O que é um reator de poliéster: processo de policondensação, projeto e aplicações

Respondendo à questão central:O que é um reator de poliéster?Um reator de poliéster é um reactor aquecido, agitado,recipiente de alto vácuo em que o ácido tereftálico purificado e o monoetileno glicol são convertidos primeiro num oligómero e depois em polietileno tereftalato de peso molecular comercialA esterificação a 240-270°C e 0,2-3 bar reacciona o ácido com glicol para formar bis-hidroxietiltereftalato e água.que é removido através de uma coluna de fraccionamento. A pré-policondensação a 270-280 °C abaixo de 20-50 mbar constrói a cadeia para uma viscosidade intrínseca de cerca de 0,2-0,35 dL/g, removendo o glicol.5-2 mbar leva-o ao alvo.O desafio de engenharia definidor é que a policondensação é uma reação de equilíbrio,Assim, o peso molecular só é alcançado removendo o etilenoglicol de um fundido cuja viscosidade sobe para 200-500 Pa·s, o que torna a renovação da superfície e a integridade do vácuo os factores decisivos do projecto.

1Reacção Química e Design de palco

Três reações são executadas em sequência, e cada uma precisa de um ambiente de reator diferente:

• Esterificação e transesterificação:Na via de esterificação direta, o ácido tereftálico purificado reage com o monoetileno glicol a 240-270°C e 0,2-3 bar para produzir bis-hidroxietil tereftalato e água.O PTA não se dissolve em glicol a uma taxa útil, de modo que a reação é inicialmente limitada pela interface sólido-líquido e o reator deve manter uma lama homogénea e bem agitada;À medida que a conversão prossegue, a fusão do oligômero torna-se a fase contínua e a dissolução deixa de ser limitante.. A água é removida como vapor com glicol e uma coluna de fraccionamento externa ou montada numa coluna devolve o glicol ao reator, enquanto a água é levada para cima,que é essencial porque a proporção molar de glicol para ácido, normalmente 1, 1 a 2.0Na via de transesterificação mais antiga, o tereftalato de dimetilo é reagido com glicol para liberar metanol.e enquanto esta via dá um produto mais limpo tem sido em grande parte deslocado pela esterificação direta no custo.
• Policondensação de fusão e controlo do equilíbrio:O segundo estágio é uma policondensação reversível: dois grupos terminais de hidroxila se combinam para formar um elo éster e liberam etilenoglicol.O comprimento da cadeia alcançado é quase inteiramente regido pela eliminação completa do glicol, razão pela qual a pressão diminui progressivamente através da planta, de 20-50 mbar no pré-polimerizador para 0,5-2 mbar no acabador.A remoção é limitada pela difusão de glicol de um fundido que se torna progressivamente mais viscoso, o reator deve renovar continuamente a superfície de fusão: é por isso que o acabador é um recipiente horizontal com um anel de disco giratório ou agitador de gaiola que levanta o fundimento em filmes finos,em vez de um tanque agitadoÀ medida que a cadeia cresce, a viscosidade do derretimento sobe de menos de 1 Pa·s para 200-500 Pa·s, e a viscosidade intrínseca é usada como o proxy online para o peso molecular.
• Catalisador, subprodutos e qualidade do produto:A policondensação requer um catalisador, mais comumente trióxido de antimônio a 150-300 ppm como antimônio,Embora os catalisadores à base de titânio sejam cada vez mais utilizados devido às restrições do antimônio em aplicações de contato com alimentos e bebidasO dietileno glicol é formado a partir da reação do glicol com si mesmo e é mantido abaixo de 1,0-1,5%.porque cada unidade incorporada na cadeia diminui o ponto de fusão e a estabilidade térmicaO acetaldeído forma-se por degradação térmica durante o processo de fusão e deve ser inferior a 1 ppm em qualidade de garrafa,Uma vez que contamina o sabor da água engarrafada; é minimizado por baixas temperaturas de acabamento, curto tempo de residência e, em muitas plantas, por uma etapa de policondensação em estado sólido que o remove, aumentando a viscosidade intrínseca.
• Policondensação e acabamento em estado sólido:Quando for exigido o tipo de garrafa ou de qualidade técnica,As fichas de fase de fusão são cristalizadas a 140-180 °C e, em seguida, mantidas num reator de policondensação a 200-230 °C sob azoto ou vácuo durante 8 a 30 horasComo a reação ocorre na fase sólida, a temperatura é suficientemente baixa para que a degradação térmica seja mínima, de modo que a viscosidade intrínseca pode ser aumentada de cerca de 0,6 para 0,75-0.85 dL/g enquanto o teor de acetaldeído for inferior a 1 ppmO reactor é um silo vertical alto ou um leito em movimento contínuo com um fluxo de nitrogénio cuidadosamente controlado, e as duas variáveis de controlo críticas são a uniformidade da temperatura em todo o leito,Uma vez que os pontos quentes causam sinterização e formação de nódulos, e a remoção do glicol gerado, o que exige que o nitrogénio seja secado e purificado antes da recirculação.

2. Projeto mecânico de um reator de poliéster

Quatro decisões mecânicas determinam se uma linha de poliéster atinge sua viscosidade de projeto e a mantém:

• Seleção do agitador por estágio de viscosidade:O comboio do reator abrange cinco ordens de magnitude de viscosidade, de modo que nenhum agitadoor funciona durante todo o processo.Os estágios de esterificação e pré-policondensação utilizam um recipiente vertical com uma turbina ou uma âncora combinada e um agitador de turbinaO processo de acabamento requer uma abordagem completamente diferente:um recipiente cilíndrico horizontal com um conjunto rotativo de anéis de disco,, onde anéis ou discos mergulham no derretimento e o levam para cima como uma película que drena de volta sob a gravidade, ou um projeto de gaiola com uma rede de barras que gera uma grande área de filme fino.A distância entre as paredes é mantida entre 10 e 30 mm, e o eixo deve ser suportado por rolamentos internos ou concebido para uma grande relação comprimento/diâmetro sem deflexão.e a vedação deve manter o vácuo total a 290°C.
• Sistema de vácuo e recuperação de glicol:A obtenção de 0,5-2 mbar no acabador requer um sistema de vácuo de vários estágios, tipicamente um condensador de pulverização para eliminar glicol e oligômeros, seguido por ejetores de vapor com intercondensadores,e muitas vezes uma bomba de anel líquido como o estágio finalA carga de vapor não é apenas glicol, mas também produtos de degradação e oligómero entrainado, por isso o condensador de pulverização é essencial:utiliza um spray de glicol refrigerado circulante para condensar e lavar o vapor antes de chegar aos ejetores, e se for insuficiente ou se a temperatura do glicol subir, o oligómero deposita-se nos bicos ejetores e o vácuo degrada-se gradualmente durante a campanha.Porque a pressão absoluta determina diretamente o peso molecular alcançado, as instalações instalam medições de vácuo em linha na saída de vapor do reator e tratam uma tendência crescente como um alarme de qualidade do produto e não como uma questão de manutenção.
• Aquecimento, uniformidade de temperatura e tempo de permanência:O poliéster fundido é aquecido por um fluido de transferência de calor circulante, tipicamente uma mistura eutectica de óxido de bifenil-difenil,através de uma jaqueta e em muitos desenhos através de bobinas internas ou através do eixo do agitador e dos próprios discos, que é a forma mais eficaz de fornecer calor numa película viscosa.porque a taxa de reação é fortemente dependente da temperatura e a degradação térmica acelera acima de cerca de 290-300 °CO ponto quente reduz a viscosidade através da cisão da cadeia e aumenta o teor de acetaldeído e grupo final de ésteres de vinilo.e as questões de distribuiçãoO material que permanece demasiado tempo degrada-se, pelo que o projecto horizontal com uma série de compartimentos ou barragens, que se aproxima do fluxo da tomada, é preferido a um único volume de mistura.
• Materiais, vedação e integridade no vácuo:O poliéster derrete e os seus vapores não são agressivamente corrosivos, pelo que o material padrão é o aço inoxidável 316L para os recipientes de esterificação e o 304L ou 316L para o acabamento,com superfícies polidas eletropolitamente ou polidas mecanicamente de alta qualidade nas áreas de contacto do produto para reduzir a formação e degradação de gel na paredeO risco real é a entrada de ar: a 290°C, o oxigénio que entra através de uma flange com fugas, de uma vedação de eixo ou de um caule de válvula provoca uma rápida degradação oxidativa, um amarelamento e a formação de gel.e também carrega o sistema de vácuo com nitrogênio que os ejetores devem lidarAs respostas do projecto são uma construção totalmente soldada em serviço de vácuo, juntas metálicas ou vedações de fluoroelastômeros de alta temperatura, teste de vazamento de hélio a menos de 1 x 10^-6 mbar·L/s antes do arranque,e uma verificação contínua da tendência do oxigénio ou da pressão no sistema de vácuo.

Matriz de comparação dos estágios dos reatores de poliéster

Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Por que um reator de poliéster precisa de um vácuo tão profundo?

R: Porque a policondensação é uma reação de equilíbrio reversível que libera etilenoglicol, e a constante de equilíbrio é próxima de um.O comprimento da cadeia que pode ser alcançado é, portanto, definido quase inteiramente pelo quão completamente o glicol é removido da fusão, o que significa que a pressão parcial do glicol acima da fusão deve ser reduzida muito.5-2 mbar no acabador para atingir uma viscosidade intrínseca de 0Há uma segunda razão, cinética: à medida que as cadeias se alongam, a viscosidade da fusão sobe para 200-500 Pa·s e a difusão de glicol para fora da fusão torna-se o passo limitante da taxa,Assim, mesmo um vácuo perfeito é inútil a menos que o reator renove continuamente a superfície de fusão.É por isso que a profundidade do vácuo e a renovação da superfície devem ser concebidas em conjunto, e por isso que uma pequena fuga de ar ou um condensador de pulverização aquecido aparece imediatamente como uma queda na viscosidade intrínseca.

P: O que é a viscosidade intrínseca e por que é importante?

A viscosidade intrínseca é uma medida do volume hidrodinâmico do polímero em solução,Determinado medindo o tempo de fluxo de uma solução de polímero diluído num viscometro capilar e extrapolando para a concentração zeroÉ o indicador padrão da indústria para o peso molecular no PET porque é rápido, reproduzível e correlaciona-se diretamente com as propriedades que importam: resistência ao derretimento, tenacidade e resistência.Os valores típicos são 0.55-0.65 dL/g para filamentos têxteis e fibras descontínuas, 0.62-0.70 dL/g para películas e fios técnicos e 0.72-0.85 dL/g para resinas de garrafas e cordões de pneus,onde um peso molecular mais elevado proporciona a resistência mecânica e a resistência à fissura de tensão necessáriasA viscosidade intrínseca é medida em linha ou a cada poucas horas na planta, e é a principal variável de controlo: os operadores ajustam a temperatura de acabamento,nível de vácuo e tempo de residência para mantê-lo dentro de uma faixa de cerca de mais ou menos 00,01 a 0,02 dL/g.

P: Qual é a diferença entre um reator de poliéster e um reator de polimerização padrão?

R: Três características o distinguem. É uma condensação em vez de uma polimerização de adição, por isso uma pequena molécula de subproduto, o etilenoglicol,é gerado continuamente e deve ser removido sob vácuo para que a reação prossigaO reactor de adição, tal como o utilizado para acrílicos ou polietileno, não gera subprodutos e tem de remover um grande exotérmico.240-290°C contra 60-140°C para a maioria dos sistemas acrílicos e de vinil, o que traz degradação térmica, formação de acetaldeído e vedação a alta temperatura para o projeto.de uma lama fina a uma fusão de 500 Pa·s, de modo que o reator de acabamento deve usar agitação geradora de filme em vez de mistura a granel, e a descarga requer uma bomba de engrenagem e uma linha de transferência de fusão em vez de uma simples válvula.

P: O que causa o poliéster fora das especificações e como é corrigido?

R: Os quatro problemas mais comuns têm causas específicas: baixa viscosidade intrínseca, de vácuo insuficiente, um condensador de spray contaminado,Tempo de residência demasiado curto ou baixa temperatura de acabamentoO diétileno glicol é elevado, o que reduz o ponto de fusão e a afinidade do corante.de uma relação glicol/ácido excessiva ou de uma temperatura de esterificação excessivaA concentração de acetaldeído é elevada, o que é crítico para a qualidade da garrafa.de degradação térmica no acabador ou no posterior moldagem por injecçãoA coragem da solução é corrigida por redução da temperatura de fusão, redução do tempo de residência e adição de policondensação no estado sólido.do polímero degradado mantido na parede do recipiente, onde se degrada termicamente ao longo de dias, o que é corrigido através da melhoria da limpeza das paredes, do polimento das superfícies de contacto e da limpeza num calendário definido.