PL217902B1

PL217902B1 - Sposób wytwarzania monomeru poliestru i urządzenie do wytwarzania monomeru poliestru

Info

Publication number: PL217902B1
Application number: PL363173A
Authority: PL
Inventors: Bruce Roger Debruin
Original assignee: Eastman Chem Co
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2014-09-30
Also published as: RU2286359C2; KR20030068172A; CA2430612A1; EP1453883B1; BR0116022A; AR034189A1; US6815525B2; PT1341835E; PL361761A1; BR0116012B1; BR0116015B1; ES2399881T3; EP1358245A2; US6861494B2; KR100771325B1; BR0116012A; TWI289572B; JP2004515587A; PT2311897E; DE60129837T2

Description

Wynalazek dotyczy sposobu i urządzenia do wytwarzania monomeru poliestru, przy czym estryfikacja lub proces estryfikacji przeprowadzany jest w reaktorze rurowym.

W produkcji monomeru poliestru występuje coraz większa konkurencja, bardzo pożądane są alternatywne, tanie sposoby produkcji i dlatego opracowano wiele różnych sposobów. Wczesne próby wykorzystywały destylację reakcyjną (US nr 2 905 707) z parą glikolu etylenowego (EG) w charakterze substratu reakcji (US nr 2 829 153). Opisano wiele mieszalników mających na celu uzyskanie dodatkowej kontroli nad reakcją (US nr 4 110 316; WO nr 98/10 007). Patent US nr 3 054 776 opisuje stosowanie mniejszych spadków ciśnienia pomiędzy reaktorami, natomiast patent US nr 3 385 881 opisuje wiele stopni reaktora w jednej osłonie reaktora. Konstrukcje te były ulepszane w celu rozwiązania problemów z porywaniem lub zatykaniem, integracją cieplną, przenoszeniem ciepła, czasem reakcji, liczbą reaktorów itd., jak opisano w patentach US nr 3 118 843; US nr 3 582 244; US nr 3 600 137; US nr 3 644 096; US nr 3 689 461; US nr 3 819 585; US nr 4 235 844; US nr 4 230 818 i US nr 4 289 895. Niestety, reaktory i instalacje są niezwykle skomplikowane. Reaktory mieszanej polikondensacji mają skomplikowane konstrukcje, które wymagają szczegółowych obliczeń i fachowości. Reaktor musi działać w warunkach podciśnienia i niezależnie od tego, czy jest ogrzewany, czy chłodzony, musi utrzymywać swój kształt, aby element mieszający nie drapał ścian i aby utrzymywane były ścisłe tolerancje dla zapewnienia skutecznego transportu masy. Takich skomplikowanych konstrukcji nie można szybko budować lub instalować. Ich konserwacja i obsługa również wymagają doświadczenia.

Konwencjonalne cylindryczne reaktory estryfikacji lub wymiany estrowej, takie jak reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem, mają wiele elementów wewnętrznych, takich jak przegrody, wężownice grzejne, duże przelewy, półki, wypełnienie, elementy mieszające oraz rury ssące, itd. Reaktory estryfikacji lub wymiany jonowej mogą również być reaktywnymi kolumnami destylacyjnymi, kolumnami odciągowymi lub kolumnami rektyfikacyjnymi wraz ze związanymi wewnętrznymi półkami, wypełnieniem, przewodami opadowymi, reboilerami, skraplaczami, wewnętrznymi wymiennikami ciepła, systemami powrotnymi, pompami itd. Konwencjonalne reaktory polikondensacji, które zwykle są urządzeniem z przepływem pseudotłokowym, które próbuje utrzymać średni czas przebywania z wąskim rozkładem czasowym, są zwykle (1) reaktorami zbiornikowymi z ciągłym mieszaniem, zwykle typu reaktora ze ścieraną cienką warstwą lub reaktora z cienką warstwą lub (2) reaktywnym urządzeniem destylacyjnym. Takie konwencjonalne reaktory kondensacji zwykle mają środki do zwiększania odnawiania powierzchni, typowo przez tworzenie cienkich warstw polimeru. Takie konwencjonalne urządzenia do polikondensacji zawierają półki, wewnętrzne wężownice grzejne, przelewy, przegrody, ścierane cienkie warstwy, wewnętrzne elementy mieszające oraz duże mieszadła z uszczelkami lub urządzeniami magnetycznym, itd. Reaktory takie normalnie mają zgarniaki lub inne wysoce skomplikowane urządzenia do zapobiegania zatkaniu przewodów parowych. Liczne reaktory polikondensacji mają również bardzo ścisłe wymagania dotyczące tolerancji i muszą zachowywać swój kształt w pewnym zakresie temperatury. Takie reaktory cylindryczne przy konstruowaniu wymagają znacznej wiedzy technicznej, projektowania i fachowej obsługi. Reaktor cylindryczny ma również specjalnie wykonany płaszcz mający wiele częściowych płaszczy rurowych, które są połączone ze sobą i z reaktorem spoinami spawanymi. Reaktor cylindryczny ma dodatkowe elementy zewnętrzne, takie jak przekładnie, mieszadła, systemy uszczelnienia, silniki itp. Wysoki stopień skomplikowania, dodatkowe materiały i wymagana przy konstruowaniu reaktorów cylindrycznych fachowość powodują wyższy koszt.

W patentach ze stanu techniki opisano rurę zintegrowaną z procesem lub urządzeniem. Patent US nr 3 192 184 opisuje przykładowo rurę z wewnętrznymi przegrodami w reaktorze, a US nr 3 644 483 opisuje zastosowanie rury do dodawania pasty. Zgłoszenia patentowe WO nr 96/22 318 oraz US nr 5 811 496 opisują dwa reaktory rurowe pomiędzy reaktorami estryfikacji i polimeryzacji, a patent US nr 5 786 443 opisuje reaktor rurowy pomiędzy reaktorem estryfikacji a nagrzewnicą prowadzącą do reaktora stopniowego. W każdym z tych reaktorów próbowano zastosować reaktor rurowy w innych skomplikowanych reaktorach i urządzeniach.

Chociaż teoretyzowano, że optymalna wymiana estrowa lub estryfikacja występowałaby w ośrodku ciągłym przy ciągłym spadku ciśnienia i ciągłym wzroście temperatury (patrz fig. 1, Santosh

K. Gupta i Anil Kumar, Reaction Engineering of Step Growth Polymerization, The Plenum Chemical Engineering Series, rozdział 8, Plenum Press, 1987), koszt zrobienia tego za pomocą istniejących konwencjonalnych urządzeń jest zbyt wysoki, ponieważ wymaga to licznych małych reaktorów, każdy ze swym własnym oprzyrządowaniem oraz zaworami i pompami do regulacji poziomu, ciśnienia i temPL 217 902 B1 peratury. W konwencjonalnych projektach instalacji poliestrowych liczba stopni redukcji ciśnienia (reaktorów cylindrycznych) jest zmniejszana do minimum, by zminimalizować koszt. Kompromis polega na tym, że gdyby zamiast tego zwiększyć liczbę reaktorów, wówczas spadek ciśnienia zostałby zminimalizowany.

Istnieje nadal zapotrzebowanie na tańsze i prostsze sposoby i urządzenia do wytwarzania monomeru poliestru.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania monomeru poliestru, który obejmuje kolejno:

(a) zapewnienie horyzontalnie zorientowanego rurowego reaktora estryfikacji mającego wlot, wylot cieczy, wylot pary i powierzchnię wewnętrzną, przy czym wlot jest usytuowany co najmniej o 6 m pionowo poniżej wylotu cieczy, a reaktor rurowy estryfikacji jest pusty, (b) najpierw, mieszanie kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego, jako płynów w proksymalnym wlocie reaktora rurowego, a kwas tereftalowy i glikol etylenowy przepływają przez reaktor rurowy, a potem (c) reagowanie ze sobą nawzajem zmieszanego kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego w reaktorze rurowym do utworzenia monomeru poliestru i pary, jako produktu ubocznego, wewnątrz reaktora rurowego; i (d) wypływanie monomeru poliestru przez wylot cieczy i usuwanie pary, jako produktu ubocznego, przez wylot pary.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy też urządzenia do wytwarzania monomeru poliestru, które zawiera: horyzontalnie zorientowany reaktor rurowy, który jest pusty i ma wlot, wylot i powierzchnię wewnętrzną, przez które przepuszczane są kwas tereftalowy i glikol etylenowy. Reaktor rurowy ma naprzemienne liniowe i nie liniowe sekcje przebiegające w swoich odpowiednich wzdłużnych kierunkach pomiędzy jego wlotem a wylotem, przy czym wlot reaktora rurowego jest usytuowany co najmniej o 6 m pionowo poniżej wylotu reaktora rurowego. Reaktor rurowy według wynalazku zawiera sekcję górną, sekcję środkową i sekcję dolną, a ponadto zawiera on co najmniej trzy upusty odgazowujące włączone do reaktora. Płyny przemieszczające się wewnątrz jego wewnętrznej powierzchni przepływają również kolejno przez trzy odpowiednie upusty odgazowujące, płynąc od pierwszego końca do drugiego końca reaktora. Trzy upusty odgazowujące są usytuowane w reaktorze rurowym przez wytwarzanie przepływu laminarnego, warstwowego, nie kołowego, dwufazowego gazu i cieczy i są w komunikacji płynowej odpowiednio z sekcją górną, z sekcją środkową i z sekcją dolną reaktora.

Wynalazek dotyczy zwłaszcza reaktorów rurowych i wyposażenia oraz sposobów do stosowania zarówno w nowych, jak i w istniejących (unowocześnianych) zakładach produkcji monomeru poliestru. Materiałami początkowymi lub substratami reakcji mogą być surowce ciekłe, gazowe lub stałe przy wykorzystaniu dowolnych składników do poliestrów lub modyfikatorów. Wynalazek reaktora rurowego ma wiele zalet wobec konwencjonalnych sposobów i urządzeń do wytwarzania monomeru poliestru.

Korzystnie, reaktory rurowe według wynalazku nie wymagają wewnętrznych wężownic grzejnych z reaktora zbiornikowego z ciągłym mieszaniem, natomiast mogą być wykorzystywane różne elementy grzejne, takie jak wymiennik ciepła lub rura otoczona płaszczem. Wśród wielu ograniczeń reaktorów zbiornikowych z ciągłym mieszaniem jest ograniczenie liczby wężownic grzejnych ze względu na konieczność utrzymywania mieszania płynów. Zbyt duża liczba wężownic grzejnych nie pozwala na utrzymanie przestrzeni pomiędzy wężownicami umożliwiającej mieszanie. Ponieważ przenoszenie ciepła i mieszanie są rozdzielone w systemie reaktora rurowego, takiego ograniczenia zbiornikowych reaktorów z ciągłym mieszaniem (między innymi) nie ma w systemie reaktora rurowego według wynalazku.

Reaktory rurowe nie są ograniczone, jeśli chodzi o objętość zbiornika do rozważań kinetycznych, jak w przypadku reaktora zbiornikowego z ciągłym mieszaniem. Reaktory rurowe wykorzystują dla kinetyki długość rury, którą można łatwo zmieniać. Jeśli chodzi o przenoszenie masy lub mieszanie, reaktory rurowe nie wymagają śruby ani wirnika, jak w reaktorze zbiornikowym z mieszaniem ciągłym. Do wprawiania płynu w ruch można natomiast wykorzystywać pompę lub przepływ grawitacyjny.

Kolejną zaletą reaktora rurowego jest rozdzielanie, to znaczy oddzielenie gazu od przyłącza cieczy, sposób w rurowym reaktorze z ciągłym mieszaniem kontroluje łączenie ciecz/gaz przez objętość reaktora. Kontrolowanie tego łączenia przez regulację objętości reakcyjnej jest trudnym sposobem regulowania prędkości płynów. Jeżeli rurowy reaktor z ciągłym mieszaniem jest wykonany jako wysoki i smukły, regulacja poziomu jest trudna, zwiększają się ugięcia wału mieszadła i problemy z uszczelnieniem, prędkości pary zwiększają się wraz z rosnącym porywaniem, a koszty reaktora

PL 217 902 B1 rosną wraz z polem powierzchni. Z drugiej strony, jeśli rurowy reaktor z ciągłym mieszaniem jest wykonany jako krótki i szeroki, do takiego reaktora nie można wprowadzić wystarczającej liczby wężownic grzejnych, mieszanie jest trudniejsze przy większej średnicy, a w przypadku dużych instalacji zagadnieniem staje się transport zbiornika.

Istnieją zatem optymalne wymiary, jeśli chodzi o długość, szerokość i wysokość rurowego reaktora z mieszaniem ciągłym, przez co trudno jest modyfikować rurowy reaktor z mieszaniem ciągłym tak, aby sterować prędkością płynów. Podczas eksploatacji rurowego reaktora z ciągłym mieszaniem potrzeba więcej operacji usuwania pary, by kontrolować prędkość pary. Jednakże dodatkowe operacje usuwania pary prowadzą do problemów, ponieważ porywana ciecz jest usuwana przez parę i zmniejsza się wydajność. Natomiast w reaktorze rurowym według wynalazku w celu kontrolowania połączenia ciecz/gaz można dodać równolegle dodatkowe rury (reaktory rurowe), aby kontrolować całkowitą prędkość płynu i prędkość gazu opuszczającego powierzchnię. Zatem w przypadku systemu reaktora rurowego według wynalazku funkcje rozdzielania są prostsze i łatwiejsze do kontrolowania niż w przypadku konwencjonalnego systemu rurowego reaktora z ciągłym mieszaniem. Podobne niedogodności można stwierdzić w innych konwencjonalnych systemach reaktorów do wytwarzania poliestrów, takich jak kolumny reakcyjnej destylacji, kolumny odpędowe lub kolumny rektyfikacyjne, lub zbiorniki z wyposażeniem wewnętrznym, reaktory ślimakowe lub zagniatające, w porównaniu z podanymi powyżej zaletami konstrukcji reaktora rurowego według wynalazku.

Niespodziewanie reaktory rurowe według wynalazku mogą być stosowane do procesów poliestrowych, które zwykle mają długie czasy przebywania. Zwykle reaktory rurowe stosuje się w procesach mających tylko bardzo krótkie czasy przebywania. Stwierdzono jednak, że reaktory rurowe według wynalazku można stosować do procesów wytwarzania poliestrów z dłuższym czasem przebywania.

W przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do wytwarzania poliestrowego monomeru, oligomeru lub polimeru, które zawiera:

a. rurowy reaktor, mający wlot, wylot i powierzchnię wewnętrzną, przez który przepuszczane są płynne substraty reakcji; oraz

b. przelew dołączony do części wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego i przy jego wylocie, przy czym reaktor ten stanowi zasadniczo pustą rurę.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do wytwarzania poliestrowego monomeru, które zawiera:

b. upust połączony płynowo z reaktorem, przy czym upust ten ponadto zawiera pionową rurę odgazowania dołączoną do tego upustu, a ta rura odgazowania ma przyjmujący koniec w połączeniu płynowym z upustem oraz przeciwległy wypuszczający koniec umieszczony pionowo nad przyjmującym końcem a ponadto ta rura odgazowania przebiega nieliniowo w swym kierunku wzdłużnym pomiędzy końcem przyjmującym a końcem wypuszczającym, przy czym rura odgazowania jest złożona z trzech sąsiadujących sekcji, połączonych płynowo ze sobą, a pierwsza sekcja jest usytuowana przy przyjmującym końcu i przebiega zasadniczo pionowo od upustu, druga sekcja jest dołączona do pierwszej sekcji i skierowana pod pewnym kątem względem pierwszej sekcji w widoku z góry, a trzecia sekcja jest dołączona do drugiej sekcji i skierowana pod dopełniającym kątem względem drugiej sekcji w widoku z góry tak, że ta trzecia sekcja jest skierowana zasadniczo poziomo.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do wytwarzania poliestrowego monomeru, które zawiera rurowy reaktor, mający wlot, wylot i powierzchnię wewnętrzną, przez który przepuszczane są płynne substraty reakcji.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do upuszczania gazu lub pary z procesu podczas skutecznego oddzielania cieczy od gazu lub pary, przy czym ciecz, gaz i para są płynami, oddzielania cieczy od gazu lub pary i zawracania cieczy do procesu, które to urządzenie zawiera:

a. zbiornik lub rurę technologiczną zawierającą (i) ciecz oraz (ii) gaz lub parę; oraz

b. upust połączony płynowo ze zbiornikiem lub rurą technologiczną, przy czym upust ten ponadto zawiera pionową rurę odgazowania dołączoną do tego upustu, a ta rura odgazowania ma przyjmujący koniec w połączeniu płynowym z upustem oraz przeciwległy wypuszczający koniec umieszczony pionowo nad przyjmującym końcem a ponadto ta rura odgazowania przebiega nieliniowo w swym kierunku wzdłużnym pomiędzy końcem przyjmującym a końcem wypuszczającym, przy czym rura odgazowania jest złożona z trzech sąsiadujących sekcji, połączonych płynowo ze sobą, a pierwsza

PL 217 902 B1 sekcja jest usytuowana przy przyjmującym końcu i przebiega zasadniczo pionowo od upustu, druga sekcja jest dołączona do pierwszej sekcji i skierowana pod pewnym kątem względem pierwszej sekcji w widoku z góry, a trzecia sekcja jest dołączona do drugiej sekcji i skierowana pod pewnym kątem względem drugiej sekcji w widoku z góry, tak że ta trzecia sekcja jest skierowana zasadniczo poziomo.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania monomeru poliestru, obejmującego:

a. stosowanie reaktora rurowego mającego wlot, wylot oraz powierzchnię wewnętrzną, przy czym wlot jest usytuowany niżej niż wylot; oraz

b. dodawanie co najmniej jednego substratu reakcji do reaktora rurowego w pobliżu wlotu, tak że substraty reakcji przepływają przez reaktor rurowy, przy czym substraty reakcji reagują ze sobą tworząc monomer poliestru w reaktorze rurowym, a ten monomer poliestru wychodzi z jego wylotu.

a. stosowanie reaktora polikondensacji mającego pierwszy koniec, drugi koniec i powierzchnię wewnętrzną, przy czym pierwszy koniec jest usytuowany wyżej niż drugi koniec, a reaktor polikondensacji jest nieliniowy pomiędzy pierwszym końcem a drugim końcem; oraz

b. kierowanie płynnego monomeru poliestru do pierwszego końca reaktora polikondensacji, tak że monomer przepływa przez reaktor polikondensacji, przy czym monomer ten reaguje tworząc polimer w reaktorze polikondensacji, a polimer ten wychodzi z jego drugiego końca.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do przeprowadzania reakcji substratów reakcji do monomeru poliestru, zawierającego:

a. reaktor rurowy mający wlot, wylot i powierzchnię wewnętrzną, przy czym wlot jest usytuowany wyżej niż wylot; oraz

b. przelew dołączony do części powierzchni wewnętrznej reaktora rurowego przy jego wylocie.

b. mechanizm upustowy zawarty w reaktorze rurowym tak, że płyn przepływający wewnątrz jego powierzchni wewnętrznej przepływa również przez mechanizm upustowy płynąc od wlotu do wylotu reaktora rurowego, przy czym mechanizm upustowy zawiera mimośrodowy element redukcyjny umieszczony płasko na dnie.

W innym przykładzie wykonania wynalazek dotyczy urządzenia do przeprowadzania reakcji substratów do monomeru poliestru, zawierającego:

b. pętlę recyrkulacji mającą wlot i wylot, przy czym wlot jest połączony płynowo z reaktorem rurowym w pobliżu jego wylotu, a wylot jest połączony płynowo z reaktorem rurowym przy jego wlocie.

Dodatkowe zalety wynalazku przedstawiono częściowo w opisie, a częściowo wynikną z tego opisu lub mogą zostać poznane w praktyce wykonania wynalazku.

Krótki opis rysunków

Załączone rysunki, które stanowią część opisu, przedstawiają przykłady wykonania wynalazku i wraz z opisem służą wyjaśnieniu wynalazku.

Figura 1 przedstawia typowy profil temperatury reakcji wytwarzania poliestru i profil ciśnienia.

Figura 2 przedstawia jeden przykład wykonania rurowego reaktora estryfikacji lub polikondensacji. W reaktorze rurowym polikondensacji wlot i wylot są odwrócone (wlot 11, a wylot 12).

Figura 3 przedstawia koszty instalacji w funkcji nominalnej średnicy rury (w calach) dla typowego reaktora rurowego według wynalazku.

Figura 4 przedstawia jeden przykład wykonania wynalazku z górnym końcem reaktora wymiany estrowej lub estryfikacji, gdzie regulacja poziomu przeprowadzana jest przez przelew do reaktora polikondensacji.

Figura 5 przedstawia jeden przykład wykonania wynalazku, gdzie istniejące urządzenie do wytwarzania poliestru jest zmodyfikowane jednym lub wieloma reaktorami rurowymi.

Figura 6 przedstawia przykład wykonania wynalazku, gdzie w większym urządzeniu zastosowano wiele równoległych rurowych reaktorów estryfikacji i polikondensacji oraz przeprowadzane jest wytwarzanie wielu produktów w jednym systemie.

PL 217 902 B1

Figury 7a-g przedstawiają różne przykłady wykonania uwalniania pary w procesie estryfikacji jak również w procesie polikondensacji.

Figura 8 przedstawia przykład wykonania uwalniania pary przy polikondensacji.

Figura 9 przedstawia przykład wykonania laminarnego mieszania w strefie polikondensacji z wykorzystaniem przelewu i systemu inwertora przepływu w rurze o zmniejszonej średnicy za przelewem.

Figura 10 przedstawia różne przykłady wykonania zmieniania profilu ciśnienia w reaktorze estryfikacji lub wymiany estrowej z zastosowaniem różnych konfiguracji nieliniowych. Przedstawiono to w widoku z boku, pokazując przemieszczenie pionowe pomiędzy kolejnymi zwojami przewodów reaktora estryfikacji lub wymiany estrowej.

Figura 11 jest wykresem profili ciśnienia odpowiadających tym konfiguracjom z fig. 10.

Figury 12a i 12b przedstawiają różne aspekty dodatkowych miejsc w procesie.

Figury 17a i 17b przedstawiają dwa przykłady wykonania wynalazku dla konstrukcji taniej instalacji poliestrowej integrującej reaktor rurowy estryfikacji i reaktor rurowy systemu polikondensacji.

Figura 18 przedstawia jeden przykład wykonania sposobu w rurowym reaktorze polikondensacji.

Figura 8 jest widokiem w rozłożeniu na części elementu 133, a fig. 9 jest widokiem w rozłożeniu na części elementu 142.

Figura 19 jest przykładem wykonania, w którym destylacja jest zastąpiona przez adsorpcję.

Figura 20a przedstawia różne reżimy przepływu dwufazowego w rurach poziomych.

Figura 20b przedstawia masowy przepływ pary w funkcji stosunku masowego przepływu cieczy do masowego przepływu pary oraz zależność od każdego reżimu przepływu dwufazowego w poziomych rurach z fig. 20a. Fig. 20b pokazuje również korzystne reżimy przepływu dla procesów estryfikacji i polikondensacji według wynalazku.

Figura 21 przedstawia przykład wykonania wynalazku dla rozładunku samochodów ciężarowych bez korzystania ze zbiorników, by zminimalizować nakłady kapitałowe i operacje jednostkowe przy równoczesnym wyeliminowaniu wody do oczyszczania ścieków.

Szczegółowy opis wynalazku

Wynalazek można łatwiej zrozumieć po zapoznaniu się z następującym szczegółowym opisem korzystnych wykonań wynalazku oraz zawartych w nim przykładów i z rysunkami.

Przed opisaniem przedmiotowych związków, kompozycji, wyrobów, urządzeń i/lub sposobów należy zrozumieć, że wynalazek ten nie ogranicza się do specyficznych sposobów syntetycznych, specyficznych procesów lub konkretnych urządzeń i jako taki może się oczywiście zmieniać. Należy również rozumieć, że terminologia używana tu ma na celu tylko opisanie konkretnych wykonań i nie należy jej traktować jako ograniczającej.

W opisie i w zastrzeżeniach patentowych, zamieszczonych dalej, występuje powoływanie się na wiele określeń, które są zdefiniowane jako mające następujące znaczenia.

Użyte w opisie i w zastrzeżeniach patentowych określenia w liczbie pojedynczej obejmują również liczbę mnogą, chyba że z kontekstu wyraźnie wynika inaczej. Przykładowo określenie „reaktor rurowy” obejmuje jeden lub wiele reaktorów rurowych.

Zakresy mogą być wyrażane tu przez od „około” jednej określonej wartości i/lub do „około” drugiej określonej wartości. Przy takim wyrażaniu zakresu inne wykonanie obejmuje zakres od jednej określonej wartości i/lub do innej określonej wartości. Podobnie, kiedy wartości są wyrażane w przybliżeniu przez użycie poprzedzającego wyrazu „około”, należy rozumieć, że ta określona wartość tworzy inne wykonanie. Należy ponadto rozumieć, że punkty końcowe każdego z zakresów są znaczące zarówno w stosunku do innego punktu końcowego jak i niezależnie od tego drugiego punktu końcowego.

„Opcjonalny” lub „opcjonalnie” oznacza, że opisane dalej zdarzenie lub okoliczność może wystąpić lub nie oraz że opis obejmuje przypadki, kiedy wymienione zdarzenie lub okoliczność występuje oraz przypadki, kiedy nie występuje. Przykładowo, określenie „opcjonalnie ogrzewany” oznacza, że materiał może być lub może nie być ogrzewany i że takie określenie obejmuje zarówno procesy ogrzewane, jak i procesy nieogrzewane.

Pozostałość oznacza pewną część, która jest produktem wynikowym substancji chemicznych w określonym schemacie reakcji lub dalszą formulacją, lub produktem chemicznym, niezależnie od tego, czy część ta jest rzeczywiście otrzymana z tych substancji chemicznych. Pozostałość glikolu etylenowego w poliestrze oznacza zatem jedną lub więcej powtarzalnych jednostek -OCH2CH2Ow poliestrze niezależnie od tego, czy glikol etylenowy jest używany do wytworzenia poliestru. Podobnie pozostałość kwasu sebacynowego w poliestrze odnosi się do jednej lub wielu części -COPL 217 902 B1

-(CH2)8CO- w poliestrze niezależnie od tego, czy pozostałość ta otrzymana jest przez reakcję kwasu sebacynowego lub jego estru, by otrzymać poliester.

Reaktor prepolimeru jest pierwszym reaktorem polimeryzacji polikondensacyjnej, zwykle podciśnieniowym i powoduje wzrost długość łańcucha polimerowego od wejściowej długości 1-5 do wyjściowej długości 4-30. Taki reaktor prepolimeru zwykle ma takie samo działanie dla wszystkich poliestrów, ale niektóre poliestry mają docelową długość łańcucha, która jest krótka, np. 10-30. W przypadku takich produktów o małej docelowej długości łańcucha nie potrzeba żadnego reaktora końcowego (jak zdefiniowano poniżej), ponieważ reaktor prepolimeru dawać będzie produkt końcowy. Reaktorem końcowym jest ostatni reaktor polikondensacji w fazie roztopionej, zwykle w warunkach podciśnienia i powoduje wzrost długości łańcucha polimerowego do żądanej wartości długości łańcucha produktu.

Użyte tu określenie „konwencjonalny” sposób lub urządzenie w odniesieniu do przetwarzania poliestru oznacza nie rurowy reaktor lub sposób, obejmujący, ale bez ograniczenia, reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (sposób lub urządzenie), lub reaktywną destylację, urządzenie odpędowe, lub sposób lub urządzenie z kolumną rektyfikacyjną, lub zbiornik z elementami wewnętrznymi, ślimakiem, lub sposób lub urządzenie do zagniatania. Typowym, stosowanym w konwencjonalnym procesie polikondensacji reaktorem zbiornikowym z ciągłym mieszaniem jest reaktor z wycieraniem lub reaktor cienkowarstwowy.

Poniżej zostaną dokładnie opisane aktualnie korzystne wykonania wynalazku, których przykłady są przedstawione na załączonych rysunkach. Tam, gdzie to możliwe, na wszystkich rysunkach takie same lub podobne części mają takie same oznaczenia liczbowe.

Przedmiotowy opis przedstawia urządzenia i sposoby przetwarzania substratów reakcji w poliestry. W szczególności, w jednym przykładzie wykonania, w pierwszym etapie przedmiotowy wynalazek powoduje reagowanie materiałów początkowych (zwanych również surowcami lub substratami reakcji) do monomerów (nazywanych również monomerami poliestrowymi), a następnie, w drugim etapie, powodowane jest reagowanie monomerów do oligomerów (zwanych również oligomerami poliestrowymi lub prepolimerami), a potem do końcowego poliestru (zwanego również polimerem lub polimerem poliestrowym). Jeżeli materiały z kwasowymi grupami końcowymi takie jak kwas tereftalowy lub kwas izoftalowy, są doprowadzane do pierwszego etapu, wówczas pierwszy etap nazywany jest reakcją lub reaktorem estryfikacji. Jeżeli materiały początkowe mają metylowe grupy końcowe, na przykład tereftalan dimetylowy lub izoftalan dimetylowy, wówczas pierwszym stopniem lub pierwszym reaktorem jest etap lub reaktor wymiany estrowej. Dla uproszczenia w całym opisie i w zastrzeżeniach patentowych określenie „estryfikacja” i „wymiana estrowa” są stosowane zamiennie i zwykle odnoszą się do estryfikacji, ale należy rozmieć, że estryfikacja lub wymiana estrowa zależy od materiałów początkowych. Należy również rozumieć, że substancja wyprowadzana z procesu estryfikacji może również zawierać oprócz monomeru oligomer. Proces polikondensacji może być procesem integralnym lub może być podzielony na dwie subczęści: proces prepolimeru i proces końcowy. W procesie prepolimeru substancja wyprowadzana zawiera monomer, oligomer i polimer, przy czym oligomer jest zwykle w większości. W procesie końcowym substancja wyprowadzana z procesu zwykle zawiera oligomer i polimer, przy czym większość substancji wyprowadzanej stanowi polimer. W procesie estryfikacji możliwe jest wyprowadzanie z procesu niewielkich ilości polimeru. Podobnie, w procesie końcowym możliwe jest wyprowadzanie z procesu niewielkich ilości monomeru.

Drugi etap nazywany jest procesem polikondensacji lub reaktorem polikondensacji. W tym przykładzie wykonania wejściowa strona ciśnieniowa pierwszego etapu lub reaktor estryfikacji ma na wyjściu w przybliżeniu ciśnienie atmosferyczne lub większe, a substancją wyprowadzaną z tego pierwszego etapu, która jest doprowadzana do drugiego etapu, jest zasadniczo monomer. W drugim etapie monomer jest przetwarzany w oligomer, który, jeśli trzeba, może być oddzielany w reaktorze na przykład w pierwszym urządzeniu rozdzielania ciśnieniowego, takim jak szczelna odnoga. Jeżeli nie jest oddzielany, oligomer jest dalej przetwarzany do polimeru w reaktorze rurowym.

W alternatywnym przykładzie wykonania wlotowa strona ciśnieniowa pierwszego etapu ma wyjście podciśnieniowe (w jednym przykładzie wykonania zasadniczo reaktor prepolimeru jest umieszczony nad reaktorem wymiany estrowej lub reaktorem estryfikacji), a oligomer jest podstawowym produktem z pierwszego etapu i jest lub oddzielany jako produkt końcowy, lub jest przeprowadzany przez drugi etap, w którym oligomer reaguje tworząc polimer.

Wynalazek rozważa wiele różnych konstrukcji różnych reaktorów. W jednym przykładzie wykonania reaktor estryfikacji jest wyraźnym reaktorem oddzielnym od reaktora polikondensacji. Monomer jest wytwarzany w reaktorze estryfikacji i następnie jest doprowadzany do reaktora polikondensacji

PL 217 902 B1 w celu wytwarzania polimeru. W innym przykładzie wykonania reaktor prepolimeru jest umieszczony nad reaktorem estryfikacji tworząc lub oddzielny zespół, lub integralny zespół, wytwarzając przy tym z połączonego reaktora estryfikacji/prepolimeru oligomer, który jest następnie podawany do reaktora polikondensacji. Użyte tu określenie „integralne” w odniesieniu do połączenia reaktorów ma oznaczać łączenie dwóch reaktorów ze sobą tak, że są one w bezpośrednim połączeniu płynowym ze sobą, a reaktorów zasadniczo nie można odróżnić od siebie i od jednego ogólnego systemu reaktorowego. W innym przykładzie wykonania reaktor polikondensacji stanowi integralny zespół z reaktorem estryfikacji. Substraty reakcji są wprowadzane do reaktora estryfikacji, a końcowy poliestrowy produkt polimerowy jest wytwarzany przez integralną jednostkę. W innym przykładzie wykonania reaktor prepolimeru jest stosowany w połączeniu z reaktorem estryfikacji lub w postaci dwóch oddzielnych jednostek, lub jako jedna integralna jednostka. Oligomerowy produkt z reaktora prepolimeru jest oddzielany jako produkt końcowy. Dodatkowo, wynalazek przewiduje rurowy reaktor estryfikacji wykorzystywany do wytwarzania monomeru. Według innego aspektu wynalazek przewiduje rurowy reaktor polikondensacji i odpowiedni proces. Kiedy reaktor estryfikacji i reaktor prepolimeru są wykonane jako integralna jednostka, zwykle istnieje przewód odprowadzający pomiędzy reaktorami do odprowadzania wody jako produktu ubocznego. Taki przewód odprowadzający służy jako punkt przejścia z reaktora estryfikacji do reaktora prepolimeru.

Sposób ten nadaje się do stosowania w przypadku dowolnego poliestru. Takie poliestry zawierają pozostałość co najmniej jednego kwasu dikarboksylowego i pozostałość co najmniej jednego glikolu. W szczególności odpowiednie kwasy dikarboksylowe obejmują aromatyczne kwasy dikarboksylowe, korzystnie mające 8-14 atomów węgla, alifatyczne kwasy dikarboksylowe, korzystnie mające

4-12 atomów węgla, lub cykloalifatyczne kwasy dikarboksylowe, korzystnie mające 8-12 atomów węgla.

Przykłady kwasów dikarboksylowych obejmują kwas tereftalowy, kwas ftalowy, kwas izoftalowy, kwas naftaleno-2,6-dikarboksylowy, kwas cykloheksanodikarboksylowy, kwas cykloheksanodioctowy, kwas difenylo-4,4'-dikarboksylowy, kwas difenylo-3,4'-dikarboksylowy, kwas 2,2,-dimetylo-1,3-propandiolodikarboksylowy, kwas bursztynowy, kwas glutarowy, kwas adypinowy, kwas azelainowy, kwas sebacynowy, ich mieszaniny, itp. Składnik kwasowy może być dostarczony przez ester danego kwasu, taki jak tereftalan di metylowy.

Odpowiednie diole obejmują diole cykloalifatyczne, korzystnie mające 6-20 atomów węgla lub diole alifatyczne, korzystnie mające 3-20 atomów węgla. Przykłady takich dioli obejmują glikol etylenowy (EG), glikol dietylenowy, glikol trietylenowy, 1,4-cykloheksano-dimetanol, propano-1,3-diol, butano-1,4-diol, pentano-1,5-diol, heksano-1,6-diol, glikol neopentylowy, 3-metylopentanodiol-(2,4), 2-metylopentanodiol-(1,4), 2,2,4-trimetylopentano-diol-(1,3), 2-etyloheksanodiol-(1,3), 2,2-dietylopropano-diol-(1,3), heksanodiol-(1,3), 1,4-(hydroksyetoksy)benzen, 2,2-bis-(4-hydroksycykloheksylo)propan, 2,4-dihydroksy-1,1,3,3-tetrametalocyklobutan, 2,2,4,4-tetrametylocyklobutanodiol, 2,2-bis-(3-hydroksyetoksyfenylo)propan, 2-2-bis-(4-hydroksypropoksyfenylo)propan, izosorbinian, hydrochinon, BDS-(2,2-(sulfonylobis)4,1-fenylenoksy))bis(etanol), ich mieszaniny, itp. Poliestry mogą być wytwarzane z jednego lub wielu z powyższego rodzaju dioli.

Korzystne komonomery obejmują kwas tereftalowy, tereftalan dimetylu, kwas izoftalowy, izoftalan dimetylu, dikarboksylan dimetylo-2,6- naftalenowy, kwas 2,6-naftalenodikarboksylowy, glikol etylenowy, glikol dietylenowy, 1,4-cykloheksanodimetanol (CHDM), 1,4-butanodiol, glikol politetrametylenowy, trans-DMCD, bezwodnik trimelitowy, 1,4-dikarboksylan dimetylocykloheksanowy, 2,6-dikarboksylan dimetylodekalinowy, dimetanol dekalinowy, 2,6-dikarboksylan dekahydronaftalenowy, 2,6-dihydroksymetylodekahydronaftalen, hydrochinon, kwas hydroksybenzoesowy, ich mieszaniny, itp. Może obejmować również bifuncjonalne komonomery (typu A-B, gdzie zakończenia nie są jednakowe), takie jak kwas hydroksybenzoesowy.

Komonomer, jak w konwencjonalnym sposobie, może być dodawany w każdej chwili od początku procesu estryfikacji, aż do procesu polikondensacji. W szczególności w odniesieniu do wynalazku komonomer można dodawać w miejscu obejmującym, ale bez ograniczenia, miejsce w pobliżu wejścia do reaktora estryfikacji, w pobliżu wyjścia z reaktora estryfikacji, punkt pomiędzy wejściem a wyjściem reaktora estryfikacji, każde miejsce wzdłuż pętli recyrkulacji, miejsce w pobliżu wejścia reaktora prepolimeru, miejsce w pobliżu wyjścia reaktora prepolimeru, miejsce pomiędzy wejściem a wyjściem reaktora prepolimeru, miejsce w pobliżu wejścia reaktora polikondensacji oraz miejsce pomiędzy wejściem a wyjściem reaktora polikondensacji.

Należy również rozumieć, że zastosowane tu określenie „poliester” ma obejmować pochodne poliestrów, obejmujące, ale bez ograniczenia, polieteroestry, amidy poliestrowe i amidy polieteroPL 217 902 B1 estrów. Dlatego, dla uproszczenia, w całym opisie i w zastrzeżeniach patentowych określenia „poliester”, „ester polieterowy”, „amid poliestru” i „amid polieteroestru” mogą być używane zamiennie i zwykle odnoszą się do poliestru, ale należy rozumieć, że określony rodzaj poliestru jest zależny od materiałów początkowych, to znaczy od substratów reakcji i/lub składników będących prekursorami poliestru.

W jednym przykładzie wykonania substraty reakcji obejmują kwas tereftalowy i glikol etylenowy. W innym przykładzie wykonania substraty reakcji obejmują tereftalan d imetylowy i glikol etylenowy. W jeszcze innym przykładzie wykonania substraty reakcji obejmują kwas tereftalowy, glikol etylenowy i CHDM.

Przedmiotowy sposób w reaktorze rurowym może być również używany przy estryfikacji, polikondensacji lub obu tych reakcjach, w procesie estryfikacji uwodornienia i polimeryzacji kwasu tereftalowego w celu utworzenia PET (lub PETG, jeśli dodany jest również CHDM), jak opisano w zgłoszeniu patentowym US nr 60/228 695 z 29 sierpnia 2000 i w zgłoszeniu patentowym US nr 09/812 581 z 20 marca 2001.

Kiedy kwas tereftalowy jest stosowany jako jeden z substratów reakcji, zwykle w charakterze substratu reakcji używa się oczyszczonego kwasu tereftalowego (PTA), a nie nieoczyszczonego kwasu tereftalowego (TPA) lub surowego TPA (CTA), chociaż TPA i/lub CTA można stosować według wynalazku.

Przedstawiony sposób skierowany na polimeryzację w stanie roztopionym, to znaczy sposób według wynalazku jest przeprowadzany w fazie roztopionej, gdy substraty reakcji są w stanie płynnym. Stanowi to odróżnienie od polikondensacji w stanie stałym, używanej w pewnych konwencjonalnych procesach poliestrowych. Sposób w reaktorze rurowym według wynalazku nadaje sie zatem do sposobu w stanie ciekłym. Proces polikondensacji poliestrowej w stanie płynnym należy zatem odróżniać od innych procesów polimerowych, takich jak np. polimeryzacja w emulsji, która zwykle wymaga drugiego lub nawet dalszego rozpuszczalnika, czego nie ma przy kondensacji poliestrowej, oraz od polimeryzacji olefin, która nie musi być reakcją dwuetapową, jak to jest w przypadku polikondensacji.

Sposób może osiągnąć zakończenie lub zasadniczo zakończenie reakcji estryfikacji na wyjściu procesu estryfikacji lub polikondensacji. W szczególności, sposób z taką reakcją pod różnymi względami może osiągnąć co najmniej 80% pełnej realizacji, co najmniej 85%, co najmniej 90%, co najmniej 95%, co najmniej 97,5%, co najmniej 99%, co najmniej 99,5%, co najmniej 99,9% całkowitej realizacji, przy czym przez całkowitą realizację rozumie się 100 minus procent molowy pozostających kwasowych grup końcowych podzielone przez nie kwasowe grupy końcowe.

Według wynalazku pierwszy etap korzystnie jest realizowany w reaktorze rurowym. Korzystne jest również to, że drugi etap, który przebiega po pierwszym etapie, jest realizowany w tym samym lub w innym drugim reaktorze rurowym. Etap estryfikacji może być realizowany przy użyciu reaktora rurowego według wynalazku, a etap polikondensacji może przebiegać przy zastosowaniu znanego sposobu. Korzystnie, pierwszy i drugi etap przebiega reaktorze rurowym.

Stosowane tu podstawowe urządzenia reaktora rurowego są typowo osiowo wydłużonymi, zasadniczo cylindrycznie ukształtowanymi urządzeniami, chociaż mogą mieć inne kształty, takie jak kształt kwadratowy lub prostokątny, jeżeli nie szkodzi to celowi wynalazku. Według pewnych aspektów reaktory rurowe mogą po prostu być wydrążoną lub pustą w środku, lub zasadniczo wydrążoną lub pustą w środku rurą. Użyte tu określenia „wydrążona” lub „wewnątrz pusta” odnoszą się do rury niemającej żadnych dodatkowych urządzeń lub elementów wewnętrznych, zwłaszcza pozbawionej wewnętrznych elementów służących do mieszania, transportu lub ogrzewania reaktora, lub wypuszczania płynów, np. mieszadeł, statycznych elementów mieszających, występów do kontrolowania profilu przepływu płynu lub mieszania, wypełnienia, zgarniaczy, wirujących tarcz, np. takich, jak użyte w reaktorze ze ścieraną cienką warstwą lub w reaktorze z cienką warstwą, przegród, półek, przewodów opadowych, ślimaków lub wężownic grzejnych lub chłodzących, które znajdują się w konwencjonalnych reaktorach i w pewnych reaktorach rurowych. Określenie takie pozwala jednak na umieszczenie urządzeń do pomiaru przepływu, takich jak dysze, lub urządzeń do sterowania przepływu, takich jak zawory regulacyjne lub przepusty. Według jednego aspektu wynalazku rura ma gładką powierzchnię wewnętrzną. Reaktor rurowy według wynalazku nie wymaga stosowania wewnątrz rury elementów zwiększających pole powierzchni, ani też nie wymaga cienkowarstwowego elementu wspomagającego, używanego w pewnych konstrukcjach znanych reaktorów rurowych.

W przypadku reaktorów rurowych stosowanych w pierwszym i w drugim etapie wynalazku konstruktorzy mogą rozważać kryteria żądanej przepustowości, jakości, mieszania, pola powierzchni przenoszenia ciepła i odłączania. Konstruktorzy mogą również rozważać objętość roboczą reaktora,

PL 217 902 B1 pole powierzchni wymiany ciepła, pole powierzchni cieczy, prędkość przepływu pary w rurze, prędkość pary w reaktorze, natężenie przepływu w procesie do reaktora i z reaktora oraz natężenie przepływu czynnika przenoszącego ciepło. W szczególności, długość I rury o każdej średnicy wymaganej w każdej strefie reaktora można obliczyć znając objętość reaktora V_r z następującego wzoru: I = V_r/(nr²), gdzie r oznacza promień rury.

Pole powierzchni A wymagane w każdej strefie można obliczyć według następującego wzoru:

₂

A = 2*l*SQRT(r2-(r-h)²), gdzie h oznacza wysokość cieczy w rurze, a r jest większe niż h.

Obliczenia te można reiterować dla każdej strefy reakcji uwzględniając pole powierzchni przenoszenia ciepła, prędkość pary (przepływ pary w większości standardowych reaktorów jest pionowy, a w reaktorze rurowym będzie zwykle poziomy) oraz natężenie przepływu w procesie. W ten sposób można określić długość dla każdej średnicy rury. Fig. 3 przedstawia przykład obliczeń. Rura o zbyt małej średnicy może powodować problemy ze spienianiem, gdyż piana może nie znikać, natomiast zbyt duża średnica rury może powodować za duży spadek ciśnienia na wysokości płynu. Reaktor nie jest ograniczony do tych kryteriów projektowych, ponieważ inne czynniki mogą doprowadzać do konstrukcji nieoptymalnej kosztowo. Czynnikami tymi są np. dostępność materiału lub suboptymalizacja pola powierzchni reaktora. Z pewnych względów średnica rury wynosi 2-24” (5,1-60,9 cm), korzystnie

6-16” (15,2-40,6 cm), jeszcze korzystniej 12-16” (30,5-40,6 cm).

Użycie reaktora rurowego w wynalazku nie oznacza koniecznie zmiany warunków reakcji i materiałów wprowadzanych do reaktora. Jednakże warunki reakcji mogą być inne i w rzeczywistości lepsze w przypadku systemu reaktora rurowego według wynalazku. W pewnych przykładach wykonania warunki w reaktorze rurowym mogą być lepsze niż w znanych reaktorach, co umożliwia lepsze osiągi, np. większą czystość produktu (np. mniejsze zanieczyszczenia glikolem dietylenowym) lub lepszą barwę.

Znawca może określić takie parametry na podstawie znanych sposobów wytwarzania poliestrów. Według jednego aspektu warunki działania według stanu techniki obejmują temperaturę reaktora 20- 400°C, korzystnie powyżej temperatury topnienia materiału w dowolnym miejscu w układu reaktorów, ciśnienie od całkowitej próżni do 500 psig (3800 kPa), czas przebywania do około 8 h i stosunek molowy od 1,005:1 do 6,00:1 na podstawie stosunku molowego pozostałości glikolowej do pozostałości kwasu dikarboksylowego, gdzie pozostałość kwasowa może być oparta na pozostałości estru, a pozostałość glikolu może być oparta na diolu. Warunki takie lub inne warunki działania według stanu techniki można modyfikować i optymalizować dla konstrukcji reaktora rurowego według wynalazku.

Oprócz tego ogólnego przeglądu rozważania i atrybuty specyficznych sposobów i urządzeń do estryfikacji i polikondensacji w reaktorach rurowych zostały omówione bardziej szczegółowo poniżej, jak również w pewnych innych wynalazkach, które są lub związane, lub są oddzielne od systemów reaktorów rurowych według wynalazku.

Etap estryfikacji

W poniższym omówieniu w punkcie etap estryfikacji, łącznie ze wszystkimi podpunktami (profil ciśnienia, ogrzewanie, itd.), jeżeli nie podano inaczej, sposób i urządzenie według wynalazku, odnoszą się do urządzeń i procesów polikondensacji i mogą być w nich stosowane.

Jak podano powyżej, w jednym przykładzie wykonania pierwszy etap dotyczy zastosowania reaktora rurowego do reakcji materiałów początkowych w celu wytworzenia monomeru. W jednym przykładzie wykonania, pokazanym na fig. 2, reaktor rurowy 10 ma wlot 12 i wylot 11, zewnętrzną powierzchnię oraz wewnętrzną powierzchnię. Według jednego aspektu wewnętrzna powierzchnia rury jest w przekroju kołem, kwadratem lub prostokątem, korzystnie kołem i ma średnicę wewnętrzną.

Zarówno w odniesieniu do reaktorów rurowych estryfikacji, jak i w odniesieniu do reaktorów rurowych polikondensacji reaktor rurowy jest korzystnie wykonany z materiału, który nie wchodzi w reakcje z materiałami przepływającymi przy jego powierzchni wewnętrznej, przykładowo ze stali, żelaza, stopów, tytanu, stopu Hastalloy, stali nierdzewnej, stali węglowej, niklu, aluminium, miedzi, platyny, palladu, litu, germanu, manganu, kobaltu, cynku lub ich kombinacji. Inne materiały konstrukcyjne obejmują, ale bez ograniczenia, szkło, ceramikę, rury wykładane oraz tworzywa sztuczne, takie jak akrylonitryl-butadien-styren (ABS), polibutylen (PB), polietylen (PB), polichlorek winylu (PVC), chlorowany polichlorek winylu (CPVC), polipropylen (PP), włókno szklane, teflon i wzmocnioną żywicę epoksydową. Ze względu na swe właściwości, dostępność i koszt pospolicie stosowane są stal nierdzewna, Hastalloy i tytan. W przypadku wymiany estrowej i polikondensacji na rurę można również użyć materiału katalitycznego.

PL 217 902 B1

W zastosowaniu substraty reakcji są zwykle dodawane do reaktora rurowego w pobliżu wlotu (to znaczy bliżej wlotu niż wylotu) lub przy wlocie (bezpośrednio za wlotem lub we wlocie). Gdy substraty reakcji przepływają przez reaktor rurowy, reagują one ze sobą tworząc monomer wewnątrz reaktora rurowego tak, że z wylotu wychodzi wytworzony monomer. Jednakże nie wszystkie substraty reakcji muszą reagować do monomeru przy przechodzeniu od wlotu do wylotu (to znaczy niektóre substraty reakcji mogą wychodzić z wylotu bez przereagowania w monomer), a jednak nadal mieszczą się w zakresie wynalazku. Dodatkowo część monomeru może reagować tworząc oligomer, a jednak nadal mieszcząc się w zakresie wynalazku. Substraty reakcji dodawane lub wprowadzane w pobliżu lub przy wlocie reaktora rurowego mogą być w stanie ciekłym, gazowym, stałym lub w postaci zawiesiny lub innej mieszaniny faz.

Najłatwiej jest dodawać substraty reakcji w postaci cieczy (np. glikol etylenowy i tereftalan dimetylu), ponieważ substraty reakcji mogą być niezależnie pompowane bezpośrednio we wlot reaktora rurowego lub w innym miejscu przed wlotem lub za wlotem. W jednej konkretnej konstrukcji jeden substrat może być dodawany poprzez wlot reaktora rurowego, a drugi substrat może być dodawany przed wlotem. W jeszcze innym konkretnym rozwiązaniu jeden lub więcej substratów reakcji może być dodawane poprzez wlot, a inny substrat może być dodawany w jednym lub w wielu miejscach na długości reaktora rurowego pomiędzy wlotem a wylotem.

Kiedy substraty reakcji są płynami, wówczas można zastosować pompę, która wyprowadza substraty reakcji pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego, zwykle w pobliżu wlotu reaktora rurowego. W szczególności, pompa może wyprowadzać substraty reakcji pod ciśnieniem wystarczającym, by materiały te przechodziły przez reaktor rurowy i wychodziły z jego wylotu, co oznacza przezwyciężanie sił tarcia, zmian energii potencjalnej (wysokość podniesienia) i innych sił przeciwdziałających przepływowi materiałów poprzez reaktor rurowy. Pompa ta może być pompą dowolnego znanego rodzaju, a jej nieograniczające przykłady obejmują pompę odśrodkową, łącznie z pionową pompą odśrodkową montowaną w przewodzie; pompę wyporową; pompę tłokową; pompę ślimakową (z dwoma końcami, jednym końcem, synchronizowaną, niesynchronizowaną); pompę obrotową (zębatą, wieloślimakową, z obwodowym tłokiem, typu lore, z obrotowym zaworem lub z giętkim członem); pompę strumieniową (eduktor jednodyszowy lub wielodyszowy) lub pompę kątową. Substraty reakcji mogą być pompowane oddzielne lub uprzednio mieszane i pompowane razem.

Substraty reakcji płynne są pompowane łatwo, oddzielnie lub zmieszane ze sobą, natomiast w przypadku substratów reakcji stałych sytuacja jest trudniejsza. Jak omówiono bardziej szczegółowo poniżej, substraty reakcji stałe mogą być dodawane przy użyciu pompy pasty, zbiornika mieszającego, unikatowego systemu mieszania i doprowadzania, pętli recyrkulacyjnej utworzonej integralnie ze zbiornikiem pasty lub połączenia tych urządzeń i sposobów. Odpowiednie mieszanie jest potrzebne do rozpuszczenia ciał stałych zawartych w cieczy i aby zapewnić mieszanie gazu/cieczy do przeprowadzania reakcji estryfikacji. Korzystnie mieszanina gaz/ciecz jest w stanie spienionym w reaktorze estryfikacji.

Profil ciśnienia

W korzystnym przykładzie wykonania ciśnienie substratów reakcji przy wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego w pobliżu wlotu jest większe niż ciśnienie monomerów i/lub substratów reakcji przy powierzchni wewnętrznej w pobliżu wylotu. Aby uzyskać taką różnicę ciśnienia, wlot reaktora rurowego jest korzystnie usytuowany poniżej wylotu (jak pokazano na fig. 2) tak, że różnica ciśnienia zwiększa się w dużej części na skutek ciśnienia hydrostatycznego płynów zawartych wewnątrz wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego. Oznacza to istnienie ciśnienia hydrostatycznego pomiędzy miejscami za i przed reaktorem rurowym tak, że, gdy płyn przepływa do góry poprzez reaktor rurowy, ciśnienie maleje. Ciśnienie hydrostatyczne jest funkcją gęstości cieczy (temperatura i skład), porowatości (dodane substraty reakcji, temperatura, wytworzone produkty uboczne reakcji, ilość gazu usuniętego z reaktora), wysokości lub różnicy poziomów pomiędzy dwoma punktami w reaktorze rurowym oraz spadku ciśnienia na skutek przepływu w rurze (natężenie przepływu, lepkość, średnica rury).

Rurowy reaktor estryfikacji może również przyjmować różne kształty. Przykładowo w jednej konstrukcji (nie pokazano) reaktor rurowy jest zasadniczo liniowy pomiędzy wlotem a wylotem tak, że reaktor rurowy jest wydłużony osiowo. W innym przykładzie wykonania reaktor rurowy jest zasadniczo nieliniowy. W innym przykładzie wykonania reaktor rurowy ma na przemian sekcje liniowe i nieliniowe.

Reaktor rurowy może być zasadniczo pionowy, poziomy lub usytuowany pod dowolnym kątem pośrednim. Ustawienie reaktora rurowego może tworzyć dowolny kąt z płaszczyzną pionową od 0° (pionowo, to znaczy prostopadle do ziemi lub fundamentu) do 90° (poziomo lub równolegle do hory12

PL 217 902 B1 zontu). Według różnych aspektów reaktor rurowy może być ustawiony pod kątem 0°, 10°, 20°, 45°, 60°, 75°, 85°, 89° lub 90° względem płaszczyzny pionowej. Kąt ustawienie reaktora rurowego względem płaszczyzny pionowej zależy od wielu warunków, zwłaszcza od wytwarzanego produktu i od żądanego profilu ciśnienia. Przykładowo przy wytwarzaniu politereftalanu etylenu, jeżeli stosuje się kwas tereftalowy, korzystne jest usytuowanie poziome, natomiast przy stosowaniu sposobu wytwarzania politereftalanu dimetylu korzystne jest ustawienie pionowe. Dla PETG korzystne jest ustawienie pionowe.

W różnych przykładach wykonania rurowy reaktor estryfikacji może mieć konfigurację pionową. W różnych przykładach wykonania takiej konfiguracji pionowej wlot reaktora rurowego może być usytuowany co najmniej 6, 15, 22,5, 24, 27 lub 30 m poniżej wylotu. W innych przykładach wykonania wlot może być usytuowany 6-60, 15- 60, 15-52,5, 27-45 lub 30-42 m poniżej wylotu.

Inna równie ważna konstrukcja obejmuje reaktor rurowy, który jest nieliniowy pomiędzy wlotem a wylotem. Jedna taka konstrukcja jest przedstawiona na fig. 2, gdzie reaktor rurowy ma w widoku z góry kształt wężowy. Inne profile nieliniowego reaktora rurowego obejmują, ale bez ograniczenia, konstrukcje, które wkręcają, zwijają, owijają, zmieniają kierunek, splatają (ruch wzdłuż krzywej), są zwinięte, zniekształcone, meandrujące, kręte, sinusoidalne i/lub labiryntowe.

W innej konstrukcji reaktor rurowy ma od wlotu do wylotu nieliniowy przebieg poziomy, a następnie biegnie pionowo na dalszy poziom w innym nieliniowym odcinku poziomym i sposób ten może powtarzać się do dowolnej potrzebnej wysokości (i szerokości/długości). Powstaje wtedy upakowana konstrukcja z warstwowo usytuowanymi nieliniowymi odcinkami poziomymi.

W alternatywnym przykładzie wykonania reaktor estryfikacji (lub polikondensacji) może zawierać szereg odcinków pionowych biegnących do góry i do dołu. W szczególności reaktor estryfikacji (lub polikondensacji) byłby porównywalny z fig. 2, ale obrócony o 90°. Oznacza to, że materiały początkowe są pompowane w miejsce 12 i przemieszczają się na przemian pionowo do góry i pionowo do dołu. Konstrukcja taka umożliwia wchodzenie materiałów pod ciśnieniem, a następnie przechodzenie na przemian kolejno do niskiego ciśnienia i z powrotem do wysokiego ciśnienia. Para może być usuwana ze strefy o niskim ciśnieniu. Wypływ jest usytuowany w miejscu 11.

W takich konstrukcjach nieliniowych reaktor rurowy korzystnie zawiera wiele kolanek usytuowanych pomiędzy wlotem a wylotem. Kolanka są zwykle wykonane pod kątem 45° lub 90°, ale rozważane są również inne kąty. Każde kolanko zmienia kierunek przepływu w reaktorze rurowym, gdy substraty reakcji i/lub monomer przechodzą przez kolanko. Kierunek przepływu może zmieniać się względem nieruchomej płaszczyzny poziomej, takiej jak podłoga budynku lub względem nieruchomej płaszczyzny pionowej, takiej jak ściana budynku lub względem nieruchomych płaszczyzn, zarówno pionowej, jak i poziomej. Kiedy substraty reakcji i monomery przepływają przez kolanka, materiały podlegają korzystnie silniejszemu mieszaniu w porównaniu z prostoliniową sekcją reaktora rurowego.

Rozważane jest również konstruowanie reaktora rurowego tak, by otrzymać żądany profil ciśnienia. Jak to zauważy znawca, kiedy substraty reakcji i/lub monomer są w postaci cieczy, ciśnienie cieczy jest zasadniczo stałe, gdy przepływa ona wzdłuż poziomo usytuowanej części reaktora rurowego. Oznacza to, że nie ma wtedy żadnej różnicy ciśnienia hydrostatycznego wzdłuż poziomej części reaktora rurowego, ale istnieją straty tarcia przy przepływie cieczy, które mogą zmieniać ciśnienie wzdłuż poziomej części reaktora rurowego. Natomiast ciśnienie płynu maleje coraz bardziej, gdy ta część reaktora rurowego jest usytuowana z bardziej pionowym przepływem.

Jak pokazano na fig. 10 i 11, te zasady techniczne mogą być wykorzystywane w przykładowych realizacjach wynalazku do tworzenia żądanych profili ciśnienia dla substratów reakcji i/lub monomeru w ich przepływie poprzez reaktor rurowy. Profile 21-25 z fig. 11 odpowiadają widokom 21-25 z fig. 10. Zmiana konfiguracji rury powoduje zmianę profilu ciśnienia. Fig. 10 i 11 są w zasadzie poprawne, ale w rzeczywistości spadek ciśnienia wzdłuż poziomych rur będzie tylko zmniejszać się o spadek ciśnienia na skutek tarcia wzdłuż długości rury. Jedynie pionowy wymiar poziomej rury będzie powodować zauważalnie mniejsze ciśnienie w reaktorze rurowym tak, że główny spadek ciśnienia występuje w sekcjach wznoszących się lub usytuowanych pionowo.

Wykres ciśnienia w funkcji długości lub czasu (fig. 11) w rzeczywistości przebiega skokowo, a nie monotonicznie, jak pokazano. Każda konfiguracja zostanie opisana w założeniu zrozumienia tych uproszczonych wykresów. Widok 21 z fig. 10 przedstawia szereg jednakowo odległych rur, co powoduje liniowy spadek ciśnienia w reaktorze, jeśli przyjąć jednakową gęstość płynu i porowatość. Widok 22 przedstawia reaktor rurowy z mniejszymi spadkami ciśnienia na początku i większymi spadkami ciśnienia w górnych czterech szeroko rozmieszczonych sekcjach reaktora. Reaktor rurowy pokaPL 217 902 B1 zany w widoku 23 na fig. 10 ma duże początkowe spadki ciśnienia, powodowane przez zwiększone sekcje pionowe i mniejsze spadki ciśnienia w ostatnich czterech sekcjach reaktora. Widok 24 przedstawia reaktor rurowy z czterema strefami z małym spadkiem ciśnienia w każdej i z dużym spadkiem ciśnienia pomiędzy poszczególnymi strefami. Widok 25 przedstawia konstrukcję reaktora, która umożliwia skokowe spadki ciśnienia. Jak już zauważono, profile ciśnienia odpowiadające widokom 21-25 są przedstawione graficznie na fig. 11 jako profile 21-25. Należy zauważyć, że opisane tu konfiguracje są jedynie ilustracyjne. W oparciu o omówione tu zasady można opracować wiele innych konfiguracji.

W innym przykładzie wykonania rozważane jest usytuowanie wlotu w przybliżeniu na takiej samej wysokości podniesienia, jaką ma wylot (to znaczy reaktor rurowy usytuowany zasadniczo poziomo) tak, że ciśnienie we wlocie będzie większe niż ciśnienie w wylocie ze względu na straty tarcia pojawiające się, gdy materiały przepływają wzdłuż wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego. Różnica ciśnienia pomiędzy wlotem a wylotem nie będzie tak duża jak w przykładzie wykonania, gdzie wlot jest usytuowany wyżej niż wylot, chociaż jest to konstrukcja najmniej pożądana.

Ciśnienie u góry reaktora estryfikacji może być podciśnieniem, a płyn jest przemieszczany wtedy do góry pod działaniem podciśnienia. Według jednego aspektu przed sekcją podciśnieniową można zastosować upust do usuwania wody. W tym przykładzie wykonania pierwsza część reaktora polikondensacji może być umieszczona na wierzchu reaktora estryfikacji. Dzięki temu urządzenie do przeprowadzania sposobu jest mniejsze, przy czym część sposobu/urządzenia do polikondensacji jest usytuowana po stronie estryfikacji. W innym przykładzie wykonania wyeliminuje to również najdłuższe uszczelnione odgałęzienie w instalacji. Dodatkowo według innego aspektu w linii reaktora za upustem można zastosować wymiennik ciepła.

Ogrzewanie

Ogrzewanie substratów reakcji zwiększa prędkość reakcji, by ułatwić tworzenie monomeru i polikondensację. Inną opcjonalną cechą wynalazku jest zastosowanie środków do ogrzewania substratów reakcji i/lub monomerów przechodzących przez reaktor rurowy. Ponadto, grzanie materiałów do wrzenia wzdłuż wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego zwiększa mieszanie przez (1) utworzenie różnicy wyporności hydrostatycznej pomiędzy gazem/parą, powstającą przy wrzeniu, a otaczającą cieczą (lub ciałami stałymi), płynącą wzdłuż reaktora rurowego i (2) rozbijanie warstwy granicznej tworzonej przez siły tarcia pomiędzy wewnętrzną powierzchnią reaktora rurowego a materiałami stykającymi się z powierzchnią wewnętrzną. Według różnych aspektów przynajmniej niektóre z płynów w procesie estryfikacji, procesie polikondensacji lub w obu tych procesach są ogrzewane do wrzenia, aby zapewnić skuteczne mieszanie. Według innych aspektów przynajmniej niektóre z tych płynów mogą być doprowadzane do wrzenia innymi środkami, np. przez obniżenie ciśnienia w układzie lub przez dodanie składnika mającego ciśnienie pary większe niż mają płyny, które trzeba doprowadzić do wrzenia. Znawca zauważy, że największa prędkość przenoszenia ciepła występuje przy wrzeniu pęcherzykowym (to znaczy z wytwarzaniem oddzielnych pęcherzyków lub kolumn pęcherzyków), ale rozważane są również inne rodzaje wrzenia.

Poniżej podano wartości temperatury wrzenia przykładowych składników. Można oczywiście stosować inne składniki niż podane poniżej.

Składnik

Kwas octowy

Kwas adypinowy

Kwas izoftalowy (IPA)

Kwas fosforowy

Kwas tereftalowy

Metanol

1-butanol

Izopropanol

Izopropoksyd tytanu

Ditlenek tytanu

Bezwodnik trimelitowy

Octan cynku

Tlenek antymonu

Tetrawodzian octanu kobaltu (ll) Dikarboksylan dimetylo-1,4-cykloheksanu Izoftalan dimetylu Tereftalan dimetylu (DMT)

Temperatura wrzenia (°C)

11.8.5

330 (rozkład)

Sublimacja

213

301,4

64.5

117,8

82.5

82,5

73000

390

100 traci wodę przy sublimacji

1100

140

265

288

PL 217 902 B1

Butano-1,4-diol 230

Dimetanol cykloheksanu (CHDM) 284-288

Glikol dietylenowy (DEG) 245

Glikol etylenowy (EG) 197

Glikol trietylenowy 290

Elementy grzejne reaktora rurowego mogą mieć liczne postaci. Reaktor grzejny może być ogrzewany przez wiele różnych środków poprzez różne powierzchnie. Korzystniej przedmiotowy wynalazek zawiera środki przenoszenia ciepła (HTM), które są połączone cieplnie z częścią zewnętrznej powierzchni reaktora rurowego wzdłuż przynajmniej części reaktora rurowego pomiędzy jego wlotem a wylotem. Takie środki przenoszenia ciepła mogą otaczać całą zewnętrzną średnicę powierzchni zewnętrznej i przebiegać zasadniczo na całej długości reaktora rurowego. Ciepło może być również dodawane przez wprowadzenie wymienników ciepła lub przez dodawanie substratów reakcji w stanie gorącym lub w stanie pary. Według jednego aspektu w procesie PET lub PETG glikol etylenowy i/lub CHDM można dodawać w stanie gorącym lub w stanie pary. Alternatywnie można stosować grzanie indukcyjne lub grzanie mikrofalowe.

Wymiennik ciepła można stosować w przewodzie doprowadzania substratu reakcji do ogrzewania lub odparowywania substratu reakcji. Wymiennik ciepła można również stosować wewnątrz reaktora rurowego, przy czym reaktor rurowy jest w różnych sekcjach, a każdy czynnik wypływający z jednej sekcji jest prowadzony poprzez wymiennik ciepła, by ogrzewać substraty reakcji i/lub jednostki monomerowe. Taki wymiennik ciepła wewnątrz systemu reaktora rurowego jest szczególnie użyteczny, jeśli na reaktor rurowy używa się nie opłaszczowaną rurę. Wymienniki ciepła mogą być tanią częścią składową układu reaktorowego zależnie od kosztu zainstalowania opłaszczowanej rury w porównaniu z kosztem zainstalowania wymienników ciepła. Zwykle w estryfikacji i wczesnej polikondensacji temperatura płynu steruje czasem przebywania, a więc czynnikiem ograniczającym konstrukcję może być raczej doprowadzanie ciepła niż kinetyka reakcji. Aby zatem zmniejszyć do minimum objętość i koszty, sposób może być wspomagany przez szybkie grzanie. Wymienniki ciepła można wprowadzać w dowolnym miejscu na długości, np. pomiędzy wlotem a wylotem lub w pobliżu, lub przy wlocie, lub wylocie do reaktorów estryfikacji, reaktorów polikondensacji, lub w pętli recyrkulacyjnej, lub pomiędzy dowolnymi reaktorami (pomiędzy reaktorami estryfikacji, reaktorami polikondensacji, lub pomiędzy reaktorem estryfikacji i polikondensacji), przy, lub w pobliżu wlotu, lub wylotu dowolnego z reaktorów estryfikacji, lub polikondensacji, lub w pobliżu, przy, lub wewnątrz szczelnego odgałęzienia.

Korzystnie, wymiennik ciepła jest usytuowany na początku każdej sekcji reaktora, gdzie ciśnienie zmienia się, ponieważ parowanie chłodzi płyn. Zatem, jak opisano poniżej, wprowadzanie wymiennika ciepła do, w pobliżu lub przy szczelnym odgałęzieniu może być korzystne. Jeżeli w estryfikacji stosuje się rurę typu bez płaszcza, wówczas tanią opcją jest stosowanie wymiennika ciepła na początku procesu estryfikacji oraz wykorzystanie dodatkowych wymienników ciepła na długości reaktora, aby z powrotem zwiększyć temperaturę, gdy produkt uboczny paruje. Według jednego aspektu wymienniki ciepła będą usytuowane blisko siebie na początku procesu estryfikacji, a później dalej od siebie, ponieważ ilość odparowanego produktu ubocznego jest większa na początku estryfikacji.

Jeden przykład środków przenoszenia ciepła obejmuje wiele elektrycznych elementów grzejnych owiniętych wokół zewnętrznej powierzchni reaktora rurowego. Rozważa się również stosowanie rury płaszczowej otaczającej powierzchnię zewnętrzną, przy czym ta rura płaszczowa ma powierzchnię wewnętrzną większą niż zewnętrzna powierzchnia reaktora rurowego, aby pomiędzy nimi powstała pierścieniowa komora. Środki przenoszenia ciepła, obejmujące przykładowo ciecz, parę, przegrzaną wodę, parę wodną, sprężone gazy, skraplający się gaz, przenoszone ciała stałe, grzanie elektryczne, elektryczne elementy grzejne lub ich połączenie, są wtedy umieszczane w takiej komorze pierścieniowej. Przy stosowaniu płynnych środków przenoszenia ciepła (to znaczy ciecz, para lub para wodna) taka komora pierścieniowa powinna być szczelna w kierunku bocznym tak, że płyn przepływa wzdłużnie pomiędzy wylotem a wylotem. W szczególności w przykładzie wykonania z wykorzystaniem płynnych środków przenoszenia ciepła pożądane jest, by przepływ płynu w komorze pierścieniowej był w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu materiału poprzez reaktor rurowy (to znaczy przepływ środka przenoszącego ciepło od wylotu do wlotu, ponieważ substraty reakcji i monomer przepływają od wlotu do wylotu), chociaż można również stosować współprądowe drogi przepływu środków przenoszenia ciepła.

W oparciu o natężenie przepływu środków przenoszenia ciepła konstruktorzy muszą zapewnić, że prędkość środków przenoszenia ciepła w pierścieniowej komorze pomiędzy rurą reaktora a rurą

PL 217 902 B1 płaszczową miała wartość odpowiednią dla dobrej konstrukcji rurowej. Dla zastosowania za odpowiednią jest zwykle uważana prędkość liniowa w przybliżeniu 1,3-6 m/s. Jeżeli prędkość ta jest zbyt duża, wówczas trzeba zwiększyć średnicę rury płaszczowej.

Rozważa się również, że środki przenoszenia ciepła mogą również płynąć lub być usytuowane wewnątrz wewnętrznej rury, a płyn uczestniczący w procesie jest usytuowany w komorze pierścieniowej pomiędzy zewnętrzną powierzchnią wewnętrznej rury a wewnętrzną stroną zewnętrznej rury. Konstrukcja taka zmniejsza pole powierzchni rury reaktora i wymaga dużej rury zewnętrznej, ale może być korzystna dla pewnych środków przenoszenia ciepła, takich jak środki pod wysokim ciśnieniem. Więcej pola powierzchni może być dodawane ze środkami przenoszenia ciepła zarówno po wewnętrznej jak i po zewnętrznej stronie płynu uczestniczącego w procesie, gdy ten płyn jest usytuowany w środkowej komorze pierścieniowej.

Jeżeli w jakiejś sekcji reaktora potrzebne jest większe przenoszenie ciepła, wówczas trzeba zwiększyć stosunek pola powierzchni do objętości reaktora. Odbywa się to przez zastosowanie rury reaktora o mniejszej średnicy. Mniejsza rura reaktora będzie zwiększać prędkość liniową procesu, ale dopóki natężenie przepływu nie jest tak duże, że powoduje erozję rury i nie jest w sekcji odłączania reaktora rurowego, jest to do przyjęcia. Takie strefy o większym polu powierzchni wpływają na koszt reaktora rurowego. Jeżeli natężenie przepływu w reaktorze jest zbyt duże, wówczas stosuje się wiele rur równoległych.

Odgazowanie

Płynąc od wlotu do wylotu substraty reakcji, monomery, oligomery, polimery i produkty uboczne mogą tworzyć parę lub gazy na skutek reakcji chemicznych, grzania lub z innych powodów. Wynalazek obejmuje również opcjonalnie środki do usuwania par z reaktora rurowego pomiędzy wlotem a wylotem i/lub przy lub w pobliżu wylotu. Usuwanie takie pomaga w doprowadzeniu reakcji do korzystnej równowagi i/lub do sterowania przepływu fazowego w żądanym reżimie. Miejsca usuwania mogą być według pewnych aspektów przy końcu jednej lub wielu, lub wszystkich stref (określenie „strefa” odnosi się do strefy estryfikacji i każdej strefy polikondensacji) i/lub w jednym lub wielu miejscach w każdej strefie reaktora.

Na figurze 20A pokazano osiem różnych reżimów przepływu dwóch faz w poziomych rurach. Ciemne obszary reprezentują ciecz, a jasne obszary - gaz. W przepływie pęcherzykowym pęcherzyki gazu przemieszczają się wzdłuż górnej części rury w przybliżeniu z taką samą prędkością jak ciecz. W przepływie tłokowym wzdłuż górnej części rury przemieszczają się na przemian porcje cieczy i gazu. W przepływie warstwowym ciecz przepływa przy dolnej stronie rury, a gaz przepływa u góry nad gładką powierzchnią graniczną pomiędzy cieczą a gazem. Przepływ falowy jest podobny do przepływu warstwowego, z tym wyjątkiem, że gaz przemieszcza się z większą prędkością, a powierzchnia międzyfazowa jest zakłócana przez fale przemieszczające się w kierunku przepływu. W przepływie falowym unoszonym tocząca się fala jest podnoszona przez szybciej poruszający się gaz, by utworzyć bryłę, która porusza się poprzez rurę z prędkością większą niż przeciętna prędkość cieczy. W przepływie pierścieniowym ciecz płynie cienką warstwą wokół wewnętrznej ściany rury, a gaz płynie z dużą prędkością pośrodku. Powierzchnia nie jest ani symetryczna, ani gładka, ale jest raczej podobna do toczących się fal nałożonych na szkwały, jak to ma miejsce w przepływie falowym. W przepływie rozproszonym lub rozpylonym większość cieczy jest porywana przez gaz w postaci rozpylonej. Wydaje się, że taki aerozol jest wytwarzany przez gaz o dużej prędkości porywający ciecz z grzbietów toczących się fal. Przepływ pianowy jest podobny do przepływu pęcherzykowego, a jedynie ma większy procent pęcherzyków lub pustych przestrzeni, patrz Robert S. Brodkey, „The Phenomena of fluid Motions”, seria Addison-Wesley Series w Chemical Engineering, s. 457-459, 1967.

Dla procesu estryfikacji według wynalazku przepływ pianowy lub pęcherzykowy w reaktorze rurowym jest optymalnym zakresem działania, ponieważ zapewnia dobre mieszanie pary i cieczy, by ułatwić reakcję. Dla etapu polikondensacji optymalny reżim przepływu stanowi przepływ warstwowy w reaktorze rurowym, ponieważ zapewnia dobre oddzielanie parowego produktu ubocznego od ciekłego produktu. Przepływ warstwowy jest również optymalnym przepływem do odpowietrzania reaktora rurowego według wynalazku przy estryfikacji lub polikondensacji. Jak pokazano na fig. 20B na wykresie Bakera masowego przepływu pary (By) w funkcji stosunku masowego przepływu cieczy wobec pary, przedstawiono różne reżimy dwufazowego przepływu w poziomych rurach. Patrz ogólnie wykresy Bakera dla przepływu dwóch faz, np. patent US nr 611 064. Jak stwierdzono powyżej, przepływ pianowy lub pęcherzykowy jest optymalny dla procesu estryfikacji, natomiast przepływ warstwowy jest optymalny dla prepolimeru i etapów końcowych procesu polikondensacji. Przepływ falowy unoszony

PL 217 902 B1 i tłokowy niosą ze sobą zagrożenie wystąpienia uszkodzenia sprzętu, przepływ pierścieniowy i rozproszony wiążą się ze zbyt małym czasem przebywania, a przepływ falowy powoduje porywanie cieczy technologicznej przez strumień gazu, co jest przyczyną zanieczyszczania urządzenia do obróbki gazu.

We wczesnej partii estryfikacji, w pewnych przykładach wykonania może występować ciało stałe, a więc może powstawać przepływ trzech faz. Jednakże optymalne reżimy przepływu opisane powyżej należą do zależności cieczy i gazu. Ciało stałe w rzeczywistości nie wpływa na reżim przepływu gazu i cieczy, ale należy zauważyć, że dla jasności, jeśli występuje ciało stałe, wówczas może nie być prawdziwego przepływu dwufazowego, ponieważ może występować trzecia faza (stała).

Przejście pomiędzy reżimami przepływu odbywa się przez zmianę przepustowości urządzenia, zwiększenie stopnia recyrkulacji, modyfikowanie miejsca usytuowania pobierania do recyrkulacji w procesie, wypuszczania pary, zmianę średnicy rury, stosowanie rur równoległych, zmienianie parametrów fizycznych przez środki takie jak temperatura, ciśnienie, skład, dodawanie rozcieńczalnika lub składnika obojętnego, lub inne środki.

Na podstawie fig. 20B, aby w przypadku procesu estryfikacji przejść w prawo na wykresie, recyrkulację można zwiększyć w takim stopniu, aby osiągnąć stan przepływu pianowego lub pęcherzykowego. Aby przejść na wykresie do góry, stosuje się rurę o mniejszej średnicy, by przejść w lewo, stosuje się dodatkowe drogi. W przypadku procesu polikondensacji, jeżeli prędkość pary jest zbyt duża, wówczas można dodać dodatkowe równoległe rury, by zmniejszyć prędkość pary w celu uzyskania dwufazowego przepływu warstwowego.

Dodatkowo, przez wypuszczanie gazów z systemu można kontrolować przepływ pary i stosunek przepływu cieczy do przepływu pary. Następuje usuwanie pary. Przemieszcza to proces do dołu (słabszy przepływ pary) i w prawo (większy stosunek cieczy do gazu). Przykłady wykonania poniżej przedstawiają pewne sposoby, które można wykorzystywać do zmiany w dowolnym kierunku na wykresie, by zmieniać reżimy przepływu.

Porywane gazy mogą być wypuszczane z pompowanej cieczy przez kontrolowane zmniejszanie prędkości przepływu płynu w obudowie odgazowania w sprzężeniu z kontrolowanym wypuszczaniem zgromadzonego gazu z obudowy odgazowania. Stwierdzono, że korzystniej gazy porwane w pompowanym strumieniu płynu mogą być oddzielone od pompowanej cieczy przez zastosowanie odcinka odgazowującego przewodu rurowego na drodze przepływu strumienia płynu i wypuszczanie oddzielonych gazów poprzez taką rurę ciśnieniową lub upust o sterowanym przepływie. Używane tu określenie „porwany” i podobne określenia odnoszą się do nierozpuszczonego gazu występującego w płynie (przykładowo gaz w płynie w postaci pęcherzyków, mikropęcherzyków, piany, itp.).

W aktualnie korzystnym przykładzie wykonania środki usuwania pary lub środki odgazowania zawierają upust lub mechanizm upustowy zawarty w reaktorze rurowym. Mechanizm upustowy jest usytuowany tak, że lub wszystkie, lub część substratów reakcji i monomeru, poruszających się wewnątrz powierzchni wewnętrznej reaktora rurowego przepływają również przez mechanizm upuszczania płynąc od wlotu do wylotu.

Jak pokazano na fig. 7a-7f, mechanizm upustowy służy do zmniejszania prędkości substratów reakcji i/lub monomeru w reaktorze rurowym w stopniu wystarczającym, by umożliwić oddzielenie porwanego gazu od ciekłych substratów reakcji i/lub monomeru. Mechanizm upustowy korzystnie powoduje przepływ laminarny, warstwowy, nie kołowy, dwufazowy gazu i cieczy. Stopień zmniejszenia prędkości w mechanizmie upustowym w celu osiągnięcia żądanego przepływu dwufazowego (gaz i ciecz) może być określony przez znawcę na podstawie (1a) wielkości występujących pęcherzyków gazu i lepkości płynu lub (1b) poprzez fizyczne właściwości zarówno cieczy jak i gazu i (2) przewidywane natężenie przepływu poprzez reaktor rurowy. Wewnętrzne wymiary mechanizmu upustowego są wybrane tak, aby zapewniały większe pole powierzchni przekroju poprzecznego otwartego dla transportu płynu niż pole powierzchni przekroju poprzecznego reaktora rurowego przy mechanizmie upustowym. W oparciu o zasady masowego natężenia przepływu, ponieważ średnica wewnętrzna rośnie, zatem prędkość dla stałego natężenia przepływu maleje. Przy mniejszej prędkości gazy unoszą się i wydostają z roztworu, aż ciśnienie uwolnionych gazów uniemożliwi wydostawanie się dalszych gazów z roztworu. Wypuszczanie uwolnionych gazów umożliwia wydostawanie się dodatkowych gazów z roztworu, ponieważ równowaga pierwotnie istniejąca pomiędzy gazami w roztworze a gazami poza roztworem jest przesunięta.

Do oddzielania porwanych gazów w substratach i/lub monomerze, opisanych w opisie, przykładowo pożądane jest, by mechanizm upustowy zmniejszał natężenie przepływu płynów płynących przez niego tak, że korzystnie uzyskuje się pianowy lub pęcherzykowy przepływ dwufazowy w procePL 217 902 B1 sie estryfikacji i korzystnie warstwowy przepływ dwufazowy w upuszczaniu i w procesie polikondensacji. Czas przebywania płynu w mechanizmie upustowym jest również kontrolowany przez odpowiedni wybór długości mechanizmu upustowego, aby umożliwić wystarczający czas przy zmniejszonej prędkości wewnątrz mechanizmu upustowego dla odpowiedniego oddzielania porwanego gazu od cieczy. Odpowiedni czas przebywania dla danego przepływu płynu może być określony przez znawcę doświadczalnie.

W celu zapewnienia najlepszych wyników mechanizm upustowy jest usytuowany zasadniczo poziomo tak, że pary i gazy w substratach i monomerze płynących przez niego przepływają zasadniczo poziomo i gromadzą się w górnej części mechanizmu upustowego. Cechy pożądanego mechanizmu upustowego pozwalają na wychwycenie gazów wydostających się z roztworu przez dowolną konstrukcję umożliwiającą przepływ cieczy przy dnie, ale ograniczającą przepływ gazu u góry.

Kilka konstrukcji, które mogą być stosowane do oddzielania gazu od substratów reakcji ciekłych i monomeru, jednakże bez ograniczenia, przedstawiono na fig. 7a-7f. Każdy przykład wykonania na fig. 7a-7f ma wlot 31 do przyjmowania mieszaniny płynu i gazu/pary, wylot 32 płynu, trójnik 36 oraz wylot 33 gazu/pary. Mechanizm upustowy może zawierać mimośrodowe elementy redukcyjne 37 o płaskim dnie, by zmniejszać prędkość płynu do reżimu warstwowego i zmniejszać do minimum porywanie cieczy przez parę.

Element redukcyjny umożliwia pewną wartość pola powierzchni tak, że prędkość pary na powierzchni cieczy jest wystarczająco mała, aby para nie zabierała cieczy ze sobą, gdy uwalnia się, a pole powierzchni przekroju poprzecznego drogi cieczy jest wystarczające tak, że prędkość liniowa jest wystarczająco mała, by pęcherzyki pary oddzielały się od cieczy na zasadzie różnicy wyporności, która powoduje, że te dwie fazy rozdzielają się. Korzystne są takie elementy redukcyjne, w których nie ma ograniczenia średnicy rury lub przepustowości reaktora. Jeżeli średnice rury są ograniczone, a przepustowość urządzenia nie jest ograniczona, alternatywą dla elementu redukcyjnego może być zastosowanie rur i równoległe zmniejszenie prędkości liniowej oraz zwiększenie pola powierzchni na krótszym odcinku drogi.

Mechanizm upustowy korzystnie ma skuteczną średnicę wewnętrzną (lub większe pole powierzchni przepływu) większą niż wewnętrzna średnica reaktora rurowego. Prędkość może być również zmniejszana przez zastosowanie wielu równoległych rur, jak pokazano na fig. 7f. Według jednego aspektu system z fig. 7f nie potrzebuje elementu redukcyjnego na wlocie. Konfigurację przedstawioną na fig. 7e i 7f można dodatkowo uzupełnić przez przelew 38, który jest usytuowany w górnej połowie rury (przelew odwrócony) pomiędzy trójnikiem 36 a kolankiem z prawej strony trójnika.

Ponieważ gazy i pary wydostają się z roztworu w mechanizmie upustowym, muszą być usuwane. W tym celu mechanizm upustowy korzystnie zawiera ponadto pionową odgazowującą rurę pionową dołączoną do mechanizmu upustowego. Ta odgazowująca rura pionowa ma wejściowy koniec połączony płynowo z mechanizmem upustowym, a przeciwległy wylotowy koniec tej rury pionowej jest usytuowany powyżej końca wlotowego. Chociaż rozważany jest prostoliniowy przykład wykonania, korzystne jest, by pionowa rura odgazowania przebiegała nieliniowo pomiędzy końcem wlotowym a końcem wylotowym.

W jednym przykładzie wykonania upust zawiera ponadto dołączoną do niego pionową rurę odgazowującą, która ma wlotowy koniec połączony płynowo z upustem i przeciwległy wylotowy koniec usytuowany pionowo powyżej końca wlotowego. Ta rura odgazowująca przebiega nieliniowo w swym kierunku wzdłużnym pomiędzy końcem wlotowym a końcem wylotowym i jest złożona z trzech ciągłych sekcji połączonych płynowo ze sobą, przy czym pierwsza sekcja jest usytuowana przy końcu wlotowym i odchodzi zasadniczo pionowo od upustu, druga sekcja jest dołączona do pierwszej sekcji i przebiega pod pewnym kątem względem pierwszej sekcji w widoku z góry, a trzecia sekcja jest dołączona do drugiej sekcji i jest usytuowana pod pewnym kątem względem drugiej sekcji w widoku z góry tak, że ta trzecia sekcja jest usytuowana zasadniczo poziomo. Według jednego aspektu upustem jest pionowa rura pierwszej sekcji dołączona do poziomej rury trzeciej sekcji poprzez rurę drugiej sekcji łączącą rurę pionową i rurę poziomą pod kątem innym niż zero lub 90°, korzystnie pod kątem 45°. Według różnych aspektów określenie „zasadniczo pionowa” w odniesieniu do pierwszej sekcji oznacza, że pierwsza sekcja jest usytuowana pod kątem 0-60° względem płaszczyzny pionowej, pod kątem 0-50° względem płaszczyzny pionowej, pod kątem 0-45° względem płaszczyzny pionowej, pod kątem 0-30° względem płaszczyzny pionowej, pod kątem 0-15° względem płaszczyzny pionowej lub pod kątem około 0° (pionowo) względem płaszczyzny pionowej. Druga sekcja jest usytuowana względem płaszczyzny pionowej pod kątem 5-85°, 15-75°, 30-60° lub około 45°.

PL 217 902 B1

Określenie „zasadniczo poziomo” w odniesieniu do trzeciej sekcji oznacza, że jest ona usytuowana względem płaszczyzny poziomej pod pewnym kątem wynoszącym plus lub minus 45-0°, plus lub minus 30-0°, plus lub minus 15-0°, plus lub minus 5-0°, lub około 0 stopni. Plus lub minus w odniesieniu do trzeciej sekcji ma oznaczać, że pierwsza i druga sekcja są zwykle usytuowane pod pewnym kątem względem pionu tak, że przepływ pary lub gazu jest skierowany do góry (ciecz początkowo przemieszcza się do góry, ale następnie, po całkowitym oddzieleniu, przemieszcza się z powrotem do dołu do procesu), natomiast trzecia sekcja może być zwrócona do góry, usytuowana poziomo lub skierowana do dołu. Według innego aspektu pierwsza sekcja jest usytuowana pod kątem 0-60° względem płaszczyzny pionowej, druga sekcja jest usytuowana pod kątem 5-85° względem płaszczyzny pionowej, a trzecia sekcja jest usytuowana pod kątem 0-45° względem płaszczyzny poziomej. Według innego aspektu pierwsza sekcja jest usytuowana pod kątem 0° względem płaszczyzny pionowej, druga sekcja jest usytuowana pod kątem 45° względem płaszczyzny pionowej, a trzecia sekcja jest usytuowana pod kątem 0° względem płaszczyzny poziomej.

Korzystnie, pierwsza sekcja jest usytuowana pod kątem 45° względem drugiej sekcji, a trzecia sekcja jest usytuowana pod kątem około 45° względem drugiej sekcji.

Korzystnie, trzecia sekcja jest współprądowa z generatorem rurowym i jest połączona z nim płynowo, jak pokazano na fig. 7g, co byłoby pokazane, gdyby urządzenie z fig. 7g było umieszczone bezpośrednio nad fig. 7a-7f, gdzie wylot 33 jest dołączony do wlotu 34, jak pokazano na fig. 8 (zakładając, że element 137 jest na tej samej płaszczyźnie widoku z góry, co trójnik 36 lub 139). Jednakże trzecia sekcja może być przeciwprądowa lub nawet jest w punkcie pomiędzy przepływem współprądowym a przepływem przeciwprądowym. Przepływ przeciwprądowy może zapewniać skuteczniejsze oddzielanie, ale wiąże się z niedogodnościami w rozmieszczeniu sprzętu. Rura odgazowująca tworzy więc nieliniową drogę od pierwszej do drugiej sekcji, a następnie inną nieliniową drogę od drugiej sekcji do trzeciej sekcji. Według innego aspektu trzecia sekcja jest usytuowana pod kątem minus 45 stopni względem poziomu tworząc skierowaną do dołu drogę przepływu w tej trzeciej sekcji, przy czym według tego aspektu korzystnie trzecia sekcja jest ustawiona pod kątem 90 stopni względem drugiej sekcji, która korzystnie jest usytuowana pod kątem 45 stopni względem płaszczyzny pionowej. Upust jest niezwykle tanim rozwiązaniem oddzielania, ponieważ nie ma żadnych ruchomych części w podstawowej konstrukcji rurowej upustu i upust może być jedynie pustą rurą.

Jak pokazano na fig. 7g i fig. 8, korzystny przykład wykonania odgazowującej rury zawiera trzy ciągłe sekcje połączone płynowo ze sobą: pierwszą sekcję przy końcu wlotowym, przebiegającą zasadniczo pionowo od mechanizmu upustowego; drugą sekcję dołączoną do pierwszej sekcji i usytuowaną w przybliżeniu pod kątem 45 stopni względem pierwszej sekcji w widoku z góry; oraz trzecią sekcję dołączoną do drugiej sekcji i usytuowaną w przybliżeniu pod kątem 45 stopni względem drugiej sekcji w widoku z góry tak, że trzecia sekcja jest usytuowana zasadniczo poziomo.

Wspólną cechą jest to, że rura pionowa jest usytuowana pionowo, a mechanizm upustowy jest usytuowany poziomo, co powoduje nieliniową drogę od wlotu do wylotu, a zatem umożliwia uchodzenie gazu bez cieczy również wypływającej z tej rury pionowej. W pokazanym na fig. 7g lub na fig. 8 mechanizmie upustowym, który również nadaje się do procesu estryfikacji, rurowe odcinki 136 i 145 są regulowane aż prostoliniowa droga od części 144 (lub wlotu 34 na fig. 7g) do części 137 nie będzie już możliwa. Nie ma zatem prostoliniowej drogi pomiędzy wlotem 34 a wylotem 35. Taka nieliniowość powoduje, że wszystkie lub większość kropelek cieczy w parze uderza w tę samą powierzchnię rury upustowej. Fig. 7a-7f przedstawiają zatem sześć różnych konstrukcji oddzielania pary, przy czym przykłady wykonania z fig. 7d, 7e i 7f są najkorzystniejsze, ponieważ nie mają one żadnych niskich punktów, które byłyby szkodliwe w operacji upuszczania. W każdym przykładzie wykonania z fig. 7a-7f oraz w przykładzie wykonania z fig. 7g wlot 34 gazu/pary jest połączony płynowo z wylotem 33 upustowego trójnika 36 z fig. 7a-7f tak, że para najpierw przepływa przez pionową sekcję z fig. 7g, następnie przez ukośną sekcję, a potem przez poziomą sekcję i wypływa poprzez wylot 35.

Korzystne jest również zastosowanie regulatora przepływu w pionowej rurze odgazowującej, aby sterować przepływem płynów przez nią. Taki regulator przepływu może być przykładowo dyszą; zaworem dławiącym; zaworem regulacyjnym; zaworem ręcznym; odcinkiem rury o zmniejszonym przekroju; regulatorem ciśnienia wylotowego; dyszą i/lub głowicą przepuszczania pęcherzyków przez ciecz. Regulator przepływu korzystnie umożliwia, by w przybliżeniu 90% pary wytworzonej do tego miejsca w reaktorze rurowym przechodziło, podczas gdy pozostałe 10% jest zatrzymywane w cieczy. Ten przybliżony stosunek 90:10 zapewnia, że ciecz nie przechodzi przewodem gazowym i utrzymuje w przyPL 217 902 B1 bliżeniu 10% gazu do mieszania w reaktorze rurowym. Ilość usuwanego gazu nie może zbliżyć się do wartości 100% stanowiącej maksimum, ponieważ do rury pionowej wraz z gazami wpływałaby ciecz.

Wylotowy koniec odgazowującej rury pionowej jest zwykle połączony płynowo z systemem destylacji, do którego pary przepływają lub są usuwane. Możliwe jest również wypuszczanie par do otoczenia. Ciśnienie przy wylotowym końcu pionowej rury odgazowującej może być kontrolowane, gdy ten wylotowy koniec jest połączony z układem destylacji, natomiast przy wypuszczaniu do otoczenia przy końcu wylotowym panuje ciśnienie atmosferyczne.

Znawca zauważy, że skuteczność usuwania pary można polepszyć przez zwiększenie wewnętrznej średnicy reaktora rurowego przy lub przed mechanizmem upuszczania, aby zwiększyć do maksimum pole powierzchni cieczy, a zmniejszyć do minimum prędkość pary przy powierzchni na połowie średnicy rury. Jeżeli prędkość w rurze w sąsiedztwie miejsca oddzielania jest zbyt duża, wówczas średnicę rury można powiększyć, jak pokazano np. na fig. 7d. W pewnych przykładach wykonania sekcje rozprężania korzystnie mają mimośrodowy element redukcyjny z płaskim dnem, by zapobiegać powstawaniu kieszeni w reaktorze. Kieszenie takie zmniejszają pole powierzchni reakcji, przez co maleje wydajność i nie można łatwo realizować upuszczania podczas procesu. Konstrukcje pokazane na fig. 7d i 7f nie zatrzymują cieczy i umożliwiają całkowite spuszczenie po wyłączeniu instalacji. Mechanizm upuszczania może mieć taki sam wymiar, mniejszą lub większą średnicę niż przewód rurowy, do którego jest on dołączony. Według jednego aspektu rura upustowa jest o co najmniej jeden znormalizowany wymiar większa niż rura, z której realizowane jest upuszczanie, a według innego aspektu ma wymiar dwa razy większy niż rura, z której realizowane jest upuszczanie. Ponieważ typowym optymalnym rozmiarem rury na konstrukcję reaktora rurowego jest tu normalnie największy dostępny rozmiar rury, a więc w praktyce rura upustowa nie może być większa niż rura, z której odbywa się upuszczanie, w alternatywnej konstrukcji, jak pokazano na fig. 7f, można zastosować wiele rur upustowych, by zmniejszać prędkość.

Jeżeli potrzebne jest lub pożądane dodatkowe pole powierzchni, można zainstalować dodatkowe rury na tej samej wysokości, przy czym te dodatkowe rury biegną wzajemnie równolegle i wszystkie zawierają mechanizm upustowy (patrz np. fig. 7f). Taki szereg równoległych rur i mechanizmów upustowych zapewnia dodatkowy obszar do oddzielania gazu od substratów reakcji i monomeru.

Znawca zauważy, że nie trzeba usuwać gazu w celu utrzymywania reakcji w reaktorach rurowych, ale usuwanie gazu zwiększa prędkość reakcji dzięki usunięciu substancji ograniczających. Usuwanie gazu zmniejsza również stopień zapełnienia, dzięki czemu ostateczna objętość reaktora jest mniejsza.

Znawca zauważy, że w reaktorze rurowym pomiędzy jego wlotem a wylotem można zastosować wiele mechanizmów upustowych. Przykładowo w jednym wykonaniu reaktor estryfikacji lub polikondensacji ma co najmniej dwie sekcje pierwszej sekcji i drugiej sekcji, przy czym ciśnienie jest zmniejszane w reaktorze polikondensacji, a etap zmniejszania zawiera co najmniej dwa mechanizmy odgazowania zawarte w reaktorze polikondensacji tak, że płyny polikondensacji przemieszczające się wewnątrz wewnętrznej powierzchni reaktora przepływają również kolejno przez dwa odpowiednie mechanizmy odgazowania, gdy płyną od pierwszego końca do drugiego końca reaktora polikondensacji, a ponadto te dwa mechanizmy odgazowania są usytuowane odpowiednio przy pierwszej sekcji i drugiej sekcji reaktora polikondensacji. Według jednego aspektu pierwsza i druga sekcja reaktora estryfikacji lub polikondensacji mają różne utrzymywane wartości ciśnienia. W innym przykładzie wykonania reaktor rurowy estryfikacji lub polikondensacji zawiera sekcję górną, sekcję środkową i sekcję dolną, a każda z tych trzech sekcji zawiera co najmniej jeden mechanizm wypuszczania. Według szczególnego aspektu reaktor polikondensacji zawiera górną sekcję, środkową sekcję i dolną sekcję, przy czym ciśnienie w reaktorze polikondensacji jest zmniejszane, a etap zmniejszania obejmuje co najmniej trzy mechanizmy odgazowania zawarte w reaktorze polikondensacji tak, że płyny polikondensacji przemieszczające się wewnątrz jego wewnętrznej powierzchni przepływają również kolejno przez trzy odpowiednie mechanizmy odgazowania przepływając od pierwszego końca do drugiego końca reaktora polikondensacji, a te trzy mechanizmy odgazowania są odpowiednio usytuowane w górnej sekcji, środkowej sekcji i dolnej sekcji reaktora polikondensacji. Górna, środkowa i dolna sekcja reaktora polikondensacji mogą mieć utrzymywane ciśnienia różniące się od siebie. Innym zagadnieniem konstrukcyjnym jest, jak zauważono powyżej, wprowadzenie wielu kolanek do reaktora rurowego, które mogą pomagać w usuwaniu par z substratów reakcji i monomeru. Dokładniej mówiąc, reaktor rurowy może zawierać pierwsze kolanko usytuowane przed mechanizmem wypuszczania i drugie kolanko usytuowane za mechanizmem wypuszczania.

PL 217 902 B1

Dodawanie substratów reakcji do reaktora rurowego

Dodawanie substratów reakcji poruszono powyżej w związku z dodawaniem płynnych substratów reakcji do reaktora rurowego za pomocą pompy. Omówiono tu alternatywne sposoby dodawania substratów reakcji do reaktora rurowego, łącznie ze stosowaniem zbiornika pasty, zbiornika mieszania, alternatywnego systemu zasilania i pętli recyrkulacyjnej.

Znawca zauważy, że przy każdym sposobie substraty reakcji mogą być dodawane, jak omówiono poniżej, substraty reakcji mogą być w normalnych warunkach przenoszenia lub - alternatywnie i korzystnie - substraty reakcji mogą być podgrzewane przed wprowadzeniem do reaktora, tak że nie ma strefy słabego mieszania na zimno. Znawca może również zauważyć, że korzystne może być dodawanie zimnych substratów reakcji do reaktora rurowego przed lub za wlotem.

W pewnych przykładach wykonania zewnętrzne przewody dodawania substratu reakcji do reaktora rurowego są korzystnie prowadzone do reaktora od góry do dołu, przy czym miejscem wprowadzenia może być dowolne miejsce usytuowane w nim lub wybrane przez znawcę. Przewód substratu reakcji może być opłaszczony przy temperaturze przewyższającej temperaturę topnienia zawartości reaktora w miejscu doprowadzania substratu reakcji. Konstrukcja taka chroni przewód substratu reakcji przed zatkaniem, gdy przepływ jest zatrzymany i (1) zawór regulacyjny nie zamyka oraz (2) zawór regulacyjny nie zamyka całkowicie, a oba te zdarzenia pospolicie występują w znanych instalacjach do wytwarzania poliestru.

Pompowanie płynnych substratów reakcji

Jak to omówiono dokładniej powyżej, najłatwiej jest dodawać substraty reakcji w postaci ciekłej (to znaczy EG i DMT), ponieważ substraty reakcji te mogą być pompowane bezpośrednio we wlot reaktora rurowego lub w innym miejscu przed wlotem. Substraty reakcji wychodzą z pomp pod ciśnieniem większym od atmosferycznego w przybliżeniu do wlotu reaktora rurowego. Substraty reakcji te mogą być lub pompowane oddzielnie, lub uprzednio mieszane i następnie pompowane razem.

Wprowadzanie materiałów stałych przy użyciu zbiornika pasty

Głównym zadaniem reaktora estryfikacji jest całkowite przereagowanie lub przetworzenie kwasów w tym reaktorze w monomery i oligomery. Aby spełnić to zadanie, kwasy w postaci ciała stałego, takie jak kwas tereftalowy, muszą być trzymane w reaktorze, aż do rozpuszczenia. Często do pomocy w mieszaniu stosuje się zbiorniki pasty, a patent US nr 3 644 483 opisuje stosowanie takiego dodawania pasty. Jeżeli potrzebny jest zbiornik pasty, wówczas pastę z dowolnego ciała stałego można wprowadzać do wlotu reaktora rurowego lub w dowolnym miejscu na długości reaktora rurowego z pętlą recyrkulacji, która jest opisana poniżej lub bez niej.

System zbiornika mieszania i doprowadzania

Zbiornik mieszania jest wypełniony cieczą, która ma być dodana. Odpowiednie ciecze będą rozpuszczały wybrane ciało stałe lub tworzyły z nim zawiesinę. Odpowiednie ciecze obejmują glikol etylenowy, metanol, CHDM, itp. W punkcie tym stosowany będzie jako przykład glikol etylenowy. Glikol etylenowy ogrzewa się lub chłodzi do odpowiedniej temperatury, zależnie od dodatku i od temperatury dodawania glikolu etylenowego, która jest funkcją warunków otoczenia i uprzedniego kondycjonowania. Wymiennik ciepła, płaszcz zbiornika mieszania lub wewnętrzne wężownice itd. stosowane są do grzania i chłodzenia mieszanki podczas jej recyrkulowania za pomocą pompy (nie jest wymagana, gdy stosuje się płaszcz zbiornika mieszania lub wężownice wewnętrzne, ale może być używana w celu zwiększenia przenoszenia ciepła i masy) przy użyciu regulatora temperatury. Wymiennik ciepła jest zwykle zasilany parą wodną i wodą, ale można zastosować dowolne odpowiednie media lub mechanizmy grzania i chłodzenia. Dodatek jest dodawany za pomocą mieszalnika i/lub pompy, by tworzyć zawiesinę ciała stałego dopóki nie rozpuści się ono w glikolu etylenowym. Poziom w zbiorniku jest monitorowany, by kontrolować dodawanie glikolu etylenowego i wiedzieć, kiedy zbiornik jest opróżniony i gotowy do przyjęcia następnej mieszanki. Mieszankę pompuje się ze zbiornika mieszania do zbiornika doprowadzania za pomocą pompy poprzez trójdrogowy zawór lub parę dwudrogowych zaworów regulacyjnych.

Poziom w zbiorniku doprowadzania jest kontrolowany przez dodawanie mieszanki ze zbiornika mieszanki. Kiedy zbiornik mieszanki jest pusty, wówczas przygotowuje się następną mieszankę, podczas gdy resztkowa ilość w zbiorniku doprowadzania nadal zasila proces. Pompy zasilają kolektor doprowadzający mieszankę do systemów zasilających, które sterują dopływ dodatku do procesu.

Temperatura zbiornika doprowadzania jest regulowana za pomocą regulatora temperatury przy użyciu

PL 217 902 B1 pary wodnej i wody lub dowolnych odpowiednich mediów lub mechanizmu regulowania temperatury. Mieszadło służy do utrzymywania jednorodności mieszanki w zbiorniku doprowadzania.

Mogą być zainstalowane pompy do bezpośredniego zasilania linii polimeru bez stosowania kolektora. Na każdą linię potrzebna jest co najmniej jedna pompa z odpowiednim zapasem.

Alternatywny system działa następująco: glikol etylenowy dodaje się do nieopłaszczonej rury, która działa w tym systemie jako zbiornik. Ta rura jest usytuowana pionowo w instalacji w n iewykorzystanej przestrzeni lub przymocowana do zewnętrznej ściany. Rura może mieć odcinki poziome, by ułatwić montaż lub zwiększyć objętość, ale instalacja nie może mieć pułapek na rozpuszczone ciało stałe. Po dodaniu odpowiedniej ilości glikolu etylenowego do rury (kontrola poprzez poziom), uruchamia się pompę cyrkulacyjną. Temperaturę systemu mieszania reguluje się za pomocą regulatora temperatury za pośrednictwem pary wodnej i wody lub za pomocą dowolnych odpowiednich środków lub mechanizmów regulacji temperatury. W tym przypadku zastosowano opłaszczoną rurę. Dodaje się dodatek, a cyrkulacja za pomocą pompy jest utrzymywana, aby utworzyć zawiesinę ciał stałych w rurze, aż do rozpuszczenia ciał stałych. Kiedy ciała stałe są rozpuszczone, następuje przełączenie zaworu, by skierować przepływ do zbiornika doprowadzania.

Zbiornik doprowadzania powinien mieć odpowiednią objętość, aby umożliwić wytworzenie mieszanki i wyprowadzenie jej oraz utworzenie drugiej mieszanki, jeżeli pierwsza mieszanka jest nieprawidłowa. Według jednego aspektu wlot do zbiornika jest usytuowany tuż powyżej linii spawania głowicy dennej. Przelew zbiornika doprowadzania jest korzystnie w odległości równej 95% długości zbiornika pomiędzy liniami spawania głowic zbiornika. Mieszanka z pompy jest kierowana poprzez zawór do zbiornika doprowadzania i przepływa przez zbiornik z powrotem do rury w systemie mieszanki poprzez rurę. Przepływ mieszanki poprzez rurę zarówno przez system mieszanki jak i przez zbiornik doprowadzania powoduje, że mieszanie i regulacja temperatury dla obu systemów eliminuje konieczność regulacji temperatury, regulacji poziomu i mieszania w zbiorniku. Mieszanka jest dodawana do instalacji poprzez kolektor i systemy. Według jednego aspektu nie potrzeba żadnych pomp, ponieważ zbiornik jest strategicznie usytuowany na wysokości, która zapewnia ciśnienie hydrostatyczne w systemach dodatku. Gdy mieszanka jest już zużyta przez stanowiska (dwa stanowiska, ale można stosować od jednego do dużej liczby stanowisk), wówczas poziom w rurze opada. Kiedy poziom w rurze jest tak niski, że pompa zaczyna pracować z kawitacją, zawór zostaje przełączony, by skierować przepływ z rury z powrotem do rury bez przechodzenia przez zbiornik. W tym czasie poziom w zbiorniku zaczyna obniżać się. Nowa mieszanka zostanie utworzona w systemie mieszanki zaczynając od dodania glikolu etylenowego do rury, jak opisano powyżej. Po utworzeniu nowa mieszanka jest doprowadzana poprzez zawór do zbiornika, zanim zbiornik zostanie opróżniony.

Pompy do zbiorników mieszanki są usytuowane na dolnej kondygnacji budynku. Rura zbiornika mieszanki jest usytuowana na zewnętrznej ścianie (lub wewnątrz, jeżeli miejsce na to pozwoli), aż do dachu, gdzie usytuowane są zbiorniki doprowadzania. Rura, wychodząca z cyrkulacyjnej pompy, może być opłaszczona w celu grzania lub chłodzenia. Rura powrotna do rury może również być opłaszczona, gdy jest to konieczne lub pożądane. Górny koniec rury zbiornika mieszanki ma trójdrogowy zawór prowadzący do zbiornika doprowadzania. Zbiornik doprowadzania ma przelewowy przewód, prowadzący z powrotem do zbiornika mieszanki. Zbiornik doprowadzania ma wystarczający czas przebywania pomiędzy zaworem przelewowym a dnem zbiornika doprowadzania, by zasilać instalację w czasie, gdy wytwarzana jest następna partia mieszanki. Podczas wytwarzania następnej partii trójdrogowy zawór jest przełączany tak, że płyn nie przepływa przez zbiornik doprowadzania. Konfiguracja taka eliminuje wszystkie mieszadła i kontrolę poziomu w zbiorniku doprowadzania. Ponieważ zbiorniki doprowadzania są usytuowane na dachu, zatem na skutek różnicy poziomów uzyskuje się dodatkowe ciśnienie przepływu. Przepływ jest kontrolowany przez przepływomierz i zawór regulacyjny w stanowiskach. Konfiguracja taka zmniejsza również przestrzeń potrzebną dla instalacji.

W typowym systemie zużywającym około 50 kg na godzinę w każdym z dwóch stanowisk doprowadzania rura może być 14-calową rurą z wykazu 10 o długości 24 m. Pompa może mieć wydajność 189 l/min, a rura może mieć średnicę 7,5-10 cm. Zbiornik w takim przypadku miałby objętość ₃

17,4 m³ przy średnicy w przybliżeniu 10 m i wysokości 10 m.

Opisany system mieszania i dystrybucji płynu według wynalazku zawiera zatem pierwszy podłużny i pionowo usytuowany zbiornik magazynowania płynu; drugi zbiornik magazynowania i dozowania płynu połączony płynowo z pierwszym zbiornikiem, przy czym ten drugi zbiornik jest usytuowany wyżej niż pierwszy zbiornik; pompę cyrkulacyjną w połączeniu płynowym z pierwszym zbiornikiem i drugim zbiornikiem, przy czym ta pompa cyrkulacyjna jest skonstruowana i przewidziana do powo22

PL 217 902 B1 dowania przepływu płynu poprzez system i cyrkulacji płynu z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika oraz z pierwszego zbiornika do pierwszego zbiornika; oraz zawór regulacyjny połączony płynowo z pompą cyrkulacyjną, pierwszym zbiornikiem i drugim zbiornikiem. Ten zawór regulacyjny służy do kierowania przepływu płynu selektywnie z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika oraz z drugiego zbiornika do pierwszego zbiornika. Drugi zbiornik jest w połączeniu płynowym z systemem dystrybucji procesu technologicznego w instalacji. Ciśnienie statyczne płynu trzymanego w drugim zbiorniku jest wykorzystywane do powodowania przepływu płynu z drugiego zbiornika do systemu dystrybucji procesu technologicznego w instalacji.

Według pewnego aspektu wynalazku pierwszy zbiornik zawiera ponadto monitor poziomu płynu przeznaczony do uruchamiania zaworu regulacyjnego po wykryciu określonego poziomu płynu w pierwszym zbiorniku. Według dalszego aspektu oba zbiorniki lub jeden ze zbiorników jest izolowany. Według dodatkowego aspektu temperatura w pierwszym zbiorniku jest kontrolowana, przy czym przepływ płynu z pierwszego zbiornika jest wykorzystywany do kontrolowania temperatury w drugim zbiorniku. Regulator temperatury zawiera ponadto środki do selektywnego dodawania pary wodnej i wody do płynu w pierwszym zbiorniku, aby według potrzeby zwiększać i zmniejszać jego temperaturę. Według innego aspektu drugi zbiornik zawiera ponadto wlot płynu w połączeniu płynowym z zaworem regulacyjnym tak, że płyny są przepuszczane przez ten wlot do drugiego zbiornika oraz wylot płynu usytuowany pionowo powyżej wlotu i połączony płynowo z pierwszym zbiornikiem tak, że wszelki nadmiar płynu trzymanego w drugim zbiorniku przepływa z niego do pierwszego zbiornika. Według jeszcze innego aspektu przepływ płynu przez system jest kierowany przez zawór sterujący z pierwszego zbiornika z powrotem do pierwszego zbiornika, aż do chwili, gdy płyn w pierwszym zbiorniku zostanie wymieszany zgodnie z określoną normą, przy czym przepływ zmieszanego płynu jest selektywnie kierowany przez zawór regulacyjny z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika.

Alternatywny przykład wykonania systemu zawiera pierwszy zbiornik magazynowania płynu; drugi zbiornik mieszania i magazynowania płynu; pompę cyrkulacyjną w połączeniu płynowym z pierwszym zbiornikiem i drugim zbiornikiem, przy czym ta pompa cyrkulacyjna służy do powodowania cyrkulacji płynu poprzez system i z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika; drugi zbiornik usytuowany wyżej niż pierwszy zbiornik i system dystrybucji procesu technologicznego w instalacji; oraz zawór regulacyjny w połączeniu płynowym z pompą cyrkulacyjną, pierwszym zbiornikiem i drugim zbiornikiem, przy czym ten zawór regulacyjny służy do selektywnego kierowania przepływu płynu z pierwszego zbiornika z powrotem do pierwszego zbiornika oraz z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika. Drugi zbiornik jest połączony płynowo z systemem dystrybucji procesu technologicznego w instalacji, a ciśnienie hydrostatyczne płynu trzymanego w drugim zbiorniku jest wykorzystywane do przeprowadzania płynu z drugiego zbiornika do systemu dystrybucji procesu technologicznego w instalacji.

Sposób mieszania i dystrybucji płynu w systemie mieszania i dystrybucji płynu obejmuje wprowadzenie co najmniej jednego płynu w pierwszy podłużny i umieszczony pionowo zbiornik magazynowania płynu; przeprowadzanie tego płynu z pierwszego zbiornika do drugiego podłużnego i usytuowanego pionowo zbiornika magazynowania i mieszania płynu, przy czym ten drugi zbiornik płynu jest usytuowany wyżej niż pierwszy zbiornik i system dystrybucji procesu technologicznego w instalacji, a z pierwszym zbiornikiem i drugim zbiornikiem połączona jest płynowo pompa cyrkulacyjna przeznaczona do powodowania przepływu płynu poprzez system; zastosowanie zaworu regulacyjnego w połączeniu płynowym z pompą cyrkulacyjną, pierwszym zaworem i drugim zaworem, aby selektywnie kierować płyn z pierwszego zbiornika lub do pierwszego zbiornika, lub do drugiego zbiornika; oraz selektywne przeprowadzanie płynu z drugiego zbiornika do systemu dystrybucji procesu technologicznego w instalacji, przy czym drugi zbiornik tworzy ciśnienie hydrostatyczne wykorzystywane do podawania płynu magazynowanego w nim do systemu dystrybucji procesu technologicznego w instalacji.

Dodatkowe aspekty tego sposobu obejmują dodawanie co najmniej jednego ciała stałego lub drugiej cieczy do tego co najmniej jednego płynu w pierwszym zbiorniku i mieszanie ich w nim; cyrkulację płynu poprzez pierwszy zbiornik, aż nastąpi w nim zmieszanie się materiałów; przeprowadzanie płynu z pierwszego zbiornika do drugiego zbiornika, gdy materiały w nim zostaną już wymieszane ze sobą; kontrolowanie temperatury płynu w pierwszym zbiorniku; kontrolowanie temperatury płynu w pierwszym zbiorniku przez selektywne dodawanie pary wodnej i wody w celu zwiększenia i zmniejszenia temperatury w zależności od potrzeby; mierzenie poziomu płynu w pierwszym zbiorniku za pomocą monitora poziomu płynu; przy czym ten monitor poziomu płynu uruchamia zawór regulacyjny

PL 217 902 B1 po wykryciu uprzednio określonego poziomu płynu w pierwszym zbiorniku; przepuszczanie nadmiaru płynu z drugiego zbiornika z powrotem do pierwszego zbiornika.

Wprowadzan ie substratów reakcji z zastosowaniem recyrkulacji

Wynalazek obejmuje również opcjonalnie środki do recyrkulacji części substratów reakcji i monomeru, przepływających przez reaktor rurowy. Jak zauważono powyżej, zbiornik mieszanki kwasowej pasty lub zbiornik mieszanki można zastąpić pętlą recyrkulacji na rurowym reaktorze wymiany estrowej.

W korzystnym obecnie przykładzie wykonania środki recyrkulacji zawierają pętlę recyrkulacji mającą wlot i wylot. Wlot jest połączony płynowo z reaktorem rurowym w dowolnym miejscu wzdłuż procesu estryfikacji lub polikondensacji, łącznie (ale bez ograniczenia) z miejscem w pobliżu wlotu reaktora estryfikacji, w pobliżu wylotu reaktora estryfikacji, w miejscu pomiędzy wlotem a wylotem reaktora estryfikacji, w miejscu w pobliżu wlotu reaktora prepolimeru, w pobliżu wylotu reaktora prepolimeru, a miejscu pomiędzy wlotem a wylotem reaktora prepolimeru, w miejscu w pobliżu wlotu lub wylotu reaktora polikondensacji oraz w miejscu pomiędzy wlotem a wylotem reaktora polikondensacji, zaś wylot jest niezależnie w połączeniu płynowym z reaktorem rurowym w dowolnym miejscu wzdłuż procesu estryfikacji lub polikondensacji, obejmującym (ale bez ograniczenia) miejsce w pobliżu wlotu reaktora estryfikacji, w pobliżu wylotu reaktora estryfikacji, miejsce pomiędzy wlotem a wylotem reaktora estryfikacji, miejsce w pobliżu wlotu do reaktora prepolimeru, miejsce w pobliżu wylotu reaktora prepolimeru, miejsce pomiędzy wlotem a wylotem reaktora prepolimeru, miejsce w pobliżu wlotu lub wylotu reaktora polikondensacji i miejsce pomiędzy wlotem a wylotem reaktora polikondensacji. Według jednego aspektu wylot jest połączony płynowo z reaktorem rurowym estryfikacji w pobliżu lub przy jego wlocie, w pobliżu lub przy jego wylocie, lub w miejscu pomiędzy wlotem a wylotem reaktora estryfikacji. Według jednego aspektu wylot recyrkulacji jest skierowany do reaktora estryfikacji w pobliżu wlotu reaktora estryfikacji, a według innego aspektu wylot jest połączony płynowo z reaktorem przy jego wlocie, według innego aspektu wylot jest w połączeniu płynowym z reaktorem pomiędzy jego wlotem a wylotem, według innego aspektu wylot recyrkulacji jest skierowany do reaktora estryfikacji przed wlotem reaktora estryfikacji, według innego aspektu wlot jest połączony płynowo z reaktorem estryfikacji pomiędzy wlotem a wylotem tego reaktora, według innego aspektu wlot jest połączony płynowo z reaktorem estryfikacji w pobliżu jego wylotu, według innego aspektu wlot jest połączony płynowo z drugim reaktorem, przy czym ten drugi reaktor jest usytuowany za reaktorem estryfikacji, według innego aspektu wlot recyrkulacji jest połączony płynowo z reaktorem polikondensacji, według innego aspektu wlot recyrkulacji jest połączony płynowo z reaktorem polikondensacji w pobliżu jego wylotu, według innego aspektu etap recyrkulacji jest realizowany przy użyciu pętli recyrkulacji, mającej wlot i wylot, przy czym wylot ten jest połączony płynowo z reaktorem rurowym w pobliżu wlotu, przy czym płyny płynące poprzez pętlę recyrkulacji są płynami recyrkulacji, według innego aspektu wlot jest połączony płynowo z reaktorem rurowym pomiędzy wlotem a wylotem tego reaktora lub w pobliżu jego wylotu. Substraty reakcji i monomer oraz każdy inny płyn, taki jak oligomer i polimer, płynący poprzez pętlę recyrkulacji określane są tu jako „płyny recyrkulacji”.

Jak podano w innym przykładzie wykonania, monomer może być doprowadzany do pętli recyrkulacji z reaktora polikondensacji, który jest omówiony poniżej. W tym przykładzie wykonania pętla recyrkulacji nie jest zasilana (lub nie jest zasilana tylko) z rurowego reaktora estryfikacji, do którego dołączony jest wylot pętli recyrkulacji.

W pewnych przykładach wykonania wynalazku, pętla recyrkulacji zawiera pompę recyrkulacji, usytuowaną pomiędzy wlotem a wylotem, aby zwiększać ciśnienie płynów recyrkulacji płynących poprzez tę pętlę. Pompa recyrkulacji jest korzystnie włączoną w przewód pompą odśrodkową, która jest usytuowana niżej niż wlot, by uzyskać prawidłowe ciśnienie na ssaniu netto. Jest to spowodowane tym, że płyny recyrkulacji, jak to omówiono bardziej szczegółowo poniżej w odniesieniu do urządzenia do odprowadzania pary, mają ciśnienie równe lub bliskie ciśnieniu atmosferycznemu przy temperaturze wrzenia roztworu. Można alternatywnie stosować inne pompy, ale pompa odśrodkowa jest pożądana ze względu na właściwości pompowania.

Gdy płyny recyrkulacji przejdą już przez wlot pętli recyrkulacji i pompę recyrkulacji, by zwiększyć ciśnienie, może być pożądane zmniejszenie ciśnienia płynów recyrkulacji, przynajmniej tymczasowo, w miejscu za pompą recyrkulacji. Zaleta wynikająca ze zmniejszenia ciśnienia polega na tym, że inne materiały, takie jak jeden lub więcej substratów reakcji, mogą być wciągane w pętlę recyrkulacji. Ciśnienie jest korzystnie zmniejszane przy użyciu urządzenia zmniejszającego ciśnienie, takiego jak eduktor, poprzez który przepływa przynajmniej część płynów recyrkulacji. Eduktor ten wytwarza niewielkie podciśnienie przy swej gardzieli. Znawca zauważy, że eduktor można stosować zamiennie

PL 217 902 B1 z syfonem; pompą strumieniową; zwężką; dyszą; i/lub iniektorem lub innymi podobnymi urządzeniami zmniejszającymi ciśnienie.

Do doprowadzania substratów reakcji do pętli recyrkulacji stosowany jest doprowadzający przewód, którego koniec wylotowy jest połączony płynowo z przewodem recyrkulacji w pobliżu eduktora. Doprowadzane substraty reakcji są wciągane w przewód recyrkulacji przez zmniejszone ciśnienie płynów recyrkulacji powodowane przez eduktor. Przewód doprowadzający ma również koniec wlotowy, który jest przeciwległy wobec końca wylotowego. Podciśnienie na gardzieli eduktora powstrzymuje parę przed wznoszeniem się w ciała stałe doprowadzane do linii procesu technologicznego. Para będzie skraplać się na ciałach stałych, a mieszanina taka będzie bardzo kleista i będzie zatykać układ. Strefa rozprężania eduktora ma silne właściwości mieszające i rozdziela substrat, taki jak PTA tak, że nie występuje on już w rurowym przewodzie estryfikacji w postaci brył. Substrat w postaci ciała stałego może wciągać ze sobą gaz w reaktor. Gaz ten może być usuwany za pomocą innego systemu oddzielania pary za eduktorem. Alternatywnie, doprowadzanie cieczy do systemu reaktora może odbywać się poprzez lej zasilania ciałami stałymi. Ciecz będzie wypierać gaz, a następnie materiały obojętne nie będą wchodzić do eduktora.

Układ doprowadzający służy do dozowania i doprowadzania selektywnie substratów reakcji lub innych składników w postaci ciała stałego, takich jak modyfikatory, katalizatory itd., do pętli recyrkulacji. Jeden przykład wykonania systemu doprowadzania ma pierwszy człon składowy systemu doprowadzania jako urządzenie do magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego, takie jak silos, zbiornik pyłu lub wąż workowy, stosowany do magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego, doprowadzanego do pętli recyrkulacji. Ciecz może być dodawana do reaktora ciał stałych lub urządzenia do magazynowania ciał stałych, by zmniejszać lub eliminować gaz porywany przez ciała stałe. Jeżeli stosuje się zbiornik pyłu, wówczas zespół transportowy na wadze może dozować ciała stałe wagowo, a pojemnik transportowy działa jako urządzenie magazynowe. Dodatkowo , silos może działać jako system ważenia i krótkoterminowego magazynowania. Jeżeli surowiec w postaci ciała stałego jest przenoszony z urządzenia pomocniczego, wówczas nie jest potrzebny żaden system przenoszenia. Urządzenie dozujące ciała stałe, takie jak obrotowy zamek pneumatyczny, tłok i zawór (lej), podwójny zawór, przenośnik kubełkowy, zbiornik nadmuchowy itp., jest usytuowane przy dnie urządzenia magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego, by odbierać substraty reakcji z urządzenia magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego. Następnym członem składowym systemu zasilania jest ciężarowy zasilacz automatyczny (lub wolumetryczny), który jest połączony z urządzeniem dozowania ciał stałych oraz z odbiorczym końcem doprowadzającego przewodu i elementem pośrednim. Substraty reakcji są doprowadzane do pętli recyrkulacji z urządzenia magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego, do urządzenia dozowania ciała stałego, do automatycznego zasilacza ciężarowego, a następnie poprzez przewód zasilający są wciągane w pętlę recyrkulacji przy eduktorze lub bezpośrednio w ten eduktor.

Automatyczny zasilacz ciężarowy może być również usytuowany przy urządzeniu magazynowania substratu reakcji w postaci ciała stałego lub przy zbiorniku zasilającym (nie pokazano) usytuowanym przed urządzeniem, który to zbiornik zasila urządzenie. Należy również zauważyć, że dodawanie składników chemicznych w postaci ciała stałego przy urządzeniu zmniejszającym ciśnienie, takim jak eduktor, umożliwia dodawanie chemicznych składników w postaci ciała stałego bezpośrednio w dowolny płyn uczestniczący w reakcji w danym chemicznym procesie produkcyjnym. Przykład owo w wykonaniach wykorzystujących eduktor jako środek do zmniejszania ciśnienia płynów recyrkulacyjnych podciśnienie na gardzieli eduktora będzie powstrzymywało pary przed unoszeniem się w ciała stałe wprowadzane do linii procesu technologicznego. Do czasu wynalazku pary skraplałyby się na ciałach stałych, a mieszanina stawałaby się bardzo kleista co powodowałoby zatykanie całego układu. Jednakże według wynalazku strefa rozprężania lub rozpływu eduktora zapewnia bardzo intensywne mieszanie i utrzymuje wystarczające rozdzielanie składnika w postaci ciała stałego, takiego jak kwas tereftalowy, tak że nie występuje on już w postaci brył w różnych strefach reaktora. Znawca zauważy tu, że aby uzyskać najlepsze wyniki, korzystne jest doprowadzenie składnika stałego bezpośrednio do urządzenia zmniejszającego ciśnienie, takiego jak eduktor, w dowolnym miejscu w strefie rozpływu lub rozprężania tego urządzenia zmniejszającego ciśnienie.

System doprowadzający może doprowadzać więcej niż jeden substrat w postaci ciała stałego.

Możliwe jest również, by wiele systemów doprowadzających działało równolegle lub szeregowo.

W specyficznym wykonaniu polimery mogą być tworzone z wielu ciał stałych, które mogą być doprowadzane oddzielnie każde do swego własnego urządzenia zmniejszającego ciśnienie, szeregowo lub

PL 217 902 B1 równolegle, lub wszystkie ciała stałe polimeru mogą być dozowane do jednego leja zasilającego do jednego urządzenia zmniejszającego ciśnienie. Polimer stały mógłby również być dozowany razem, by zasilać reaktor wykorzystujący ciała stałe do urządzenia. System ten może zatem eliminować konieczność stosowania sprężarki i system przenośnikowy działający na zasadzie przepływu grawitacyjnego.

Według jednego aspektu urządzenie magazynujące substrat w postaci ciała stałego może być zbudowany na elementach ważących, by realizować zadanie automatycznego zasilacza ciężarowego. Zamiast stosowania elementów ważących w automatycznym zasilaczu ciężarowym można stosować przenośnik taśmowy, wagę lejową, śrubę wolumetryczną, lej działający na zasadzie przepływowego odmierzania masy, przepływomierz Coriolisa, lej lub zasilający zbiornik ciężarowy, itp.

Kiedy substraty reakcji dodawane do pętli recyrkulacji płyną do wylotu pętli recyrkulacji, substraty reakcji te i inne płyny recyrkulacji wchodzą z powrotem w reaktor rurowy przy lub w pobliżu wlotu. Taki sposób dodawania substratów reakcji do pętli recyrkulacji, że substraty reakcji zaczynają się blisko wlotu i poruszają się w kierunku wylotu, spełnia zatem zadanie dodawania co najmniej jednego rodzaju substratu reakcji do wlotu reaktora rurowego, które jest jednym z początkowych etapów sposobu według wynalazku. Korzystne jest doprowadzanie stałego substratu reakcji do pętli recyrkulacji poprzez system doprowadzania tak, że stały substrat jest rozpuszczany przez płyny recyrkulacji, zwłaszcza monomer lub oligomer, zanim dopłynie do wylotu pętli recyrkulacji.

Rozważane jest również dodawanie dodatkowych płynnych substratów reakcji do pętli recyrkulacji. Płynne substraty reakcji mogą być dodawane w celu wspomagania stałych substratów reakcji w rozpuszczaniu w płynach recyrkulacyjnych przed dojściem do wylotu pętli recyrkulacji, lub dla wygody, tak że dodatkowy substrat nie musi być dodawany oddzielnie przy wlocie reaktora rurowego.

Płynne substraty reakcji są korzystnie dodawane do pętli recyrkulacji przed eduktorem (przed punktem dodawania stałych substratów reakcji), chociaż płynne substraty reakcji mogą być podobnie dodawane za eduktorem. Rozważane jest dodawanie płynnego substratu reakcji do pętli recyrkulacji poprzez uszczelnienie pompy recyrkulacji. Substraty reakcji mogą być również dodawane przed pompą recyrkulacji. Kiedy stałe substraty reakcji dodawane są poprzez system doprowadzania, a płynne substraty reakcji są również dodawane do pętli recyrkulacji, sposoby te powodują dodawanie co najmniej dwóch rodzajów substratów reakcji do reaktora rurowego w pobliżu jego wylotu, do którego dochodzi wylot pętli recyrkulacji.

Rozpuszczanie substratu reakcji stałego może być wspomagane przez zwiększanie temperatury i przez zmienianie stosunku poliestrowego monomeru do substratu reakcji stałego w systemie recyrkulacji, zmienianie stosunku molowego doprowadzania i/lub zmienianie ciśnienia w systemie.

W specyficznym przykładzie jednym typem substratu reakcji doprowadzanego do pętli recyrkulacji poprzez system doprowadzania może być PTA, który jest stały w temperaturze pokojowej. Taka konstrukcja recyrkulacji pozwala na uniknięcie stosowania zbiornika pasty i problemów związanych z nim. Płynnym substratem może być przykładowo glikol etylenowy. Jeśli glikol etylenowy i PTA są jedynymi substratami reakcji dodawanymi w celu utworzenia monomeru, wówczas wypływający materiał może być doprowadzany bezpośrednio do wlotu reaktora rurowego jako jedyne źródło substratów reakcji dodawanych do reaktora rurowego. Oczywiście rozważane są odmiany takiej konstrukcji, takie jak pompowanie większej ilości glikolu etylenowego jako substratu reakcji we wlot reaktora rurowego oprócz glikolu etylenowego i PTA dodawanych w pobliżu wlotu reaktora rurowego z pętli recyrkulacji. Według oddzielnego aspektu diol, taki jak glikol etylenowy, może być doprowadzany poprzez przewód recyrkulacji przed lub po pompie pętli recyrkulacji, lub przed lub po przewodzie doprowadzania PTA do przewodu recyrkulacji, lub przed, ale w pobliżu urządzenia zmniejszającego ciśnienie wraz z doprowadzaniem PTA.

W przykładzie wykonania, gdzie materiał wypływający z końca procesu estryfikacji jest rozdzielany za pomocą trójnika, jedna część tego wypływającego materiału jest podawana do pętli recyrkulacji. W innym przykładzie wykonania, trójnik jest umieszczony pomiędzy rurowymi reaktorami procesu pełnej estryfikacji tak, że materiał doprowadzany do pętli recyrkulacji nie pochodzi z końca procesu estryfikacji, ale raczej z punktu pośredniego w procesie estryfikacji. Końcowy materiał wypływający z procesu estryfikacji jest w przewodzie (po usunięciu pary w przewodzie).

W innym przykładzie wykonania wylot pętli recyrkulacji jest usytuowany za wlotem reaktora rurowego. Rozwiązanie takie jest korzystne, gdy monomer, który dochodzi do wlotu pętli recyrkulacji lub zawiesina utworzona w wyniku dodania na stanowisku doprowadzania wymaga krótszego czasu przebywania niż miałoby to miejsce, gdyby wylot pętli recyrkulacji był dołączony bezpośrednio do wlotu reaktora rurowego.

PL 217 902 B1

W różnych przykładach wykonania materiał doprowadzany do pętli recyrkulacji pochodzi lub z procesu estryfikacji, lub z procesu polikondensacji. W szczególności, według różnych aspektów, materiał doprowadzany do pętli recyrkulacji może pochodzić z miejsca pośredniego w reaktorze estryfikacji, z końca reaktora estryfikacji, może to być produkt z wylotu reaktora prepolimeru, produkt z wylotu reaktora wykończeniowego lub z dowolnego punktu od początku procesu estryfikacji do produktu końcowego z wylotu procesu polikondensacji. Płyny recyrkulacji zawierają według różnych aspektów substraty reakcji, monomer poliestrowy, oligomer poliestrowy i/lub poliestrowy polimer, zależnie od tego, skąd pochodzi materiał doprowadzany z pętli recyrkulacji. System recyrkulacji nie jest ograniczony do stosowania jednej pętli recyrkulacji, ale alternatywnie obejmuje dwie lub więcej pętle recyrkulacji połączone w układzie szeregowym i/lub równoległym.

Rozważa się również, by pętla recyrkulacji miała inne właściwości omówione powyżej w odniesieniu do reaktora rurowego, takie jak środki grzania i środki usuwania pary w pętli recyrkulacji, które mogą być takimi samymi częściami składowymi i urządzeniami, jak opisano powyżej i mogą mieć takie właściwości i rozwiązania. Jeżeli monomer jest usuwany z miejsca w pobliżu wylotu reaktora rurowego, wówczas do pętli recyrkulacji nie trzeba dodawać środków usuwania pary. W przeciwnym razie poziom cieczy podnosi się lub opuszcza, aż ciśnienie będzie zbliżone do atmosferycznego, a parę odprowadza się do układu destylacji.

W odniesieniu zwłaszcza do środków usuwania pary w jednym przykładzie wykonania pętli recyrkulacji konstrukcja jest podobna do opisanej powyżej w odniesieniu do reaktora rurowego, jak pokazano np. na fig. 7a-g. Ponadto, chociaż nie jest to wymagane, korzystne jest, że mechanizm wypuszczania pary jest usytuowany w pobliżu wlotu pętli recyrkulacji tak, że pary są usuwane przed dodaniem substratów reakcji.

Warto zauważyć, że chociaż z pętlą recyrkulacyjną związane są zalety oczywiste dla fachowców na podstawie powyższego opisu, nie jest konieczne stosowanie pętli recyrkulacyjnej w reaktorze rurowym, by był on objęty zakresem wynalazku. Można zamiast tego zastosować pierwotnie omówione człony składowe, takie jak pompa płynnych substratów reakcji i zbiornik mieszanki pastowatej substratów reakcji w postaci ciała stałego. Wykonanie z zastosowaniem pętli recyrkulacyjnej umożliwia jednak konstruktorowi zastąpienie zbiornika mieszanki pastowatej, pompy, oprzyrządowania, mieszadła itd. pompą i urządzeniem zmniejszającym ciśnienie, takim jak eduktor.

Znawca zauważy również, że pętla recyrkulacyjna jest najkorzystniejsza przy wprowadzaniu substratów reakcji stałych, a jest mniej korzystna, gdy dodawane są tylko substraty reakcji płynne (np. przy wytwarzaniu monomeru PET z DMT i EG). Stosowanie pętli recyrkulacyjnej do rozpuszczania substratów reakcji stałych zmniejsza ścieranie powodowane przez ciała stałe w systemie. Przykładowo stały PTA może być rozpuszczany przez monomer w pętli recyrkulacyjnej zamiast stosowania konwencjonalnego zbiornika pasty. W sposobie z konwencjonalnym zbiornikiem pasty stały PTA jest doprowadzany do sposobu i pozostaje składnikiem ściernym w stanie nie rozpuszczonym. W rzeczywistości reaktory rurowe, które przetwarzają tylko substraty reakcji płynne, nie mogą korzystać ze zwiększonej złożoności przy stosowaniu pętli recyrkulacyjnej. Jednakże pętla recyrkulacyjna może zwiększyć przenoszenie ciepła do procesu estryfikacji.

Przelewy

Mogą być użyte środki do regulowania poziomu u góry rurowego reaktora estryfikacji. W jednym wykonaniu co najmniej jeden przelew jest przymocowany do wewnętrznej powierzchni rurowego reaktora estryfikacji, a przez ten przelew przepływają płyny estryfikacji. Jak przedstawiono na fig. 4, żądanym środkiem regulacji jest przelew 110. Przelew ten jest korzystnie usytuowany w pobliżu wylotu reaktora rurowego.

Przelew ten ma część korpusową otoczoną przez krawędź. Część tej krawędzi jest nazywana krawędzią łączącą, a pozostała część krawędzi nazywana jest krawędzią górną. Krawędź łącząca ma taki wymiar, by była komplementarnie przyjmowana przez część wewnętrznej powierzchni reaktora rurowego i mocowana do niej. Ponieważ powierzchnia wewnętrzna ma w korzystnym przykładzie wykonania kołowy przekrój poprzeczny, krawędź łącząca jest również kołowa do komplementarnego kontaktu i sprzężenia z powierzchnią wewnętrzną.

Nawiązując nadal do fig. 4, substraty reakcji i/lub monomer płyną od punktu 111 poprzez przelew do punktu 112. Przelew działa jako zapora wobec substratów reakcji i/lub monomeru, tak że płynny materiał przepływa nad górną krawędzią przelewu. Przelew kontroluje zatem głębokość cieczy wraz z lepkością płynu, natężeniem przepływu i długością rury przed przelewem. Po minięciu przelewu płyn wypływa z wylotu reaktora rurowego w miejscu 113. Jak opisano poniżej, przelew może rówPL 217 902 B1 nież mieć otwory w nim lub przy dnie, aby zapewnić równomierność przepływu i całkowite opróżnianie. Obejmuje to przelewy ze szczeliną górną, z klinowym nacięciem w przelewach, itd. Przelew jest korzystnie usytuowany w odległości pięciu do dziesięciu średnic rury od wylotu reaktora rurowego. Według jednego aspektu przy pochyleniu wierzchołka przelewu może on kompensować większe lub mniejsze przepływy i lepkości.

W alternatywnych wykonaniach poziom można regulować za pomocą dowolnego znanego regulatora poziomu, takiego jak, ale bez ograniczenia, zawór regulacyjny, szczelne odgałęzienia, urządzenia regulacji poziomu, takie jak urządzenia, które wykorzystują różnicę ciśnienia, promieniowanie, ultradźwięki, pojemność lub wzierniki szklane. Inne specyficzne przykłady urządzeń regulacji poziomu można znaleźć w podręczniku Perry's Chemical Engineer's Handbook, 7 wydanie, s. 8-49.

Dodatki

Inny opcjonalny aspekt wynalazku obejmuje środki do wprowadzania jednego lub wielu dodatków do reaktora rurowego pomiędzy jego wlotem a wylotem. Dodatki takie są opisane powyżej i obejmują, ale bez ograniczenia, katalizator, barwnik, toner, pigment, sadzę, włókna szklane, wypełniacz, modyfikator odporności na udary, przeciwutleniacz, stabilizator, środek powstrzymujący palenie, środek umożliwiający powtórne nagrzewanie, związek zmniejszający zawartość aldehydu octowego, związek usuwający tlen, związek pochłaniający promieniowanie ultrafioletowe, dodatek polepszający działanie barierowe, taki jak cząstki płatkowe, czarny tlenek żelaza, komonomery, ich mieszaniny, itp. Dodatki mogą być w postaci ciała stałego, cieczy lub gazu. Dodatki przed wprowadzeniem do systemu mogą być podgrzewane, łącznie ze zmianą fazy, np. ciekły glikol etylenowy podgrzewany jest do stanu pary w celu zapewnienia grzania reaktora.

W korzystnych przykładach przedstawionych na fig. 12a i 12b środkiem wprowadzającym jest uszczelniany kanał, co zaznaczono strzałkami na fig. 12a i 12b, przebiegający przez reaktor rurowy, by umożliwić połączenie płynowe pomiędzy jego powierzchnią zewnętrzną a jego powierzchnią wewnętrzną oraz iniektor do wprowadzania dodatku w materiał płynący w reaktorze rurowym (to znaczy substraty reakcji i/lub monomer). Iniektor może zawierać pompę lub inne środki, takie jak powodowane przez ciśnienie wstępne, różnicę poziomów lub grawitację wprowadzanie dodatku do wnętrza reaktora rurowego, które musi odbywać się przy ciśnieniu większym niż ciśnienie materiałów wewnątrz reaktora rurowego w miejscu usytuowania tego uszczelnianego kanału.

Określenie „uszczelniany kanał” obejmuje dowolny otwór umożliwiający połączenie zewnętrznej strony reaktora rurowego z jego wnętrzem. Korzystne jest, by „uszczelniany kanał” mógł być zamykany tak, że kiedy dodatek nie jest wprowadzany w reaktor rurowy, wówczas substraty reakcji i/lub monomer nie wyciekają z reaktora rurowego. Uszczelniany kanał może być szczelnie zamykany korkiem itp., jak również iniektorem nie pozwalającym na wyciek z reaktora rurowego.

Dodatki mogą być wprowadzane w dowolnym miejscu wzdłuż dowolnej części reaktora rurowego, jak pokazano na fig. 12a i 12b. Przykłady odpowiednich punktów wprowadzania dodatków obejmują uszczelniany kanał przechodzący przez część górnej, bocznej lub dolnej poziomo usytuowanej sekcji reaktora rurowego, górnej, bocznej lub dolnej sekcji odpowiedniego kolanka w szczelnym odgałęzieniu i przed wymiennikiem ciepła. Jak pokazano na fig. 12b wprowadzanie w kolanko jest korzystne ze względu na uzyskiwane maksymalne mieszanie i szybkie wprowadzenie dodatku w substraty reakcji i/lub monomer bez silnie skoncentrowanych wirów występujących wewnątrz reaktora rurowego.

Innym aspektem środków wprowadzających jest zastosowanie dyszy u wylotu iniektora. Dysza taka może kierować przepływ wewnątrz reaktora rurowego w miejscu usytuowania uszczelnianego kanału. Przykładowo dysza ta może wprowadzać dodatek współprądowo, przeciwprądowo lub prostopadle do substratów reakcji i/lub monomeru, które płyną wewnątrz reaktora rurowego w tym miejscu.

Wracając do konstrukcji rurowego reaktora estryfikacji, wysokość podniesienia rury, średnica rury, całkowita długość rury i ciśnienie u wlotu i wylotu mogą zmieniać się w szerokich zakresach w zależności od wytwarzanych produktów, przepustowości instalacji i warunków działania. Znawca łatwo określi te parametry posługując się podstawowymi zasadami projektowania.

Niektóre zalety wynalazku

Jedna zaleta wynalazku polega na tym, że konstrukcja taka umożliwia zbudowanie reaktora w obszarach objętych zakłóceniami. Przewód rurowy może być wykonany wokół kolumn, belek, innych rur, innych reaktorów, kolumn destylacyjnych itd.

Ponadto, przykłady wykonania wynalazku nie wymagają regulacji ciśnienia lub poziomu. Ciśnienie przy dnie reaktora estryfikacji lub wymiany estrowej jest regulowane przez spadki ciśnienia na skutek tarcia, ciśnienie statyczne zawartości cieczy w reaktorze i ciśnienie wsteczne na przewodach

PL 217 902 B1 pary opuszczającej reaktor. Ponieważ celem jest zmniejszenie ciśnienia w reaktorze w przepisowym profilu ciśnienia, przewód rurowy reaktora ma taki kształt, by powodować ten profil. Eliminuje to konieczność regulowania ciśnienia za pomocą zaworów. Jednakże, możliwe jest regulowanie ciśnienia destylacji lub ciśnienia wypuszczania pary i dodawanie tej różnicy ciśnienia do całego reaktora estryfikacji lub wymiany estrowej.

Reaktory rurowe według wynalazku mogą być konstruowane i instalowane w czasie krótszym niż reaktory zbiornikowe. Przewód rurowy może być prefabrykowany w warsztacie lub w terenie. Wymiary reaktorów rurowych mogą być projektowane tak, aby możliwe było przewożenie sekcji reaktora za pomocą standardowych samochodów ciężarowych, kontenerów transportowych, platform, itd. bez kosztownego i powolnego uzyskiwania zezwoleń na transport ładunku o wymiarach lub ciężarze powyżej wartości dozwolonych. Prefabrykowanie umożliwia modułowe konstrukcje instalacji, gdzie przewód rurowy można wykonać, sprawdzić pod ciśnieniem i izolować w warsztacie, skracając przez to czas budowy na miejscu i zmniejszając koszt.

Objętość cieczy potrzebna do konstrukcji rurowego reaktora do wytwarzania poliestru według wynalazku jest znacznie mniejsza niż w konwencjonalnym sposobie wytwarzania poliestru. Dodatkowo ilość określonych powstających produktów ubocznych można znacznie zmniejszyć stosując konstrukcję reaktora rurowego według wynalazku. Według jednego aspektu wynalazku przy wytwarzaniu politereftalanu etylenu wynalazek ten może uzyskać poziom zanieczyszczenia glikolem dietylenowym w końcowym produkcie poniżej 1,2% wag., a według innego aspektu poniżej 1,0% wag., zaś według jeszcze innego aspektu 0,74-1,0% wag. Znacznie różni się to od konwencjonalnego sposobu wytwarzania politereftalanu etylenu, gdzie zwykle zakres zawartości zanieczyszczeń glikolem dietylenowym wynosi 1,2-2,0% wag.

W rzeczywistości taka zmniejszona zawartość zanieczyszczenia glikolem dietylenowym w produkcie końcowym może być uzyskana równocześnie ze znacznym zmniejszeniem objętości cieczy osiąganym przy konstrukcji rurowego reaktora według wynalazku do wytwarzania poliestru.

Przykłady

Jeżeli nie podano inaczej, części są częściami wagowymi, wartości temperatury są w stopniach Celsjusza lub jest to temperatura otoczenia, a ciśnienie jest bliskie lub równe ciśnieniu atmosferycznemu.

Dla danych poniżej zastosowano modelowanie ASPEN. Tam, gdzie w przykładach jest mowa o modelowaniu ASPEN, chodzi o ASPEN 10.2, dodatek serwisowy 1, z technologią Polymers Plus oraz technologią ASPEN's PET.

P r z y k ł a d 1

Stosując modelowanie ASPEN obliczono przykładowe długości rur i pola powierzchni wymiany ciepła dla systemu reaktora rurowego do wytwarzania PET i PETG. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

T a b l i c a 1

		Estryfikacja	Polikondensacja
Średnica rury	metr	0,356	0,304	0,356	0,406
Długość rury instalacji PET	metr	223,418		541,02 Etap 1	580,644 Etap 2
Pole powierzchni wymiennika ciepła instalacji PET	metr²	204,387		185,806
Długość rury instalacji PETG	metr	24,079	22,86 Etap 1	77,724 Etap 2	207,26 Etap 3
Pole powierzchni wymiennika ciepła instalacji PETG	metr²	204,387		176,516

P r z y k ł a d 2

Objętość cieczy potrzebna do konstrukcji rurowego reaktora poliestru jest znacznie mniejsza niż w konwencjonalnym sposobie wytwarzania poliestru. Przykładowo przeprowadzono modelowanie

ASPEN w celu porównania z zakładem produkującym rocznie 300 milionów funtów (około 150 mln.

kg) butelek z politereftalanu etylenu. Wyniki przedstawiono w tablicy 2 poniżej.

PL 217 902 B1

T a b l i c a 2

Estryfikacja
Standardowy zakład	100 m³
Reaktor rurowy	8,4 m³
% zmniejszenia	92%
Polikondensacja
Standardowy zakład	35,6 m³
Reaktor rurowy	14,2 m³
% zmniejszenia	60%
Cała instalacja
Standardowy zakład	135,6 m³
Reaktor rurowy	22,6 m³
% zmniejszenia	83%

P r z y k ł a d y 3-7

Przeprowadzono różne modelowanie ASPEN w celu określenia warunków pracy i wyników w przypadku różnych poliestrów według wynalazku. Modelowanie to oparte było na urządzeniu według wynalazku z fig. 17a lub 17b, jak podano w tablicach poniżej. Właściwa lepkość mierzona była przez rozpuszczenie 0,25 g polimeru w 50 ml rozpuszczalnika, który złożony był z 60% wag. fenolu i 40% wag. 1,1,2,2-tetrachloroetanu. Pomiar przeprowadzono przy 25°C stosując lub różnicowy, lub zmodyfikowany różnicowy lepkościomierz Viscotek sposobem opisanym w ASTM D 5225 „Standard Test Method for Making Solution Viscosity of Polymers with a Different Viscometer”. Wyniki z przykładów 3-7 przedstawiono poniżej odpowiednio w tablicach 3-7.

T a b l i c a 3

HOMOPET - polimer butelkowy
Stopień recyrkulacji	5 części wag. monomeru do 1 części PTA
Reaktor (patrz fig. 17a)	Estryfikacja	Strefa polikondensacji 1	Strefa polikondensacji 2	Strefa polikondensacji 3
Temperatura (°C)	296	296	296	296
Ciśnienie (kPa)	68,9-13,789
Ciśnienie (kPa)			8,133	1,333	0,067
Objętość cieczy (m³)	16,2	3,7	3,3	9,9
	E1	P1	P2	P3
Rura 12 metrów	192,534	77,114
Rura 14 metrów			284,988	252,984
Rura 16 metrów					571,5
Wymiennik ciepła (metr²)	204,387	204,387
Gotowy produkt
Objętość właściwa	0,60 dl/g
Glikol dietylenowy	0,78 % wag.
Zakończenia kwasowe	równoważne 33 moli na 1 min g
Zakończenia winylowe	równoważne 1,5 moli na 1 min g

PL 217 902 B1

T a b l i c a 4

Kopoliester PETG (20,5% wag CHDM)
Stopień recyrkulacji	10 części wag. monomeru do 1 części PTA
Wydajność produkcyjna	47 mln kg rocznie
Stosunek molowy doprowadzenia EG do PTA	3,5
Reaktor (patrz fig. 17a)	Estryfikacja	Strefa polikondensacji 1	Strefa polikondensacji 2	Strefa polikondensacji 3
Temperatura (°C)	225	255	275	275
Ciśnienie (kPa)	324,048-172,366
Ciśnienie (kPa)			16	0,667	0,067
Objętość cieczy (m³)	4,6	4,0	5,0	3,2
	E1	P1	P2	P3
Rura 12 metrów	64,922	25,908
Rura 14 metrów			61,265	107,899
Rura 16 metrów					207,264
Wymiennik ciepła (metr²)	185,806	185,806
Gotowy produkt
Objętość właściwa	0,75 dl/g

T a b l i c a 5

HOMOPET - polimer butelkowy
1	2	3
Stopień recyrkulacji	5 części wag. monomeru do 1 części PTA
Wydajność produkcyjna	150 mln kg rocznie
Stosunek molowy doprowadzenia EG do PTA	1,6
Reaktor (patrz fig. 17b)	Estryfikacja	Strefa polikondensacji 1	Strefa polikondensacji 2	Strefa polikondensacji 3
Temperatura (°C)	296	296	296	296
Ciśnienie (kPa)	68,9-13,789
Ciśnienie (kPa)			1,467	1,333	0,067
Objętość cieczy (m³)	8,4	1,7	2,7	9,8
	E1	P1	P2	P3
Rura 12 metrów	96,924	38,71
Rura 14 metrów			192,027	306,324
Rura 16 metrów					571,5
Wymiennik ciepła (metr²)	185,806	185,806
Gotowy produkt
Objętość właściwa	0,60 dl/g
Glikol dietylenowy	0,94% wag.

PL 217 902 B1 cd. tablicy 5

1	2	3	4
Zakończenia kwasowe	równoważne 36 moli na 1 mln g
Zakończenia winylowe	równoważne 1,5 moli na 1 mln g

T a b l i c a 6

HOMO PET - polimer na włókna
Stopień recyrkulacji	5 części wag. monomeru do 1 części PTA
Wydajność produkcyjna	150 mln kg rocznie
Stosunek molowy doprowadzenia EG do PTA	1,6
Reaktor (patrz fig. 17b)	Estryfikacja	Strefa polikondensacji 1	Strefa polikondensacji 2	Strefa polikondensacji 3
Temperatura (°C)	296	296	296	296
Ciśnienie (kPa)	68,9-13,789
Ciśnienie (kPa)			1,467	1,333	0,067
Objętość cieczy (m³)	8,4	1,9	2,4	7,7
	E1	P1	P2	P3
Rura 12 metrów	95,402	38,1
Rura 14 metrów			214,579	272,186
Rura 16 metrów					448,97
Wymiennik ciepła (metr²)	185,806	185,806
Gotowy produkt
Objętość właściwa	0,55 dl/g
Glikol dietylenowy	0,94% wag.

T a b l i c a 7

Kopoliester PETG (20,5% wag CHDM)
Stopień recyrkulacji	10 części wag. monomeru do 1 części PTA
Wydajność produkcyjna	47 mln kg rocznie
Stosunek molowy doprowadzenia EG do PTA	3,5
Reaktor (patrz fig. 17b)	Estryfikacja	Strefa polikondensacji 1	Strefa polikondensacji 2	Strefa polikondensacji 3
Temperatura (°C)	255	255	275	275
Ciśnienie (kPa)	324,049-172,366
Ciśnienie (kPa)			16	0,667	0,067
Objętość cieczy (m³)	2,3	2,5	5,0	3,2
	E1	P1	P2	P3
Rura 12 metrów	32,309	13,106
Rura 14 metrów			38,1	77,419

PL 217 902 B1 cd. tablicy 7

1	2	3	4	5	6
Rura 16 metrów					207,264
Wymiennik ciepła (metr²)	185,806	185,806
Objętość właściwa	0,75 dl/g

Porównując tablicę 3 z tablicą 5 można zauważyć, co następuje. Przy braku oddzielania pary w sposobie sprawdzającym (dane z tablicy 3) produkt uboczny (glikol dietylenowy) stanowi 0,78% wag. w porównaniu z danymi z tablicy 5, gdzie zastosowano oddzielanie pary w sekcji estryfikacji i wytwarzany jest produkt uboczny glikol dietylenowy w ilości 0,94% wag. Jednakże, przy oddzielaniu pary w systemie estryfikacji objętość cieczy zostaje zmniejszona z 16,2 m³ do 8,4 m³ (patrz tablica 5 i tablica 3). Usuwanie wody podczas procesu estryfikacji, jak pokazano w tablicy 5, zmusza reakcję do wytwarzania monomeru, ale również do wytwarzania dodatkowej ilości glikolu dietylenowego. Jednakże objętość cieczy w reaktorze zostaje drastycznie zmniejszona. W takim przypadku dla politereftalanu etylenu zmniejszenie objętości zastępuje zwiększoną wydajność wytwarzania glikolu dietylenowego i daje produkt końcowy o nieco większej ilości glikolu dietylenowego, ale ze zmniejszeniem objętości cieczy w reaktorze prawie o 50%. Powoduje to znaczne oszczędności na inwestycjach kapitałowych i kosztach eksploatacji przy produkcji politereftalanu etylenu.

Claims

1. Sposób wytwarzania monomeru poliestru, znamienny tym, że obejmuje:

(a) zapewnienie horyzontalnie zorientowanego rurowego reaktora estryfikacji mającego wlot, wylot cieczy, wylot pary i powierzchnię wewnętrzną, przy czym wlot jest usytuowany co najmniej o 6m pionowo poniżej wylotu cieczy, przy czym reaktor rurowy estryfikacji jest pusty, (b) najpierw, mieszanie kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego, jako płynów w proksymalnym wlocie reaktora rurowego, a kwas tereftalowy i glikol etylenowy przepływają przez reaktor rurowy, potem (c) reagowanie ze sobą nawzajem zmieszanego kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego w reaktorze rurowym do utworzenia monomeru poliestru i pary, jako produktu ubocznego, wewnątrz reaktora rurowego;

(d) wypływanie monomeru poliestru przez wylot cieczy i usuwanie pary, jako produktu ubocznego, przez wylot pary.

2. Urządzenie do wytwarzania monomeru poliestru, znamienne tym, że zawiera: horyzontalnie zorientowany reaktor rurowy, który jest pusty i ma wlot, wylot i powierzchnię wewnętrzną, przez które przepuszczane są kwas tereftalowy i glikol etylenowy, przy czym reaktor rurowy ma naprzemienne liniowe i nieliniowe sekcje przebiegające w swoich odpowiednich wzdłużnych kierunkach pomiędzy jego wlotem a wylotem, przy czym wlot reaktora rurowego jest usytuowany co najmniej o 6 m pionowo poniżej wylotu reaktora rurowego oraz przy czym reaktor rurowy zawiera sekcję górną, sekcję środkową i sekcję dolną, a ponadto zawiera co najmniej trzy upusty odgazowujące włączone do reaktora, przy czym płyny przemieszczające się wewnątrz jego wewnętrznej powierzchni przepływają również kolejno przez trzy odpowiednie upusty odgazowujące, płynąc od pierwszego końca do drugiego końca reaktora i przy czym trzy upusty odgazowujące są usytuowane w reaktorze rurowym przez wytwarzanie przepływu laminarnego, warstwowego, nie kołowego, dwufazowego gazu i cieczy i są w komunikacji płynowej odpowiednio z sekcją górną, z sekcją środkową i z sekcją dolną reaktora.