पॉलिएस्टर रिएक्टर क्या है: पॉलीकोंडेंसेशन प्रक्रिया, डिजाइन और अनुप्रयोग

मुख्य प्रश्न का उत्तर: पॉलिएस्टर रिएक्टर क्या है? एक पॉलिएस्टर रिएक्टर एक गर्म, उत्तेजित, उच्च-वैक्यूम बर्तन है जिसमें शुद्ध टेरेफ्थेलिक एसिड और मोनोएथिलीन ग्लाइकॉल को पहले एक ओलिगोमर में और फिर व्यावसायिक आणविक भार के पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट में परिवर्तित किया जाता है। प्रक्रिया तीन चरणों में चलती है। 240-270 डिग्री सेल्सियस और 0.2-3 बार पर एस्टरीफिकेशन एसिड को ग्लाइकॉल के साथ प्रतिक्रिया करके बिस-हाइड्रॉक्सीएथिल टेरेफ्थेलेट और पानी बनाता है, जिसे एक फ्रैक्शनटिंग कॉलम के माध्यम से हटाया जाता है। 270-280 डिग्री सेल्सियस पर 20-50 एमबार के तहत प्रीपॉलीकोंडेंसेशन श्रृंखला को लगभग 0.2-0.35 डी.एल./जी. की आंतरिक चिपचिपाहट तक बनाता है जबकि ग्लाइकॉल को हटाता है। 275-290 डिग्री सेल्सियस पर 0.5-2 एमबार के तहत फिनिशिंग इसे फाइबर के लिए 0.55-0.65 डी.एल./जी. और बोतल रेजिन के लिए 0.72-0.85 डी.एल./जी. के लक्ष्य तक ले जाती है। परिभाषित इंजीनियरिंग चुनौती यह है कि पॉलीकोंडेंसेशन एक संतुलन प्रतिक्रिया है, इसलिए आणविक भार केवल एथिलीन ग्लाइकॉल को एक पिघल से हटाकर प्राप्त किया जाता है जिसकी चिपचिपाहट 200-500 पीए·एस तक बढ़ जाती है, जो सतह नवीनीकरण और वैक्यूम अखंडता को निर्णायक डिजाइन कारक बनाती है।

1. प्रतिक्रिया रसायन विज्ञान और चरण डिजाइन

तीन प्रतिक्रियाएं अनुक्रम में चलती हैं, और प्रत्येक को एक अलग रिएक्टर वातावरण की आवश्यकता होती है:

• एस्टरीफिकेशन और ट्रांसएस्टरीफिकेशन: प्रत्यक्ष एस्टरीफिकेशन मार्ग में, शुद्ध टेरेफ्थेलिक एसिड 240-270 डिग्री सेल्सियस और 0.2-3 बार पर मोनोएथिलीन ग्लाइकॉल के साथ प्रतिक्रिया करके बिस-हाइड्रॉक्सीएथिल टेरेफ्थेलेट और पानी देता है। पीटीए उपयोगी दर पर ग्लाइकॉल में नहीं घुलता है, इसलिए प्रतिक्रिया शुरू में ठोस-तरल इंटरफ़ेस द्वारा सीमित होती है और रिएक्टर को एक सजातीय, अच्छी तरह से उत्तेजित घोल बनाए रखना चाहिए; जैसे-जैसे रूपांतरण आगे बढ़ता है, ओलिगोमर पिघल निरंतर चरण बन जाता है और घुलनशीलता सीमित होना बंद कर देती है। पानी को ग्लाइकॉल के साथ वाष्प के रूप में हटाया जाता है, और एक बाहरी या कॉलम-माउंटेड फ्रैक्शनटिंग कॉलम ग्लाइकॉल को रिएक्टर में वापस कर देता है जबकि पानी को ऊपर ले जाता है, जो आवश्यक है क्योंकि ग्लाइकॉल से एसिड का मोलर अनुपात, सामान्य रूप से 1.1-2.0, बनाए रखा जाना चाहिए। पुरानी ट्रांसएस्टरीफिकेशन मार्ग में, डाइमिथाइल टेरेफ्थेलेट को ग्लाइकॉल के साथ प्रतिक्रिया करके मेथनॉल जारी किया जाता है, और जबकि यह मार्ग एक स्वच्छ उत्पाद देता है, इसे लागत पर प्रत्यक्ष एस्टरीफिकेशन द्वारा काफी हद तक विस्थापित कर दिया गया है।
• पिघल पॉलीकोंडेंसेशन और संतुलन नियंत्रण: दूसरा चरण एक प्रतिवर्ती पॉलीकोंडेंसेशन है: दो हाइड्रॉक्सिल अंत समूह एक एस्टर लिंक बनाने और एथिलीन ग्लाइकॉल जारी करने के लिए गठबंधन करते हैं। क्योंकि संतुलन स्थिरांक एकता के करीब है, प्राप्त श्रृंखला की लंबाई लगभग पूरी तरह से ग्लाइकॉल को कितनी पूरी तरह से हटाया जाता है, इससे नियंत्रित होती है, यही कारण है कि संयंत्र के माध्यम से दबाव लगातार गिरता है, प्रीपॉलिमर में 20-50 एमबार से फिनिशर में 0.5-2 एमबार तक। पिघल से ग्लाइकॉल के प्रसार से हटाना सीमित है जो तेजी से चिपचिपा हो जाता है, इसलिए रिएक्टर को लगातार पिघल सतह को नवीनीकृत करना चाहिए: यही कारण है कि फिनिशर एक क्षैतिज बर्तन है जिसमें एक घूमने वाली डिस्क-रिंग या पिंजरे उत्तेजक होता है जो पिघल को पतली फिल्मों में उठाता है, न कि एक उत्तेजित टैंक। जैसे-जैसे श्रृंखला बढ़ती है, पिघल चिपचिपाहट 1 पीए·एस से कम से 200-500 पीए·एस तक बढ़ जाती है, और आंतरिक चिपचिपाहट का उपयोग आणविक भार के लिए ऑनलाइन प्रॉक्सी के रूप में किया जाता है।
• उत्प्रेरक, उप-उत्पाद और उत्पाद गुणवत्ता: पॉलीकोंडेंसेशन के लिए एक उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है, सबसे आम तौर पर एंटीमनी के रूप में 150-300 पीपीएम पर एंटीमनी ट्राइऑक्साइड, हालांकि टाइटेनियम-आधारित उत्प्रेरक तेजी से उपयोग किए जाते हैं क्योंकि खाद्य संपर्क और पेय अनुप्रयोगों में एंटीमनी प्रतिबंधों के कारण, और जर्मेनियम का उपयोग तब किया जाता है जब स्पष्टता और एसिटाल्डिहाइड महत्वपूर्ण होते हैं। दो उप-उत्पाद ग्रेड निर्धारित करते हैं। डायथाइलीन ग्लाइकॉल ग्लाइकॉल की स्वयं के साथ प्रतिक्रिया से बनता है और 1.0-1.5% से नीचे रखा जाता है, क्योंकि श्रृंखला में शामिल प्रत्येक इकाई पिघलने बिंदु और थर्मल स्थिरता को कम करती है; उच्च ग्लाइकॉल-से-एसिड अनुपात और उच्च तापमान इसके गठन को बढ़ाते हैं। एसिटाल्डिहाइड पिघल प्रसंस्करण के दौरान थर्मल गिरावट से बनता है और बोतल ग्रेड में 1 पीपीएम से नीचे होना चाहिए, क्योंकि यह बोतलबंद पानी के स्वाद को खराब करता है; इसे कम फिनिशिंग तापमान, कम निवास समय और कई संयंत्रों में एक ठोस अवस्था पॉलीकोंडेंसेशन चरण द्वारा कम किया जाता है जो चिपचिपाहट बढ़ाते हुए इसे हटा देता है।
• ठोस अवस्था पॉलीकोंडेंसेशन और फिनिशिंग: जहां बोतल या तकनीकी ग्रेड की आवश्यकता होती है, पिघल-चरण चिप्स को 140-180 डिग्री सेल्सियस पर क्रिस्टलीकृत किया जाता है और फिर 200-230 डिग्री सेल्सियस पर नाइट्रोजन या वैक्यूम के तहत 8-30 घंटे के लिए एक ठोस अवस्था पॉलीकोंडेंसेशन रिएक्टर में रखा जाता है। क्योंकि प्रतिक्रिया ठोस चरण में होती है, तापमान इतना कम होता है कि थर्मल गिरावट न्यूनतम होती है, इसलिए आंतरिक चिपचिपाहट को लगभग 0.6 से 0.75-0.85 डी.एल./जी. तक बढ़ाया जा सकता है जबकि एसिटाल्डिहाइड सामग्री 1 पीपीएम से नीचे गिर जाती है। रिएक्टर एक लंबा ऊर्ध्वाधर साइलो या एक निरंतर चलती बिस्तर है जिसमें सावधानीपूर्वक नियंत्रित नाइट्रोजन प्रवाह होता है, और दो महत्वपूर्ण नियंत्रण चर बिस्तर में तापमान एकरूपता हैं, क्योंकि गर्म स्थान सिंटरिंग और गांठ गठन का कारण बनते हैं, और उत्पन्न ग्लाइकॉल को हटाना, जिसके लिए नाइट्रोजन को पुनर्चक्रण से पहले सूखा और शुद्ध करने की आवश्यकता होती है।

2. पॉलिएस्टर रिएक्टर का यांत्रिक डिजाइन

चार यांत्रिक निर्णय यह निर्धारित करते हैं कि पॉलिएस्टर लाइन अपनी डिजाइन चिपचिपाहट तक पहुंचती है या नहीं और इसे बनाए रखती है:

• चिपचिपाहट चरण द्वारा उत्तेजक चयन: रिएक्टर ट्रेन चिपचिपाहट में पांच परिमाण के क्रम को पार करती है, इसलिए कोई भी एकल उत्तेजक पूरे समय काम नहीं करता है। एस्टरीफिकेशन और प्रीपॉलीकोंडेंसेशन चरणों में एक टरबाइन या एक संयुक्त एंकर और टरबाइन उत्तेजक के साथ एक ऊर्ध्वाधर बर्तन का उपयोग किया जाता है, क्योंकि पिघल पतला होता है और थोक मिश्रण और गैस-तरल द्रव्यमान हस्तांतरण सबसे अधिक मायने रखता है। फिनिशर के लिए एक पूरी तरह से अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है: एक क्षैतिज बेलनाकार बर्तन जिसमें एक घूमने वाली डिस्क-रिंग असेंबली होती है, जहां छल्ले या डिस्क पिघल में डूब जाते हैं और इसे एक फिल्म के रूप में ऊपर ले जाते हैं जो गुरुत्वाकर्षण के तहत नीचे बहती है, या सलाखों के एक जाली के साथ एक पिंजरे डिजाइन जो पतली फिल्म का एक बड़ा क्षेत्र उत्पन्न करता है। दीवार निकासी 10-30 मिमी पर रखी जाती है, और शाफ्ट को आंतरिक बीयरिंग द्वारा समर्थित किया जाना चाहिए या विचलन के बिना बड़े लंबाई-से-व्यास अनुपात के लिए डिजाइन किया जाना चाहिए। एक बड़े फिनिशर पर ड्राइव पावर 100-200 किलोवाट से अधिक हो सकती है, और सील को 290 डिग्री सेल्सियस पर पूर्ण वैक्यूम बनाए रखना चाहिए।
• वैक्यूम प्रणाली और ग्लाइकॉल पुनर्प्राप्ति: फिनिशर में 0.5-2 एमबार प्राप्त करने के लिए एक बहु-चरणीय वैक्यूम प्रणाली की आवश्यकता होती है, आमतौर पर ग्लाइकॉल और ओलिगोमर को बाहर निकालने के लिए एक स्प्रे कंडेनसर, उसके बाद इंटरकंडेनसर के साथ भाप इजेक्टर, और अक्सर अंतिम चरण के रूप में एक तरल रिंग पंप। वाष्प भार न केवल ग्लाइकॉल है बल्कि गिरावट उत्पाद और फंसे हुए ओलिगोमर भी हैं, इसलिए स्प्रे कंडेनसर आवश्यक है: यह इजेक्टर तक पहुंचने से पहले वाष्प को संघनित और धोने के लिए एक परिसंचारी ठंडा ग्लाइकॉल स्प्रे का उपयोग करता है, और यदि यह छोटा है या ग्लाइकॉल का तापमान बढ़ता है, तो इजेक्टर नोजल में ओलिगोमर जमा हो जाता है और अभियान के माध्यम से वैक्यूम लगातार खराब हो जाता है। क्योंकि पूर्ण दबाव सीधे प्राप्त आणविक भार निर्धारित करता है, संयंत्र रिएक्टर वाष्प आउटलेट पर ऑनलाइन वैक्यूम माप स्थापित करते हैं और एक बढ़ती प्रवृत्ति को रखरखाव समस्या के बजाय उत्पाद गुणवत्ता अलार्म के रूप में मानते हैं।
• हीटिंग, तापमान एकरूपता और निवास समय: पॉलिएस्टर पिघल को एक परिसंचारी गर्मी हस्तांतरण द्रव द्वारा गर्म किया जाता है, आमतौर पर एक बाइफिनाइल-डाइफेनिल ऑक्साइड यूटेक्टिक मिश्रण, एक जैकेट के माध्यम से और कई डिजाइनों में आंतरिक कॉइल के माध्यम से या उत्तेजक शाफ्ट और डिस्क के माध्यम से, जो चिपचिपा फिल्म में गर्मी पहुंचाने का सबसे प्रभावी तरीका है। तापमान 1-2 डिग्री सेल्सियस के भीतर समान होना चाहिए, क्योंकि प्रतिक्रिया दर तापमान पर अत्यधिक निर्भर है और लगभग 290-300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर थर्मल गिरावट तेज हो जाती है; एक गर्म स्थान श्रृंखला विखंडन के माध्यम से चिपचिपाहट को कम करता है और एसिटाल्डिहाइड और विनाइल एस्टर अंत समूह सामग्री को बढ़ाता है। फिनिशर में निवास समय आमतौर पर 60-180 मिनट होता है, और वितरण मायने रखता है: जो सामग्री बहुत लंबे समय तक रहती है वह खराब हो जाती है, इसलिए डिब्बे या वीयर की एक श्रृंखला के साथ क्षैतिज डिजाइन, जो प्लग प्रवाह का अनुमान लगाता है, एक एकल बैक-मिश्रित मात्रा पर पसंद किया जाता है।
• सामग्री, सीलिंग और वैक्यूम अखंडता: पॉलिएस्टर पिघल और उनके वाष्प आक्रामक रूप से संक्षारक नहीं होते हैं, इसलिए मानक सामग्री एस्टरीफिकेशन जहाजों के लिए 316L स्टेनलेस स्टील और फिनिशर के लिए 304L या 316L है, जिसमें जेल गठन और दीवार पर गिरावट को कम करने के लिए उत्पाद संपर्क क्षेत्रों पर उच्च गुणवत्ता वाली इलेक्ट्रोपॉलिश या यांत्रिक रूप से पॉलिश सतहें होती हैं। वास्तविक जोखिम हवा का प्रवेश है: 290 डिग्री सेल्सियस पर, एक लीक करने वाले फ्लैंज, एक शाफ्ट सील या एक वाल्व स्टेम के माध्यम से प्रवेश करने वाला ऑक्सीजन तेजी से ऑक्सीडेटिव गिरावट, पीलापन और जेल गठन का कारण बनता है, और यह नाइट्रोजन के साथ वैक्यूम सिस्टम को भी लोड करता है जिसे इजेक्टर को संभालना पड़ता है। डिजाइन प्रतिक्रियाएं वैक्यूम सेवा पर सभी-वेल्डेड निर्माण, धातु गास्केट या उच्च तापमान फ्लोरोएलास्टोमर सील, स्टार्ट-अप से पहले 1 x 10^-6 एमबार·एल/एस से नीचे हीलियम लीक परीक्षण, और वैक्यूम प्रणाली पर एक निरंतर ऑक्सीजन या दबाव प्रवृत्ति जांच हैं।

पॉलिएस्टर रिएक्टर चरण तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

प्र: पॉलिएस्टर रिएक्टर को इतने गहरे वैक्यूम की आवश्यकता क्यों होती है?

उ: क्योंकि पॉलीकोंडेंसेशन एक प्रतिवर्ती संतुलन प्रतिक्रिया है जो एथिलीन ग्लाइकॉल जारी करती है, और संतुलन स्थिरांक एक के करीब है। इसलिए प्राप्त की जा सकने वाली श्रृंखला की लंबाई लगभग पूरी तरह से इस बात से निर्धारित होती है कि पिघल से ग्लाइकॉल कितनी पूरी तरह से हटाया जाता है, जिसका अर्थ है कि पिघल के ऊपर ग्लाइकॉल का आंशिक दबाव बहुत कम होना चाहिए। व्यवहार में, बोतल-ग्रेड आंतरिक चिपचिपाहट 0.75-0.85 डी.एल./जी. तक पहुंचने के लिए फिनिशर में 0.5-2 एमबार के पूर्ण दबाव की आवश्यकता होती है। एक दूसरा, गतिज कारण है: जैसे-जैसे श्रृंखलाएं लंबी होती जाती हैं, पिघल चिपचिपाहट 200-500 पीए·एस तक बढ़ जाती है और पिघल से ग्लाइकॉल का प्रसार दर-सीमित कदम बन जाता है, इसलिए एक आदर्श वैक्यूम भी बेकार है जब तक कि रिएक्टर लगातार पिघल सतह को नवीनीकृत न करे। यही कारण है कि वैक्यूम गहराई और सतह नवीनीकरण को एक साथ डिजाइन किया जाना चाहिए, और क्यों एक छोटा हवा रिसाव या एक गर्म स्प्रे कंडेनसर तुरंत आंतरिक चिपचिपाहट में गिरावट के रूप में दिखाई देता है।

प्र: आंतरिक चिपचिपाहट क्या है और यह क्यों मायने रखती है?

उ: आंतरिक चिपचिपाहट समाधान में बहुलक के हाइड्रोडायनामिक मात्रा का एक माप है, जिसे केशिका चिपचिपाहटमापी में एक पतली बहुलक समाधान के प्रवाह समय को मापकर और शून्य एकाग्रता तक एक्सट्रपलेशन करके निर्धारित किया जाता है। यह पीईटी में आणविक भार के लिए उद्योग मानक प्रॉक्सी है क्योंकि यह तेज, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य है और सीधे उन गुणों से संबंधित है जो मायने रखते हैं: पिघल शक्ति, तन्यता और मजबूती। विशिष्ट मान कपड़ा फिलामेंट और स्टेपल फाइबर के लिए 0.55-0.65 डी.एल./जी., फिल्म और तकनीकी यार्न के लिए 0.62-0.70 डी.एल./जी., और बोतल रेजिन और टायर कॉर्ड के लिए 0.72-0.85 डी.एल./जी. हैं, जहां उच्च आणविक भार यांत्रिक शक्ति और तनाव क्रैक प्रतिरोध प्रदान करता है। आंतरिक चिपचिपाहट को ऑनलाइन या संयंत्र में हर कुछ घंटों में मापा जाता है, और यह प्राथमिक नियंत्रण चर है: ऑपरेटर इसे लगभग प्लस या माइनस 0.01-0.02 डी.एल./जी. के बैंड के भीतर रखने के लिए फिनिशिंग तापमान, वैक्यूम स्तर और निवास समय को समायोजित करते हैं।

प्र: पॉलिएस्टर रिएक्टर और एक मानक पोलीमराइजेशन रिएक्टर के बीच क्या अंतर है?

उ: तीन विशेषताएं इसे अलग करती हैं। यह एक जोड़ पोलीमराइजेशन के बजाय एक संघनन है, इसलिए एक छोटा अणु उप-उत्पाद, एथिलीन ग्लाइकॉल, लगातार उत्पन्न होता है और प्रतिक्रिया को आगे बढ़ाने के लिए वैक्यूम के तहत हटाया जाना चाहिए; एक जोड़ रिएक्टर जैसे कि एक्रेलिक या पॉलीइथाइलीन के लिए उपयोग किया जाने वाला कोई उप-उत्पाद उत्पन्न नहीं करता है और इसके बजाय एक बड़े एक्सोथर्म को हटाने की आवश्यकता होती है। यह बहुत अधिक तापमान पर संचालित होता है, 240-290 डिग्री सेल्सियस बनाम अधिकांश एक्रेलिक और विनाइल सिस्टम के लिए 60-140 डिग्री सेल्सियस, जो थर्मल गिरावट, एसिटाल्डिहाइड गठन और उच्च तापमान सीलिंग को डिजाइन में लाता है। और यह एक ट्रेन के भीतर एक विशाल चिपचिपाहट सीमा को पार करता है, एक पतली घोल से 500 पीए·एस पिघल तक, इसलिए फिनिशिंग रिएक्टर को थोक मिश्रण के बजाय फिल्म-उत्पादक आंदोलन का उपयोग करना चाहिए, और डिस्चार्ज के लिए एक साधारण वाल्व के बजाय एक गियर पंप और एक पिघल हस्तांतरण लाइन की आवश्यकता होती है।

प्र: ऑफ-स्पेक पॉलिएस्टर का कारण क्या है और इसे कैसे ठीक किया जाता है?

उ: चार सबसे आम समस्याएं विशिष्ट कारणों का पता लगाने योग्य हैं। कम आंतरिक चिपचिपाहट, अपर्याप्त वैक्यूम से, एक दूषित स्प्रे कंडेनसर, बहुत कम निवास समय या कम फिनिशिंग तापमान; इसे वैक्यूम को बहाल करके, सीमाओं के भीतर तापमान बढ़ाकर या थ्रूपुट को धीमा करके ठीक किया जाता है। उच्च डायथाइलीन ग्लाइकॉल, जो पिघलने बिंदु और डाई आत्मीयता को कम करता है, अत्यधिक ग्लाइकॉल-से-एसिड अनुपात या अत्यधिक एस्टरीफिकेशन तापमान से; इसे मोलर अनुपात को 1.1-1.3 तक समायोजित करके और एस्टरीफिकेशन तापमान को कम करके ठीक किया जाता है। उच्च एसिटाल्डिहाइड, जो बोतल ग्रेड के लिए महत्वपूर्ण है, फिनिशर या बाद के इंजेक्शन मोल्डिंग में थर्मल गिरावट से; इसे पिघल तापमान को कम करके, निवास समय को कम करके और ठोस अवस्था पॉलीकोंडेंसेशन जोड़कर ठीक किया जाता है। और जैल या काले धब्बे, बर्तन की दीवार पर फंसे हुए खराब बहुलक से जहां यह दिनों तक थर्मल रूप से खराब हो जाता है, जिसे दीवार पोंछने में सुधार, संपर्क सतहों को पॉलिश करने और एक परिभाषित कार्यक्रम पर सफाई करके ठीक किया जाता है।