Cos'è un reattore di poliestere: processo di policondensazione, progettazione e applicazioni

Rispondendo alla domanda fondamentale:Cos'è un reattore in poliestere?Un reattore in poliestere è un reattore riscaldato, agitato,contenitore ad alto vuoto in cui l'acido tereftalico purificato e il monoetilene glicolo sono convertiti prima in un oligomero e poi in polietilene tereftalato di peso molecolare commercialeL'esterificazione a 240-270°C e 0,2-3 bar fa reagire l'acido con il glicolo per formare bisidrossietiltereftalato e acqua.che viene rimosso attraverso una colonna di frazionamento. La prepolicondensazione a 270-280°C sotto 20-50 mbar costruisce la catena ad una viscosità intrinseca di circa 0,2-0,35 dL/g mentre rimuove il glicolo.5-2 mbar lo porta al bersaglio., 0,55-0,65 dL/g per le fibre e 0,72-0,85 dL/g per la resina delle bottiglie.quindi il peso molecolare è ottenuto solo rimuovendo l'etilene glicolo da una fusione la cui viscosità sale a 200-500 Pa·s, che rende il rinnovamento della superficie e l'integrità del vuoto i fattori decisivi della progettazione.

1- Reazione chimica e progettazione del palco

Tre reazioni sono eseguite in sequenza, e ciascuna ha bisogno di un ambiente diverso del reattore:

• Esterificazione e transesterificazione:Nella via di esterificazione diretta, l'acido tereftalico purificato reagisce con il monoetilene glicolo a 240-270°C e 0,2-3 bar per produrre bisidrossietiltereftalato e acqua.Il PTA non si dissolve nel glicolo ad un tasso utile, quindi la reazione è inizialmente limitata dall'interfaccia solido-liquido e il reattore deve mantenere un liquame omogeneo e ben agitato;man mano che la conversione procede, la fusione degli oligomeri diventa la fase continua e la dissoluzione cessa di essere limitante.. l'acqua viene eliminata sotto forma di vapore con il glicolo e una colonna di frazionamento esterna o montata su una colonna restituisce il glicolo al reattore mentre l'acqua viene assorbita in superficie,che è essenziale perché il rapporto molare di glicolo ad acido, normalmente 1,1-2.0Nella più antica via di transesterificazione, il dimetiltereftalato viene reagito con il glicolo per rilasciare metanolo.e mentre questa via dà un prodotto più pulito è stato in gran parte sostituito da esterificazione diretta sul costo.
• Policondensazione di fusione e controllo dell'equilibrio:Il secondo stadio è una policondensazione reversibile: due gruppi terminali idrossilici si combinano per formare un legame esterico e rilasciano etilenglicolo.la lunghezza della catena raggiunta dipende quasi interamente dalla completa rimozione del glicolo, per cui la pressione scende progressivamente attraverso l'impianto, da 20-50 mbar nel prepolimerizzatore a 0,5-2 mbar nel finitore.L'eliminazione è limitata dalla diffusione del glicolo da una fusione che diventa progressivamente più viscosa, il reattore deve quindi rinnovare continuamente la superficie di fusione: questo è il motivo per cui il terminale è un recipiente orizzontale con un anello rotante a disco o un agitatore a gabbia che solleva la fusione in pellicole sottili,piuttosto che un serbatoio agitatoMan mano che la catena cresce, la viscosità della fusione aumenta da meno di 1 Pa·s a 200-500 Pa·s, e la viscosità intrinseca viene utilizzata come proxy online per il peso molecolare.
• Catalizzatore, sottoprodotti e qualità del prodotto:La policondensazione richiede un catalizzatore, più comunemente il triossido di antimonio a 150-300 ppm come antimonio,anche se i catalizzatori a base di titanio sono sempre più utilizzati a causa delle restrizioni dell'antimonio nelle applicazioni a contatto con gli alimenti e le bevandeIl dietilene glicolo si forma dalla reazione del glicolo con se stesso ed è mantenuto al di sotto dell'1,0-1,5%, mentre il dietilene glicolo si forma dalla reazione del glicolo con se stesso ed è mantenuto al di sotto dell'1,0-1,5%.perché ogni unità incorporata nella catena abbassa il punto di fusione e la stabilità termicaL'acetaldeide si forma per degradazione termica durante la lavorazione della fusione e deve essere inferiore a 1 ppm in grado di essere imballato in bottiglia.dal momento che contamina il sapore dell'acqua in bottiglia; è ridotto al minimo dalle basse temperature di finitura, dal breve tempo di permanenza e, in molte piante, da una fase di policondensazione allo stato solido che lo rimuove aumentando la viscosità intrinseca.
• Policondensazione allo stato solido e finitura:Se è richiesto il calibro tecnico della bottiglia,i chip in fase di fusione vengono cristallizzati a 140-180°C e quindi tenuti in un reattore di policondensazione allo stato solido a 200-230°C sotto azoto o vuoto per 8-30 orePoiché la reazione avviene nella fase solida, la temperatura è abbastanza bassa da rendere minima la degradazione termica, quindi la viscosità intrinseca può essere aumentata da circa 0,6 a 0,75-0.85 dL/g mentre il tenore di acetaldeide scende sotto 1 ppmIl reattore è un alto silo verticale o un letto in movimento continuo con un flusso di azoto attentamente controllato e le due variabili di controllo critiche sono l'uniformità della temperatura nel letto,dal momento che i punti caldi causano sinterizzazione e formazione di grumi, e la rimozione del glicolo generato, che richiede l'asciugatura e la purificazione dell'azoto prima della ricircolazione.

2Progettazione meccanica di un reattore in poliestere

Quattro decisioni meccaniche determinano se una linea di poliestere raggiunge la sua viscosità di progettazione e la mantiene:

• Selezione dell'agitatore per stadio di viscosità:Il reattore ha una viscosità di cinque ordini di grandezza, quindi nessun agitatore funziona per tutto il tempo.Le fasi di esterificazione e prepolicondensazione utilizzano un recipiente verticale con una turbina o un'ancora e un agitatore combinatiIl processo di finitura richiede un approccio completamente diverso:con una lunghezza massima di 20 mm o più, ma non superiore a 20 mm,, dove anelli o dischi immergono la fusione e la portano su come una pellicola che scorre sotto la gravità, o un disegno di gabbia con una griglia di barre che genera una grande area di pellicola sottile.Il livello di chiusura della parete è tenuto a 10-30 mm, e l'albero deve essere supportato da cuscinetti interni o progettato per un rapporto lunghezza/diametro elevato senza deviazione.e il sigillo deve essere completamente vuoto a 290°C.
• Sistema a vuoto e recupero del glicolo:Per ottenere 0,5-2 mbar nel finitore è necessario un sistema a vuoto a più stadi, in genere un condensatore a spruzzo per eliminare il glicolo e gli oligomeri, seguito da ejetori di vapore con intercondensatori,e spesso una pompa a anello liquido come stadio finaleIl carico di vapore non è costituito solo da glicolo, ma anche da prodotti di degradazione e da oligomero, per cui il condensatore di spruzzo è essenziale:utilizza uno spray di glicolo raffreddato circolante per condensare e lavare il vapore prima che raggiunga gli ejectori, e se è di dimensioni insufficienti o se la temperatura del glicolo aumenta, gli oligomeri si depositano negli ugelli dell'ejectore e il vuoto si degrada costantemente durante la campagna.Perché la pressione assoluta determina direttamente il peso molecolare raggiunto, gli impianti installano la misurazione del vuoto online all'uscita del vapore del reattore e trattano una tendenza al rialzo come un allarme di qualità del prodotto piuttosto che un problema di manutenzione.
• Riscaldamento, uniformità di temperatura e tempo di permanenza:La fusione di poliestere è riscaldata con un fluido di trasferimento termico circolante, in genere una miscela eutectica di bifenil-difenilossido,attraverso una giacca e in molti disegni attraverso bobine interne o attraverso l'albero dell'agitatore e i dischi stessi, che è il modo più efficace per fornire calore in una pellicola viscosa.perché la velocità di reazione è fortemente dipendente dalla temperatura e la degradazione termica accelera al di sopra di circa 290-300°CUn punto caldo riduce la viscosità attraverso la scissione a catena e aumenta il contenuto di acetaldeide e esteri vinilici.e le questioni di distribuzione.: il materiale che rimane troppo a lungo si degrada, quindi la progettazione orizzontale con una serie di compartimenti o dighe, che si avvicina al flusso della spina, è preferita a un singolo volume miscelato.
• Materiali, tenuta e integrità del vuoto:Il poliestere si scioglie e i suoi vapori non sono corrosivi in modo aggressivo, quindi il materiale standard è l'acciaio inossidabile 316L per i recipienti di esterificazione e 304L o 316L per la finitura,con superfici di alta qualità elettrolizzate o lucide meccanicamente sulle aree di contatto del prodotto per ridurre la formazione e la degradazione del gel sulla pareteIl rischio reale è rappresentato dall'ingresso di aria: a 290°C, l'ossigeno che entra attraverso una flange con perdite, un sigillo dell'albero o una valvola provoca una rapida degradazione ossidativa, ingiallimento e formazione di gel.e carica anche il sistema di vuoto con l'azoto che gli ejectori devono gestire. le risposte progettuali sono la costruzione completamente saldata su servizio a vuoto, guarnizioni metalliche o guarnizioni fluoroelastomeriche ad alta temperatura, prova di perdita di elio a meno di 1 x 10^-6 mbar·L/s prima dell'avvio,e un controllo continuo dell'andamento dell'ossigeno o della pressione sul sistema a vuoto.

Matrice di confronto delle fasi del reattore in poliestere

Domande frequenti (FAQ)

D: Perché un reattore in poliestere ha bisogno di un vuoto così profondo?

R: Perché la policondensazione è una reazione di equilibrio reversibile che rilascia etilenglicolo, e la costante di equilibrio è vicina a uno.La lunghezza della catena che può essere raggiunta è quindi determinata quasi interamente dalla completa rimozione del glicolo dalla fusione, il che significa che la pressione parziale del glicolo sopra la fusione deve essere ridotta molto in basso.5-2 mbar nel finitore per raggiungere una viscosità intrinseca di 0 per la bottiglia.75-0.85 dL/g. C'è una seconda ragione, cinetica: con l'allungamento delle catene, la viscosità della fusione sale a 200-500 Pa·s e la diffusione di glicolo fuori dalla fusione diventa il passo limitante della velocità,Quindi anche un vuoto perfetto è inutile se il reattore non rinnova continuamente la superficie di fusioneÈ per questo che la profondità del vuoto e il rinnovamento della superficie devono essere progettati insieme e perché una piccola perdita d'aria o un condensatore a spruzzo riscaldato si manifestano immediatamente come un calo della viscosità intrinseca.

D: Cos'è la viscosità intrinseca e perché è importante?

A: La viscosità intrinseca è una misura del volume idrodinamico del polimero in soluzione,determinato misurando il tempo di flusso di una soluzione di polimero diluito in un viscometro capillare ed estrapolando alla concentrazione a zeroÈ il proxy standard del settore per il peso molecolare del PET perché è veloce, riproducibile e correla direttamente con le proprietà che contano: resistenza alla fusione, tenacia e robustezza.I valori tipici sono 0.55-0.65 dL/g per i filamenti tessili e le fibre in fiocco, 0.62-0.70 dL/g per le pellicole e i filati tecnici e 0.72-0.85 dL/g per la resina di bottiglia e il cavo dei pneumatici,dove un peso molecolare più elevato fornisce la forza meccanica e la resistenza alle crepe da sollecitazione necessarieLa viscosità intrinseca è misurata online o ogni poche ore in impianto ed è la variabile di controllo primaria: gli operatori regolano la temperatura di finitura,livello di vuoto e tempo di residenza per tenerlo entro una banda di circa più o meno 00,01 - 0,02 dL/g.

D: Qual è la differenza tra un reattore in poliestere e un reattore di polimerizzazione standard?

R: Tre caratteristiche lo distinguono. Si tratta di una condensazione piuttosto che di una polimerizzazione addizionale, quindi un sottoprodotto di piccole molecole, l'etilene glicolo,viene generato continuamente e deve essere rimosso sotto vuoto perché la reazione possa proseguireUn reattore di aggiunta, come quello utilizzato per l'acrilico o il polietilene, non genera alcun sottoprodotto e deve invece eliminare un grande esotermo.240-290°C contro 60-140°C per la maggior parte dei sistemi acrilici e vinilici, che porta degradazione termica, formazione di acetaldeide e tenuta ad alta temperatura nel progetto.da una scorie sottile a una fusione a 500 Pa·s, quindi il reattore di finitura deve utilizzare l'agitazione che genera film piuttosto che la miscelazione a granello, e lo scarico richiede una pompa di ingranaggi e una linea di trasferimento della fusione piuttosto che una semplice valvola.

D: Che cosa causa il poliestere non conforme alle specifiche e come viene corretto?

R: I quattro problemi più comuni sono tutti riconducibili a cause specifiche: bassa viscosità intrinseca, da vuoto insufficiente, un condensatore a spruzzo contaminato,tempo di permanenza troppo breve o bassa temperatura di finituraIl dietilene glicolo elevato, che abbassa il punto di fusione e l'affinità del colorante,da un eccessivo rapporto glicolo/acido o da una temperatura di esterificazione eccessivaL'acetaldeide elevato, che è critico per la qualità della bottiglia,da degradazione termica nella finitura o nel successivo stampaggio ad iniezione■ è corretto abbassando la temperatura di fusione, riducendo il tempo di permanenza e aggiungendo policondensazione allo stato solido.dal polimero degradato conservato sulla parete del recipiente dove si degrada termicamente nel corso dei giorni, che viene corretto migliorando l'asciugatura delle pareti, la lucidatura delle superfici di contatto e la pulizia su un programma definito.