ES2199972T3 - Proceso para la policondensacion en estado solido de resinas de poliester. - Google Patents

Proceso para la policondensacion en estado solido de resinas de poliester.

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ES2199972T3 ES95118624T ES95118624T ES2199972T3 ES 2199972 T3 ES2199972 T3 ES 2199972T3 ES 95118624 T ES95118624 T ES 95118624T ES 95118624 T ES95118624 T ES 95118624T ES 2199972 T3 ES2199972 T3 ES 2199972T3
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Abstract

PROCEDIMIENTO PARA LA POLICONDENSACION EN ESTADO SOLIDO DE RESINAS DE POLIESTER, DONDE SE HACE CIRCULAR UN GAS INERTE EN UN LECHO MOVIL DE POLIMERO A UNA TEMPERATURA ENTRE 180 (GRADOS) Y 230 (GRADOS) C, QUE SE CARACTERIZA PORQUE LA RELACION EN PESO ENTRE LA VELOCIDAD DE CIRCULACION DEL GAS POR HORA Y LA DEL POLIMERO DESCARGADO ES INFERIOR A 0,6.

Description

Proceso para la policondensación en estado sólido de resinas de poliéster.
La presente invención se refiere a un proceso para la policondensación en estado sólido de resinas de poliéster.
Las resinas de poliésteres aromáticos, en particular tres de ellas, el poli(tereftalato de etileno) (PET), los copolímeros del ácido tereftálico con concentraciones menores de ácido isoftálico y el poli(tereftalato de butileno), encuentran amplia aplicación en el área tanto de las fibras como de las películas, o como material de moldeo.
Mientras que para las fibras y películas el número de viscosidad límite de la resina está, en general, entre 0,6-0,75 dl/g, para el material de moldeo se necesitan valores mayores, que son difíciles de obtener directamente por procesos de policondensación de la resina.
El número de viscosidad límite se incrementa hasta los valores requeridos (en general mayores que 0,75 dl/g) por medio de procesos SSP de la resina, a una temperatura, en general, entre 190ºC y 230ºC.
La resina de partida utilizada en los procesos SSP está en estado amorfo; es necesario llevarla a un grado suficiente de cristalinidad antes de ser enviada al proceso SSP.
La cristalización es necesaria para evitar la acumulación de virutas de polímero en el reactor de policondensación, que está formado, en general, por un lecho móvil vertical donde el polímero introducido desde arriba es atravesado por una corriente de gas inerte que retira los productos volátiles residuales de la reacción de policondensación (etilenglicol y acetaldehído en el caso de poli(tereftalato de etileno)).
La retirada de productos de la reacción de policondensación es un requerimiento fundamental para el desarrollo de la misma reacción.
Durante la policondensación ocurren diversas reacciones. La reacción principal, que lleva al aumento del peso molecular del PET, es la retirada de etilenglicol:
1
Otras reacciones llevan a esterificaciones de grupos terminales carboxílicos y a la formación de acetaldehído.
Las reacciones de policondensación y esterificación son reversibles mientras que las reacciones que llevan a la formación de acetaldehído son irreversibles y de diverso tipo.
Incluyen la reacción de degradación de la cadena polimérica con la formación de un grupo terminal viniléster, que, reaccionando con un grupo terminal -OH, elimina acetaldehído; la reacción del grupo viniléster con un grupo terminal COOH con formación de un grupo anhídrido y retirada de acetaldehído; la reacción de degradación de grupos terminales hidroxietílicos con formación de acetaldehído.
La retirada de acetaldehído del polímero a niveles menores que pocas ppm es un requerimiento fundamental en el caso del PET para la producción de artículos para usos alimenticios, tales como botellas de agua mineral.
Como ya se ha indicado, los productos residuales de la reacción de policondensación son eliminados con el paso de una corriente de gas inerte a favor de corriente o a contracorriente con la alimentación de polímero que viene de la etapa de cristalización.
La reacción de policondensación se realiza, en general, en un reactor tubular con lecho móvil, en el que el polímero entra desde arriba y sale desde abajo y una corriente de gas inerte se pasa sobre el polímero.
En la patente estadounidense nº 4064122 se describen procesos de este tipo, en los que el polímero granular se cristaliza hasta un grado de densidad de al menos 1,390 g/cm^{3}, que opera en cristalizadores con movimiento forzado a una temperatura entre 220ºC y 260ºC, y efectuando entonces la reacción de policondensación en un reactor con lecho móvil, que opera a temperaturas iguales o menores que las usadas en el paso de cristalización. La temperatura en el paso de cristalización está en general entre 230ºC y 245ºC y el proceso se lleva a cabo hasta que se obtienen valores de cristalinidad correspondientes a 1,403-1,415 g/cm^{3} de densidad. En el paso de policondensación se usa una temperatura entre 230ºC y 245ºC para obtener una valor óptimo de la velocidad de reacción combinada con un grado bajo de degradación de polímero. Un gas inerte, preferiblemente nitrógeno, se usa para retirar los productos residuales formados en la etapa de policondensación. Este gas se recicla después de la purificación de los subproductos.
El polímero experimenta descomposiciones hidrolíticas cuando el contenido de agua excede el indicado anteriormente.
Cuando el contenido de glicol excede el arriba indicado influye negativamente en la velocidad de reacción.
Contenidos altos de oxígeno y acetaldehído causan decoloramiento del objeto conformado y no se permiten altos contenidos de acetaldehído en los objetos conformados para uso alimenticio.
Para limitar los costes de purificación del reciclado de gas y los costes de energía para el mantenimiento del flujo gaseoso, la proporción en peso entre la velocidad de flujo de gas por hora y la velocidad de flujo por hora del polímero que abandona el reactor se tiene que mantener entre 0,7:1 y 3:1, preferiblemente entre 1:1 y 2:1.
Utilizando valores menores que 0,7 (0,5 y 0,3 en los ejemplos) y operando en las condiciones expuestas en la patente estadounidense nº 4064112 (temperatura de cristalización 235ºC y temperatura de policondensación 230ºC), el número de viscosidad límite del polímero no aumenta significativamente.
Utilizando proporciones menores que 0,7, hay un aumento de la diferencia de temperatura a través de la sección de reactor.
La patente estadounidense nº 4161578 describe un proceso de cristalización/policondensación en estado sólido, en el que el polímero en virutas es cristalizado en un equipo con movimiento forzado, actuando a temperaturas entre 180 ºC y 235ºC hasta obtener un grado de cristalinidad correspondiente al menos a 1,385 g/cm^{3} de densidad y posteriormente alimentado a un reactor de policondensación de lecho móvil, donde se calienta el polímero a temperaturas mayores que las usadas en el paso de cristalización.
Se hace circular nitrógeno en el reactor de policondensación a contracorriente con el polímero alimentado con una proporción en peso entre las velocidades de flujo comprendidas de 0,7 a 3,5 kg N_{2}/kg de PET.
Inesperadamente se ha encontrado que incluso usando proporciones R entre la velocidad de flujo por hora en peso de gas inerte alimentado al reactor de policondensación y la velocidad de flujo por hora en peso del polímero que sale del reactor menores a las consideradas hasta ahora como valores de límite, por debajo de los cuales no se podrían obtener resultados interesantes, es posible retirar efectivamente los subproductos de la reacción de policondensación obteniendo así cinéticas de reacción altas.
La presente invención es como se define por la presente reivindicación 1.
Más aún, inesperadamente se ha encontrado que el calor exotérmico de la reacción disminuye usando proporciones R bajas; esto permite controlar mejor el perfil térmico en el rector SSP y mejorar también la operabilidad de la planta.
La proporción R utilizable es menor que 0,6 y está comprendida preferiblemente entre 0,2 y 0,5.
El uso de tales proporciones bajas permite ahorros de energía considerables en la operación de soplado de gas.
En el proceso de la invención, la reacción de policondensación se realiza a temperaturas entre aproximadamente 180ºC y 220ºC.
El polímero sometido a la reacción SSP tiene un grado de cristalinidad comprendido entre 40 y 50% en peso y se alimenta como virutas.
Preferiblemente, la organización cristalina del polímero es tal que el pico de pre-fusión que aparece en la curva DSC se desplaza hacia temperaturas más altas que las usadas en la reacción.
Resultados de este tipo son obtenibles operando de acuerdo con el proceso de cristalización descrito en la solicitud europea EP-A-0712703 del solicitante.
En el proceso descrito en la solicitud, las virutas del polímero amorfo se envían primero a un proceso de cristalización llevado a cabo en un lecho fluidizado y después a procesos de cristalización en dos mezcladoras mecánicas, la primera trabajando a una temperatura entre 10ºC y 30ºC más alta que la del lecho fluidizado y la segunda a una temperatura correspondiente a la usada en el siguiente reactor SSP.
La corriente de gas inerte que sale del reactor SSP es enviada a procesos de purificación para la retirada de las impurezas de productos orgánicos presentes en ella.
El proceso se describe en la solicitud WO95/02446.
Los tiempos medios de residencia en el reactor SSP son tales que se obtiene un aumento del número de viscosidad límite del polímero de al menos 0,1 dl/g; están en general comprendidos entre 5 y 20 horas.
La cinética del aumento del número de viscosidad límite se puede elevar considerablemente si el polímero es mezclado en el estado fundido, en un paso previo al de cristalización, con un compuesto polifuncional que contiene dos o más grupos capaces de reaccionar con reacción de condensación o de adición con los grupos terminales OH y COOH del poliéster.
El anhídrido piromelítico, y en general los dianhídridos de ácidos tetracarboxílicos aromáticos o alifáticos, son ejemplos de tales compuestos.
Estos compuestos se usan en una cantidad comprendida generalmente entre 0,1 y 0,2% en peso del polímero.
El anhídrido piromelítico es el compuesto preferido. El uso de estos compuestos se describe en la patente europea nº 422282 y en las patentes estadounidenses nº 5243020, nº 5334669 y nº 5338808 cuya descripción se incorpora aquí como referencia.
Las resinas de poliéster utilizadas en el proceso de cristalización de la invención comprenden los productos de policondensación de dioles C_{2}-C_{20} tales como etilenglicol butilenglicol, 1,4 dimetilolciclohexano con ácidos bicarboxílicos aromáticos, tales como ácido tereftálico, ácido 2,6 naftaleno bicarboxílico o sus derivados reactivos tales como ésteres de alquilos menores, tales como, por ejemplo, tereftalato de dimetilo.
El poli(tereftalato de etileno) es la resina preferida.
Además de las unidades de tereftalato, también unidades que derivan de otros ácidos bicarboxílicos tales como el ácido isoftálico y los ácidos naftaleno dicarboxílicos se pueden presentar en una cantidad de alrededor de 0,5-20% en peso, preferiblemente 1-20% en peso de unidades de ácido isoftálico.
Se dan los siguientes ejemplos para ilustrar pero no limitar la invención.
Ejemplo 1
Se realizó un ensayo de policondensación en estado sólido en un reactor continuo con lecho móvil y con una velocidad de flujo de sólido de 50 kg/h.
La resina usada es un copoli(tereftalato de etileno) que contiene un porcentaje en peso de ácido isoftálico del 2,2%.
El número de viscosidad límite de partida fue 0,60 dl/g y el contenido de acetaldehído 35 ppm.
Se produjo un polímero con un número de viscosidad límite final de 0,80 dl/g manteniendo constante la temperatura media del reactor y cambiando solo la cantidad de gas inerte alimentado (nitrógeno) (cambiando por tanto la proporción R).
El tiempo medio de residencia fue 12 horas.
El nitrógeno alimentado contenía menos de 10 ppm de compuestos orgánicos expresado como equivalentes de metano.
Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 1.
Ejemplo 2
Utilizando el mismo reactor, el mismo polímero y el mismo gas inerte que en el ejemplo 1, se realizaron algunos ensayos utilizando diferentes temperaturas de gas inerte. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.
Ejemplo comparativo 1
El ensayo del ejemplo 1 se repitió utilizando una proporción R de 1, manteniendo constante la temperatura media de las virutas a 210,1ºC y el tiempo de residencia a 12 h.
El número de viscosidad límite del polímero obtenido fue de 0,80 dl/g.
TABLA 1
Nº Ensayo 1 2 3 4 5
Cantidad de nitrógeno kg/h 5 10 15 20 25
R nitrógeno/virutas 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Temperatura media ºC 210,1 210,1 210,2 210,3 210,4
Temperatura máxima virutas ºC 210,5 210,5 210,7 210,8 211,0
Viscosidad límite final 0,800 0,800 0,801 0,799 0,802
Viscosidad límite máxima 0,803 0,803 0,805 0,803 0,806
Viscosidad límite mínima 0,797 0,796 0,798 0,795 0,799
TABLA 2
Nº Ensayo 1 2 3 4
Cantidad de nitrógeno kg/h 10 10 10 10
Temperatura del gas ºC 200 220 180 160
R nitrógeno/virutas 0,2 0,2 0,2 0,2
Temperatura media virutas ºC 210,1 210,3 210,1 210,0
Temperatura máxima virutas ºC 210,5 210,6 210,5 210,4
Viscosidad límite final 0,800 0,801 0,799 0,799

Claims (7)

1. Proceso continuo para policondensación en estado sólido de resinas cristalizadas aromáticas de poliéster, en el que la resina es alimentada desde arriba de un reactor de lecho móvil y descargada desde abajo, un gas inerte circula a favor de corriente o a contracorriente con la resina, con un tiempo medio de residencia de la resina suficiente para obtener un aumento del número de viscosidad límite del polímero de al menos 0,1 dl/g y una proporción R en peso entre la velocidad de flujo del gas por hora y la velocidad del flujo por hora del polímero descargado del reactor menor que 0,6, caracterizado porque dichas resinas tienen un grado de cristalización de 40 a 50% y se obtienen por cristalización primero en un lecho fluidizado a temperaturas de 210ºC a 225ºC, después en mezcladoras mecánicas primero a temperaturas entre 10ºC y 30ºC más altas que la temperatura del lecho fluidizado y finalmente a una temperatura correspondiente a la usada en el reactor de policondensación en estado sólido, manteniéndose la temperatura en dicho reactor entre 180ºC y 220ºC.
2. Proceso según la reivindicación 1, en el que la proporción R está comprendida entre 0,2 y 0,5.
3. Proceso según las reivindicaciones 1 y 2, en el que la temperatura en el reactor está comprendida entre 190ºC
y 210ºC.
4. Proceso según las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que el gas inerte es nitrógeno.
5. Proceso según la reivindicación 4, en el que el nitrógeno está circulando a favor de corriente con el polímero.
6. Proceso según las reivindicaciones anteriores, en el que la resina de poliéster es poli(tereftalato de etileno) o copoli(tereftalato de etileno) que contiene de 1 a 20% de unidades de ácido isoftálico.
7. Proceso según las reivindicaciones anteriores, en el que el nitrógeno se recicla al reactor después de haber sido enviado a un proceso de purificación de las impurezas orgánicas hasta obtener valores menores que 10 ppm expresados como equivalentes de metano.
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