ES2353583T3 - Dispositivos radiales de mezclamiento para reactores inclinados rotatorios. - Google Patents

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Abstract

Un reactor rotatorio cilíndrico inclinado que tiene un eje de rotación, en el que el eje de rotación es central y no paralelo a la línea horizontal perpendicular a la fuerza de gravedad y en el que el reactor tiene al menos un dispositivo de mezclamiento en el que el dispositivo de mezclamiento tiene una altura, una anchura, y una longitud equivalente definida como la distancia entre el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento primero sobresale de la pared del reactor y el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento deja de sobresalir de la pared y la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento se selecciona entre el grupo que consiste en longitudes equivalentes de menos de 1/10ª parte de la longitud del reactor, de manera que los gránulos del material tratado en el interior del reactor pasan a su través debido a la fuerza de gravedad así como la rotación del reactor con un comportamiento de tipo flujo pistón.

Description

Dispositivos radiales de mezclamiento para reactores inclinados rotatorios.
Antecedentes
El uso de reactores de horno rotatorio o de horno de cemento para tratar térmicamente pastillas, o virutas, de plástico, en particular gránulos, pastillas o virutas de poliésteres cristalizables que contienen al menos el 75% de sus unidades de ácido obtenidas de ácido tereftálico, ácido ortoftálico, ácido 2,6-naftalato-dicarboxílico o sus respectivos diésteres, se ha descrito previamente en la solicitud de patente WO 2004/018541. Una característica esencial del documento WO 2004/018541 es el uso de un comportamiento de tipo flujo pistón para conseguir uniformidad de las propiedades de los gránulos a la salida. Aunque el documento WO 2004/018541 contempla el uso de placas divisorias o elementos internos, no hace nada por enseñar el diseño de dichas placas divisorias necesarias para aumentar el mezclamiento en la dirección de giro radial y mantener todavía el comportamiento de tipo flujo pistón.
El documento US 3.767.601 describe un reactor de horno rotatorio para copos de poliéster con elementos internos para un buen mezclamiento. El documento US 3.767.601 desvela hornos con elementos internos para procedimientos discontinuos y continuos. Un procedimiento discontinuo, por definición, no puede tener flujo pistón, y nada en el documento US 3.767.601 indica que los elementos internos estén configurados especialmente para mezclamiento mientras se mantiene el comportamiento de tipo flujo pistón.
Sumario
Esta memoria descriptiva desvela un reactor rotatorio horizontal que tiene un eje de rotación, en el que el eje de rotación no es paralelo a la línea horizontal perpendicular a la fuerza de gravedad y en el que el reactor horizontal tiene al menos un dispositivo de mezclamiento en el que el dispositivo de mezclamiento tiene una altura, una anchura y una longitud equivalente definidas como la distancia entre el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento sobresale primero de la pared y el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento deja de sobresalir de la pared y la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento se selecciona entre el grupo que consiste en longitudes equivalentes menores que 1/10ª parte de la longitud del reactor. Las longitudes equivalentes del dispositivo de mezclamiento más preferidas adicionalmente son de menos de la 1/12ª parte la longitud del reactor, menos de la 1/14ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/15ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/16ª parte de la longitud del reactor, la 1/18ª parte de la longitud del reactor y menos de la 1/20ª parte de la longitud del reactor. Se desvela además que existe más de un dispositivo de mezclamiento.
Se desvela también que al menos uno de los dispositivos de mezclamiento tiene orificios para introducir un gas de purga en el reactor. Se desvela que existen dos o más dispositivos de mezclamiento con orificios. Se desvela además que cuando existen dos o más dispositivos de mezclamiento con orificios, los dispositivos de mezclamiento están conectados de una manera tal que el gas de purga pueda pasar desde el primer dispositivo de mezclamiento al segundo dispositivo de mezclamiento a través de una conexión.
Descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista lateral del reactor rotatorio con respecto al eje horizontal e incluye dispositivos opcionales para el modo de funcionamiento más comercial.
La figura 2 es la vista de un plano perpendicular al eje de rotación e incluye un dispositivo de mezclamiento, también conocido como placa divisoria o sustentador.
La figura 3 es una vista lateral de un reactor rotatorio y muestra la longitud teórica del dispositivo de mezclamiento medida con respecto al eje de rotación. También se muestra la longitud del reactor rotatorio.
La figura 4 es una vista lateral del reactor que tiene un dispositivo de mezclamiento espiral siendo la longitud real del dispositivo de mezclamiento la distancia medida a lo largo del dispositivo de mezclamiento conforme gira alrededor del vaso.
La figura 5 representa una realización con varias placas divisorias en un plano perpendicular al eje de rotación. También muestra la altura del lecho de muestra.
La figura 6 representa la realización en la que el vaso no es redondo, sino que su pared exterior rota.
Las figuras 7a y 7b representan diferentes formas respectivas de unir el dispositivo de mezclamiento a la pared del reactor.
Las figuras 8a y 8b muestran el dispositivo de mezclamiento con orificios para permitir que el gas de purga sea introducido en el lecho de gránulos o pastillas.
La figura 9 muestra los diversos elementos de un reactor rotatorio, con el lecho de material mostrado en un área sombreada.
La figura 10 muestra los diferentes tipos de patrones de flujo que la fase sólida dentro del reactor puede experimentar cuando aumenta la velocidad de la rotación del reactor.
Las figuras 11a y 11b muestran respectivamente los elementos internos de tipo 1 y de tipo 2 usados en los experimentos.
Descripción detallada
El saber convencional dice que los reactores rotacionales con dispositivos de mezclamiento (elementos internos) tienen menos comportamiento de flujo pistón o "grado de flujo pistón" que el mismo reactor rotacional sin dispositivos de mezclamiento (elementos internos). Esto se debe a que se ha creído que los elementos internos crearían componentes de mezclamiento axiales y radiales. El profesional sabe que el componente de mezclamiento axial, que hace que el material caiga hacia delante o hacia atrás a lo largo del eje de rotación, crea amplias distribuciones de propiedades y es el efecto principal de cualquier elemento interno. Esto significa que el grado de flujo pistón de un reactor con elementos internos debería siempre ser menor que el del mismo reactor sin elementos internos.
En la presente memoria descriptiva se describe y se reivindica el descubrimiento de que cuando la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento interno es mayor que aproximadamente la 1/10ª parte la longitud del reactor horizontal, el componente de mezclamiento axial es mayor que el reactor sin un dispositivo de mezclamiento, pero cuando la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento es menor que aproximadamente la 1/10ª parte, en particular menor que la 1/20ª parte, la longitud del reactor horizontal, el grado de flujo pistón, según se define en la presente memoria descriptiva, aumenta, en vez de disminuir, como pone de relieve el incremento del componente de flujo radial, sin un aumento correspondiente en el componente de flujo axial.
Por tanto, en esta memoria descriptiva se describe que el diseño de los elementos internos de un reactor rotatorio que permiten un buen mezclamiento radial, mantiene todavía el flujo pistón como característica del reactor rotatorio. El elemento interno se refiere como un dispositivo de mezclamiento, o dispositivos de mezclamiento si hay más de uno presente. El dispositivo de mezclamiento se conoce también como placa divisoria o sustentador. Este elemento interno es útil especialmente en reactores rotatorios usados para incrementar la viscosidad intrínseca de resinas de poliéster.
Con el fin de comprender esta descripción es necesario comprender las diferencias entre reactores de flujo pistón y CSTR, tanto desde una base teórica como en aplicaciones del mundo real en las que no existen verdaderos reactores de flujo pistón y CSTR.
En primer lugar, todos los reactores químicos se caracterizan por un cierto grado de mezclamiento. Uno de los dos casos extremos, o puntos finales, es el Reactor de Tanque de Agitación Continua (CSTR), que es el sistema perfectamente mezclado. Un reactor CSTR es un reactor en el que el 100% de la materia que constituye el contenido del reactor tiene la misma composición de la corriente de salida. Esto se debe al hecho de que el equipo actúa teóricamente como un reactor ideal completamente mixto.
En el otro extremo del espectro de reactores está el reactor de Flujo pistón, que es el reactor perfectamente segregado, es decir, un reactor cuyo contenido puede dividirse en un número infinito de fragmentos de contenido siendo la composición específica de cada uno diferente al siguiente. La materia en el interior del reactor actúa como un "pistón" o como un "émbolo".
El profesional sabe que, en realidad, no existen reactores CSTR perfectos ni reactores de flujo pistón perfectos y que el término "grado de flujo pistón" se usa para caracterizar al equipo y a los reactores con respecto a la dinámica de fluidos de las fases de gas, líquido y sólido implicadas.
El grado de flujo pistón se expresa en n-CSTR en el modelo de serie, en el que n es el número de CSTR que constituyen la cascada o serie de n-CSTR que tiene la misma distribución de los tiempos de residencia que el reactor.
Si n = 1, entonces el reactor es el CSTR perfecto ideal. Si n = \infty, entonces el reactor es el reactor de flujo pistón perfecto ideal.
Los reactores de polimerización de estado sólido (SSP) de lecho de movimiento vertical (como los usados actualmente en las tecnologías actuales comerciales de polimerización de estado sólido), tienen en términos generales un grado de flujo pistón equivalente a un intervalo de 4 a 8 CSTR en serie, y en cualquier caso inferior a 10 CSTR en serie.
A partir de la bibliografía se sabe que el grado de flujo pistón más elevado que puede alcanzarse en la fase sólida dentro de un reactor de tipo horno está asociado con los regímenes de flujo "RODADURA" y "DERRUMBAMIENTO". La figura 10 muestra el tipo de regímenes de flujo de la fase sólida y el movimiento del material descrito en la bibliografía en el que el deslizamiento se asocia con la velocidad rotacional del reactor más lento y el centrifugado asociado con las velocidades más altas.
Se establecieron los siguientes grados de flujo pistón usando virutas de poliéster en los reactores rotacionales C1, C2 y C3, de las siguientes dimensiones:
C1 = 2 metros de longitud, 175 mm de diámetro (D) (sin dispositivos de mezclamiento): n = 100 a 150
C2 = 22 m de longitud y 2,1 m de diámetro (D) (sin dispositivos de mezclamiento): n = 300 a 400
C3 = (L > 50 m; L/D = 10 a 12 (sin dispositivos de mezclamiento): n < 500
Como es evidente a partir de los datos experimentales, un reactor SSP rotacional horizontal sin dispositivos de mezclamiento está bastante más cerca del flujo pistón ideal que los reactores SSP de lecho móvil cilíndrico verticales convencionales disponibles comercialmente en la actualidad.
No todas las aplicaciones de los reactores para reacciones químicas o de polimerización requieren un comportamiento de flujo pistón para las fases implicadas. Sin embargo, es necesario siempre que la cinética de reacción sea mayor que el primer orden, ya que el alto grado de segregación del reactor de flujo pistón, que impide el aplanamiento de las concentraciones de los reactivos en los valores iguales a los de salida del reactor, potencia el progreso de la reacción; además, el comportamiento de flujo pistón es necesario cuando se requiere una distribución estrecha de las propiedades del producto acabado.
El reactor rotatorio contemplado para estos dispositivos de mezclamiento internos es un reactor que forma parte de un procedimiento mayor usado para polimerizar continuamente por fase sólida poliésteres según se describe en el documento WO-2004/018.541, cuyas enseñanzas se incorporan en su totalidad. Este procedimiento se muestra en varias figuras que acompañan a esta descripción escrita.
Los gránulos de prepolímeros de poliéster almacenados en la tolva 1-8, u otro dispositivo de almacenamiento semejante, se suministran a un calentador-cristalizador 1-6, en el que se calientan hasta una temperatura adecuada para provocar la cristalización de los gránulos, pastillas, o virutas con una adhesión mínima. Preferentemente no debería haber adhesión. Este cristalizador podría ser uno de los muchos de la técnica, sin embargo, se prefiere la cristalización rápida a altas temperaturas sobre la cristalización lenta y bajas temperaturas.
Preferentemente, la etapa de cristalización es efectuada en un cristalizador de lecho fluidizado 1-6 usando una velocidad de flujo de gas suficiente para hacer que los gránulos de poliéster se fluidicen con o sin vibración mecánica. Para este fin puede usarse gas inerte o aire. La cristalización puede realizarse generalmente en tiempos de residencia en el intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 20 minutos y, preferentemente, de aproximadamente 10 a aproximadamente 15 minutos. En el caso de una resina de tereftalato de polietileno, el calentamiento se consigue mediante el uso de un medio de fluidización (ya sea aire o gas inerte) a temperaturas en el intervalo de aproximadamente 140ºC a aproximadamente 235ºC y preferentemente en el intervalo de aproximadamente 200ºC a aproximadamente 225ºC. El tiempo de residencia para cristalizar los gránulos de poliéster en el nivel deseado depende de la temperatura de cristalización y la velocidad de cristalización del polímero; la baja temperatura de cristalización requiere un tiempo de cristalización más largo.
En general, el prepolímero de tereftalato de polietileno se cristaliza en un grado de cristalización correspondiente a una densidad de al menos aproximadamente 1,37 g/cm^{3}. Los gránulos de poliéster también pueden cristalizarse por tratamiento de vapor (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 4.644.049) o por campo de energía de alta frecuencia comprendida entre aproximadamente 20 y aproximadamente 300 MHz (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 4.254.253). Después de cristalizarse, los gránulos pueden suministrarse opcionalmente en un precalentador usando gas inerte de purga. Los gránulos de poliéster cristalizados pueden secarse opcionalmente después de salir del cristalizador. Sin embargo, el secado no es estrictamente necesario y es menos costoso de polimerizar poliéster "húmedo", como se sabe por la patente de EE.UU. nº 3.718.621.
Después de la cristalización, los gránulos de poliéster se polimerizan en fase sólida. Las etapas de cristalización y polimerización en fase sólida no tienen que realizarse en estricta secuencia temporal, es decir, no tienen que realizarse necesariamente una después de la otra. Es posible realizar la cristalización en un lugar y enviar los materiales cristalizados a otro lugar para que se polimericen en fase sólida.
La etapa de polimerización en fase sólida es efectuada en al menos un reactor inclinado horizontal (preferentemente cilíndrico) mostrado como 1-5 en la figura 1. El reactor gira alrededor de un eje central, 1-3, conocido como eje de rotación. Es similar a un "horno rotatorio". El reactor de polimerización de fase sólida se abreviará en lo sucesivo por motivos de sencillez como "HCIRR" y se refiere en la figura 1 como 1-5.
Una característica adicional del reactor HCIRR es el ángulo de inclinación (\alpha, en la figura 1) que es el ángulo formado entre la intersección de la horizontal 1-2 y el eje de rotación 1-3. Como se muestra en la figura 1 también es el ángulo formado por una línea 1-4 paralelo al eje de rotación con la horizontal 1-2. Los valores preferidos para el ángulo de inclinación están entre 0,1º y 12º, más preferentemente entre 1º y 6º, con una altura máxima preferida de gránulos de poliéster de 4-5 metros. Ventajosamente, se proporciona la combinación de la inclinación y la rotación, preferentemente con una velocidad entre 0,1 y 10 rpm del reactor HCIRR (figuras 1-5) y el flujo apropiado desde un extremo al otro del reactor HCIRR (figuras 1-5), y tiene lugar una renovación constante de las áreas de contacto intergranular de manera que los gránulos de poliéster no tienen la oportunidad de deslizarse unos sobre otros. Como el peso en sí de la masa de los gránulos dentro del reactor no puede ignorarse con respecto a las otras fuerzas que actúan como, por ejemplo, la fuerza de inercia, preferentemente el diseño y los parámetros operativos del reactor HCIRR 1-5 se escogerán de manera que el régimen de flujo de gránulos dentro del reactor se caracterice por un número de Froude Fr = (\omega^{2} x R/g) comprendido en el intervalo de 1 x 10^{-4} a 0,5; en el que \omega es la velocidad angular del reactor, R es el radio interno del reactor y g es la aceleración de la gravedad = 9,806 m/s^{2}.
Este régimen de flujo, denominado "rodadura", es tal que, cuando los gránulos se sumergen en el lecho del sólido, se comportan como un cuerpo rígido y giran con la misma velocidad de rotación que el reactor HCIRR, y, cuando llegan a la superficie del lecho sólido, se deslizan sobre la propia superficie. Este régimen de flujo sólido facilita que haya un comportamiento verdadero de "tipo flujo pistón" de gránulos o pastillas. Como el flujo pistón verdadero absoluto es sólo una construcción teórica, se usa la frase comportamiento de tipo flujo pistón, donde el reactor muestra un comportamiento aproximado de tipo flujo pistón que significa que el reactor tiene un comportamiento de más o menos grados de flujo pistón según se describe previamente.
Los gránulos de poliéster cristalizados (o cristalizados y precalentados) se hacen pasar en la parte superior del reactor HCIRR (figuras 1-5) (o en el primer reactor HCIRR de una serie de reactores HCIRR, cuando la planta tiene más de un reactor HCIRR en serie) y pasa a través del reactor (o los reactores) HCIRR debido a la fuerza de gravedad que impone la inclinación del reactor, así como la rotación del reactor.
La velocidad de flujo de los gránulos a través del reactor HCIRR 1-5 está controlada por la descarga de regulación del reactor HCIRR en sí. Dicha descarga es alimentada a continuación en un dispositivo de refrigeración 1-7.
La polimerización se lleva a cabo en una corriente de gas inerte de purga. Se prefiere generalmente el flujo de purga muy por debajo de la velocidad turbulenta de manera que se evite la fluidización y el arrastre de gránulos de poliéster. Además, cuando hay más reactores HCIRR presentes en serie, la velocidad de flujo del gas inerte normalmente será aproximadamente igual. En el último caso, se prefiere que la velocidad en cada reactor HCIRR no supere 1,25 veces la velocidad en cualquier otro reactor en una serie de reactores. Preferentemente, además, tanto en el caso de un solo reactor HCIRR o una serie de reactores HCIRR el gas de purga pasa a través del reactor HCIRR 1-5 a contracorriente para fluir en dirección de los gránulos de poliéster. Aunque también puede usarse un flujo de gas de purga en corriente con la dirección del flujo de los gránulos, esta última configuración demuestra ser menos eficaz y generalmente requiere una velocidad de flujo de gas más alta.
Los gases de purga adecuados para su uso en el procedimiento de esta invención incluyen preferentemente nitrógeno, pero también pueden elegirse dióxido de carbono, helio, argón, neón, kriptón, xenón, aire y ciertos gases de residuos industriales y combinaciones o mezclas de los mismos.
Por otra parte, opcionalmente, el gas inerte de purga puede reciclarse en el reactor, después de que haya sido purificado de impurezas orgánicas, preferentemente hasta que alcance un nivel de impurezas orgánicas menor o igual que 100 ppm en peso (equivalente de CH_{4}).
En general la temperatura de polimerización estará incluida en el intervalo desde justo por encima de la temperatura de polimerización umbral hasta una temperatura en un rango de unos pocos (3) grados centígrados de la temperatura de adhesión del polímero (que estará muy por debajo del punto de fusión del polímero). Habitualmente, esta temperatura umbral es de 40ºC por encima del inicio de la temperatura de cristalización del polímero.
Por ejemplo, cuando se polimerizan homopolímeros y copolímeros PET con hasta el 5% de modificación sobre una base molar, es adecuada una temperatura en el reactor HCIRR dentro del intervalo de aproximadamente 170ºC a aproximadamente 235ºC y preferentemente en el intervalo de aproximadamente 190ºC a aproximadamente 225ºC. Se prefieren temperaturas en el intervalo de aproximadamente 205ºC a aproximadamente 220ºC. También son las temperaturas adecuadas para el primer reactor HCIRR en una serie si existe más de un reactor HCIRR.
Los copolímeros PET modificados que contienen de aproximadamente el 1 a aproximadamente el 3% en moles de ácido isoftálico, un porcentaje basado en ácidos totales, se polimerizan a aproximadamente temperaturas de 5 a 8ºC menores debido a que sus puntos de fusión son menores que los de los homopolímeros PET. Dichos copoliésteres son menos cristalinos y tienen una gran tendencia a adherirse a temperaturas de polimerización.
Una característica central del reactor HCIRR es que gira alrededor de un eje de rotación (figuras 1-3), en el que el eje no es paralelo a la horizontal, que es una línea perpendicular al empuje gravitacional. El eje de rotación no es paralelo a la horizontal perpendicular al empuje gravitacional cuando se coloca un material como agua o pastillas en el extremo superior del reactor rotatorio y cuando no se ayuda de otras fuerzas que la gravedad y el reactor rotatorio se mueve al otro extremo inferior. El eje rotacional es paralelo a la línea horizontal perpendicular al empuje gravitacional cuando el agua, las pastillas u otra sustancia colocadas en un extremo del reactor y no sujetas a ninguna otra fuerza que la gravedad (incluidas las fuerzas de rozamiento), no se moverá al otro extremo. Obviamente, este experimento debe intentarse en los dos extremos del reactor, ya que si el eje del reactor no es paralelo al plano horizontal el material se moverá en un extremo pero no se moverá hacia el reactor en el otro extremo. El ángulo formado por la intersección del eje de rotación y la línea horizontal perpendicular al empuje gravitacional se denomina ángulo de inclinación (\alpha).
Aunque en la técnica se sabe unir dispositivos de mezclamiento, como placas divisorias o sustentadores, a la pared del reactor rotacional, sin embargo, el diseño para comportamiento de tipo flujo pistón no se ha desvelado previamente. En esta memoria descriptiva se desvelan dispositivos de mezclamiento que mezclan el material retirando el material de la pared y sustituyéndolo con material hacia el centro del lecho de flujo, pero haciéndolo de manera que mantenga o mejore el comportamiento de tipo flujo pistón del reactor.
Durante los experimentos de dispositivos rotacionales sin dispositivos de mezclamiento y reactores rotacionales con dispositivos de mezclamiento de diversas longitudes, se observó directamente que los gránulos/virutas se movían como un cuerpo rígido cuando se sumergían y se deslizaban hacia abajo (o "rodaban") desde el lado superior al lado inferior de la cuerda que representa el límite superior de la fase sólida cuando se procesaron las virutas/gránulos en un reactor inclinado rotacional sin dispositivo de mezclamiento. La cuerda es la cuerda del círculo descrito por la sección transversal de la pared del reactor en la que la cuerda está encima del lecho de gránulos cuando se tira de los gránulos hasta la pared del vaso rotatorio. Esta cuerda se representa en la figura 9. Mientras rueda por la cuerda, cada viruta se ve perturbada por la rugosidad de la superficie del lecho (formada por las otras virutas). El efecto de esta perturbación es que algunas virutas se enviaron hacia atrás a lo largo del eje de rotación (hasta el reactor) y algunas hacia delante en la dirección del eje reactor (hacia abajo en el reactor), generando así un grado mensurable y observable de dispersión axial. Cuando la longitud equivalente de los dispositivos de mezclamiento fue mayor que la 1/10ª parte de la longitud del reactor, existía más mezclamiento axial que sin los dispositivos de mezclamiento. Incluso si estos reactores con dispositivos de mezclamiento actúan en un grado muy alto de flujo pistón, no proporcionan un grado tan alto de flujo pistón como el reactor sin los dispositivos de mezclamiento internos.
En una realización del dispositivo de mezclamiento, se une al menos un dispositivo de mezclamiento a la pared del reactor. La figura 2 es una vista en corte del reactor en un plano perpendicular al eje de rotación y que contiene un dispositivo de mezclamiento 2-7. El grosor del dispositivo de mezclamiento se representa como 2-6. La pared del reactor se representa como 2-5 y el diámetro interior del mismo, como 2-4. El dispositivo de mezclamiento sobresale de la pared en el punto 2-1, que es la intersección de la línea 2-9 que es la línea tangente al círculo circunscrito por la rotación de la pared del reactor en un punto a la distancia más alejada del eje de rotación 2-3. La altura del dispositivo de mezclamiento en la vista del plano es la distancia 2-8 que se mide desde el punto de saliente 2-1 a la parte superior del dispositivo de mezclamiento en el plano 2-2.
El grosor 2-6 del dispositivo de mezclamiento en el plano perpendicular al eje de rotación no es esencial para mantener el flujo pistón. Sin embargo, el profesional reconocerá que debe ser suficientemente fuerte para no deformarse bajo la tensión debida a la resistencia de la fase sólida cuando gira a través del material que está intentando mezclar. Por tanto, el grosor del dispositivo de mezclamiento está determinado por la intensidad requerida que es determinada en parte por el material de construcción y la temperatura de funcionamiento.
La altura del dispositivo de mezclamiento en el plano perpendicular al eje de rotación es la distancia desde la pared del reactor a la parte superior del dispositivo de mezclamiento. Aunque no es esencial para mantener el comportamiento de tipo flujo pistón, se ha encontrado que los mejores resultados se obtienen cuando la altura es menor que la mitad del diámetro del círculo definido por la rotación del punto en el que el dispositivo de mezclamiento se une con la pared del reactor alrededor del eje de rotación (figuras 2-3). Para un reactor circular, la altura del dispositivo de mezclamiento sería menor que la mitad del diámetro interno, o el radio, del reactor. No es necesario o requerido que la altura del dispositivo de mezclamiento sea constante a lo largo de la longitud del dispositivo de mezclamiento. Sin embargo, cuando la altura del dispositivo de mezclamiento, también conocida como su penetración radial (saliente), es menor que la 1/20ª parte del diámetro del reactor el efecto beneficioso bien en la velocidad de renovación de gas-virutas o bien en el comportamiento de tipo flujo pistón se hace insignificante, incluso si la longitud del dispositivo de mezclamiento es menor que la 1/20ª parte de la longitud total del reactor. A esta altura, dicho tipo de elementos internos sirve sólo como un dispositivo antideslizante, para evitar el deslizamiento de las virutas en la pared del reactor.
Existen dos longitudes del dispositivo de mezclamiento. La longitud física del dispositivo de mezclamiento es la longitud del dispositivo medida desde la parte superior del dispositivo en el punto en el que el dispositivo de mezclamiento primero sobresale de la pared a la parte superior del dispositivo en la que termina el dispositivo de mezclamiento, o deja de sobresalir de la pared. El punto de saliente en el principio o el final del dispositivo de mezclamiento corresponde a cuando la altura del dispositivo de mezclamiento es menor que aproximadamente la 1/20ª parte del diámetro de la circunferencia de un reactor circular. El dispositivo de mezclamiento deja de sobresalir de la pared cuando la altura es menor que aproximadamente la 1/20ª parte del diámetro de la circunferencia descrita por la rotación del punto de saliente. La longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento es la distancia entre el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento primero sobresale de la pared y el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento deja de sobresalir de la pared.
Esto se representa en la figura 3.
La figura 3 muestra la longitud del reactor de longitud 3-10 y la longitud equivalente de dos dispositivos de mezclamiento, 3-11 y 3-13. El dispositivo de mezclamiento 3-13 es una espiral que traza la curva rotacional del reactor. La longitud equivalente del dispositivo 3-13 se representa como 3-12. Es decir, la distancia a lo largo del eje de rotación del punto de primer saliente 3-1, que corresponde a 3-4, y el último saliente, que corresponde a 3-6. La longitud física de este dispositivo de mezclamiento es mayor que la longitud equivalente porque el dispositivo traza la curva o espiral del reactor. Se trata de la línea 3-2. El segundo dispositivo de mezclamiento, 3-11, discurre en paralelo al eje de rotación. Por tanto, su longitud física y su longitud equivalente son la misma. La longitud del reactor no está a escala, pero es 3-10, que es la distancia entre los puntos 3-8 y 3-9. Otros puntos de referencia en la figura 3 son 3-5, la pared del reactor, 3-3, el eje de rotación y 3-7, el diámetro del reactor.
Esta distinción entre longitud física y longitud equivalente se usa para describir un dispositivo de mezclamiento que sobresale de la pared, como espirales a lo largo de la pared del reactor. La longitud física podría ser tres o cuatro circunferencias, aunque teniendo todavía una longitud equivalente de 0,5 circunferencias. Así se representa en la figura 4, en la que el dispositivo de mezclamiento, 4-1, rodea en círculo la pared del reactor, 4-5, 2 veces. Este reactor tiene un diámetro de 4-2 y una longitud de 4-4. La longitud equivalente 4-11 es desde el punto 4-6 a 4-10, según se mide a lo largo del eje de rotación 4-3, mientras que la longitud física es la medida a lo largo de la pared que traza el dispositivo desde 4-6 a 4-7 a 4-8 a 4-9 a 4-10. Para un reactor circular y una espiral perfecta, la longitud física puede determinarse mediante el teorema de Pitágoras tratando la circunferencia del reactor como la base del triángulo, la longitud equivalente como la altura y la longitud física como la hipotenusa del triángulo rectángulo.
Aunque la configuración espiral es posible, no se cree que un dispositivo de mezclamiento que rodee completamente en círculo el reactor al menos una vez proporcione el mezclamiento deseado. Sin embargo, se contempla dicho dispositivo de mezclamiento. Se cree que el mejor mezclamiento se consigue cuando el dispositivo de mezclamiento no forma un círculo completo.
La formación de un círculo completo puede describirse como cuando la longitud física del dispositivo de mezclamiento es mayor que la siguiente fórmula (fórmula 1)
1
en la que a es la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento y b es la circunferencia de rotación que es la distancia recorrida en una rotación del punto de saliente desde la pared. Es también la circunferencia interior de un reactor anular redondo. Se cree que se prefiere, por tanto, que la longitud física se mantenga inferior al valor definido por la fórmula 1.
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Es esta longitud equivalente la que determina si el comportamiento de tipo flujo pistón está afectado. Lo que se ha descubierto es que cuando la longitud equivalente es menor que aproximadamente la 1/20ª parte de la longitud del reactor, el flujo pistón se potencia. Mientras las longitudes equivalentes de menos de la 1/20ª parte de la longitud del reactor son beneficiosas, se cree asimismo que otras longitudes también funcionarán, por tanto puede decirse que la longitud equivalente se seleccionará entre el grupo que consiste en longitudes equivalentes de menos de la 1/10ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/12ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/14ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/15ª parte de la longitud del reactor, menos de la 1/16ª parte de la longitud del reactor, la 1/18ª parte de la longitud del reactor y menos de la 1/20ª parte de la longitud del reactor.
El profesional reconocerá que podría haber múltiples dispositivos de mezclamiento en cualquier sección horizontal dada del reactor. Por ejemplo, un primer dispositivo de mezclamiento podría sobresalir de la pared en un primer punto en la circunferencia de rotación y un segundo dispositivo de mezclamiento podría sobresalir de la pared en un segundo punto a 180º del primer punto en la circunferencia de rotación. Otros dispositivos de mezclamiento podrían sobresalir de la pared en puntos a 90º y 270º del primer punto. Mientras los ejemplos anteriores intentan equilibrar los dispositivos de mezclamiento, el número de dispositivos de mezclamiento y su posición con respecto al primer dispositivo de mezclamiento no es esencial. Esta configuración se representa en la figura 5.
La figura 5 muestra la pared del reactor de 5-5, el eje de rotación 5-3 y cuatro dispositivos de mezclamiento (5-1, 5-2, 5-4, 5-6), cada uno separado 90º del contiguo. También se muestra el lecho de material, 5-8, cuando el reactor no está girando. La altura del lecho se representa como 5-10 y es la distancia desde la parte superior del lecho 5-12 a la pared del reactor en el punto más grueso del lecho. 5-9 es la línea tangente que interseca al punto de saliente y 5-7 es el diámetro interior del reactor.
Si se usan múltiples dispositivos de mezclamiento, tampoco es esencial que los dispositivos de mezclamiento empiecen a sobresalir y dejen de sobresalir en el mismo plano perpendicular al eje de rotación. Podrían estar escalonados a lo largo de la longitud del reactor.
También se contempla que el dispositivo de mezclamiento se curve desde la parte superior del dispositivo de mezclamiento al punto de saliente desde la pared. Esta curva es también relativa al plano que intersecta el eje de rotación y el punto de saliente desde la pared. La curva podría arquearse en la dirección de rotación o alejándose de la dirección de rotación.
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La figura 6 muestra una realización que podría incluir las enseñanzas de esta clase. En esta realización, el vaso de reactor real 6-5 no es redondo, sino en este ejemplo, cuadrado. Aún cuando el reactor 6-5 sea cuadrado, su rotación alrededor del eje de rotación 6-3 describirá un círculo 6-6 en su esquina externa y un círculo adicional 6-8 en sus puntos de saliente para cada placa divisoria 6-1, 6-2, 6-4 y 6-7. Este último círculo es el que se usaría para calcular las diversas dimensiones para cada dispositivo de mezclamiento.
El dispositivo de mezclamiento puede unirse a la pared de cualquier manera. Las figuras 7a y 7b muestran un dispositivo de mezclamiento atornillado y soldado. En la figura 7a, el dispositivo de mezclamiento 7-2 está unido usando el tornillo 7-1. En la figura 7b, el dispositivo de mezclamiento 7-2 está soldado a la pared y 7-4 muestra un reborde desde una soldadura.
El dispositivo de mezclamiento también debería estar desprovisto de orificios que atraviesan el eje de rotación que son más grandes que el tamaño de los gránulos, pastillas, copos o virutas que se procesarán. En una realización los orificios se contemplan específicamente. Como el reactor funciona mejor cuando un gas se inyecta, parcial o totalmente, en el lecho de virutas, el dispositivo de mezclamiento puede ser hueco con orificios que permiten que el gas de purga se introduzca en el material haciéndolo primero pasar al dispositivo de mezclamiento y dejándolo pasar a través de los orificios en el lecho del material que se está procesando. Los múltiples dispositivos de mezclamiento pueden conectarse mediante un tubo o estructura equivalente funcional.
Las figuras 8a y 8b muestran una realización de este dispositivo de mezclamiento. En detalle, el reactor 8-5, con eje de rotación 8-3, tiene una serie de dispositivos de mezclamiento 8-1. Estos dispositivos de mezclamiento son huecos con un gran orificio, 8-4. Los orificios 8-4 son para la introducción del gas de purga en los dispositivos de mezclamiento, mientras los orificios 8-2, que son menores que las pastillas o virutas que se están procesando, se usan para distribuir el gas de purga, 8-6, a través del lecho 8-8. Los dispositivos de mezclamiento 8-1 están unidos en serie mediante conectores denotados como 8-7. Aunque se cree que no son esenciales, se cree que se consigue una mejor eficacia cuando los conectores están "no en contacto" con la pared del reactor. En la práctica, "no en contacto" significa al menos 10 mm desde la pared del reactor.
Son posibles diferentes configuraciones. Por ejemplo, se puede dividir un reactor de 80 metros en 3 zonas: 30 metros, 20 metros, 30 metros, y colocar dos dispositivos de mezclamiento en cada sección de 2 metros de cada zona. Los dispositivos de mezclamiento están preferentemente separados 180º radialmente entre sí. La diferencia entre las zonas es que la altura del dispositivo de mezclamiento se varía, también en función de la diferente altura de la cabeza de la fase sólida a lo largo de la coordenada axial del reactor HCIRR.
En otra realización, existiría un dispositivo de mezclamiento por sección. En otra realización el reactor se divide en secciones de 80 metros, teniendo la primera sección un dispositivo de mezclamiento, teniendo la siguiente sección el segundo dispositivo de mezclamiento con el inicio del segundo dispositivo de mezclamiento situado a 90º del extremo del primer dispositivo de mezclamiento, el inicio del tercer dispositivo de mezclamiento en la tercera sección situada a 90º del extremo del segundo dispositivo de mezclamiento y a 180º del extremo del primer dispositivo de mezclamiento. Dicha configuración continuaría a través de las zonas. Todas estas configuraciones se han ensayado con mejor comportamiento de tipo flujo pistón que el que no tiene elementos internos y ciertamente mejor que cuando el dispositivo de mezclamiento interno era mayor que la 1/10ª parte de la longitud del reactor.
Resultados experimentales
El primer conjunto de experimentos se realizó en un reactor circular rotatorio de tubo de vidrio que tiene un diámetro interno de 175 mm, una longitud de 1.800 mm, volumen total de 43 decímetros cúbicos y un ángulo de inclinación de 1º.
Los tipos de dispositivos de mezclamiento internos usados se representan en las figuras 11a y 11b, siendo el tipo 1 (figura 11a) una pieza metálica en forma de "L" y siendo el tipo 2 (figura 11b) una pieza con una flexión de 60º en la parte superior. Los dispositivos de mezclamiento se montaron de manera que la longitud equivalente y la longitud real eran iguales, por otra parte paralelas al eje de rotación. Los dispositivos de mezclamiento eran cada uno de 100 mm de longitud y 30 mm de altura para el tipo 1 y 35,43 mm de altura para el tipo 2. En las cuatro secciones axiales de 100 mm de longitud en el extremo del reactor (es decir, las secciones de extremo en la salida de las virutas), se montaron cuatro dispositivos de mezclamiento en el reactor, uno para cada sección de 100 mm, separados 90º. Más en detalle: se montó un dispositivo de mezclamiento en la primera de las secciones de 100 mm; se montó un dispositivo de mezclamiento adicional en la sección segunda y sucesivas de 100 mm, separadas 90º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la primera sección; se montó un dispositivo de mezclamiento adicional en la sección tercera y sucesivas, separadas 90º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la segunda sección y separadas 180º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la primera sección; se montó un dispositivo de mezclamiento adicional en la cuarta sección y sucesivas, separadas 90º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la tercera sección, separadas 180º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la segunda sección y separadas 270º del extremo del dispositivo de mezclamiento montado en la primera sección. Los experimentos se realizaron usando virutas de PET de calidad de frasco comercial, así como virutas cubiertas de polvo magnético (es decir, polvo de ferrita) para ser inyectadas como trazador, con el fin de determinar la curva de distribución de los tiempos de residencia en el estado estacionario. Se tomaron muestras en la salida del reactor, empezando cuando se inyectó el trazador y hasta el final de la salida de las virutas con trazador, y la concentración de las virutas con trazador o cubiertas por hierro magnético se determinó en las muestras tomadas. El número n de la cascada (o serie) de los n-CSTR que podrían asimilarse a la distribución de tiempos de residencia obtenida experimentalmente se determinó sobre la base de la curva de concentración de las virutas con trazador frente al tiempo y el grado de flujo pistón se determinó de forma consiguiente. Los resultados de los ejemplos figuran en la tabla I.
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TABLA I
2 
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Cuando los dispositivos de mezclamiento cuyas longitudes equivalentes fueran mayores que aproximadamente la 1/10ª parte de la longitud total del reactor se montaron en el reactor, algunas de las virutas (o gránulos) levantados, se desplazaron rápidamente, deslizándose hacia el resto directamente en el plano del dispositivo de mezclamiento en sí, en sentido ascendente en la dirección axial (con respecto al eje de rotación del reactor HCIRR), dando así un efecto perjudicial en el grado de flujo pistón.
Por el contrario, cuando los dispositivos de mezclamiento cuyas longitudes eran menores que aproximadamente la 1/20ª parte de la longitud total del reactor se montaron dentro del reactor, las virutas (o gránulos) fueron levantados por el dispositivo de mezclamiento y cayeron en algún lugar de la mitad de la cuerda de deslizamiento (o de rodadura), teniendo por tanto el 50% de la trayectoria de deslizamiento superficial y también el 50% de la perturbación del movimiento superficial rugoso que produce dispersión axial.

Claims (9)

1. Un reactor rotatorio cilíndrico inclinado que tiene un eje de rotación, en el que el eje de rotación es central y no paralelo a la línea horizontal perpendicular a la fuerza de gravedad y en el que el reactor tiene al menos un dispositivo de mezclamiento en el que el dispositivo de mezclamiento tiene una altura, una anchura, y una longitud equivalente definida como la distancia entre el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento primero sobresale de la pared del reactor y el plano perpendicular al eje de rotación que contiene el punto en el que el dispositivo de mezclamiento deja de sobresalir de la pared y la longitud equivalente del dispositivo de mezclamiento se selecciona entre el grupo que consiste en longitudes equivalentes de menos de 1/10ª parte de la longitud del reactor, de manera que los gránulos del material tratado en el interior del reactor pasan a su través debido a la fuerza de gravedad así como la rotación del reactor con un comportamiento de tipo flujo pistón.
2. El reactor de la reivindicación 1, en el que existe al menos un dispositivo de mezclamiento cuya longitud equivalente es menor que la 1/20ª parte de la longitud del reactor horizontal.
3. El reactor de la reivindicación 1 ó 2, en el que al menos uno de los dispositivos de mezclamiento tiene orificios para introducir un gas de purga en el reactor.
4. El reactor de la reivindicación 3, en el que existen al menos dos dispositivos de mezclamiento y los al menos dos dispositivos de mezclamiento tienen orificios para introducir un gas de purga en el reactor.
5. El reactor de la reivindicación 4, en el que los al menos dos dispositivos de mezclamiento están conectados de una manera que el gas de purga puede pasar desde el primer dispositivo de mezclamiento hasta el segundo dispositivo de mezclamiento a través de un conector.
6. El reactor de la reivindicación 5, en el que el conector está al menos a 10 mm de la pared del reactor.
7. El reactor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que existe al menos un dispositivo de mezclamiento, cuya longitud equivalente coincide con la longitud física y es menor que la 1/20ª parte de la longitud del reactor.
8. El reactor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el eje de rotación está inclinado con respecto a la línea horizontal perpendicular a la fuerza de gravedad a un ángulo comprendido en el intervalo de 0,1º a 12º.
9. Uso del reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la polimerización en estado sólido de un poliéster.
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