitación de la policondensación previa a efectos de evitar la formación de espuma y la difusión de gotitas (entrainment) está limitado a p \geq 50 mbar. La viscosidad del producto de la policondensación previa también está limitada a un rango de 0,20 a 0,24 IV. Además es desventajosa la mayor producción de gas en el reactor en cascada que forma el paso de policondensación. La utilización de un reactor en cascada horizontal en lugar del segundo paso de agitación para la policondensación previa, permite una elevada flexibilidad de la producción de PES con temperaturas comparativamente más bajas de 277 a 283ºC en el reactor en cascada para la policondensación y una aumentada viscosidad del producto de la policondensación previa de 0,27 a 0,31 IV, así como la mejor posibilidad de aumentar la capacidad de la instalación (Schumann, Heinz-Dieter: Polyesther producing plants; principles and technology. Landsberg/Lech: Verl. Moderne Industrie, 1996, pág. 27 a 33). Pero aún resultan desventajosos los elevados gastos de inversión para el equipamiento operativo y el edificio de producción.
En una instalación que se compone de dos recipientes de agitado para la esterificación, un reactor de pisos para la policondensación previa y un reactor en cascada horizontal para la policondensación, resulta con un dispendio relativamente reducido, una estabilidad y flexibilidad comparables de la producción de poliésteres, pero con la desventaja, que aumentan las dimensiones de los reactores del paso de policondensación previa y de la policondensación, a causa del mayor volumen de vapores desprendidos, y ya se alcanzan las dimensiones de transporte permitidas en plantas de capacidad media.
En el procedimiento descrito en el documento DE-C-4415220 para la producción de PET en cuatro pasos de reacción, se utiliza en cada caso un reactor vertical para la esterificación posterior y la policondensación previa. El reactor presenta en su primer área superior un canal en forma de espiral abierto hacia arriba con entrada lateral del producto, comunicándose el canal que se estrecha desde el exterior al interior, a través de un rebase central con área de decantación del producto que es agitado en el suelo, siendo que el piso del canal aumenta en forma continua en el sentido del flujo, de modo que se reduce en forma continua la profundidad del caudal del producto. El calentamiento del caudal del producto se realiza con ayuda de distintos calefactores que al principio se repiten a cierta distancia y opcionalmente a través de las paredes del canal. A causa del piso del canal que se eleva en el sentido del flujo, se evita un vaciado automático del sistema en el sentido del flujo con las consecuencias de formaciones de residuos, deterioro de calidad o pérdida de productos, especialmente en caso de interferencias en el funcionamiento o al detener la planta de producción. Debido a la superficie de evaporación limitada con un piso individual del canal, es limitado el vacío operativo o aumenta la temperatura operativa, se reduce la calidad cromática del producto obtenido o con mayor vacío existe el peligro de una velocidad excesiva del vapor y una formación de gotitas crítica para una condensación sin interferencias; este efecto es aumentado adicionalmente por calefactores concentrados localmente en el canal del flujo.
El documento US-A-5464590 revela un reactor de polimerización vertical con varios fondos superpuestos en sentido vertical, que presentan en cada caso dos canales de flujo abiertos hacia arriba y en el respectivo extremo del canal un vertedor de rebase que continúa en una escotadura del fondo para la entrega vertical del producto en forma de una película en caída libre hasta el siguiente piso. El canal presenta la forma de un doble lazo aproximadamente anular, donde el primer lazo en cada caso es desviado en semicírculo al segundo lazo que fluye en sentido contrario. El polímero líquido fluye a través de los canales de arriba hacia abajo en movimiento libre. Los vapores fluyen entre los pisos en cada caso hacia el centro del reactor y escapan a través de aberturas centrales en los pisos hasta la salida de los vapores desprendidos en la tapa del reactor. Una reducida altura de llenado en los pisos y una calefacción limitada al área del piso significan para la policondensación previa de productos de esterificación con grados limitados de polimerización de 4,5 a 7,5 un déficit de tiempo de permanencia, con la consecuencia que debe incrementarse la cantidad de pisos o las medidas del reactor. Otra desventaja radica en que, al instalar cuerpos guía y zonas de caída libre de películas, se pierde espacio de reacción. A causa de la disposición horizontal de los pisos de canales y debido a los vertedores de rebase no está garantizada una operación continua sin residuos del reactor y/o que pueda vaciarse por completo.
Las mismas desventajas también resultan en el reactor de polimerización representado en el documento US-A-5466419, en el cual el producto ingresado en el primer canal anular es dividido en dos corrientes parciales, que en casa caso fluyen hasta que se produce la inversión de la corriente y se alcanza el vertedor de rebase, es decir, fluyen hasta la descarga del producto, a través de dos lazos en semicírculo y un medio tramo de recorrido, es decir que con un corte transversal comparable del canal, también se reduce a la mitad la velocidad de flujo y se reduce la secuencia de presión hidrostática.
Es objeto de la presente invención, realizar en el procedimiento como se describió previamente para la obtención de PES, la policondensación previa en un paso de reacción y simultáneamente aumentar la viscosidad del producto de la policondensación previa de 0,24 a 0,26 IV con temperaturas de procesamiento inferiores de 268 a 275ºC en el paso de policondensación previa y de 276 a 282ºC en el paso de policondensación, así como un menor vacío de 7 a 18 mbar. Además deben poder dominar en forma sencilla la formación de espuma y la dispersión de gotitas.
Se cumple el objetivo, porque en el reactor, en el que existe una presión de 10 a 40% de la presión de equilibrio del diol en el producto de la policondensación previa que sale del reactor, el producto ingresante de la esterificación/reesterificación fluye en movimiento libre sucesivamente en primer lugar a través de una primera zona de reacción conformada por una canaleta, con calentamiento limitado y con una altura constante del producto, luego fluye dentro del canal anular ubicado radialmente del lado externo o interno de al menos una zona de reacción conformada por una canaleta anular subdividida en varios canales anulares concéntricos, siendo guiado con una altura constante del producto sucesivamente a través de los canales anulares hasta la salida y luego hacia una tercera zona de reacción con agitación que se encuentra en el piso del reactor. Mediante la disposición de una primera y una segunda zona de reacción se logra una zona de evaporación de suficiente tamaño y con ello una limitación de la carga de vapor.
La presión total que resulta de la presión hidrostática y la presión operativa, del producto de reacción en el piso de las canaletas de la primera y la segunda zona de reacción es menor que la presión local de equilibrio de diol del paso de policondensación y se ubica en 5 a 80%, de preferencia en 10 a 70% de la presión de equilibrio de diol. De ese modo pueden lograrse condiciones de policondensación que pueden reproducirse en forma relativamente sencilla. Para la presión de equilibrio de EG rige: P_{GL} = 4 P_{S,T} [(DP)^{2} - 1]^{-1}, denominándose con P_{S,T}la presión de vapor de EG y con DP el grado de polimerización.
Con presiones totales relativamente comparables, la altura del producto en los canales anulares de la segunda zona de reacción es menor respecto de aquella en la canaleta de la primera zona de reacción, en un factor de 2 a 3,5.
Por lo general, los vapores que se forman en las tres zonas de reacción son eliminadas simultáneamente del reactor. Una conformación preferida de la invención radica en que los vapores desprendidos de la primera zona de reacción son guiados a un dispositivo de separación para las gotitas del producto que son arrastradas, antes de que estos vapores son unidos con los vapores desprendidos de las otras dos zonas de reacción. Mediante esta medida puede dominarse la dificultad de la formación de espuma y de las gotitas.
La corriente en la canaleta que forma la primera zona de reacción puede considerarse como turbulenta hasta aproximadamente la mitad del recorrido, debido a la intensa formación de gas. Al formarse menos gas y aumentar la viscosidad del flujo del producto, a más tardar en el último tercio del recorrido del flujo se produce una corriente laminar. Según la teoría de similitud de corrientes en flujos abiertos, la corriente del flujo del producto en los canales anulares de la segunda zona de reacción es laminar. A los efectos de evitar en corrientes laminares la formación de una corriente nuclear a mayor velocidad y una corriente de bordes más lenta en el piso y en las paredes de la canaleta de la primera zona de reacción, así como en los canales anulares de la segunda zona de reacción, según otra característica de la invención, es necesario reducir la velocidad de la corriente nuclear, o bien, acelerar la velocidad de la corriente de los bordes.
En el marco de otra conformación de la invención, el flujo del producto es guiado en forma paralela en el mismo sentido o paralelamente en sentido contrario a través de los canales anulares del segundo paso de reacción.
En el dispositivo para llevar a cabo el procedimiento, se dispuso para el calentamiento controlado limitado del flujo del producto en la canaleta de la primera zona de reacción, un registro de calefacción que se extiende en el sentido del flujo, cuyos caños son sostenidos en chapas de cámara con pasaje libre en el piso y/o en la pared. Mediante estas chapas de cámaras se reduce la velocidad axial del flujo del producto en las zonas libres de los bordes y se acelera relativamente en el área del registro de calefacción y en el piso. De modo inverso, mediante insertos de corriente en las subsiguientes corrientes laminares se acelera la velocidad más lenta en los bordes y el piso, y se frena en la corriente nuclear más rápida.
En el marco de la conformación especial del dispositivo se dispuso por encima de la canaleta de la primera zona de reacción un espacio cerrado recolector del vapor desprendido, cuya abertura de salida está conectada con un dispositivo de separación, de preferencia con una guía de gas ciclónica destinada a las gotitas de producto arrastradas.
A los efectos de lograr un nivel de producto constante en la canaleta de la primera zona de reacción y en los canales anulares de la segunda zona de reacción, se colocaron según una característica adicional de la invención, chapas de retención de rebase de corriente o caños de rebase de corriente, donde resulta adecuado para evitar los efectos de separación, o bien, de residuos, anteponer un caño de elevación a cada chapa de rebase de corriente y a cada chapa de corriente reducida.
Para que el desconectar el dispositivo para la producción de PES sea posible un vaciado automático y total, es decir, sin residuos, de la canaleta de la primera zona de reacción y los canales anulares de la segunda zona de reacción, según otra característica de la invención, se previó en su extremo entre varios diferentes conceptos posibles, en cada caso la disposición de una salida de cuello de cisne en el punto más bajo del piso.
Otra característica según la invención es disponer adicionalmente en los extremos de la canaleta y/o de los canales anulares en el último ángulo en el punto más bajo del piso, un tubo de drenaje o aberturas de drenaje intercaladas, a los efectos de evitar la acumulación de residuos.
Adecuadamente el piso de la canaleta de la primera zona de reacción y/o aquel de la canaleta que forma los canales anulares de la segunda zona de reacción, está inclinado 0,5 hasta 6º, 1 a 4º respecto del plano horizontal.
Una conformación del dispositivo radica en que el agitador para la tercera zona de reacción sea un impulsador de acción en el piso, un agitador de rastrillo, de marco o de tambor con un eje de propulsión vertical en cada caso.
El agitador para la tercera zona de reacción puede alternativamente formar parte de una cascada de discos giratorios o de un reactor de jaula con un eje de propulsión horizontal en cada caso. La cascada de discos giratorios se compone de discos perforados, anulares o macizos, donde la entrada para el producto de reacción está ubicada por mitades en los extremos axiales y la salida conjunta está ubicada en el centro. También existe la posibilidad en una cascada de discos giratorios con discos perforados, de disponer la entrada para el producto de reacción en un extremo y la salida en el extremo opuesto.
La invención está representada a modo de ejemplo en el dibujo y se explica a continuación.
Como reproducido en el corte longitudinal, a través del conducto 1 se guía un producto de esterificación para la policondensación previa hacia el recipiente de reacción 2 vertical a la canaleta 3 circundante en forma radial dispuesta en el mismo, que conforma la primera zona de reacción. En la canaleta 3 se ubica un registro de calefacción 4, cuyos caños 5 están dispuestos concéntricamente, donde para la formación de un espacio colector del vapor desprendido 6, la canaleta está cerrada hacia arriba mediante una pared 7 circundante en forma concéntrica que se extiende entre la pared exterior radial de la canaleta y el recipiente del reactor 2. Las gotitas del producto arrastradas desde el espacio colector del vapor desprendido 6 son separadas en un dispositivo de separación 8 ciclónico. El producto que emerge de la canaleta 3 ingresa a través de un caño de rebase 9 al principio de un canal anular 10 ubicado en el exterior, y posteriormente abarca otros dos canales anulares 11, 12, que conforman la primera sección 13 de la canaleta que conforma la segunda zona de reacción. Luego de que el flujo del producto atraviesa los canales anulares 10, 11, 12, el producto es expelido al final del canal anular 12 ubicado del lado interno, a través de un caño de rebase 14, e ingresa en el canal anular 15 ubicado del lado externo de una canaleta que abarca otros dos canales anulares 16, 17 que conforman la segunda sección 18 de la segunda zona de reacción. Al final del canal anular 17 ubicado del lado interno, el producto es desviado a través del caño de rebase 19 y es guiado a la zona de decantación 22 agitada mediante el impulsador 20 con eje de propulsión vertical 21, que conforma la tercera zona de reacción. Los vapores desprendidos que se forman en las tres zonas de reacción son guiados al exterior a través del conducto 23. El producto de la policondensación previa, a través del conducto 24 es extraído de la zona de decantación 22 y guiado al paso de policondensación no representado aquí.

Claims (25)

1. Procedimiento para la preparación continua de poliésteres (PES) mediante la esterificación/re-
esterificación de ácidos dicarboxílicos, preferentemente ácido tereftálico, o bien de ésteres de ácidos dicarboxílicos con dioleno, etilenglicol (EG), en al menos un paso de la reacción, una policondensación previa del producto de esterificación/reesterificación al vacío mediante un paso de reacción que se compone de un reactor vertical y la policondensación del producto de la policondensación previa en al menos un paso de policondensación, caracterizado porque en el reactor vertical, en el que existe una presión de 10 a 40% de la presión de equilibrio del diol en el producto de la policondensación previa que sale del reactor, el producto ingresante de la esterificación/reesterificación fluye en movimiento libre sucesivamente en primer lugar a través de una primera zona de reacción conformada por una canaleta, con calentamiento limitado y con una altura constante del producto, luego fluye dentro del canal anular ubicado radialmente del lado externo o interno de al menos una zona de reacción conformada por una canaleta anular subdividida en varios canales anulares concéntricos, siendo guiado con una altura constante del producto sucesivamente a través de los canales anulares hasta la salida y luego hacia una tercera zona de reacción con agitación que se encuentra en el piso del reactor.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la presión total del producto de reacción en el piso de las canaletas de la primera y la segunda zona de reacción es menor que la presión local de equilibrio de diol del paso de policondensación.
3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la presión total en el piso de las canaletas de la primera y la segunda zona de reacción se ubica en 5 a 80%, de preferencia en 10 a 70% de la presión de equilibrio de diol del producto de policondensación.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los vapores desprendidos que se forman en las tres zonas de reacción son eliminados conjuntamente del reactor.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los vapores desprendidos de la primera zona de reacción son guiados a un dispositivo de separación para las gotitas del producto que son arrastradas, antes de que estos vapores se unan con los vapores desprendidos de las otras dos zonas de reacción.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el producto de reacción es guiado de forma paralela en el mismo sentido a través de los canales anulares del segundo paso de reacción.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el producto de reacción es guiado de forma paralela en sentido contrario a través de los canales anulares del segundo paso de reacción.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se regula el nivel del producto de la tercera zona de reacción agitada.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se mantiene constante el nivel del producto en la canaleta de la primera zona de reacción y en los canales anulares de la segunda zona de reacción.
10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el nivel del producto en los canales anulares de la segunda zona de reacción es mantenido a un nivel más bajo en un factor de 2 a 3,5 que en la canaleta de la primera zona de reacción.
11. Dispositivo para la realización del procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque presenta un registro de calefacción en la canaleta de la primera zona de reacción, que se extiende en el sentido del flujo, cuyos caños son sostenidos en chapas de cámara colocadas transversalmente al sentido del flujo.
12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque presenta un espacio cerrado recolector del vapor desprendido dispuesto por encima de la canaleta de la primera zona de reacción, cuya abertura de salida está conectada con un dispositivo de separación para las gotitas de producto arrastradas.
13. Dispositivo según las reivindicaciones 10 y 12, caracterizado porque presenta una chapa de retención de rebase de corriente o un caño de rebase de corriente en el extremo de la canaleta de la primera zona de reacción.
14. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque presenta una chapa de retención de rebase de corriente o un caño de rebase de corriente en el extremo de cada canal anular de la segunda zona de reacción.
15. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque a cada chapa de retención de rebase de corriente o caño de rebase de corriente se antepuso una chapa de retención de corriente reducida o un caño de elevación.
16. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 y 12, caracterizado porque presenta en el extremo de la canaleta de la primera zona de reacción o en el extremo del último canal anular de la segunda zona de reacción, en cada caso una salida de cuello de cisne dispuesta en el punto más bajo del piso con bypass de drenaje y caño de ventilación.
17. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado porque presenta en el extremo de la canaleta de la primera zona de reacción o en el extremo de cada uno de los canales anulares de la segunda zona de reacción, en cada caso una abertura de drenaje dispuesta en el punto más bajo del piso.
18. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 17, caracterizado porque en los canales anulares de la segunda zona de reacción se dispusieron chapas guía.
19. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 18, caracterizado porque el piso de la canaleta de la primera y/o de la segunda zona de reacción está inclinado 0,5 hasta 6º, de preferencia 1 a 4º respecto del plano horizontal.
20. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 19, caracterizado porque el agitador para la tercera zona de reacción se compone de un impulsador de acción en el piso, un agitador de rastrillo, de marco o de tambor con un eje de propulsión vertical en cada caso.
21. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 20, caracterizado porque el agitador para la tercera zona de reacción incluye un agitador de discos giratorios o una jaula de reactor, en cada caso con eje de propulsión horizontal.
22. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 21, caracterizado porque el agitador de discos giratorios está equipado con discos perforados, anulares o macizos.
23. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque en una cascada de discos giratorios, la entrada para el producto de reacción está ubicada por mitades en los extremos axiales y la salida conjunta está ubicada en el centro.
24. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 22, caracterizado porque en la cascada de discos giratorios con discos perforados, se dispuso la entrada para el producto de reacción en un extremo y la salida en el extremo opuesto.
25. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 22, caracterizado porque presenta un drenaje estacionario de flujo parcial colocado en cada caso en el piso en los extremos de las canaletas y de los canales anulares.
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