Brevet FR2128627A1 — publié le 19721020

07S79 i. 2128627 La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de préparation d'un polymère de polyester amélioré à haute viscosité. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de conversion d'une subs-5 tance liquide d'une certaine viscosité en une substance liquide de viscosité plus élevée, en faisant se dégager plus rapidement les substances volatiles produites pendant la réaction de polyconden-sation, tout en évacuant simultanément ces substances volatiles, afin de maintenir ainsi du polymère de qualité supérieure. Plus 10 particulièrement encore, la présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de conversion d'une substance liquide à faible viscosité en une substance liquide à haute viscosité, afin de produire un polymère amélioré dont la viscosité permet la mise sous forme de fibres. Plus particulièrement encore, la présente 15 invention se rapporte à un dispositif et à un procédé améliorés de préparation de matière synthétique polymère de viscosité supérieure, en accélérant la phase de polycondensation de la réaction, et dans laquelle le polymère peut avoir une viscosité allant jusqu'à environ 100.000 poises. 20 Le brevet américain n° 3.358.422 décrit le dégazage ac compagné d'un dégagement simultané important de substances volatiles lors de la préparation de matières liquides à haute viscosité. Une contribution considérable à cette technique complexe serait apportée par l'association d'un tel système avec un système .où une 25 viscosité encore plus grande est obtenue par dégagement important de toutes les substances volatiles en un temps réduit, permettant ainsi d'obtenir une qualité améliorée du polymère. Pour cette raison, un premier objet de la présente invention est de fournir un dispositif finisseur de matière liquide po-30 lymère et un procédé de préparation d'un polymère amélioré pouvant être mis sous forme de fibres. Un autre objet de la présente invention est de fournir un dispositif finisseur amélioré de polymère, et un procédé de préparation de polymère amélioré pouvant être mis sous forme de fibres 35 an retirant de manière importante toutes les substances volatiles Je la mati^rs liquide qui subit la polycondensation, grâce à un re-jouvêllenient de surface obtenu par la mise sous forme de film,, le *élange et. le pompage améliorés de ce polymère à travers tout le dispositif. Encore un autre objet de la. présente invention est de bad original 72 07579 2" 2128627 contrôler le temps de séjour à l'intérieur du réacteur, et plus particulièrement de régler le niveau dans la section de décharge du réacteur. Conformément à la présente invention, on dispose d'un 5 récipient cylindrique horizontal destiné au finissage de la matière liquide visqueuse, muni d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie de cette matière, aux extrémités opposées de ce récipient, et au moins un orifice de sortie pour le dégagement des substances volatiles, un agitateur rotatif monté de manière sensiblement con-IQ centrique à l'axe horizontal du récipient cylindrique, pour pouvoir tourner à l'intérieur de ce récipient, et muni d'un arbre d'entraînement destiné à mettre en rotation cet agitateur, cet arbre possédant des roues à rayons, le bord intérieur de chaque jante de roue étant laissé intact sous forme d'un cercle continu, le 25 bord extérieur de cette jante comportant des parties saillantes qui permettent la mise en film continue et le mouvement d'écoulement de la matière, possédant une viscosité dynamique se situant entre environ 1.000 poises et environ 100.000 poises. La présente invention sera bien comprise par la descrip-20 tion suivante, faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective représentant les parties saillantes fixées sur le bord extérieur de la roue à rayons, conformément à la présente invention. 25 La figure 1-A est une vue en perspective représentant une partie saillante sous forme de soc, fixée au bord extérieur de la roue à rayons, conformément à un autre exemple de réalisation de la présente invention. La figure 2 est une vue en élévation d'une chicane com-30 portant line fente de saillie et une ouverture de drainage, conformément à un autre exemple de réalisation de la présente invention. La figure 3 est une vue en plan du détail de la fente de saillie de la chicane, comme représenté sur la figure 2, illustrant cet exemple de réalisation de la présente invention. 35 La figure 4 est une vue en élévation de la jante de la roue, dans laquelle des découpes sont pratiquées et pliées pour former des "oreilles* l'une vers la droite, l'autre vers la gauche, consécutivement tout autour de cette jante, conformément à un exemple de réalisation de la présente invention. 40 La figure 5 est une vue de côté de ces découpes après bad original 72 07579 3. 2128627 qu'elles aient été pliées à partir de l'état représenté sur la figure 4 représentant cet exemple de réalisation de la présente invention. La figure 1 est une vue en perspective représentant des 5 exemples de parties saillantes fixées sur le bord extérieur de la roue à rayons utilisée conformément aux exemples de réalisation de la présente invention. La roue à rayons 1 est montée sur un arbre d'entraînement destiné à la rotation d'un agitateur à l'intérieur d'un récipient horizontal sensiblement concentrique, non re-10 présenté, ces roues étant en nombre suffisant pour obtenir les buts recherchés de la présente invention. Habituellement, une disposition préférée comporte une roue par compartiment du récipient.-Les parties saillantes 5> 7> 9 et 11 des figures 1 et 1-A sont des exemples représentant différents types de ces parties~qui sont uti-15 Usés pour atteindre les buts de la présente invention. Ces parties saillantes représentées sont sous forme de saillies soudées comme en 5, 7, 9 et 11, ou sous forme de découpes pratiquées dans la jante de la roue, comme en 23 de la figure 5, et comme représentées avant leur pliage en 21 sur la figure 4. 20 La dimension de ces saillies, et particulièrement celle du support de ces saillies sont critiques vis-à-vis des caractéristiques de mise sous forme de film. L'angle que forme la saillie et son support peut varier depuis environ 10° jusqu'à environ 45°, et la saillie prise seule ne doit pas dépasser 50 de la largeur 25 totale de la jante, pour une bonne mise sous forme de film. De manière préférée, les deux tiers de la face intérieure du pourtour sont laissés intacts. Les saillies agissent comme une turbine grâce à laquelle elles prélèvent une partie du polymère sur l'une de ses faces, et la déplacent vers son autre face, après quoi elles 30 impriment au polymère une poussée supplémentaire pour le déplacer, plutôt à la manière d'une pompe. Ces saillies fournissent effectivement un gradient hydraulique inverse en permettant d'obtenir effectivement un niveau du liquide à l'extrémité de décharge du récipient supérieur au niveau à l'extrémité d'entrée, permettant 35 ainsi la formation d'un film tout au long du réacteur. La mise en film et le pompage sont tous deux non seulement nécessaires pour évacuer les substances volatiles durant la réaction, mais également pour régler le temps de séjour du polymère à l'intérieur du réacteur, afin d'obtenir le degré de visco-40 sité désiré. Le rapport h/D (hauteur du liquide/diamètre du réci 72 07579 4. 2128627 pient) de la roue de turbine de ]a présente invention est l'un de ses grands avantages, consistant en ce qu'il permet la formation d'un film pour des rapports h/D aussi faibles que 0,17. Ceci signifie que n'importe quel compartiment ou section du réacteur de 5 finissage possédant une section d'aussi faible valeur sera en mesure de produire un film. Dans les réacteurs de la technique antérieure, un rapport h/D inférieur à 0,23 dans certains compartiments, habituellement à proximité de l'extrémité de décharge du réacteur, ne produisait aucun film. Dans un tel cas, la seule possibilité 10 de renouvellement du film était obtenue par la matière essuyée sur la jante durant chaque passage à travers la masse de matière, dans le compartiment du réacteur. Théoriquement, dans un tel cas, une augmentation de la vitesse aura pour effet une augmentation de la surface engendrée, mais si cette vitesse est trop importante, le 15 polymère s'enroule tout simplement autour de l'arbre, et aucun renouvellement de film ni aucun pompage ne seront effectués. Le rapport h/D est défini comme étant le rapport entre la hauteur d'équilibre (h) du polymère mesuré dans un réacteur horizontal (ou chambre ou compartiment ou section d'un réacteur) 20 l'agitateur étant arrêté, divisé par le diamètre intérieur (D) du réacteur. Les roues' conçues conformément à la présente invention peuvent être utilisées avec ou sans les chicanes représentées sur la figure 2. Cependant, un certain type de chicanes est préférable, 25 particulièrement pour les viscosités élevées. Le compartimentage par chicanes permet une disposition plus serrée des roues, sans disperser le polymère entre les roues, et est tout à fait utile pour obtenir un modèle de distribution du temps de séjour dans le réacteur finisseur. On a trouvé de plus, conformément à la présen-30 te invention, que des chicanes possédant une fente de saillie 15 de la figure 2 possèdent l'avantage de retenir le polymère sur la face aval de la paroi, et, de plus, d'empêcher de manière sensible le mélange en retour qui se produit habituellement avec d'autres types de chicanes. La fente de saillie peut être formée avec des 35 angles divers, et à des hauteurs diverses au-dessus de la base du réacteur finisseur. En général, plus la viscosité préparée est élevée, plus la fente doit être placée à un niveau élevé, du fait que la masse du polymère est élevée à un niveau plus important par . la jante de la roue, à mesure que la viscosité augmente. 40 Les saillies, dans un autre exemple de réalisation de la 72 07579 5. 2128627 présente invention, ont la forme de soes placés à une certaine distance de la jante de la roue par des tiges entretoises. Ce type de saillie 9 est représenté sur la figure 1A. De nouveau, une partie du bord extérieur de la jante est découpée afin de facili-5 ter le pompage du polymère. Les socs de cette variante de réalisation de l'invention possèdent l'avantage particulier de pouvoir mélanger le polymère à l'intérieur d'un compartiment ou chambre du réacteur finisseur, en tirant le polymère depuis la chambre précédente et en le rabattant contre la roue, et ils sont associés à 10 des saillies du type turbine du côté du refoulement de la roue, ce qui a pour effet de pomper le polymère vers la chambre suivante. La fente de saillie 15 de la figure 2 est représentée plus en détail dans la figure 3 comme étant la fente 19. La découpe 17 de la figure 2 est simplement un passage.afin de permettre le draina-15 ge du récipient. Les saillies utilisées dans la présente invention peuvent être d'une grande diversité de conception, dans la mesure où elles restent dans les limites de dimension et d'angle précédemment indiquées. Les conceptions peuvent différer d'une roue à l'au 20 tre, ainsi que d'une face à l'autre de la même roue. Le nombre de chambres à l'intérieur du réacteur finisseur peut varier. De plus, le nombre de roues ainsi que le nombre de saillies fixées sur chaque roue peuvent varier selon la viscosité désirée et le débit. 25 Le fonctionnement de ce réacteur finisseur peut être fa cilement compris . Le liquide polymère à faible viscosité est alimenté par des moyens convenables dans l'orifice d'entrée du réacteur finisseur horizontal, s'écoule vers l'autre extrémité et est évacué grâce à des moyens convenables non représentés. Le débit 30 depuis l'entrée jusqu'à la sortie de ce réacteur finisseur est assuré par les relations mutuelles entre les différents composants de l'&ppareil réacteur et la matière liquide polymère en cours de finition. La mise sous forme de film et le pompage simultané important de la présente invention sont effectués en conservant in-35 tact- Je bord intérieur de la jante d'une roue, sous forme d'un cer 'Cï?r çatytinu, cette jante comportant des saillies de conception bien-.déterminée, fixées comme il a été souligné précédemment. Les saillies peuvent être de conceptions diverses dans la mesure où restent dans les limites de dimension et d'angle mises en ■*-* éyitiëïiîse ui-dessus. pAn nqîQiNAL^ 72 07579 6. 2128627 Le film en suspension à l'intérieur de chaque chambre fournit une matière polymère dé gazée améliorée, parce qu'elle est mise continuellement sous forme de film, ce qui contribue à un bon taux de transfert en masse entre le film et le gaz. La matière est 5 également sujette à une action de pompage simultanée qui peut être contrôlée, et obtenue sans interférer avec l'aptitude de la roue à mettre sous forme de film des polymères en fusion. Le polymère d'alimentation utilisé dans le fonctionnement de la présente invention peut avoir une viscosité aussi bas-10 se que 1.000 poises. La viscosité du produit fini peut atteindre 100.000 poises, après que la réaction de polycondensation soit sensiblement terminée. La vitesse de l'agitateur peut varier depuis 0,1 tour par minute jusqu'à environ 15 tours par minute, selon la viscosité du polymère. Le réacteur finisseur peut fonctionner 15 de manière préférée sous des niveaux de dépression situés entre 0,1 mm de mercure absolu et 50 mm de mercure; cependant, ce finisseur peut fonctionner en utilisant une atmosphère d'azote ou de vapeur d'eau, et sous pression, si cela est nécessaire pour des raisons de traitement. La quantité normale de liquide mis en oeu-20 vre dans le réacteur finisseur peut se situer entre environ 10 % et environ 40 % du volume de ce réacteur. Le réacteur finisseur, objet de la présente invention, est particulièrement adapté pour la production des polyesters ; cependant, il est également adapté pour n'importe quelle matière de 25 polycondensation dans laquelle les substances volatiles dégagées durant la polycondensation doivent être efficacement éliminées, et où le temps de séjour à l'intérieur du réacteur doit être contrôlé afin de maintenir un produit de qualité. Les exemples suivants illustrent le dispositif, le pro-30 cédé et le produit fini obtenu en utilisant la présente invention. EXEMPLE 1 Environ 20 kg à l'heure (45 pounds) d'acide téréphtali-que, et environ 12 kg (26 pounds) par heure d1éthylèneglycol, sont alimentés en continu au système d'estérification directe d'un train continu de polymérisation. Le produit estérifié est partiellement polymérlsé dans un réacteur horizontal agité et tenant le vide, de manière à obtenir un produit possédant une viscosité intrinsèque de 0,6 (mesuré® grâce au mélange de 60/40 phénol/tétrachloroéthane), et possédant une concentration en groupe terminal carboxyle de 17 40 «illiéquivalents par kg. Ce produit est alimenté en continu dans un bad original 72 07579 7- 2128627 autre réacteur horizontal à la température de 280°C et sous la pression de 1 torr. Ce réacteur possède un diamètre intérieur d'environ 76 cm (30 inches) et une longueur effective d'environ 64 cm (25 inches). Il contient un agitateur muni dTune série de roues à 5 rayons, reliées à un arbre central, chaque roue à rayons étant mise en rotation entre deux chicanes. Durant le fonctionnement, l'agitateur tourne à 0,5 tour/minute. Le niveau est maintenu au minimum désiré afin d'obtenir une décharge constante sur la vis de sortie. Le produit sortant de ce réacteur possède une viscosité in-10 trinsèque de 0,98, et une concentration en groupe terminal carbo-xyle de 23 milliéquivalentspar kg. Ce produit est pompé vers un bloc de filage, et converti en un fil pour pneus à 192 filaments de 1.300 deniers. EXEMPLE 2 15 Du téréphtalate de polyéthylène est fabriqué de la même manière que dans l'exemple 1, à l'exception que le réacteur final est modifié, et qu'il est mis en action suivant un procédé qui sera décrit ci-après dans cet exemple. La modification de ce réacteur consiste à enlever les chicanes existantes et les roues à rayons 20 et à les remplacer par des chicanes de manière à former quatre cham bres séparées l'une de l'autre d'environ 12 cm (5 inches), et par 4 roues possédant chacune des saillies sur leur périphérie comme représenté sur les figures 4 et 5. Ces roues sont fixées sur un arbre rotatif. La hauteur du polymère, lorsqu'il n'y a pas agitation, 25 divisée par le diamètre du récipient, soit h/D, est maintenue à la valeur 0,20 en moyenne. Durant le fonctionnement, les roues sont entraînées à la vitesse de 0,5 tour/minute et il ne s'est posé aucun problème en maintenant une décharge constante à la vis de sortie, bien que le niveau moyen du polymère dans le réacteur soit 30 beaucoup plus bas que dans l'exemple 1. Le produit fabriqué par ce réacteur possède une viscosité intrinsèque de 1,00, et une concentration en groupe terminal carboxyle de 12 milliéquivalents par kg. Comme dans l'exemple 1, le produit est pompé vers un bloc de filage et est converti en un fil pour pneus à 192 filaments de 1.300 de-35 niers. Des essais ont été effèctués sur les fils des exemples 1 et 2, afin de connaître leurs propriétés physiques, en utilisant un mesureur "Instron" et un testeur de stabilité thermique à tube scellé. (Stockage à environ 2 5°C (75°F), 65 % d'humidité relative 40 pendant 24 heures, scellement dans un tube de verre, exposition à 72 07579 8. 2128627 150°C (300°P) pendant 48 heures, et détermination du pourcentage de résistance résiduelle). Les résultats sont les suivants : Source de Charge limite Allongement Stabilité thermi fil par traction/ limite, % que, résistance grammes par résiduelle, % denier Exemple 1 9,0 14,2 82 Exemple 2 9,2 14,3 87 Les fils obtenus dans ces exemples sont convertis en cordons triples, de torsion 8x8, pour pneus, mis sous tension et incorporés dans des pneus d'essais. Ces pneus sont montés sur une roue d'essai, dans les conditions du Département Américain des Transports. On a trouvé que le temps moyen de roulement sans rup-ture des cordons de l'exemple 1 est de 51 heures (5 pneus). Le temps de roulement moyen pour cinq pneus avec les cordons de l'exemple 2 est de 62 heures. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de 20 la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 72 07579 9. 2128627 REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné à la finition de matière liquide visqueuse, caractérisé en ce qu'il comporte un récipient cylindrique horizontal ; un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour 5 cette matière sur les côtés opposés de ce récipient, et au moins un orifice de sortie pour l'évacuation des substances volatiles, une enveloppe pour le chauffage de la matière, un agitateur rotatif, monté de manière sensiblement concentrique à l'axe horizontal du récipient cylindrique pour être mis en rotation à l'intérieur 10 de ce récipient, et muni d'un arbre d'entraînement pour sa mise en rotation, cet arbre portant des roues à rayons, le bord intérieur de chaque jante de roue étant laissé intact sous forme d'un cercle -continu, et le bord extérieur de cette jante possédant des saillies qui permettent une mise sous forme de film continu et une action 15 de pompage de cette matière depuis l'entrée jusqu'à l'extrémité de sortie du réacteur, laquelle matière possède une viscosité à l'état fondu d'environ 1.000 poises jusqu'à environ 100.000 poises. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque saillie de jante de la roue est fixée sur le bord ex- 20 térieur de cette jante, la largeur de cette saillie ne dépassant pas 50 % de la largeur totale de la jante de la roue, et l'angle de cette saillie étant d'environ 10° à environ 45°. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque saillie sur la jante de la roue est une partie soli- 25 daire de cette jante, cette saillie étant écartée d'un angle saillant faisant environ 10 à environ 45° à partir de la face extérieure de cette jante de roue, et cette saillie n'excédant pas 50 % de la jante complète de la roue. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 30 ce que chaque saillie de la jante de la roue peut être réglée de manière à régler l'épaisseur du film, et le débit de matière visqueuse pompée. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ee que les composants de l'agitateur sont reliés et positionnés par rapport à la matière, de manière que la mise sous forme de film et le pompage de la matière visqueuse puissent avoir lieu. 6 « Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 38 que Is? composants de l'agitateur sont reliés su récipient,de «lanière à évacuer continuellement la matière qai est produite dans récipient;, lorsque l'agitateur est en rotation. bad original 72 07579 10. 2128627 7 - Procédé de polymérisation continue d'une matière liquide visqueuse ayant une viscosité allant jusqu'à 100.000 poises, constitué d'un polyester linéaire saturé ou non saturé, ou en d'autres polymères à viscosité élevée, par chauffage de cette ma-5 tière sous pression, et où l'on désire effectuer le dégazage de cette matière par évacuation des substances volatiles produites caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a - alimenter en continu d'une quantité de matière dans une chambre d'entrée un récipient cylindrique horizontal conte-10 nant un agitateur du type à roues tournantes. b - maintien du niveau de cette matière dans ce récipient entre environ 10 et environ 40 pour cent de celui-ci. c - montée continue d'une quantité de cette matière, et libération d'un film en suspension suivant un mouvement continu 15 sensiblement perpendiculaire à la surface de cette matière. d - extension de ce film en suspension depuis le point de sortie de la matière liquide jusqu'à sa réintroduction dans la matière liquide du côté opposé au point de sortie, cette extension se faisant à l'intérieur de chaque chambre de ce récipient. 20 e - pompage en continu d'une quantité de cette matière depuis l'entrée jusqu'à la sortie du récipient. f - évacuation en continu des substances volatiles durant la polymérisation de la matière. g - récupération de cette matière liquide visqueuse. bad original