MXPA00011755A

MXPA00011755A - Sistema de control para un procedimiento de poliamidacion conti

Info

Publication number: MXPA00011755A
Authority: MX
Inventors: Gregory E Bush; Chris E Schwier; Robert M Lembcke; Steven W Cook
Original assignee: Solutia Inc
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-04-01
Also published as: KR20010070956A; HUP0101992A3; JP2002516365A; NO20006013L; WO1999061510A1; TR200003533T2; EE200000695A; RU2000133318A; HUP0101992A2; AU4099099A; BR9910791A; CN1310736A; NO20006013D0; AU748194B2; CA2332937A1; IL139815A0; TW442517B; PL344401A1; EP1080129A1; SK17622000A3

Abstract

Un sistema mejorado de poliamidación y un sistema de control para producir una poliamida a partir del monómero deácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida, el sistema de control de poliamidación dosifica la relación molar del monómero deácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida con una mezcla parcialmente polimerizada;un algoritmo de control de alimentación hacia adelante se emplea dentro del sistema de control para determinar el grado al que debe laterarse la cantidad de reactivos iniciales entes de mezclarse para producir la poliamida resultante que tiene una relación molar estequiométricamente equilibra

Description

SISTEMA DE CONTROL PARA UN PROCEDIMIENTO DE POLIAMIDACION CONTINUO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere, por lo general, a procedimientos para producir poliamidas a partir de monómeros de ácido dicarboxílico y monómeros de diamina. Más particularmente, la invención se refiere a un sistema mejorado de polimerización y, por lo tanto, a un sistema de control que mantiene una velocidad de flujo de masa deseada de reactivos fundidos midiendo la relación molar de los reactivos después de la inicialización de la polimerización y reajustando la velocidad de flujo de las existencias de alimentación de los reactivos fundidos.

DISCUSIÓN DE LA TÉCNICA ANTERIOR Un reto principal en la elaboración de poliamidas es asegurarse de que los reactivos se combinen lo suficiente para equilibrar el número de grupos finales amino y/o carboxílicos en la poliamida resultante. Si los reactivos se combinan de tal manera que permanece un número impar de grupos finales amino y/o carboxílicos, puede influir negativamente en ciertas _^ ^ ßÉ^-_—Mki_¿^^-^^É—^a^ características de la poliamida resultante. Por ejemplo, cuando se produce nylon 6,6 a partir de ácido adípico y hexametilendiamina (HMD), se ha descubierto que grupos finales impares pueden afectar de manera adversa la capacidad de tinción del nylon, así como reducir la capacidad para elaborar nylon 6,6 de peso molecular alto. Como resultado, los fabricantes han hecho hincapié en equilibrar la relación molar de los reactivos durante la polimerización con el objetivo de aumentar al máximo la calidad de las poliamidas. Una técnica anterior para producir poliamidas incluye un procedimiento de dos pasos en el que un ácido dicarboxílico y una diamina se hacen reaccionar en agua para formar una sal, y después la sal se calienta para dar origen a la polimerización. Sin embargo, este procedimiento de polimerización de dos pasos es desventajoso en el sentido de que requiere la adición de agua y el uso de cámaras de evaporación para eliminar el agua agregada cuando se forma la sal. También es difícil controlar el procedimiento para asegurar un equilibrio molar apropiado en el polímero final debido a que las cámaras de evaporación son muy impredecibles y difíciles de construir. Una variedad de mecanismos de control se han empleado en este procedimiento de polimerización de dos pasos. Un mecanismo de control conocido incluye eliminar físicamente una muestra del producto intermedio paras un análisis de grupo final. No obstante, esto es inconveniente porque tarda mucho en llevarse a cabo y tiende a introducir errores porque las M*a*iMfc*M^ÉlkMÍiiltaaaB muestras no siempre reflejan adecuadamente las características de los productos intermedios. Otros mecanismos de control conocidos incluyen la conducción de un análisis de grupo final en línea en un esfuerzo por proveer un equilibrio molar apropiado en la poliamida resultante. Estos mecanismos de control en línea son benéficos en términos de evitar la necesidad de muestrear físicamente los productos intermedios. Una técnica incluye un cálculo indirecto del equilibrio molar midiendo el pH de la sal formada en el procedimiento de polimerización de dos pasos. Sin embargo, esta técnica de medición del pH es limitada porque el pH no es un indicador particularmente preciso del equilibrio del grupo final en la poliamida resultante. Otra técnica de análisis del grupo final en línea consiste en dosificar la relación del grupo final de los reactivos fundidos durante la polimerización y, con base en esta determinación, inyectar una cantidad apropiada de reactivo a la mezcla de polimerización fundida para proveer un equilibrio molar deseado en la poliamida resultante. Este sistema es desventajoso en el sentido de que requiere dispositivos dosificadores adicionales costosos y circuitería para inyectar un reactivo adicional en la mezcla de polimerización fundida. Este sistema también es limitado porque requiere tiempo adicional para que los reactivos agregados posteriormente se combinen con la mezcla de polimerización fundida. Se ha intentado producir poliamidas directamente a partir de los monómeros sin agregar agua. Sin embargo, se ha probado que es demasiado difícil controlar el grado al que se combinan los reactivos porque un exceso de uno u otro afectaría de manera adversa el peso molecular y, por consiguiente, las propiedades físicas del producto. Otros problemas con dichos procedimientos de polimerización directa incluyen degradación de los monómeros y/o del producto del polímero como resultado de (1 ) mantenerse a altas temperaturas durante periodos largos (por ejemplo, varias horas), (2) contacto del monómero fundido con oxígeno y (3) exposición a rastros de impurezas metálicas de los materiales con los que se elabora el equipo del procedimiento. Desde hace tiempo, hay una necesidad de un sistema mejorado de polimerización y, por lo tanto, de un sistema de control que supere los inconvenientes antes mencionados en la técnica anterior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un aspecto de la invención es un sistema mejorado de polimerización para producir una poliamida a partir de un monómero de ácido dicarboxílico y un monómero de diamina. Primero, se proveen medios dosificadores para dosificar un suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido. Segundo, se proveen medios dosificadores para dosificar un suministro de monómero de diamina fundida. Los primeros y segundos medios dosificadores se acoplan juntos de tal manera que el suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido y el suministro de monómero de diamina fundida se combinan para formar una mezcla de polimerización fundida. Por lo menos un recipiente de reacción no ventilado se provee para polimerizar la mezcla de polimerización. Se proveen medios para detectar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. Los medios de control se acoplan para fines de comunicación a los medios para detectar a los primeros y segundos medios dosificadores. Los medios de control se ajustan selectivamente a la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno del suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido y del monómero de diamina fundida para equilibrar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. Otro aspecto de esta invención es un sistema de control de polimerización para producir una poliamida a partir del monómero de ácido dicarboxílico y el monómero de diamina. Se proveen los primeros medios para dosificar un suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido. Se proveen los segundos medios para dosificar un suministro de monómero de diamina fundida en el suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido para formar una mezcla de polimerización fundida. Se proveen medios para detectar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. Se provee un regulador acoplado para fines de comunicación a los medios de detección y por lo menos uno de los primeros y segundos medios dosificadores. El regulador controla por lo menos uno de los primeros medios dosificadores y los segundos medios dosificadores con base en una señal de entrada de relación molar proveniente de los medios de detección, a fin de ajustar la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida para equilibrar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. Este sistema de control funciona continuamente para asegurar que los reactivos se polimericen de una manera equilibrada con los números iguales de los grupos finales amino y carboxílicos en la poliamida resultante. Cualquier modificación a la velocidad de flujo de los reactivos se realiza antes de la formación de la mezcla de polimerización fundida. Es decir, los primeros y segundos medios dosificadores se ajustan para variar la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno del monómero de ácido carboxílico fundido y el monómero de diamina. Ningún monómero adicional de ácido dicarboxílico o monómero de diamina necesita agregarse después de la meizcla. El sistema de control de esta invención es particularmente adecuado para utilizarse dentro del sistema de polimerización, el cual produce poliamidas directamente de los monómeros. De este modo, no hay necesidad de agregar agua al ácido dicarboxílico, a la diamina o la mezcla de polimerización fundida. La temperatura de la mezcla de polimerización en por lo menos un recipiente de reacción no ventilado es entre aproximadamente 220 y aproximadamente 300°C. De preferencia, la presión en por lo menos un recipiente de reacción no ventilado es entre aproximadamente 0-35.15 kg/cm2 manométricos, de mayor preferencia entre aproximadamente 3.51-17.57 kg/cm2 manométricos, de mayor preferencia aún entre aproximadamente 8.43-12.65 kg/cm2 manométricos. El tiempo de residencia de la mezcla de polimerización en por lo menos un recipiente de reacción no ventilado es, de preferencia, entre aproximadamente 0.01 minutos y aproximadamente 30 minutos, de mayor preferencia entre aproximadamente 0.5-30 minutos, de mayor preferencia aún entre aproximadamente 1-5 minutos. La mezcla de polimerización que sale por lo menos de un recipiente de reacción no ventilado contiene típicamente menos de 40% en peso de monómeros no polimerizados, de preferencia menos de 10% en peso de monómeros no polimerizados. En ciertas modalidades, por lo menos un recipiente de reacción ventilado puede emplearse opcionalmente corriente abajo de por lo menos un recipiente de reacción no ventilado para eliminar agua formada durante el procedimiento de polimerización y/o para polimerización adicional. Cuando se emplea así, el tiempo de residencia de la mezcla de polimerización en por lo menos un recipiente de reacción ventilado es, de preferencia, de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 60 minutos. Un sistema de recuperación de descarga gaseosa también puede emplearse para recuperar el monómero de diamina y/o monómero de ácido dicarboxílico vaporizados en la descarga gaseosa producida por lo menos por un recipiente de reacción ventilado. Esta corriente de descarga gaseosa típicamente comprende vapor de agua y monómero de diamina vaporizado. La descarga gaseosa se pone en contacto con el monómero de ácido dicarboxílico fundido en una columna de recuperación, por la que por lo menos una porción del monómero de diamina vaporizado reaccionan con el monómero de ácido dicarboxílico para formar poliamida. Esto sirve para formar una corriente efluente líquido dentro de la columna de recuperación constituida por poliamida y monómero de ácido dicarboxílico fundido sin reaccionar. La corriente efluente líquida puede mezclarse posteriormente con el monómero de diamina fundida. En una modalidad, la viscosidad relativa (RV, por sus siglas en inglés) del nylon 6,6 en la mezcla de polimerización que sale del recipiente de reacción no ventilado es entre aproximadamente 0 y aproximadamente 3, y la viscosidad relativa del nylon 6,6 en la mezcla de polimerización que sale del recipiente ventilado es entre aproximadamente 3 y aproximadamente 15. La viscosidad relativa como se utiliza en la presente es la relación de viscosidad (en centipoises) a 25°C de solución de poliamida al 8.4% en peso en ácido fórmico al 90% (ácido fórmico al 90% en peso y agua al 10% en peso) y la viscosidad (en centipoises) a 25°C de ácido fórmico solo al 90%. El procedimiento de poliamidación de esta invención puede producir su producto final sin necesidad de agregar agua a los reactivos y sin el paso intermedio de formar una sal. Además, el procedimiento de esta invención puede funcionar continuamente y con tiempos de residencia mucho más cortos para los reactivos fundidos y el polímero fundido en las porciones de temperatura alta del procedimiento. Esto reduce significativamente el uso del agua, la producción de agua residual y el consumo de energía del procedimiento. Esto también elimina la necesidad de algún equipo de procedimiento encontrado en los procedimientos de la técnica anterior o reduce el tamaño requerido de éste, como vaporizadores que se han utilizado para eliminar el agua agregada al procedimiento. Además, se evita la exposición térmica excesiva de los reactivos y el producto. El aspecto de esta invención que se relaciona con la fusión continua de ácido dicarboxílico, como ácido adípico, provee un método práctico y económico de proveer continuamente ácido dicarboxílico fundido para utilizarse en el procedimiento de poliamidación o para otros usos. El procedimiento provee ácido fundido de alta calidad sin cambio de color u otra degradación térmica. La producción de ácido fundido claro facilita la producción de poliamida de alta calidad.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un diagrama de bloques que ¡lustra un sistema mejorado de poliamidación de esta invención. La figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de control de polimerización de esta invención.

La figura 3 es un segundo diagrama de bloques que ¡lustra el sistema de control de polimerización de esta invención como se muestra en la figura 2. La figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra otro sistema alternativo de control de polimerización de esta invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS El sistema de polimerización y el sistema de control de polimerización de esta invención puede utilizarse para producir una variedad de poliamidas a partir de monómeros diácidos y de diamina. Estos sistemas son particularmente útiles para producir nylon 6,6 a partir de ácido adípico y hexametilendiamina. La figura 1 muestra un diagrama de flujo del procedimiento para una modalidad del procedimiento. Se provee hexametilendiamina (HMD) fundida a partir de un tanque de almacenamiento de HMD fundida 20. Hay varias formas apropiadas de proveer la HMD fundida. Una es colocar el equipo de procedimiento de poliamidación adyacente en la planta en donde se produce HMD, de tal manera que una corriente de HMD fundida pueda conducirse directamente al tanque 20. Otra forma sería proveer una solución acuosa de HMD, evaporar el agua y fundir la HMD. Opcionalmente, puede aplicarse calor en este tanque 20; por ejemplo, por medio de una camisa de transferencia de calor alrededor del tanque 20. La temperatura en este tanque es, de preferencia, de aproximadamente 70°C. La HMD fundida entonces se bombea a través de un sistema dosificador de HMD 22, que controla precisamente la cantidad HMD alimentada al aparato corriente abajo. Se provee ácido adípico, típicamente en forma de cristales secos, a partir de un silo de almacenaje de ácido adípico 24. El ácido adípico del silo fluye a un tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades 26. En este tanque 26, se elimina el aire. De preferencia, la eliminación del aire en el tanque 26 se lleva a cabo por vacío cíclico con desplazamiento de nitrógeno en forma discontinua. El vacío puede inducirse por medio de una bomba de vacío 28. La frecuencia de ciclado entre el vacío y la presión del nitrógeno puede ajustarse para lograr el nivel deseado de eliminación de oxígeno. De preferencia, el tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades 26 comprende un recipiente de presión que tiene una porción inferior que forma un depósito con un diámetro que disminuye hacia su fondo. Los lados de la porción del depósito del tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades de preferencia forma un ángulo con la línea horizontal de por lo menos 70° para facilitar ei flujo fuera del fondo del tanque. Los cristales de ácido adípico, ampliamente libres de oxígeno molecular, después fluyen (de preferencia por gravedad, con una ayuda de presión por la presión de nitrógeno en el tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades) desde el tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades 26 a un recipiente de fusión de ácido adípico 30. El recipiente de fusión 30 de preferencia es un recipiente continuamente revestido y agitado que funciona ligeramente presurizado con nitrógeno a una temperatura ligeramente superior al punto de fusión del ácido adípico (es decir, arriba de 153°C). Los cristales de ácido adípico que entran en este recipiente a través de su parte superior son fundidos rápidamente en la superficie del ácido adípico fundido que hay dentro de él. Por lo tanto, el procedimiento puede fundir continuamente ácido adípico. De preferencia, el recipiente de fusión 30 tiene una boquilla de entrada cónica inversa para reducir la resistencia del flujo. También se prefiere que el recipiente de fusión 30 se elabore de una aleación de metal que contenga pocas impurezas o que no contenga ninguna, pues afectarían de manera adversa el monómero fundido. La aleación de níquel-hierro-molibdeno C y el acero inoxidable 316 son materiales adecuados. Puede ser útil incluir medidas adicionales para la eliminación adicional de oxígeno de este recipiente de fusión, a fin de disminuir al mínimo el potencial para la degradación térmica. Una forma de hacer esto es proveer energía vibratoria al ácido adípico fundido en el recipiente de fusión 30; por ejemplo, por medio de un dispositivo ultrasónico. La energía vibratoria puede facilitar el escape de aire retenido del ácido fundido, provocando que salgan burbujas de aire a la superficie del ácido fundido. El tiempo de residencia del ácido adípico fundido en el recipiente de fusión 30 de preferencia se disminuye al mínimo para reducir la exposición térmica de ese reactivo. De preferencia, el tiempo de residencia es menor que tres horas, de mayor preferencia entre aproximadamente 1-2 horas. El ácido adípico fundido sale del fondo del recipiente de fusión 30 y se bombea a un sistema dosificador de ácido adípico fundido 32, que controla precisamente la cantidad de ácido adípico alimentada al aparato corriente abajo. La combinación del tanque eliminador de oxígeno en grandes cantidades 26 y el recipiente de fusión de ácido adípico 30 permite la fusión continua de cristales de ácido adípico sin la degradación térmica o cambio de color. El sistema dosificador de HMD 22 y el sistema dosificador de ácido adípico 32 provee los monómeros fundidos en cantidades estequiométricas, de tal manera que la HMD fundida y el ácido adípico fundido se combinan en una junta en Y 38 para formar a lo que en lo sucesivo se hace referencia como 'mezcla de polimerización'. En otras palabras, los monómeros fundidos se combinan y se mezclan conjuntamente en la junta en Y para iniciar el procedimiento de polimerización. La mezcla de polimerización avanza a través del próximo segmento 40 de tubería y en un mezclador no ventilado 42, que es, de preferencia, un mezclador estático en línea. En una modalidad preferida, la corriente de ácido adípico fundido 36 está a una temperatura de aproximadamente 170°C y la corriente de HMD fundida 34 está aproximadamente a 70°C, y la presión en la junta en Y 38 es de aproximadamente 10.54 km/cm2 manométricos. El mezclador estático en línea es, de preferencia, un mezclador estático Kenics con 24 elementos. Las paredes de la junta en Y y el mezclador en línea 42 se mantienen, de preferencia, aproximadamente a 268°C. El tiempo de residencia de los monómeros en el mezclador 42 es, de preferencia, entre aproximadamente 1-30 segundos, de mayor preferencia aproximadamente 3 segundos. La mezcla de polimerización que sale del mezclador 42 pasa por un tubo no ventilado, dejando, por ejemplo, de 10 a 60 segundos más de tiempo de reacción a 260°C y 10.54 kg/cm2 manométricos. Aunque el procedimiento de esta invención puede funcionar sin la inclusión de agua en los reactivos, no se requiere que los reactivos sean completamente anhidros. Por ejemplo, la corriente de alimentación de HMD podría contener tanta agua como al 5% en peso, y la corriente de ácido adípico podría contener tanta agua como aproximadamente al 2% en peso, y el procedimiento debería funcionar todavía adecuadamente. En la presente, se hace referencia a las corrientes de reactivo que tienen concentraciones bajas de agua como 'esencialmente secas'. Alguna reacción de HMD y ácido adípico ocurre a partir del momento en que se ponen en contacto entre sí en la junta en Y 38 y continúa a través del tiempo en que entran en el intercambiador de calor 44. La temperatura y tiempo de residencia empleados en esta porción del procedimiento pueden seleccionarse para provocar una polimerización completa en este punto o evitar que la polimerización completa ocurra en este punto. En la última situación, se hacer referencia al producto de reacción parcial generado por el contacto de los monómeros como 'prepolímero'. La masa del prepolímero en el tubo corriente abajo del mezclador 42 típicamente se convertirá de 60 a 90% a nylon 6,6. No debe ocurrir obturación porque las condiciones empleadas evitan la cristalización de los compuestos intermediarios de bajo punto de fusión. Es importante para el funcionamiento óptimo del procedimiento que la tubería 40 y el mezclador 42 no estén ventilados y que la presión en ellos sea relativamente baja; por ejemplo, entre aproximadamente 0 a 35.15 kg/cm2 manométricos, de mayor preferencia aproximadamente 10.54 kg/cm2 manométricos. En la modalidad mostrada en la figura 1 , el prepolímero pasa a continuación a través de un intercambiador de calor 44 y por un reactor de prepolímero ventilado 46. No es decisivo que se utilice aquí un intercambiador de calor. En vez de esto, cualquier calor requerido podría proveerse mediante espirales de calentamiento interno dentro del reactor 46 o por la camisa que rodea al reactor. El prepolímero calentado que sale del ¡ntercambiador de calor 44 de preferencia entra en el reactor 46 en un punto debajo de la superficie del material líquido del mismo. Además, la polimerización puede ocurrir en este reactor 46, que es, de preferencia, un reactor de tanque continuamente agitado. La corriente de los fondos del reactor 48 puede dividirse opcionalmente en una corriente de recirculación 50 y una segunda corriente 52 que se envía para un procedimiento adicional. Si se utiliza la recirculación, la velocidad de flujo de la corriente de recirculación 50 es, de preferencia, por lo menos 15 veces mayor que la velocidad de flujo de la alimentación del prepolímero fresco al reactor 46. El reactor 46 se pone a funcionar, de preferencia, lleno aproximadamente en un 50% de material líquido para proveer una gran superficie de liberación del líquido/vapor. Es altamente deseable en este procedimiento proveer una retromezcla de grupos finales de polímero, alta generación de interfaz de área de superficie, que facilita la devolatilización del material fundido y altos niveles de transferencia de calor que pueden incrementar rápidamente la temperatura del material fundido. Estas ventajas pueden lograrse, por ejemplo, ya sea por el uso de un reactor de tanque continuamente agitado o por el uso de un reactor de gasto tipo pistón junto con la recirculación de la corriente del producto. La corriente superior 54 del reactor 46 es una corriente que incluye vapor (es decir, agua vaporizada producida por la reacción de policondensación) y, típicamente, alguna HMD. La corriente superior 54 pasa por una columna de recuperación de HMD 56, en la cual también se suministra agua 58. La corriente condensada 60, que contiene algo de HMD y agua, se recircula al reactor 46, mientras que el vapor remanente se enfría mediante un intercambiador de calor 62 y se elimina como parte de una corriente de descarga gaseosa 64. En una modalidad, el prepolímero se calienta aproximadamente a 260°C en el intercambiador de calor 44, y el reactor 46 funciona aproximadamente a 260°C y 10.54 kg/cm2 manométricos. Como un ejemplo de velocidades de flujo relativas adecuadas, si el prepolímero fresco se alimenta al reactor 46 a una velocidad de 45.3 kg/hora, la velocidad de flujo de recirculación del fondo del reactor es, de preferencia, de aproximadamente 906 kg/hora. Un reactor 46 puesto en marcha bajo estas condiciones puede producir una conversión de monómeros mayor que 95% a nylon 6, 6 con una concentración de agua al 3% en peso después de 20 minutos de tiempo de residencia en el reactor 46. De acuerdo con esta invención, un sistema de control se provee para ajustar la velocidad de alimentación o la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida para asegurar una relación molar apropiada. En una modalidad preferida, la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno de los reactivos se ajusta dependiendo del equilibrio de los grupos finales carboxílicos y grupos finales amino de los reactivos dentro de la mezcla de polimerización. Esta medición del grupo final en línea puede realizarse en cualquier punto corriente abajo de la junta en Y 38. En la modalidad mostrada, esta medida de balance del grupo final se lleva a cabo en la corriente 52 que sale del reactor 46. La fotoespectometría es la metodología preferida para dosificar el equilibrio de los grupos finales amino y carboxilo de los monómeros fundidos dentro de la mezcla de polimerización. En la modalidad preferida, un analizador 66 de infrarrojo cercano (NIR, por sus siglas en inglés) detecta el número de grupos finales amino y carboxilo en la mezcla de polimerización calculando el contenido fotométrico espectral de los monómeros de la misma.

En una modalidad, el sistema de control de esta invención incluye el dispositivo de infrarrojo cercano (NIR) 66, un regulador 67 que recibe una entrada del analizador de NIR 66, el sistema dosificador de HMD 22 y el sistema dosificador de ácido adípico fundido 32. El analizador de NIR 66 se provee a manera de ejemplo y no se limita a un dispositivo para determinar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida dentro de la mezcla de polimerización. El analizador de NIR 66 logra esto detectando continuamente el número de grupos finales amino y carboxilo en el material parcialmente polimerizado que sale del reactor 46. Aunque se prefiere utilizar el analizador de NIR 66, está contemplado que pueda emplearse el sistema de control de esta invención con cualquier cantidad de medios para determinar la relación molar o equilibrio molar del ácido dicarboxílico fundido y la diamina fundida durante la polimerización. El analizador de NIR 66 genera una señal de salida al regulador 67 indicadora del equilibrio de los grupos finales amipo y carboxilo del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. Utilizando esta señal de entrada, el regulador 67 puede ajustar la velocidad de flujo de masa del monómero de diamina fundida y/o del monómero de diamina fundida, de tal manera que la poliamida formada polimerizando la mezcla de polimerización tenga una relación molar deseada. En una modalidad preferida, el regulador 67 emplea un algoritmo de control de alimentación hacia delante, que varía la velocidad de alimentación del monómero de diamina fundida dependiendo de la señal de entrada del analizador de NIR 66. Usando este algoritmo de control de alimentación hacia delante, la relación del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida puede controlarse en la entrada para producir un producto final polimerizado que tenga una relación molar predeterminada. En una modalidad preferida, esto se lleva a cabo ajustando la velocidad de alimentación del monómero de diamina fundida por medio del sistema dosificador de HMD 22. El control y funcionamiento del sistema dosificador de HMD 22 y el sistema dosificador de ácido adípico fundido 32 se discutirán con mayor detalle a continuación con referencia a las figuras 2-4. Debe notarse que, aunque se muestre colocado a lo largo de la corriente 52, se contempla que el analizador de NIR 66 puede ubicarse en cualquier punto corriente abajo de la junta en Y 38. Por ejemplo, el analizador de NIR 66 puede localizarse dentro del reactor 46 en un punto abajo del nivel del líquido, entre el mezclador estático 42 y el reactor 46, dentro del mezclador estático 42, o entre el mezclador 42 y la junta en Y 38. Aunque el material se polimeriza en este punto del procedimiento, en algunas modalidades del procedimiento, el grado de polimerización y, por lo tanto, el peso molecular y la viscosidad relativa (RV, por sus siglas en inglés) del polímero no serán tan altos como se desea para el producto final. Por consiguiente, el material parcialmente polimerizado puede pasar a través de una caldera 68 para proveer calor adicional y después por un segundo reactor 70. El propósito del segundo reactor 70 es permitir una polimerización adicional y, por consiguiente, incrementar el peso molecular y RV del producto. El producto del polímero en la corriente del fondo 72 del segundo reactor debe tener el peso molecular deseado para el producto final. De preferencia, la temperatura en el segundo reactor 70 oscila entre aproximadamente 260 y aproximadamente 280°C, y la presión es atmosférica. El vapor de HMD y el vapor generado en el segundo reactor 70 se eliminan en una corriente superior 74 que entra en un purificador 76. Una corriente de agua 78 también se suministra a este purificador, de modo que la corriente se condense y pueda eliminarse como una corriente de agua de alcantarilla 80. El vapor remanente sale del purificador 76 en una corriente superior 82 y se convierte en parte de la corriente de descarga gaseosa 64. El producto del polímero puede enviarse ya sea a través de una granuladora 84 o dirigirse a través de una línea de derivación 86. Si corre a través de la granuladora, los granulos de polímero entonces pasan por una secadora 88. Una alimentación de gas de nitrógeno 90, un soplador de nitrógeno 92 y un calentador de nitrógeno 94 se utilizan para proveer gas de nitrógeno al recipiente 88, que seca los granulos de polímero. Los granulos secos que se distribuyen en el fondo de la secadora (88) pasan a través de un enfriador por pulverización de agua 96, un tamizador 98 y se transportan mediante un soplador 100 a una área de almacenamiento de productos 102. Ahora con referencia a la figura 2, se muestra un diagrama de bloque de un sistema de control de una modalidad preferida de esta invención, por lo general designado como 120, para su uso en el sistema mejorado de polimerización mostrado en la figura 1. El sistema de control 120 incluye el sistema dosificador de diamina fundida (HMD) 22, el sistema dosificador de ácido adípico fundido 32, el regulador 67 y al analizador de NIR 66. El sistema de control 120 sirve para controlar la cantidad de ácido adípico fundido que se combina con la diamina fundida en la junta en Y 38 para formar la mezcla de polimerización que entra en el mezclador estático 42 hacia el recipiente de reacción de prepolímero 46. El sistema dosificador de diamina fundida 22 incluye una bomba dosificadora de diamina 124 y un ensamblaje dosificador de flujo de diamina 126. En una modalidad preferida, la bomba dosificadora de diamina 124 es una bomba volumétrica que tiene un motor de accionamiento principal 128, una pluralidad de cabezas de bombeo principales 130-134 y una cabeza de ajuste 136. El motor de accionamiento principal 128 incluye un eje conductor 138, que se extiende en cada una de las cabezas de bombeo principales 130-134 y la cabeza de ajuste 136. Los pistones individuales (no mostrados) se colocan dentro de las cabezas de bombeo principales 130-134 y la cabeza de ajuste 136. Los pistones (no mostrados) se acoplan al eje conductor 138 para proveer el desplazamiento positivo del monómero de diamina fundida a partir de recipiente de diamina fundida 20 más allá del ensamblaje dosificador de flujo 126 y adelante de la junta en Y 38 para pasar por el mezclador estático 42.

* *-*-•» ••- El motor de accionamiento principal 128 también incluye un codificador de velocidad 140 y un controlador velocidad 142, que colectivamente forman un sistema cerrado de realimentación del bucle para controlar la velocidad del motor de accionamiento principal 128. El codificador de velocidad 140 verifica la velocidad del motor de accionamiento principal y transmite una señal indicadora de la velocidad del motor al regulador 67. El controlador de velocidad 142 recibe una señal de entrada del regulador 67 para controlar la velocidad del motor de accionamiento principal 128. Las cabezas de bombeo principales 130-134 están equipadas con servomotores 144-148, codificadores de posición de carrera 152-156 y controladores de posición de carrera 160-164. Los servomotores 144-148 se acoplan a los pistones (no mostrados) colocados dentro de las respectivas cabezas de bombeo principales 130-134. Los codificadores de posición de carrera 152-156 verifican la posición del eje de cada servomotor 144-148 y transmiten señales indicadoras del volumen de carrera (0-100%) al regulador 67. Los controladores de posición de carrera 160-164 reciben señales de entrada del regulador 67 para controlar la posición del eje de los servomotores 144-148, a fin de producir un volumen de carrera predeterminado (0-100%) dentro de las cabezas de bombeo principales 130-134. Las cabezas de bombeo principales 130-134 son, de preferencia, capaces de proveer velocidades de flujo apropiadas para proveer una capacidad suficiente de diamina fundida al sistema dependiendo del tamaño de la aplicación. ^.•.l^.^J.I.MH La cabeza de ajuste 136 está equipada de manera similar con un servomotor 150, un codificador de posición de carrera 158 y un controlador de posición de carrera 166. El servomotor 150, el codificador de posición de carrera 158 y el controlador de posición de carrera 166 cooperan de la misma manera que los que se encuentran en las cabezas de bombeo principales 130-134. La distinción principal es que la cabeza de ajuste 136 tiene una capacidad de velocidad de flujo sustancialmente menor que las cabezas de bombeo principales 130-134. Esto se debe a que la cabeza de ajuste 136 se emplea para proveer una velocidad de flujo relativamente pequeña de diamina fundida a la velocidad de flujo mayor de las cabezas de bombeo principales 130-134, con el fin de ajustar con precisión el suministro total de diamina fundida al mezclador estático 42. Como se explicará con mayor detalle a continuación, esta característica es significativa porque permite que el sistema de control 120 de la invención altere la cantidad de los reactivos iniciales (ácido adípico fundido y diamina fundida) antes de mezclarse, de tal manera que la poliamida resultante tenga una relación molar estequ.ométricamente equilibrada. El ensamblaje dosificador de flujo 126 del sistema dosificador de diamina fundida 22 incluye un dosificador de flujo 168 y un transmisor de flujo 170. El transmisor de flujo 170 se configura para verificar la velocidad de flujo del monómero de diamina fundida tal como se detecta por el dosificador de flujo 168 y para transmitir simultáneamente una señal de salida al regulador 67 que represente la velocidad de flujo de diamina en el mezclador estático 42. El dosificador de flujo 168 y el transmisor de flujo 170 pueden comprender cualquiera de los dosificadores de flujo y transmisores de flujo disponibles comercialmente. Conjuntamente, el ensamblaje dosificador de flujo 126 y la bomba de diamina 124 cooperan con el regulador 67 para formar una disposición cerrada de realimentación del bucle para ajustar selectivamente la velocidad de flujo de la diamina fundida en el mezclador estático. El sistema dosificador del ácido adípico fundido 32 incluye una bomba dosificadora de ácido adípico 172 y un ensamblaje dosificador de flujo 174. En una modalidad preferida, la bomba dosificadora de ácido adípico 172 es una bomba volumétrica que tiene un motor de accionamiento principal 176 y una pluralidad de cabezas 178-182. El motor de accionamiento principal 176 tiene un solo eje conductor 184 que se extiende en cada una de las cabezas 178-182. Los pistones individuales (no mostrados) se colocan dentro de las cabezas 178-182 y se acoplan al eje conductor 184 para proveer el desplazamiento positivo del ácido adípico fundido desde el recipiente dosificador del ácido adípico 30, más allá del ensamblaje dosificador de flujo 174 y adelante de la junta en Y 38, para que pase al mezclador estático 42. El motor de accionamiento principal 176 también incluye un codificador de velocidad 186 y un controlador de velocidad 188 que, en conjunto, forman un sistema cerrado de realimentación del bucle para controlar la velocidad del motor de accionamiento principal 176. El codificador de velocidad 186 verifica la velocidad del motor de accionamiento principal 176 y transmite una señal indicadora de la velocidad del motor al regulador 67. El controlador de velocidad 188 recibe una señal de entrada del regulador 67 para controlar la velocidad del motor de accionamiento principal 176. Los controladores de carrera manuales 190-194 se proveen para ajustar el volumen de carrera de los pistones dentro de las cabezas 178-182, de preferencia entre 0-100%. El ensamblaje dosificador de flujo 174 del sistema dosificador de ácido adípico fundido 32 incluye un dosificador de flujo 196 y un transmisor de flujo 198. El transmisor de flujo 198 se configura para verificar la velocidad de flujo del monómero de ácido adípico fundido tal como se detecta por el dosificador de flujo 196 y para transmitir simultáneamente una señal de salida al regulador 67, la cual representa la velocidad de flujo del ácido adípico en el mezclador estático 42. El dosificador de flujo 196 y el transmisor de flujo 198 pueden comprender cualquiera de los dosificadores de flujo y transmisores de flujo disponibles comercialmente. El regulador 67 se provee para recibir varias señales de entrada y transmitir varias señales de control para coordinar el funcionamiento del sistema de control 120. El regulador 67 debe, de preferencia, estar programado para correr de acuerdo con un algoritmo de control de alimentación hacia adelante. Bajo este esquema de control, el número de grupos finales amino y carboxilo se dosifican para determinar el equilibrio del grupo final de los monómeros fundidos sin reaccionar dentro de la mezcla de polimerización. A partir de esta medida, el regulador 67 puede emplear una tabla de búsqueda para determinar hasta que grado la relación de los reactivos iniciales debe alterarse antes de mezclarse, de modo que la poliamida resultante tenga una relación molar estequiométricamente equilibrada. El analizador de NIR 66 incluye un elemento analizador 200 y un transmisor analizador 202. El elemento analizador 200 se acopla directamente al reactor de prepolímero 46 para detectar el número de grupos finales amino y carboxilo de los monómeros sin reaccionar dentro de la mezcla de polimerización a medida que sale del reactor de prepolímero 46. El transmisor analizador 202 se acopla entre el elemento analizador 200 y el regulador 67 para transmitir la salida del elemento analizador 200 al regulador 67. El analizador de NIR 66 puede comprender cualquier cantidad de analizadores de infrarrojo cercano disponibles comercialmente capaces de calcular los grupos finales de diamina en la poliamida resultante. El analizador de NIR 66 transmite una señal de salida al regulador 67 indicadora del equilibrio molar de los monómeros sin reaccionar dentro de la mezcla de polimerización. El regulador 67 emplea un algoritmo de control de alimentación hacia adelante que cambia la velocidad de alimentación del monómero de diamina fundida dependiendo de la señal de entrada del analizador de NIR 66. Utilizando este algoritmo de control de alimentación hacia adelante, la relación del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida pueden controlarse en la entrada para producir un producto final polimerizado que tenga una relación molar estequiométricamente equilibrada.

En una modalidad, esto se lleva a cabo ajustando la velocidad de alimentación del monómero de diamina fundida a través del sistema dosificador de diamina 22. El control y funcionamiento del sistema dosificador de diamina 22 y el sistema dosificador de ácido adípico fundido 32 se discutirán con mayor detalle a continuación con referencia a las figuras 2-4. Con referencia a la figura 3, el regulador 67 puede comprender cualquier cantidad de reguladores programables disponibles comercialmente, incluyendo un sistema de control distribuido (DCS), una unidad lógica programable o una computadora personal basada en microprocesador. La disposición de control de alimentación hacia adelante empleada en el regulador 67 es posible debido a que los componentes del sistema mejorado de poliamidación mostrados en la figura 1 son predecibles en términos de sus características y efectos sobre el procedimiento de poliamidación. Por ejemplo, eliminando el paso de formación de una sal a través de la adición de agua, esta invención elimina la necesidad de utilizar vaporizadores en el procedimiento de poliamidación. Los recipientes de evaporación son impredecibles en términos de su efecto en la poliamidación y pueden mostrar amplias variaciones durante el procedimiento. El funcionamiento del sistema de control 120 ahora se describirá con referencia combinada a las figuras 2 y 3. Primero, con referencia a la figura 3, el paso inicial en el sistema de control 120 incluye un operador que introduce un valor de referencia (SP de capacidad) en el regulador 67. Por conveniencia, el regulador 67 se muestra en la figura 3 incluyendo una terminal 67a para introducir el valor de referencia y un regulador de modelación hacia adelante 67b para controlar el funcionamiento del sistema de control 120. Después de que el usuario ha introducido un valor de referencia deseado (SP de capacidad), la terminal de computadora 67a transmite esta información al regulador de modelación hacia adelante 67b. El regulador de modelación hacia adelante 67b fija después el control de velocidad del motor para el controlador de velocidad 188 para el motor de accionamiento principal 176 de la bomba dosificadora de ácido adípico 172. En una modalidad preferida, la velocidad de flujo del sistema dosificador de ácido adípico 32 se controla, además, manualmente ajustando los controladores de carrera 190-194 de tal manera que el ácido adípico fundido avanza hacia el mezclador estático 42 en una velocidad de flujo predeterminada que corresponde al valor de referencia seleccionando por el operador. Una vez establecida, la velocidad de flujo del ácido adípico fundido de preferencia no debe alterarse por el cambio de la señal de control del regulador 67 o al ajustar los controladores de carrera manuales 190-194. El regulador de modelación hacia adelante 67b también establece el control de velocidad del motor para el controlador de velocidad 142 asociado con el motor de accionamiento principal 128 de la bomba dosificadora de diamina 124. El regulador de modelación hacia adelante 67b verifica continuamente la señal de salida del analizador de NIR 66 para obtener un cálculo de la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida dentro de la mezcla de polimerización. En un aspecto importante, el regulador de modelación hacia adelante 67b utiliza esta señal de salida de NIR para generar y transmitir una señal de valor de referencia ajustada al controlador de posición de carrera 166 del servomotor 150 asociado con la cabeza de ajuste 136. La señal de valor de referencia ajustada transmitida al controlador de posición de carrera 166 se genera con base en un algoritmo de control de alimentación hacia adelante en el regulador 67b. Dicho algoritmo de control de alimentación hacia adelante puede tomar la forma de tabla de búsqueda de memoria que contiene datos que representan el grado al que la relación de reactivos (ácido adípico fundido y diamina fundida) debe variar para obtener el valor de referencia de capacidad deseado seleccionado por el operador con base en la entrada del analizador de NIR 66. En la modalidad preferida, la velocidad de flujo del sistema dosificador de diamina 22 se ajustará continuamente para proveer la cantidad apropiada de reactivos (ácido adípico fundido y diamina fundida) antes de mezclarse, de tal manera que la poliamida resultante tenga una relación molar estequiométricamente equilibrada. Con referencia a la figura 2, el regulador 67 lleva a cabo esto controlando primero el motor de accionamiento principal 128 y por lo menos uno de los servomotores 144-148, de modo que la diamina fundida se transmita desde las cabezas de bombeo principales 130-134 hacia el mezclador estático 42. El regulador 67 entonces ajustará la cabeza de ajuste 136 para regular con precisión la cantidad de reactivos transferidos en el mezclador estático 42. El ajuste fino se basa en la velocidad de flujo del ácido adípico fundido (como la dosifica el ensamblaje dosificador de flujo 174), la velocidad de flujo de la diamina fundida (como la dosifica el ensamblaje dosificador de flujo 126), la medición del porcentaje de peso de cada reactivo en la mezcla parcialmente polimerizada dentro del reactor 46 o que sigue a éste (como lo dosifica el analizador de NIR 66) y el volumen de carrera y la información de velocidad del motor dentro de la bomba dosificadora de diamina 124 (como se dosifican por los decodif icadores de posición 152-158, los controladores de posición 160-166, el codificador de velocidad 140 y el controlador de velocidad 142). Está dentro del alcance de la invención emplear el algoritmo de control de alimentación hacia adelante en donde la velocidad de flujo de masa del monómero de ácido dicarboxílico fundido se ajusta con base en la medición del equilibrio del grupo final. Con referencia a la figura 4, la velocidad de flujo del monómero de diamina fundida se mantiene a una velocidad constante, mientras el monómero de ácido dicarboxílico se modula con precisión para producir la cantidad apropiada de reactivos para producir un valor de referencia de capacidad deseado. Como se apreciará, la circuitería de control mostrada en la figura 4 está invertida de la que se muestra en la figura 2, por lo que una discusión completa del funcionamiento de la modalidad de la figura 4 no es necesaria. La descripción precedente de las modalidades específicas de esta invención no pretende ser una lista completa de cada modalidad posible de la invención. Los expertos en este campo reconocerán que pueden llevarse a cabo modificaciones a las modalidades específicas descritas aquí y que estarían dentro del alcance de esta invención. Por ejemplo, aunque las modalidades detalladas descritas en la presente hacen reaccionar ácido adípico y hexametilendiamina para producir en nylon 6,6, podrían utilizarse otros monómeros conocidos por los expertos en este campo para producir otras poliamidas.

MHMBM-aimb

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN
REIVINDICACIONES » 5 1.- Un sistema de control para producir una poliamida a partir de r un monómero de ácido dicarboxílico y un monómero de diamina, que consiste en (a) primeros medios para dosificar un suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido; (b) segundos medios para dosificar un suministro de monómero de diamina fundida en dicho suministro de monómero de ácido 10 dicarboxílico fundido para formar una mezcla de polimerización fundida; (c) * medios para detectar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización; (d) un regulador acoplado para fines de comunicación a los medios de detección y por lo menos a uno de los primeros y segundos medios dosificadores, el 15 regulador controla por lo menos uno de los primeros medios dosificadores y de los segundos medios dosificadores con base en la señal de entrada de la relación molar de los medios de detección para ajustar la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno del monómero de ácido dicarboxílico fundido y del monómero de diamina fundida, para equilibrar la relación molar del monómero 20 de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización. 2.- El sistema de control de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el medio de detección es un analizador de infrarrojo cercano para dosificar el número de grupos finales de monómero de carboxilo y grupos finales de monómero de diamina en la mezcla de polimerización fundida durante la polimerización.
3.- El sistema de control de conformidad con la reivindicación 1 , » 5 caracterizado además porque el primer medio dosificador incluye una primera r bomba acoplada a dicho suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido y el segundo medio dosificador incluye una segunda bomba acoplada al suministro de monómero de diamina fundida.
4.- El sistema de control de conformidad con la reivindicación 1 , 10 caracterizado además porque el monómero de ácido dicarboxílico es ácido m. adípico, el monómero de diamina es hexametilendiamina y la poliamida es nylon 6,6.
5.- Un sistema para producir una poliamida a partir de un monómero de ácido dicarboxílico y un monómero de diamina, que consiste en 15 (a) proveer primeros medios dosificadores para dosificar un suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido; (b) proveer segundos medios dosificadores para dosificar un suministro de monómero de diamina fundida, estando los primeros y segundos medios dosificadores acoplados juntos de tal manera que el suministro de monómero de ácido dicarboxílico fundido y el 20 suministro de monómero de diamina fundida se combinan para formar una mezcla de polimerización fundida; (c) por lo menos un recipiente de reacción no ventilado para polimerizar la mezcla de polimerización; (d) medios para detectar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización; y (e) medios de control acoplados para fines de comunicación con los medios de detección y los primeros y segundos medios dosificadores, ajustando los medios de control la velocidad de flujo de masa de por lo menos uno de los suministros V *- 5 de monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina ? fundida para equilibrar la relación molar del monómero de ácido dicarboxílico fundido y el monómero de diamina fundida en la mezcla de polimerización.
6.- El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el monómero de ácido dicarboxílico es ácido 10 adípico, el monómero de diamina es hexametilendiamina y la poliamida es nylon 6,6.