MXPA96004000A - Desvolatilizador de polimero que incorpora diseñode intercambiador de calor de placa plana mejorado - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un aparato de desvolatilización de polímeros mejorado, que comprende un calentador de placa plana que incluye medios de suministro de solución de polímero, y medios de recolección y separación de líquido/vapor, dicho calentador de placa plana comprende además una multiplicidad de placas planas que definen una pluralidad de canales, cada canal tiene una altura substancialmente uniforme pero que varía en anchura en su longitud, cada canal tiene una longitud de canal total de 16 a 13 cm dividida en tres zonas:una primera zona convergente que tiene un inicio y un término, dicho inicio estáen comunicación operativa con los medios de suministro de solución de polímero, caracterizada porque disminuye su anchura como una función de la distancia desde su inicio, una segunda zona de restricción en donde el canal alcanza una anchura mínima suficiente para causar una caída de presión a través de la zona de restricción, que tiene un inicio al término de la primera zona, y un término, caracterizada por al menos una ocurrencia de unaárea de sección transversal restrictiva, y una tercera zona divergente que tiene un inicio al término de la segunda zona y que termina en una región de recolección y separación de líquido/vapor que opera a presión reducida, dicha tercera zona estácaracterizada por el incremento del ancho como una función de la distancia desde su inicio, y proporciona además que la relación del ancho máximo de la tercera zona al ancho máximo de la segunda zona sea desde 2:1 hasta 20:1;en donde la relación del ancho de la primera zona convergente al inicio hasta el ancho al término es desde 1.5:1 hasta 10:1;el ancho de la segunda zona permanece sin cambio;y la relación del ancho de la tercera zona en el término al ancho en el inicio es desde 1.75:1 hasta 10:1.

Description

DESVOLATILIZADOR DE POLÍMERO QUE INCORPORA DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACA PLANA MEJORADO Esta invención se refiere a un aparato de desvolatilización de polímero, que comprende un intercambiador de calor de placa plana y un procedimiento relacionado para la desvolatilización de soluciones de polímero a velocidades de flujo relativamente altas. La remoción de componentes volátiles a partir de una solución de polímero, referida como "desvolatilización", es una etapa necesaria en la manufactura comercial de muchos polímeros. En particular, cuando se produce un polímero a partir de una solución de monómeros, es necesario remover el solvente y los monómeros sin reaccionar del producto final . Por ejemplo, el monómero residual y los elementos volátiles deben ser removidos del producto de polímero en la polimerización global o de solución de poliestireno, copolímero de estireno/acronitrilo(SAN) o copol ímeros de estireno/acronitrilo modificados con hule (ABS, AES, etc.) La separación de los componentes volátiles a partir del polímero se logra generalmente mediante evaporación, consistiendo el procedimiento en calentar la solución de polímero a una temperatura superior que su punto de ebullición y remover los vapores formados. Un método de desvolatilización involucra pasar la solución de polímero a través de un intercambiador de calor y después dentro de una zona de presión reducida. Los intercambiadores de calor adecuados para este propósito, referidos como calentadores de placa plana o intercambiadores de calor de placa plana comprenden una multiplicidad de placas planas calentadas colocadas en capas para dejar canales que conectan el interior al que se suministra la solución de polímero y porciones exteriores del calentador, para el paso de la solución que se va a calentar y a desvolatilizar. El rendimiento mejorado se logra colocando el calentador dentro de una coraza cerrada que es parcialmente evacuada. Los modelos anteriores de calentadores de placa plana se han descrito en las patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Nos. 3, 104,702, 4, 153, 501 , 4,421 , 164, 4,423,767, 4, 564,063, 4,808,262 y 5,084, 134. Modelos más eficientes de calentadores de calor de placa plana utilizan canales de longitud extendida y operan a una temperatura menor que tiende a mejorara la distribución de solución de polímero a través de los canales de calentamiento. Sin embargo, el uso de canales más largos de 152 mm, puede resultar en una inestabilidad de flujo, particularmente cuando se desvolatilizan soluciones de polímero de poliestireno, SAN , ABS o AES. Se ha demostrado que la inestabilidad de flujo es una función de la velocidad de flujo del polímero a través de los canales calentados, y puede detectarse mediante la presencia de oscilaciones de presión en la entrada de los canales. La magnitud de esas oscilaciones se vuelve mayor conforme se incrementa la velocidad de flujo. Maffetone et al. , "Slit Devolatilization of Polymers", AlChE Journal. 37, 724-34 (mayo 1991 ), han realizado las observaciones de dicha inestabilidad de flujo.

Sería deseable sí se proporcionara un aparato de desvolatilización de polímero mejorado, que incorpore un intercambiador de calor de placa plana que tenga un diseño de canal de calentamiento mejorado, que permitiera altas velocidades de flujo de producto, sin la ocurrencia de oscilaciones de presión significativas que causen inestabilidad de flujo. De acuerdo con la presente invención se provee un aparato de desvolatilización mejorado, que comprende un calentador de placa plana que contiene medios de suministro de solución de polímero y medios de recolección y separación de líquido/vapor, dicho calentador de placa plana comprendiendo además una multiplicidad de placas planas que definen una pluralidad de canales, cada canal teniendo una altura substancialmente uniforme aunque variando en su ancho a través de su longitud, cada canal comprendiendo tres zonas: una primera zona en comunicación operativa con los medios de suministro de polímero, caracterizada por la reducción del ancho como una función de la distancia desde su inicio, Una segunda zona que inicia en el término de la primera zona, caracterizada mediante, por lo menos, una presencia de un área de sección transversal restrictiva, y una tercera zona que inicia al final de la segunda zona y que termina en una región de recolección/separación de líquido/vapor susceptible de operar a presión reducida, dicha tercera zona caracterizada por el incremento del ancho, como una función de la distancia desde su inicio, y además siempre que la relación de ancho máximo de la tercera zona al ancho de la segunda zona sea desde 2: 1 hasta 20: 1 . También se reivindica un procedimiento para la desvolatilización de solución de polímero, que comprende alimentar una solución de polímero a un aparato de desvolatilización de polímero, que comprende un calentador de placa plana como se describió antes en la presente, que opera bajo las condiciones de desvolatilización del polímero para separar los componentes volátiles de la solución de polímero a partir del polímero desvolatilizado. Para un mejor entendimiento de la invención, puede hacerse referencia a los dibujos anexos en los cuales: La FIGURA 1 describe un canal de calentamiento individual de una modalidad del calentador de placa plana de la presente invención. La FIGURA 2 es una vista axial de un calentador de placa plana cilindrico, que incorpora el modelo de canal de la figura 1. La FIGURA 3 es una vista lateral de un calentador de placa plana de la presente invención, que incorpora el modelo de placa de la FIGURA 2. La FIGU RA 4 es una vista oblicua del calentador de placa plana de la presente invención, que incorpora el modelo de placa de la FIGURA 2, La FIGURA 5 ilustra un canal de calentamiento individual de una modalidad alternativa del calentador de placa plana de la presente invención. La FIGURA 6 es una vista axial de un calentador de placa plana cilindrico, que incorpora el modelo de canal de la figura 5 y que tiene una configuración de placa alternativa de aquella de la FIGURA 2. La figura 7 es una vista lateral del calentador de placa plana de la presente invención, que incorpora el modelo de placa de la FIGURA 5 y la configuración de placa de la FIGURA 6. La FIGURA 8 es una vista oblicua del calentador de placa plana de la presente invención, que tiene el modelo de canal de la FIGURA 5 y la configuración de placa de la FIGURA 6. Los polímeros adecuados de las soluciones de las que pueden ser desvolatilizadas de conformidad con la presente invención, incluyen cualquier producto polimérico producido típicamente en un procedimiento de solución o cualquier polímero que contenga componentes volátiles retenidos. Los ejemplos incluyen polímeros de olefina, polímeros vinilaromáticos, polímeros de condensación, etc. Los preferidos son los polímeros vinilaromáticos. Para el propósito de la presente invención, se entiende que los polímeros viniiaromáticos son homopolímeros y copolímeros (que incluyen copolímeros de injerto) de uno o más monómeros vinilaromáticos o mezclas de los mismos con polímeros adicionales. Ejemplos de tales polímeros incluyen poliestireno, poliestireno modificado con hule o resistente al impacto, copolímeros de estireno/acrilonitrilo (incluyendo versiones de los mismos modificadas con hule, tales como copolímeros ABS o AES), y mezclas de los anteriores con otros polímeros, tales como, polímeros de éter de policarbonato o polifenileno. Los polímeros vinilaromáticos preferidos son poliestireno, poliestireno modificado al impacto (HIPS) y ABS . Los polímeros anteriores pueden existir como soluciones con cantidades grandes o pequeñas de componentes volátiles. Los solventes típicos incluyen diluyentes inertes aromáticos o alifáticos, así como monómeros sin reaccionar. La cantidad de solvente para ser desvolatilizada puede variar desde un exceso grande hasta una cantidad de contaminación simple, las cantidades típicas de componentes volátiles que se van a remover varían desde 2: 1 hasta 0.001 : 1 en base al peso del polímero. El aparato de desvolatilización de la presente invención incluye el intercambiador de calor mejorado, que permite velocidades de flujo mayores de soluciones de polímero sin oscilaciones de presión, incrementando, por lo tanto, la producción y eficiencia del intercambiador de calor. Las placas planas pueden hacerse de cualquier material adecuado aunque preferiblemente son de acero, acero inoxidable o aluminio. En la FIGURA 1 , se ilustra la forma de un canal de calentamiento (10) en un calentador de placa plana, de conformidad con una modalidad de la presente invención. El canal de calentamiento comprende tres zonas, una primera zona generalmente convergente (12) que es más ancha en su entrada que en su salida, una segunda zona restrictiva (14) en donde el canal alcanza una anchura mínima suficiente para provocar una caída de presión a través de la zona restrictiva, evitando de este modo la evaporación instantánea substancial de los componentes volátiles mientras están en la primera zona; y una tercera zona generalmente divergente (16)diseñada para permitir la evaporación instantánea de la solución de polímero, debido a la disminución en la presión. La longitud total del canal de calentamiento es típicamente de 15.0 a 50.0 cm, más preferiblemente de 16 a 30 cm. La primera zona tiene una abertura (18) dentro de la cual la solución de polímero entra al canal de calentamiento. La longitud de la primera zona es de 5 a 20 por ciento de la longitud total del canal de calentamiento y el ancho de la abertura (18) es de 1.0 a 5.0 cm. La relación del ancho de la porción más ancha de la primera zona al ancho del punto más estrecho varia desde 1.5: 1 hasta 10: 1 . La primera zona incluye, preferiblemente, una zona de superficie en contacto con la solución de polímero suficiente para elevar la temperatura de la solución de polímero hasta la temperatura de desvolatilización final, aunque, debido a que la presión de la solución de polímero en la primera zona no está reducida (debido a la presencia de la zona restrictiva interpuesta entre la zona de presión reducida y los medios de suministro de polímero), se elimina substancialmente la evaporación instantánea de la primera zona del calentador de placa plana. Debido a este hecho, el flujo de la solución es controlado y ordenando. Se elimina substancialmente el llenado alternado de los canales y la expulsión, debida a la evaporación rápida. Consecuentemente, se logra una desvolatilización de polímero más uniforme y se eliminan las oscilaciones de presión y las pulsaciones del desvolatilizador. La segunda zona (14) inicia en el término de la primera zona y varia en longitud desde 1 .0 por ciento hasta 40 por ciento de la longitud total del canal, que conecta con la entrada de la tercera zona. El ancho de la segunda zona puede permanecer constante en toda su longitud, disminuir hasta un mínimo y después permanecer constante o disminuir hasta un mínimo y posteriormente aumentar de nuevo. Preferiblemente, en su punto más estrecho la segunda zona está entre 0.25 y 2.0 cm de ancho, más preferiblemente entre 0.5 y 1.0 cm de ancho. La relación del ancho del punto más ancho de la zona al ancho del punto más estrecho de la zona es de preferiblemente 1.0: 1 a 1 .5: 1 . Preferiblemente también, la relación del ancho más amplio de la primera zona al ancho más estrecho de la segunda zona es mayor que 2: 1 , y preferiblemente mayor que 3: 1 .

La tercera zona (16) inicia al termino de la segunda zona y termina con una salida (20) para la descarga de la solución de polímero (la cual en este punto es desvolatilizada substancialmente y comprende polímero fundido que contiene burbujas retenidas de solvente o monómero desvolatilizado). La longitud de la tercera zona es de 49 a 85 por ciento de la longitud total del canal. La relación del ancho de la tercera zona en su término a aquel en su entrada es preferiblemente desde 1.75: 1 hasta 10: 1. El ancho de la zona no necesita incrementarse constantemente desde la entrada hasta el término aunque puede seguir una forma sinusoidal u otra forma curva. Preferiblemente también, la relación del ancho máximo de la tercera zona al ancho mínimo de la zona restrictiva es mayor que 2: 1. En la FIGURA 2, se proporciona una vista a lo largo del eje de un calentador de placa plana (1 ) de forma cilindrica. El calentador de placa plana comprende una multiplicidad de placas planas (22), en la forma de discos apilados en capas alternadas con bloques (26) de una forma apropiada y colocados de manera que definen la dimensión exterior de cada canal y asegurados para definir una cámara central (24), para recibir la solución de polímero que se va a desvolatilizar desde los medios de suministro de polímero. Alrededor de la cámara central están colocadas las placas planas, para definir los canales de calentamiento que se extienden radialmente hasta la periferia del calentador de placa plana. El número de canales en el calentador de placa plana puede variar, desde tan pocos como 8 hasta varios miles. En cada bloque hay orificios (28) a través de los cuales pasa el medio de calentamiento, opcionalmente por medio de un conducto o tubería (29)(no ilustrado), que asegura también las placas (22) contra el movimiento. La FIGURA 3 muestra una vista lateral del calentador de placa plana de la FIGURA 2, que muestra la colocación de los conductos o tuberías (29) y que alterna capas de discos (22) y bloques (26) que resultan en la formación de canales (10), en esta modalidad de la invención. La FIGURA 4 muestra una vista cortada oblicua del desvolatilizador de polímero que contiene el calentador de placa plana (2), como se describió previamente. El calentador está ubicado dentro de una coraza (3) . Entre la coraza y el calentador de placa plana está una región de presión reducida (4) en comunicación operativa con un medio para remover los componentes volátiles, tal como un condensador, no mostrado, conectado a una salida de vapor (5) y medios de descarga de polímero, tales como una bomba, no mostrada, conectados a una salida de polímero (6). La FIGURA 5 ilustra un modelo alternativo del canal de calentamiento (10) que tiene una forma curva y transición gradual entre las tres zonas, (12), (14) y (16). Se ilustran también la entrada (18) y la salida (20). La FIGURA 6 muestra una vista superior de una modalidad alternativa del calentador de placa plana, en donde los canales están formados mediante capas adyacentes en la misma capa para formar canales (10) que tienen una forma curvada como se ilustra en la FIGURA 5. Las placas son sostenidas en su lugar mediante conductos o tuberías (29) (no mostrados) ubicados en orificios múltiples (28) , que pasan a través de las placas. Preferiblemente, las placas (23) son todas substancialmente idénticas en forma y tamaño.

La FIGURA 7 muestra una vista lateral del calentador de placa plana de la FIG URA 6, que muestra la colocación de los conductos o tuberías (29) y las capas alternadas de placas conformadas simétricamente (23) que definen canales (10). La FIGURA 8 muestra una vista oblicua de las capas alternadas de placas conformadas simétricamente, (23) del calentador de placa plana de conformidad con la FIGURA 6 o 7, que muestra los orificios (28) y los canales (10). En la operación, el fluido de intercambio de calor, a la temperatura apropiada, es bombeado a través de los conductos (29) dentro de los orificios (28) , calentándolas placas apiladas (23). La solución de polímero desde los medios de suministro de polímero (no mostrados) llena la cámara central (20), entra a la abertura (18) de los canales de calentamiento (10) y fluye hacia afuera, para salir dentro de la región de presión reducida (4). Se provoca que los componentes volátiles sean liberados a través de la espumación de la solución, la cual tiene lugar preferiblemente dentro de la tercera zona de los canales de calentamiento. El polímero desvolatilizado, preferiblemente en un estado fundido, es recolectado (por ejemplo mediante flujo de gravedad) y descargado a través de los medios de descarga de polímero (no mostrados). La desvolatilización completa del polímero puede requerir el uso de más de un intercambiador de calor operando en serie, para reducir el contenido de material volátil en el polímero en dos o más etapas. En tanto que las modalidades ilustradas indican que cada canal (10) tiene una sección transversal rectangular, se comprende que los bordes podrían igualmente ser redondeados. Por ejemplo, a fin de evitar las esquinas agudas en los canales, los bordes podrían unir la parte superior y la parte inferior del canal con un radio. Los canales preferidos poseen una altura constante en la longitud completa de los mismos desde 0.1 hasta 1.0 cm, más preferiblemente desde 0.2 hasta 0.5 cm. EJEMPLO Se provee el siguiente ejemplo para ilustrar mejor esta invención, pero sin limitar la misma. En las siguientes operaciones, se bombeo una solución de polímero que contiene 85 por ciento de poliestireno (P.M. = 250,000), 8 por ciento de estireno y 7 por ciento de etilbenceno a una temperatura de 130 °C, a varias velocidades de bombeo, a través de desvolatilizadores que comprenden calentadores de placa plana de diferentes modelos. Todos los calentadores tenían la misma altura y número de canales, aunque variaban en la geometría de canal. Los desvolatilizadores operaron a una presión reducida de 5 Torr en la región de presión reducida. Para medir cualquier oscilación de presión dentro de los medios de suministro de polímero que ocurriera durante el procedimiento de desvolatilización, se monitoreo la presión en la entrada de los canales de calentamiento, por medio de un transductor. Se evaluaron varias geometrías de canal para la estabilidad de flujo de solución de polímero, a diferentes velocidades de flujo. Todas las operaciones lograron una reducción de los componentes volátiles hasta de menos de 1 por ciento en peso.

Operación 1 Se evaluó un calentador de placa plana que tiene canales de sección transversal rectangular con una longitud de 15.25 cm, altura de 0.254 cm y una anchura constante de 2.54 cm sobre una escala de velocidades de flujo de solución de polímero. Los resultados se resumen en el Cuadro ! . Cuadro 1 Velocidad de flujo Presión Medía Magnitud de ( kg/hr/canal ) (kPa). oscilaciones (kPa) 0.464 213 Ó 0.636 270 0 0.755 274 0 Puede apreciarse que a esta longitud de canal no se observaron problema significativos de inestabilidad de flujo, sobre la escala de velocidades de flujo probadas. Operación 2 Se repitieron las condiciones experimentales de la Operación 1 , excepto porque el canal de calentamiento tuvo una longitud incrementada de 17.78 cm y ancho constante de 2.54 cm. Los resultados de este experimento se muestran en el Cuadro 2. Cuadro 2 Velocidad de flujo Presión Media Magnitud de (kg/hr/canal) (kPa) oscilaciones (kPa) ___ __ _ 0.281 1 86 41 0.380 199 69 Puede apreciarse que con el incremento en la longitud del canal, ocurre el inicio de las oscilaciones de presión, incluso a velocidades reducidas de bombeo de solución de polímero.

Operación 3 Se repitieron las condiciones experimentales de las Operaciones 1 y 2, excepto porque el canal de calentamiento tuvo una longitud incrementada de 22.86 cm y ancho constante de 2.54 cm. Los resultados de este experimento se muestran én el Cuadro 3. Cuadro 3 Velocidad de flujo Presión Media Magnitud de (kg/hr/canal) (kPa) oscilaciones (kPa) 0.140 ?03 Ó 0.367 254 137 0.448 268 82 Las oscilaciones de presión significativas ocurren a las velocidades de flujo más aftas probadas, utilizando esta longitud de canal de calentamiento. Operación 4 Se condujo una operación que ilustra la presente invención de la siguiente manera. Se repitieron las condiciones experimentales de las operaciones, 1 -3 excepto porque el modelo de canal de calentamiento fue modificado para comprender las tres zonas, una primera zona de disminución del ancho que tiene una longitud de 2.54 cm, un ancho máximo en la abertura de 2.54 cm y un ancho en el término de 0.953 cm; una segunda zona restrictiva conectada al extremo de la primera zona que tiene una longitud de 5.08 cm y un ancho constante de 0.953 cm; y una tercera zona conectada al extremo de la segunda zona, que tiene una longitud de 1 1.43 cm, incrementando gradual y constantemente en ancho desde 0.953 en el inicio hasta un máximo de 2.54 cm en el término de la misma. La altura de los canales fue de 19.05 cm. Los resultados de este experimento se muestran en el Cuadro 4. Cuadro 4 Velocidad de flujo Presión Media Magnitud de (kg/hr/canal ) (kPa) oscilaciones (kPa) 0.556 405 0 0.658 426 0 0.817 481 0 Este modelo de canal muestra estabilidad mejorada, particularmente a velocidades de flujo de solución de polímero elevadas. Como es evidente, a partir de la descripción anterior, la presente invención es susceptible de ser incorporada con varias alteraciones y modificaciones, que pueden diferir particularmente de aquellas que habían sido descritas en la especificación precedente y la descripción. Por esta razón, se debe comprender completamente que se pretende que todo lo anterior sea únicamente ilustrativo y no debe considerarse o interpretarse que es restrictivo o de otra manera limitante de la presente invención, excepto como se establece y define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES 1. Un aparato de desvolatilización de polímero mejorado que comprende un calentador de placa plana, que contiene medios de suministro de solución de polímero y medios de recolección y separación de líquido/vapor, dicho calentador de placa plana comprendiendo además una multiplicidad de placas planas que definen una pluralidad de canales, cada canal teniendo una altura substancialmente uniforme aunque de ancho variable en su longitud, cada canal comprendiendo tres zonas: una primera zona en comunicación operativa con los medios de suministro de polímero, caracterizada por la reducción del ancho como una función de la distancia desde su inicio, una segunda zona que inicia en el término de la primera zona, caracterizada mediante, por lo menos la presencia de una área de sección transversal restrictiva, y una tercera zona que inicia al final de la segunda zona y que termina en una región de recolección/separación de líquido/vapor susceptible de operar a presión reducida, dicha tercera zona caracterizada por el incremento del ancho como una función de la distancia desde su inicio, y además condicionada a que la relación de ancho máximo de la tercera zona al ancho máximo de la segunda zona sea desde 2: 1 hasta 20: 1 .
2. 2. El aparto de la reivindicación 2, en el cual la primera zona tiene una longitud de 5 hasta 20 por ciento de la longitud total del canal, la segunda zona tiene una longitud desde 1 por ciento hasta 40 por ciento de la longitud total del canal y la tercera zona tiene una longitud desde 40 por ciento hasta 85 por ciento de la longitud total del canal.
3. 3. El aparato de la reivindicación 2, en el cual la longitud total del canal es desde 16 hasta 30 cm.
4. 4. El aparato de la reivindicación 2, en donde la relación del ancho de la primera zona al principio hasta el ancho al término es desde 1.5:1 hasta 10: 1 ; el ancho de la segunda zona permanece sin cambio; y la relación del ancho de la tercera zona en el término al ancho en el inicio es desde 1.75:1 hasta 10: 1.
5. 5. Un procedimiento de desvolatilización de polímero mejorado para la desvolatilización de soluciones de polímero que comprende, alimentar un polímero que contiene componentes volátiles retenidos a un aparato de desvolatilización de polímero, que comprende un calentador de placa plana de conformidad con la reivindicación 1 , que opera bajo condiciones de desvolatilización de polímero para separar los componentes volátiles de la solución de polímero, desde el polímero desvolatilizado.
6. 6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el cual la primera zona tiene una longitud desde 5 hasta 20 por ciento de la longitud total del canal, la segunda zona tiene una longitud de 1 por ciento hasta 40 por ciento de la longitud total del canal y la tercera zona tiene una longitud desde 40 por ciento hasta 85 por ciento de la longitud total del canal.
7. 7. El procedimiento de la reivindicación 5, en el cual la longitud total del canal es de 16 hasta 30 cm.
8. 8. El procedimiento de la reivindicación 5, en el cual la relación del ancho de la primera zona al principio hasta el ancho al término es desde 1 .5: 1 hasta 10: 1 ; el ancho de la segunda zona permanece sin cambio; y la relación del ancho de la tercera zona en el término al ancho en el inicio es desde 1.75: 1 hasta 10: 1.
9. 9. El procedimiento de la reivindicación 5, en el cual el polímero es un polímero vinilaromático.