TWI441676B - 水平式塔盤反應器 - Google Patents

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Roy Douglas Flores
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Description

水平式塔盤反應器
本發明係關於用於處理含液體反應介質之反應器。在另一態樣中，本發明係關於用於聚酯之熔融相製造之聚縮合反應器。
熔融相聚合可用於製造各種聚酯，諸如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。PET被廣泛用於飲料、食物及其他容器以及用於合成纖維及樹脂。處理技術之進步連同需求增加導致PET之生產及銷售之市場競爭日益激烈。因此，低成本、高效率地製造PET之方法為理想的。
通常，熔融相聚酯生產設施(包括用於製備PET之彼等設施)使用酯化階段及聚縮合階段。在酯化階段中，使聚合物原料(亦即反應物)轉換成聚酯單體及/或寡聚物。在聚縮合階段中，使退出酯化階段之聚酯單體及/或寡聚物轉化成具有所要最終平均鏈長之聚合物產物。
在許多習知熔融相聚酯生產設施中，酯化及聚縮合係在一或多個諸如連續攪拌槽反應器(CSTR)之機械攪動式反應器中進行。然而，CSTR及其他機械攪動式反應器具有若干缺點，其可能造成整個聚酯生產設施之資本、操作及/或維護成本增加。舉例而言，通常與CSTR相關之機械攪拌器及各種控制設備為複雜、昂貴的且可能需要廣泛維護。
因此，對可最小化資本、操作及維護成本同時維持或增 強產品品質之高效率聚酯製程存在需要。
在本發明之一實施例中，提供一種方法，其包含：使反應介質流過一反應器，該反應器包含一水平伸長容器外殼及複數個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質通過該反應器時，該反應介質流經該等塔盤中之至少2者。
在本發明之另一實施例中，提供一種方法，其包含：(a)將主要為液體之進料引入一聚縮合反應器中，其中該進料在該反應器中形成反應介質，其中該進料包含具有在約5至約50之範圍內之平均鏈長的PET;(b)使該反應介質在該反應器中進行聚縮合，進而提供主要為液體之產物及蒸汽，其中該蒸汽包含該聚縮合之副產物，其中該反應器包含一大體上水平之伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之大體上水平之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質經歷聚縮合時，至少一部分該反應介質流經該等塔盤，其中該反應介質在該等塔盤之垂直相鄰塔盤上在大致相反方向上流動且在該等塔盤之間由於重力而下落，其中該容器外殼具有在約1.2:1至約30:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率，其中大多數該等塔盤具有至少約0.5L之長度，其中該容器外殼包含一大體上圓柱形之管及一對與該管之相對末端耦接之端蓋；(c)經由一定位於該容器外殼之頂部附近之蒸汽出口自該反應器排出該蒸汽；及(d)經由一定位於該容器外殼之底部附近之產物出口自該反應器排出該產物， 其中該產物包含具有比該進料之平均鏈長大至少約10之平均鏈長的PET。
在本發明之另一實施例中，提供一種反應器，其包含一水平伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤。
下文參考隨附圖式詳細地描述本發明之某些實施例。
圖1及圖2說明根據本發明之一實施例配置之示範性水平式塔盤反應器。圖1及圖2中所示之反應器之組態及操作詳細描述於下文中。儘管以下描述之某些部分主要與用於熔融相聚酯製造方法中之反應器相關，但是根據本發明之實施例配置之反應器可在多種化學方法中獲得應用。舉例而言，根據本發明之某些實施例配置之反應器可有利地用於化學反應在反應介質之液相中進行且由於該化學反應而產生蒸汽副產物之任何方法中。另外，根據本發明之某些實施例配置之反應器可有利地用於至少一部分反應介質在處理期間形成泡沫之化學方法中。
現參考圖1，將水平式塔盤反應器10之一實施例圖示為通常包含一水平伸長容器外殼12及一系列安置於容器外殼12內部之垂直間隔塔盤14a-14f。
容器外殼12通常包含水平伸長管狀元件16及一對與管狀元件16之相對末端耦接之端蓋18a及18b。容器外殼12界定進料入口20、蒸汽出口22及液體產物出口24。如圖1中所示，進料入口20及蒸汽出口22可定位於容器外殼12之頂部 附近，而液體產物出口24可定位於容器外殼12之底部附近。在一實施例中，進料入口20可定位於一個端蓋中或其附近，而蒸汽出口22及產物出口24可定位於相對端蓋中或其附近。另外，內部進料分配器20a可用於朝端蓋18a排出進料，進而最小化及/或消除上塔盤14a上之停滯區。
在圖1中所示之實施例中，管狀元件16為大體上水平、大體上筆直、大體上圓柱形之管。在一替代性實施例中，管狀元件16可具有各種橫截面組態(例如長方形、正方形或橢圓形)。另外，管狀元件16無需具有完全水平之定向。舉例而言，管狀元件16之伸長中心軸可在水平線之約10、約5或2度範圍內延伸。
在圖1中所示之實施例中，容器外殼12及/或管狀元件16具有大於其最大內徑(D)之最大內部長度(L)。在一實施例中，容器外殼12及/或管狀元件16可具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率。在一實施例中，D可在約2至約40呎、約6至約30呎或10呎至20呎之範圍內，且L可在約5至約100呎、約10至約60呎或15呎至40呎之範圍內。
如圖1中所示，一系列塔盤14a-14f被安置於容器外殼12內部且通常沿容器外殼12之實質長度延伸。一系列塔盤14a-14f包括最高塔盤14a、複數個中間塔盤14b-14e及最低塔盤14f。任何、大多數或所有塔盤14a-14f可具有至少約0.5L、至少約0.75L或至少0.90L之長度。在一實施例中， 各塔盤可為相同長度，或者至少2個塔盤可具有不同長度。
各塔盤14a-14f界定接收端及排出端。在圖1中所說明之實施例中，垂直相鄰塔盤之接收端及排出端可安置於容器外殼12之大致相對末端處，以便使下塔盤14b、14d、14f之接收端通常位於垂直相鄰對之上塔盤14a、14c、14e之排出端下方。另外，下塔盤14b、14d、14f之接收端可與上塔盤14a、14c、14e之排出端向外間隔開以產生流動通道26a、26c、26e，該等通道允許流體在垂直相鄰塔盤之間流動流通。在圖1中所說明之實施例中，塔盤14b、14d、14f之接收端可配備導流器28b、28d、28f。視需要，各塔盤14a-14f之排出端可配備向上延伸之堰30a-30f。
在圖1中所示之實施例中，塔盤14a、14c、14e之接收端與端蓋18a直接耦接，而塔盤14b、14d、14f之排出端與端蓋18a間隔開以便形成流動通道26b、26d、26f，該等通道促進流體在垂直相鄰塔盤之間流動流通。或者，塔盤14c、14e之接收端亦可與端蓋18a間隔開且可通常自塔盤14b、14d之排出端向外定位。如由圖1中之實施例所說明，塔盤14b、14d、14f之接收端及塔盤14a、14c、14e之排出端各自與端蓋18b間隔開以便由塔盤14a-14f之末端與端蓋18b之間的間隙界定向上蒸汽流動通道32。在一實施例中，蒸汽出口22可定位於向上流動通道32之頂部附近。
在圖1及圖2中所示之實施例中，塔盤14a-14f為大體上平坦、大體上水平、大體上長方形之板，其各自界定液體可 流過之大體上水平、大體上平坦之面上流動表面。如圖2中所說明，塔盤14a-14f將容器外殼12之內體積分成相應反應器流動腔室42a-42g。為提供足夠大的流動腔室42a-42g，各塔盤14a-14f之面上流動表面可與垂直相鄰塔盤間隔至少約0.05D、至少約0.10D或至少0.25D之垂直距離。各塔盤14a-14f之面上流動表面可與垂直相鄰塔盤間隔在約5至約50吋、約10至約40吋或15至30吋之範圍內之垂直距離。另外，各塔盤無需具有完全水平之定向。舉例而言，塔盤14a-14f之面上表面之至少2者可自水平線傾斜小於約10、小於約5或小於約2度。
在圖1及圖2中所說明之實施例中，反應器10包含6個具有大體上平行之側面之塔盤14a-14f，該等側面與管狀元件16內部剛性及密封耦接(例如焊接)。然而，應注意，容器外殼12內部安置之塔盤之數量及組態可加以最佳化以匹配使用反應器10之應用。舉例而言，反應器10可使用至少2個塔盤、至少4個塔盤、至少6個塔盤或具有在4至15或5至10個之範圍內的塔盤數。另外，塔盤14a-14f之側面可與容器外殼12之側壁間隔開且在容器外殼12中可使用各種支撐機制來支撐，諸如，使用自容器外殼12之底部延伸之支撐腿或自容器外殼12之頂部懸掛。
再次參考圖1，在操作中，將可呈主要為液體之形式的進料經由進料入口20引入反應器10中及最高塔盤14a之接收端上。進料於是形成反應介質34，其通常水平地流過最高塔盤14a且流向最高塔盤14a之排出端。當反應介質34沿 最高塔盤14a之面上表面流動時，化學反應在反應介質34內部發生。可形成蒸汽36，其包含在塔盤14a之面上表面上進行之化學反應的副產物及/或經由進料入口20進入反應器10之進料之揮發性組分。當反應介質34流經最高塔盤14a時，至少一部分蒸汽36自反應介質34分離且通常在反應介質34之上流動。
如圖1中所示，在本發明之一實施例中，在反應器10中進行之化學反應引起反應介質34之起泡，進而產生反應介質34之泡沫部分38及主要為液體之部分40。化學反應可在泡沫部分38及主要為液體之部分40之液相中進行。事實上，泡沫之存在可實際上增強某些化學反應，尤其可藉由增加液體表面積及降低壓力而受到促進之彼等反應。因此，在一實施例中，反應器流動腔室42a-42g之內體積及開口流動面積係足夠大以便允許最大量之泡沫形成。在大量起泡發生遍及反應器之實質部分之應用中，可希望採用減少數量之塔盤以便在反應器體積內為最大泡沫形成提供足夠空間。或者，可使用大直徑容器外殼12來提供必需的體積及開口流動面積以促進泡沫形成。如圖1及圖2中所示，由反應產生之泡沫量可隨反應介質34前進穿過反應器10而減少。因此，最高塔盤14a上之反應介質34可包含超過約50體積百分比、超過約75體積百分比或超過90體積百分比之蒸汽，而最低塔盤14f上之反應介質34可包含小於約20體積百分比、小於約10體積百分比或小於5體積百分比之蒸汽。
再次參考圖1，當反應介質34達到最高塔盤14a之排出端時，其由於重力而向下落穿過流動通道26a且落至第一中間塔盤14b之接收端之部分上，該中間塔盤14b與最高塔盤14a之排出端向外間隔開。當最高塔盤14a之排出端配備堰30a時，在落至第一中間塔盤14b之面上表面上之前，至少一部分反應介質34流過堰30a之頂部上、堰30a之邊緣周圍、穿過堰30a中之開口及/或堰30a下方。當反應介質34退出最高塔盤14a且向下流至第一中間塔盤14b上時，蒸汽自最高塔盤14a向上流動且可與後續塔盤14c-14f上所產生之蒸汽以及容器外殼12之底部上所產生之蒸汽組合。所得組合蒸汽可在經由蒸汽出口22退出反應器10之前，經由向上流動通道32上升。
堰30a-30f可用於反應器10中以幫助維持反應介質34在塔盤14a-14f上之所要深度。在本發明之一實施例中，反應介質34之主要為液體之部分在各塔盤上的最大深度係小於約0.1D、小於約0.05D、小於約0.025D或小於0.01D。各塔盤上之反應介質34之最大深度可為約1至約40吋、約1至約32吋或1至24吋。
如圖1中所示之實施例所圖示，反應介質34自第一中間塔盤14b之接收端通常水平地流過面上表面且朝向塔盤14b之排出端。如上所述，反應介質34當沿塔盤14b通過時進行化學反應，且化學反應可引起蒸汽副產物及/或泡沫之形成。當藉由沿塔盤14b流動之反應介質34產生蒸汽時，蒸汽可在塔盤14b上與反應介質34流過塔盤14b之方向逆流 地流動。蒸汽可經由蒸汽通道退出塔盤14b上方之空間，該蒸汽通道係在通過流動通道26a之向下流動反應介質周圍延伸及/或延伸穿過該反應介質。如圖1中所說明，延伸穿過向下流動反應介質之蒸汽通道可由小管狀元件界定。
當反應介質34達到塔盤14b之排出端時，其由於重力而下落穿過流動通道26b且落至與第一中間塔盤14b向外間隔開之第二中間塔盤14c之接收端的部分上。當塔盤14b之排出端配備堰30b時，至少一部分反應介質34在進入流動通道26b之前，流過堰30b之頂部上、堰30b之邊緣周圍、穿過堰30b中之開口及/或堰30b下方。如圖1中所說明，反應介質34隨後沿第二中間塔盤14c自接收端流至排出端。如上文所討論，反應介質34當沿塔盤14c通過時進行化學反應，且化學反應可引起蒸汽副產物及/或泡沫之形成。當蒸汽產生時，蒸汽通常在反應介質34上以與反應介質34相同之方向流動。當蒸汽達到塔盤14c之排出端時，蒸汽朝向上流動通道32流動，如圖1中所示，在該處其可與退出塔盤14a、14b、14d、14e、14f之蒸汽組合。
反應介質34穿過剩餘中間塔盤14d、14e及最低塔盤14f之流動可大體上與上文所述相同來進行。一般而言，反應介質34自塔盤14c、14d、14e之排出端經由流動通道26c、26d、26e下落至塔盤14d、14e、14f之接收端。如前所述，反應介質34在垂直相鄰塔盤上在大致相反方向上流動，以便使反應介質34通常經由塔盤14d、14e、14f往復流過反應器10。若當反應介質跨越塔盤14d、14e、14f行 進時產生蒸汽副產物，則在與其他蒸汽在向上流動通道32中組合且經由蒸汽出口22退出反應器10之前，蒸汽退出塔盤14d、14e、14f上方之空間。如圖1中所說明之實施例中所示，退出最低塔盤14f之反應介質34在經由產物出口24作為主要為液體之產物抽出之前，沿容器外殼12之底部流動。
儘管未在圖1中說明，但是可在蒸汽出口22附近之蒸汽流動路徑中使用衝擊板，以便使流動蒸汽中夾帶之液體撞擊衝擊板，在衝擊板上聚集且自衝擊板向下落。衝擊板之使用有助於確保僅蒸汽退出反應器10之蒸汽出口22。另外，儘管未在圖1中說明，但是可在產物出口24附近使用向上延伸之堰以幫助確保沿容器外殼12之底部維持反應介質34的足夠量之主要為液體之部分40。
根據本發明之某些實施例配置之水平式塔盤反應器幾乎不需要對其中所處理之反應介質的機械攪動。儘管在水平式塔盤反應器中處理之反應介質可借助於起泡、穿過反應器區段之流動及自一個反應器區段落至另一個反應器區段而稍微地加以攪動，但是該起泡攪動、流動攪動及重力攪動不為機械攪動。在本發明之一實施例中，在水平式塔盤反應器中處理之反應介質之總攪動的小於約50百分比、小於約25百分比、小於約10百分比、小於約5百分比或0百分比係藉由機械攪動來提供。因此，根據本發明之某些實施例配置之反應器可無需任何機械混合裝置來操作。此與幾乎唯使用機械攪動之習知連續攪拌槽反應器(CSTR)呈直接 對比。
如上文所指示，根據本發明反應器之實施例配置之水平式塔盤反應器可用於各種化學方法中。在一實施例中，將根據本發明配置之水平式塔盤反應器用於能夠自各種起始物質產生各種聚酯中之任何聚酯之熔融相聚酯生產設施中。可根據本發明之實施例產生之熔融相聚酯的實例包括(但不限於)聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，其包括PET之均聚物及共聚物；完全芳族或液晶聚酯；可生物降解聚酯，諸如包含丁二醇、對苯二甲酸及己二酸殘基之彼等聚酯；聚(環己烷-對苯二甲酸二亞甲酯)均聚物及共聚物；及1,4-環己烷-二甲醇(CHDM)及環己烷二羧酸或環己烷二羧酸二甲酯之均聚物及共聚物。當產生PET共聚物時，該共聚物可包含至少90、至少91、至少92、至少93、至少94、至少95、至少96、至少97、至少98莫耳百分比之對苯二甲酸乙二酯重複單元及至多10、至多9、至多8、至多7、至多6、至多5、至多4、至多3或至多2莫耳百分比之附加共單體重複單元。通常，共單體重複單元可衍生自一或多種選自由間苯二甲酸、2,6-萘-二甲酸、CHDM及二乙二醇組成之群之共單體。
一般而言，根據本發明之某些實施例之聚酯產生方法可包含2個主要階段-酯化階段及聚縮合階段。在酯化階段中，可包含至少一種醇及至少一種酸之聚酯起始物質進行酯化，進而產生聚酯單體及/或寡聚物。在聚縮合階段中，來自酯化階段之聚酯單體及/或寡聚物反應成最終聚 酯產物。如本文中關於PET所使用，單體具有小於3之鏈長，寡聚物具有約7至約50之鏈長(具有4至6個單元之鏈長之組分可視為單體或寡聚物)且聚合物具有大於約50之鏈長。例如EG-TA-EG-TA-EG之二聚體具有為2之鏈長，且三聚體具有為3之鏈長，等等。
用於酯化階段之酸起始物質可為二羧酸以便使最終聚酯產物包含至少一個碳原子數在約4至約15個或8至12個之範圍內之二羧酸殘基。適用於本發明之二羧酸實例可包括(但不限於)對苯二甲酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、萘-2,6-二甲酸、環己烷二甲酸、環己烷二乙酸、二苯基-4,4'-二甲酸、二苯基-3,4'-二甲酸、2,2,-二甲基-1,3-丙二醇、二羧酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸及其混合物。在一實施例中，酸起始物質可為相應酯，諸如替代對苯二甲酸之對苯二甲酸二甲酯。
用於酯化階段之醇起始物質可為二醇以便使最終聚酯產物可包含至少一個二醇殘基，諸如源自於碳原子數在約3至約25個或6至20個之範圍內之環脂族二醇之彼等者。適合二醇可包括(但不限於)乙二醇(EG)、二乙二醇、三乙二醇、1,4-環己烷-二甲醇、丙烷-1,3-二醇、丁烷-1,4-二醇、戊烷-1,5-二醇、己烷-1,6-二醇、新戊二醇、3-甲基戊二醇-(2,4)、2-甲基戊二醇-(1,4)、2,2,4-三甲基戊烷-二醇-(1,3)、2-乙基己二醇-(1,3)、2,2-二乙基丙烷-二醇-(1,3)、己二醇-(1,3)、1,4-二-(羥基乙氧基)-苯、2,2-雙-(4-羥基環己基)-丙烷、2,4-二羥基-1,1,3,3-四甲基-環丁烷、2,2,4,4- 四甲基-環丁二醇、2,2-雙-(3-羥基乙氧基苯基)-丙烷、2,2-雙-(4-羥基-丙氧基苯基)-丙烷、異山梨酯、氫醌、BDS-(2,2-(磺醯基雙)4,1-伸苯基氧基))雙(乙醇)及其混合物。
另外，起始物質可包含一或多種共單體。合適共單體可包括(例如)包含以下者之共單體：對苯二甲酸、對苯二甲酸二甲酯、間苯二甲酸、間苯二甲酸二甲酯、二甲基-2,6-萘二甲酸酯、2,6-萘-二甲酸、乙二醇、二乙二醇、1,4-環己烷-二甲醇(CHDM)、1,4-丁二醇、聚四亞甲基二醇、反DMCD、偏苯三甲酸酐、環己烷-1,4二甲酸二甲酯、十氫萘-2,6二甲酸二甲酯、十氫萘二甲醇、十氫萘2,6-二甲酸酯、2,6-二羥基甲基-十氫萘、氫醌、羥基苯甲酸及其混合物。
熔融相聚酯產生方法之酯化階段及聚縮合階段可包括多個步驟。舉例而言，酯化階段可包括用於產生部分酯化產物之初始酯化步驟，該產物隨後在第二酯化步驟中進一步發生酯化。又，聚縮合階段可包括用於產生部分縮合產物之預聚合步驟，該產物隨後進行精製步驟，進而產生最終聚合物產物。
根據本發明之某些實施例配置之反應器可用於熔融相聚酯產生系統中，其可作為用於進行第二酯化步驟之第二酯化反應器、作為用於進行預聚合步驟之預聚物反應器及/或作為用於進行精製步驟之精製反應器。對用作酯化反應器、預聚物反應器及/或精製反應器之本發明方法條件的詳細說明係提供於下文中參考圖1。應瞭解，根據本發明 之實施例配置之反應器可通常用作酯化、預聚物及/或精製反應器且該等方法條件不限於圖1中所述之實施例。
再次參考圖1，當反應器10在熔融相聚酯產生方法(例如用於製造PET之方法)中用作第二酯化反應器時，超過一個化學反應可在反應器10中進行。舉例而言，儘管酯化可為反應器10中進行之主要化學反應，但是一定量之聚縮合亦可在反應器10中發生。當反應器10用作第二酯化反應器時，引入進料入口20中之進料可具有在約70至約95百分比、約75至約90百分比或80至88百分比之範圍內之轉化率，而自液體產物出口24抽出之主要為液體之產物可具有至少約80百分比、至少約90百分比、至少約95百分比或至少98百分比之轉化率。當反應器10用作第二酯化反應器時，反應器10中進行之化學反應可使反應介質34在進料入口20與液體產物出口24之間的轉化率增加至少約2個百分點、至少約5個百分點或至少10個百分點。另外，引入進料入口20中之進料之平均鏈長可小於約5、小於約2或小於1，而自液體產物出口24抽出之主要為液體之產物可具有在約1至約20、約2至約12或5至12之範圍內之平均鏈長。通常，當反應器10用作第二酯化反應器時，反應介質34之平均鏈長可在進料入口20與液體產物出口24之間發生在約1至約20、約2至約15或5至12之範圍內的增加。
當反應器10用作第二酯化反應器時，反應器10之進料可在約180至約350℃、約215至約305℃或260至290℃之範圍內之溫度下進入進料入口20。退出液體產物出口24之主要 為液體之產物可具有在進入進料入口20之進料之溫度的約50℃、25℃或10℃範圍以內之溫度。在一實施例中，退出液體產物出口24之液體產物之溫度可在約180至約350℃、約215至約305℃或260至290℃之範圍內。在一實施例中，反應器10中之反應介質34之平均溫度在約180至約350℃、約215至約305℃或260至290℃之範圍內。反應介質34之平均溫度為沿反應介質34穿過反應器10之主要流動路徑以相等間隔進行之至少3次溫度量測的平均值，其中溫度量測各自在反應介質34之主要為液體之部分40的截面質心附近進行(與反應器之壁附近或主要為液體之部分之上表面附近完全不同)。當反應器10用作第二酯化反應器時，反應器10中之蒸汽空間壓力(在蒸汽出口22處量測)可被維持為小於約70 psig，在約-4至約10 psig之範圍內，或在2至5 psig之範圍內。
當反應器10用作第二酯化反應器時，在引入反應器10中之前加熱進料可為理想的且/或當反應介質34流過反應器10時將其加熱可為理想的。進料在引入反應器10中之前之加熱可在諸如殼管式熱交換器之習知熱交換器中進行。反應介質34在反應器10中之加熱可藉由接觸反應器10但不延伸至反應器10內部中之外部加熱裝置來進行。該等外部熱交換裝置包括(例如)夾套及/或熱示蹤。通常，向反應器10之正上游進料添加之熱加上向反應器10中之反應介質34添加之熱的累積量可在每磅反應介質約100至約5,000 BTU(BTU/lb)之範圍內，在約400至約2,000 BTU/lb之範圍 內或在600至1,500 BTU/lb之範圍內。
再次參考圖1，當反應器10在熔融相聚酯產生方法(例如用於製造PET之方法)中用作預聚物反應器時，超過一個化學反應可在反應器10中進行。舉例而言，儘管聚縮合可為反應器10中進行之主要化學反應，但是一定量之酯化亦可在反應器10中發生。當反應器10係用作預聚物反應器時，引入進料入口20中之進料之平均鏈長可在約1至約20、約2至約15或5至12之範圍內，而自液體產物出口24抽出之主要為液體之產物的平均鏈長可在約5至約50、約8至約40或10至30之範圍內。當反應器10係用作預聚合反應器時，反應器10中所進行之化學反應可引起反應介質34之平均鏈長在進料入口20與液體產物出口24之間增加至少約2，或在約5至約30之範圍內或在8至20之範圍內增加。
當反應器10係用作預聚物反應器時，進料可在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內之溫度下進入進料入口20。退出液體產物出口24之主要為液體之產物可具有在進入進料入口20之進料之溫度的約50℃、25℃或10℃範圍以內之溫度。在一實施例中，退出液體產物出口24之液體產物之溫度係在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內。在一實施例中，反應器10中之反應介質34之平均溫度係在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內。當反應器10係用作預聚物反應器時，反應器10中之蒸汽空間壓力(在蒸汽出口22處量測)可維持在約0至約300托之範圍內，在約1至約50 托之範圍內，或在20至30托之範圍內。
當反應器10係用作預聚物反應器時，較佳係在引入反應器10中之前加熱進料且/或較佳係當反應介質34流過反應器10時加熱之。通常，於反應器10之正上游進料中所添加之熱加上於反應器10之反應介質34中所添加之熱的累積量可在約100至約5,000 BTU/lb之範圍內，在約400至約2,000BTU/lb之範圍內，或在600至1,500 BTU/lb之範圍內。
再次參考圖1，當反應器10在熔融相聚酯產生方法(例如用於製造PET之方法)中用作精製反應器時，引入進料入口20中之進料之平均鏈長可在約5至約50、約8至約40或10至30之範圍內，而自液體產物出口24抽出之主要為液體之產物的平均鏈長可在約30至約210、約40至約80或50至70之範圍內。通常，反應器10中進行之聚縮合可引起反應介質34之平均鏈長在進料入口20與液體產物出口24之間增加至少約10、至少約25或至少50。
當反應器10用作精製反應器時，進料可在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內之溫度下進入進料入口20。退出液體產物出口24之主要為液體之產物可具有在進入進料入口20之進料溫度的約50℃、25℃或10℃範圍內之溫度。在一實施例中，退出液體產物出口24之液體產物之溫度係在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內。在一實施例中，反應器10中之反應介質34之平均溫度係在約220至約350℃、約265至約305℃或270至290℃之範圍內。當反應器10係用作精製反 應器時，反應器10中之蒸汽空間壓力(在蒸汽出口22處量測)可維持在約0至約30托之範圍內，在約1至約20托之範圍內，或在2至10托之範圍內。
當在聚酯產生方法之酯化及/或聚縮合階段中用作反應器時，根據本發明之實施例配置之反應器可提供許多優點。該等反應器當在製造PET之方法中用作第二酯化反應器、預聚物反應器及/或精製反應器時可為尤其有利的。另外，該等反應器非常適合用於能夠以每小時至少約10,000磅、每小時至少約100,000磅、每小時至少約250,000磅或每小時至少500,000磅之速率產生PET的商業規模PET生產設施。
在本發明之一實施例中，提供一種方法，其包含：使反應介質流過一反應器，該反應器包含一水平伸長容器外殼及複數個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質通過該反應器時，該反應介質流經該等塔盤中之至少2者。對圖1及圖2中所示之實施例之容器外殼、塔盤及反應介質流動路徑所述的特徵通常適用於本發明之該實施例。
在一實例中，容器外殼沿伸長中心軸伸長，該伸長中心軸以水平線之約5度範圍內之角度延伸且塔盤中之各塔盤存在有大體上平坦之面上表面，至少一部分反應介質流過該面上表面，其中塔盤中之至少2者之面上表面自水平線傾斜小於約5度。在一實例中，伸長中心軸為大體上水平的且塔盤中之各者之面上表面為大體上水平的。
在一實例中，容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率。除所指定L:D比率外，大多數塔盤可具有至少約0.5L、至少約0.75L或至少0.90L之長度。另外，直徑可在約2至約40呎、約6至約30呎或10呎至20呎之範圍內，且L可在約5至約100呎、約10至約60呎或15呎至40呎之範圍內。
在一實例中，容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率，且塔盤之各者存在有大體上平坦之面上表面，至少一部分反應介質流過該面上表面，且塔盤中之垂直相鄰塔盤之面上表面彼此間隔至少約0.05D、至少約0.10D或至少0.25D之垂直距離。各塔盤之面上流動表面可與垂直相鄰塔盤間隔在約5至約50吋、約10至約40吋或15至30吋之範圍內之垂直距離。
在一實例中，當反應介質流過反應器時，反應介質進行化學反應。當反應介質流過反應器時，可產生包含該化學反應之副產物之蒸汽。在一實例中，使複數個塔盤上產生之蒸汽在容器外殼中組合且經組合蒸汽經由定位於容器外殼之頂部附近之蒸汽出口退出反應器。
在一實例中，當反應介質流過反應器時，反應介質進行化學反應且產生泡沫，以至於反應介質包含泡沫部分及主要為液體之部分，其中化學反應在泡沫部分及主要為液體之部分之液相中進行。
在本發明之一實例中，提供一種方法，其包含使反應介質流過一反應器，該反應器包含一水平伸長容器外殼及複數個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質通過該反應器時，該反應介質流經該等塔盤中之至少2者且進行酯化及/或聚縮合反應。上文提供用作第二階段酯化、預聚合及/或精製反應器之圖1反應器10的詳細描述係適用於本發明之該實例。特定而言，進料特徵(例如轉化率及/或鏈長)、溫度、壓力、轉化率增加、平均鏈長增加、產物特徵及任何熱輸入均適用於本發明之該實例。
在一實例中，將產物自反應器之產物出口移除，其中反應介質在反應器中形成產物。另外，當化學反應包含聚縮合時，產物可為聚縮合產物。產物或聚縮合產物之It.V.係可在約0.3至約1.2、約0.35至約0.6，或0.4至0.5 dL/g之範圍內。在一實例中，產物或聚縮合產物之It.V.在約0.1至約0.5、約0.1至約0.4，或0.15至0.35 dL/g之範圍內。在一實例中，將進料引入反應器之進料入口以形成反應介質，且進料之It.V.係在約0.1至約0.5、約0.1至約0.4，或0.15至0.35 dL/g之範圍內。
特性黏度(Intrinsic viscosiy，It.V.)值係如根據在25℃下於60重量%酚及40重量%1,1,2,2-四氯乙烷中所量測之固有黏度(inherent viscosity)所算得，以dL/g單位列出。聚合物樣本可以0.25 g/50 mL之濃度溶於溶劑中。聚合物溶液之黏度可(例如)使用Rheotek玻璃毛細管黏度計來測定。該黏度計之操作原理之描述可見於ASTM D 4603中。固有黏度 係根據所量測之溶液黏度計算。以下方程式描述該等溶液黏度量測結果及後續對Ih.V.及Ih.V.至It.V.之計算：ηinh =[ln(ts /to )]/C，其中ηinh =在25℃下於0.5 g/100 mL之60重量%酚及40重量%1,1,2,2-四氯乙烷之聚合物濃度下的固有黏度；ln=自然對數；ts =穿過毛細管之樣本流動時間；to =穿過毛細管之溶劑-空白流動時間；C=以每100 mL溶劑(0.50%)之公克數計的聚合物濃度。
特性黏度為在聚合物之比黏度之無限稀釋下的極限值。其係由以下方程式定義：ηint =lim (ηsp /C)=lim (ln ηr )/CC→0C→0
其中ηint =特性黏度；ηr =相對黏度=ts /to ;ηsp =比黏度=ηr -1。
特性黏度(It.V.或ηint )可使用Billmeyer方程式如下估算：ηint =0.5[e0.5×Ih.v. -1]+(0.75×Ih.V.)。估算特性黏度(Billmeyer關係式)之參考文獻為J.Polymer Sci., 4 ，第83-86頁(1949)。
聚合物溶液之黏度亦可使用Viscotek改進型差示黏度計(差壓黏度計之操作原理之描述可見於ASTM D 5225中)或 熟習此項技術者已知之其他方法來測定。
在本發明之另一實施例中，提供一種方法，其包含：(a)將主要為液體之進料引入一聚縮合反應器中，其中該進料在該反應器中形成反應介質，其中該進料包含具有在約5至約50、約8至約40或10至30之範圍內之平均鏈長的PET;(b)使該反應介質在該反應器中進行聚縮合，進而提供主要為液體之產物及蒸汽，其中該蒸汽包含該聚縮合之副產物，其中該反應器包含一大體上水平之伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之大體上水平之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質經歷聚縮合時，至少一部分該反應介質流經該等塔盤，其中該反應介質在該等塔盤之垂直相鄰塔盤上在大致相反方向上流動且在該等塔盤之間由於重力而下落，其中該容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率，其中大多數該等塔盤具有至少約0.5L、至少約0.75L或至少0.9L之長度，其中該容器外殼包含一大體上圓柱形之管及一對與該管之相對末端耦接之端蓋；(c)經由一定位於該容器外殼之頂部附近之蒸汽出口自該反應器排出該蒸汽；及(d)經由一定位於該容器外殼之底部附近之產物出口自該反應器排出該產物，其中該產物包含具有比該進料之平均鏈長大至少約10、至少約25或至少50之平均鏈長的PET。對圖1及圖2中所示之實施例之容器外殼、塔盤及反應介質流動路徑所述的特徵通常係適用於本發明之該實施例。
在一實例中，進料之It.V.在約0.1至約0.5、約0.1至約0.4，或約0.15至約0.35 dL/g之範圍內。在一實例中，產物之It.V.在約0.3至約1.2、約0.35至約0.6，或0.4至0.5 dL/g之範圍內。
在一實例中，容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率。另外，直徑可在約2至約40呎、約6至約30呎或10呎至20呎之範圍內，且L可在約5至約100呎、約10至約60呎或15呎至40呎之範圍內。
在本發明之另一實施例中，提供一種包含水平伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤的反應器。對圖1及圖2中所示之實施例之容器外殼、塔盤及反應介質流動路徑所述的特徵通常適用於本發明之該實施例。
在一實例中，反應器具有容器外殼，該容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率。除所指定L:D比率外，大多數塔盤可具有至少約0.5L、至少約0.75L或至少0.90L之長度。另外，反應器直徑可在約2至約40呎、約6至約30呎或10呎至20呎之範圍內，且L可在約5至約100呎、約10至約60呎或15呎至40呎之範圍內。
在一實例中，反應器具有容器外殼，該容器外殼具有在約1.1:1至約50:1、約1.2:1至約30:1、約1.25:1至約15:1、 約1.5:1至約10:1或2:1至6:1之範圍內之長度對直徑(L:D)比率，且反應器塔盤之各塔盤存在有大體上平坦之面上表面，其中該等塔盤中之垂直相鄰塔盤之面上表面彼此間隔至少約0.05D、至少約0.1D或至少0.25D之垂直距離。各塔盤之面上流動表面可與垂直相鄰塔盤間隔在約5至約50吋、約10至約40吋或15至30吋之範圍內之垂直距離。
在一實例中，反應器包含至少2個塔盤、至少4個塔盤、至少6個塔盤或具有在4至15或5至10個之範圍內之塔盤數。
在一實例中，反應器容器外殼沿伸長中心軸伸長，該伸長中心軸以水平線之約10、約5或2度範圍內之角度延伸，其中塔盤中之各塔盤存在有大體上平坦之面上表面，其中該等塔盤之至少2者之面上表面自水平線傾斜小於約10度、小於約5度或小於2度。
數值範圍
本說明書使用數值範圍來量化與本發明有關之某些參數。應瞭解，當提供數值範圍時，該等範圍應被理解為提供對僅列舉範圍之下限值之請求項限制以及僅列舉範圍之上限值之請求項限制的文字支持。舉例而言，所揭示的10至100之數值範圍提供對列舉"大於10"(無上限)之請求項及列舉"小於100"(無下限)之請求項的文字支持。
定義
如本文中所使用，術語"一"及"該"意謂一或多個(種)。
如本文中所使用，術語"攪動"係指耗散至反應介質中引 起流體流動及/或混合之功。
如本文中所使用，術語"及/或"在用於一列兩個或兩個以上項時意謂可單獨使用所列項中之任一者，或可使用所列項中之兩個或兩個以上項之任何組合。舉例而言，若將組合物描述為含有組分A、B及/或C，則組合物可單獨含有A；單獨含有B；單獨含有C；含有A與B之組合；含有A與C之組合；含有B與C之組合；或含有A、B及C之組合。
如本文中所使用，術語"平均鏈長"意謂聚合物中之重複單元之平均數。對聚酯而言，平均鏈長意謂重複酸及醇單元之數量。平均鏈長與數量平均聚合度(DP)同義。平均鏈長可藉由熟習此項技術者已知之各種方式來測定。舉例而言，1H-NMR可用於基於端基分析直接測定鏈長，且光散射可用於量測重量平均分子量，此與用於測定鏈長具相關性。鏈長常常係基於與凝膠滲透層析(GPC)量測及/或黏度量測之相關性來計算。
如本文中所使用，術語"包含"為開放式過渡術語，其用於自該術語之前所述之主體過渡至該術語之後所述之一或多個元素，其中該過渡術語後所列之該元素或該多個元素未必為構成該主體之僅有元素。
如本文中所使用，術語"含有"具有與上文所提供之"包含"相同的開放式含義。
如本文中所使用，術語"轉化率"係用於描述已進行酯化之物流之液相的性質，其中酯化物流之轉化率指示已轉化(亦即酯化)成酯基之原始酸端基的百分比。轉化率可定量 化為經轉化端基(亦即醇端基)之數量除以端基(亦即醇端基加酸端基)之總數，表示為百分比。
如本文中所使用，術語"酯化"係指酯化及酯交換反應。
如本文中所使用，術語"具有"具有與上文所提供之"包含"相同的開放式含義。
如本文中所使用，術語"水平伸長"意謂最大水平尺寸比最大垂直尺寸大。
如本文中所使用，術語"包括"具有與上文所提供之"包含"相同的開放式含義。
如本文中所使用，術語"機械攪動"係指由剛性或可撓性元件相對於反應介質或在反應介質內部之物理移動而引起之對反應介質的攪動。
如本文中所使用，術語"開口流動面積"係指流體流動可及之開口面積，其中開口面積係沿垂直於穿過開口之流動方向之平面量測。
如本文中所使用，術語"管"係指具有大致圓柱形側壁之大體上直線伸長之管狀元件。
如本文中所使用，術語"聚對苯二甲酸乙二酯"及"PET"包括PET均聚物及PET共聚物。
如本文中所使用，術語"聚對苯二甲酸乙二酯共聚物"及"PET共聚物"意謂已經一或多種附加共單體修飾至多10莫耳百分比之PET。舉例而言，術語"聚對苯二甲酸乙二酯共聚物"及"PET共聚物"包括以100莫耳百分比羧酸計經至多10莫耳百分比間苯二甲酸修飾之PET。在另一實例中，術 語"聚對苯二甲酸乙二酯共聚物"及"PET共聚物"包括以100莫耳百分比二醇計經至多10莫耳百分比1,4-環己烷二甲醇(CHDM)修飾之PET。
如本文中所使用，術語"聚酯"不僅係指傳統聚酯，而且包括聚酯衍生物，諸如聚醚酯、聚酯醯胺及聚醚酯醯胺。
如本文中所使用，"主要為液體"意謂超過50體積百分比為液體。
如本文中所使用，術語"反應介質"係指進行化學反應之任何介質。
如本文中所使用，術語"殘基"係指為化學物質在特定反應流程中之所得產物或後續調配物或化工產品之部分，而與該部分是否實際上獲自該等化學物質無關。
如本文中所使用，術語"蒸汽副產物"包括由反應介質之所要化學反應產生之蒸汽(亦即蒸汽副產品)及由反應介質之其他反應(亦即副反應)產生之任何蒸汽。
不限於所揭示之實施例之申請專利範圍
上文所述之本發明之示範性實施例應僅用作說明，而不應以限制意義用於解釋所主張發明之範疇。對上述示範性實施例之各種修改可易於由熟習此項技術者在不偏離如以下申請專利範圍中所陳述之本發明之範疇的情況下進行。
10‧‧‧水平式塔盤反應器
12‧‧‧水平伸長容器外殼
14a、14b、14c、14d、14e、14f‧‧‧塔盤
16‧‧‧水平伸長管狀元件
18a、18b‧‧‧端蓋
20‧‧‧進料入口
20a‧‧‧內部進料分配器
22‧‧‧蒸汽出口
24‧‧‧液體產物出口
26a、26b、26c、26d、26e、26f‧‧‧流動通道
28b、28d、28f‧‧‧導流器
30a、30b、30c、30d、30e、30f‧‧‧向上延伸之堰
32‧‧‧向上蒸汽流動通道
34‧‧‧反應介質
36‧‧‧蒸汽
38‧‧‧泡沫部分
40‧‧‧主要為液體之部分
42a、42b、42c、42d、42e、42f、42g‧‧‧反應器流動腔室
圖1為根據本發明之一實施例且適於用作熔融相聚酯生產設施中之聚縮合反應器的水平式塔盤反應器之示意圖。
圖2為沿圖1中之線2-2截取的水平式塔盤反應器之截面 端視圖。
10‧‧‧水平式塔盤反應器
12‧‧‧水平伸長容器外殼
14a、14b、14c、14d、14e、14f‧‧‧塔盤
16‧‧‧水平伸長管狀元件
18a、18b‧‧‧端蓋
20‧‧‧進料入口
20a‧‧‧內部進料分配器
22‧‧‧蒸汽出口
24‧‧‧液體產物出口
26a、26b、26c、26d、26e、26f‧‧‧流動通道
28b、28d、28f‧‧‧導流器
30a、30b、30c、30d、30e．30f‧‧‧向上延伸之堰
32‧‧‧向上蒸汽流動通道
34‧‧‧反應介質
36‧‧‧蒸汽
38‧‧‧泡沫部分
40‧‧‧主要為液體之部分
42a、42b、42c、42d、42e、42f、42g‧‧‧反應器流動腔室

Claims (15)

  1. 一種用於聚酯之熔融相製造的方法，其包含：使反應介質流過一反應器，該反應器包含一水平伸長容器外殼及複數個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤，其中當該反應介質通過該反應器時，該反應介質流經該等塔盤中之至少2者，其中使該反應介質進行化學反應。
  2. 如請求項1之方法，其中該反應介質包含聚縮合進料，其中該聚縮合進料包含具有在5至50之範圍內之平均鏈長的PET且其中該反應器包含一大體上水平之伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之大體上水平之垂直間隔塔盤，其中該化學反應為聚縮合，其中該反應介質在該等塔盤之垂直相鄰塔盤上沿大致相反方向流動且在該等塔盤之間因重力而下落，其中該容器外殼具有在1.2：1至30：1之範圍內之長度對直徑(L：D)比率，其中大多數該等塔盤具有至少0.5L之長度，其中該容器外殼包含一大體上圓柱形之管及一對與該管之相對末端耦接之端蓋。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該反應介質包含一聚縮合進料，其中該聚縮合進料包含具有在8至40之範圍內之平均鏈長的PET。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該反應器包含該等塔盤中之至少4者。
  5. 如請求項1或2之方法，其中使於複數個該等塔盤上所產生之蒸汽副產物在該容器外殼中組合且該經組合之蒸汽 經由一定位於該容器外殼之頂部附近之蒸汽出口退出該反應器。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該化學反應之液體產物係經由一定位於該容器外殼之底部附近之產物出口退出該反應器。
  7. 如請求項1或2之方法，其中當該反應介質流過該反應器時產生泡沫，以至於該反應介質包含泡沫部分及主要為液體之部分，其中該化學反應在該泡沫部分與該主要為液體之部分之液相中進行。
  8. 如請求項1或2之方法，其中該反應介質之平均鏈長在該反應器中增加至少10。
  9. 如請求項1或2之方法，其中該反應介質包含至少部分地藉由該聚縮合形成之聚酯聚合物或共聚物，其中該聚酯聚合物或共聚物包含聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。
  10. 如請求項9之方法，其中該PET為包含至少90莫耳百分比之對苯二甲酸乙二酯重複單元及至多10百分比之附加共單體重複單元的PET共聚物。
  11. 如請求項10之方法，其中該等附加共單體重複單元係衍生自選自由間苯二甲酸、2,6-萘-二甲酸、1,4-環己烷-二甲醇、二乙二醇及其兩者或兩者以上之組合組成之群的附加共單體。
  12. 如請求項11之方法，其中該附加共單體包含間苯二甲酸。
  13. 如請求項3之方法，其中將該聚縮合進料維持在220至 350℃之範圍內之溫度下，其中將該反應器中之蒸汽空間壓力維持在0至3999.6Pa(0至30托)之範圍內。
  14. 如請求項1或2之方法，其另外包含自該反應器之一產物出口移除產物，其中該反應介質在該反應器中形成該產物，其中該產物之It.V.係在0.3至1.2dL/g之範圍內。
  15. 一種反應器，其包含：一水平伸長容器外殼及至少2個安置於該容器外殼中之垂直間隔塔盤。
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