Brevet FR2256025A1 — publié le 19750725

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour enlever les constituants volatils d'une matière plastique dans une extrudeuse à vis et en particulier un procédé et un dispositif pour enlever des quantités résiduelles de solvant dans une polyoléfine dans une extrudeuse de stabilisation (organisée pour l'extraction des constituants volatils) à vis à plusieurs étages. La stabilisation des matières plastiques, telles que les polyoléfines, dans une extrudeuse à vis lorsque le matériau est travaillé et chauffé par l'extrudeuse, par des orifices de vapeur disposés le long de llextrudeuse, est bien connue. Un tel procédé et un tel dispositif, dans lesquels des soutirages de vapeur sont maintenus à des pressions successivement plus basses dans des étages successifs, sont décrits dans le brevet américain n0 3.082.816. Bien que ce procédé et ce dispositif soient efficaces pour retirer une proportion sensible du solvant, hors de la masse plastique, il reste dans la plupart des cas du solvant résiduel dans la. proportion de mille à cinq mille parties par millon. La présence de ce solvant résiduel affecte d'une manière nuisible beaucoup des caractéristiques physiques de la résine. Le brevet américain n0 3.267.a(5 décrit un procédé pour enlever les impuretés des polyearbonates, dans lequel les impuretés sont extraites à l'aide d'une injection de matériaux inertes. Dans les polycarbonates, qui contiennent des chlorures, l'eau n'est pas un matériau inerte et son emploi dans les polycarbonates est contreindiqué. Le procédé du brevet n0 3.267.075 utilise un écoulement du matériau inerte dans le même sens que le polycarbonate, et il en résulte que le matériau inerte contient une quantité maximum dtim- puretés lorsqu'il quitte le polycarbonate. Ceci limite l'efficacité de ltopération d1entrainement. Par opposition, le procédé selon la présente invention fournit un entrainement actif avec de la vapeur ou un autre matériau inerte, gazeux, et l'entrainement est réalisé de façon surprenante dans un procédé à contre-courant, ce qui procure le grand avantage que la vapeur propre arrivant, entre en contact avec la portion la plus propre du polymère, réduisant ainsi radicalement le pourcentage d'impuretés apparaissant finalement dans le produit. Ainsi, on a découvert qu'il n'y a presque pas de limite à la quan tité de vapeur d'entratnement qui peut être utilisée dans un tel écoulement à contre-courant dans une extrudeuse ; ceci fournit l'occasion d'une bien plus grande possibilité d'entralnement. C'est donc un objet de la présente invention de fournir un procédé et un dispositif pour enlever efficacement et de façon économique les constituants volatils, en particulier les petites quantités résiduelles de ceux-ci d'une masse plastique dans une extru-deuse à vis. C'est aussi un objet de la présente invention de fournir une extrudeuse à vis continue pour travailler et stabiliser la masse plastique, comprenant un moyen amélioré pour en enlever les petites quantités résiduelles de constituants volatils. C'est toujours un autre objet de la présente invention de fournir un dispositif d'extrudeuse à vis pratique et économique pour retirer les petites quantités résiduelles de constituants volatils. Ces objets ainsi que d'autres qui ressortiront de la description suivante de la présente invention, sont atteints, en résu mé, par un procédé et par un dispositif dans lequel un gaz, tel que de la vapeur, est injecté pour s'écouler à contre-courant de l'écou- lement de la matière plastique dans une extrudeuse à vis remplie de cette matière plastique, et au moins une majeure partie du gaz, combinée avec le constituant volatil pour être retirée de la matière plastique, est extraite par un moyen d'orifice dans l'extrudeuse, situé à un point en amont du point d'injection du gaz. Dans une forme de réalisation de la présente invention, par exemple, du polyéthylène en solution à environ 40 % de matière solide, dans l'hexane est stabilisé partiellement d'une manière classique. A ce point, le produit contient 0,1 à 1,0 % en poids d'hexane. Pour de nombreuses applications, ce pourcentage est trop élevé. Conformément à la présente invention, les constituants volatils résiduels sont alors extraits de la masse de polyéthylène stabilisé, dans un étage étanche séparé de ltextrudeuse, dans lequel un gaz, tel que de la vapeur est injecté.Conformément à la présente invention, le gaz injecté, combiné avec les constituants volatils extraits de la matière plastique, est retiré en un endroit situé en amont du point dlinjection. On a constaté qu'une partie du gaz injecté se déplace aussi vers l'aval, mais qu'au moins la majorité se déplace vers l'amont. Conformément à la présente invention, il est important que la vapeur passe à travers le polymère à contre-courant avec agitation, entraînant les molécules de solvant ; l'action d'entrainement ne dépend pas de la diffusion des impuretés de solvant ou de produit volatil dans la masse plastique. Ainsi, dans une autre forme de réalisation préférée de la présente invention, l'enlèvement de la vapeur et du gaz est assuré par un Jeu de deux vis gembo4tées# avec un pas et une rotation tels qu'elles renvoient les matériaux solides vers l'extrudeuse tandis qu'elles permettent sélectivement l'échappement des gaz entre elles. De préférence, cet orifice d'extraction de vapeur est connecté à un moyen de réduction de pression tel qu'un aspirateur ou une pompe à vide pour accroltre davantage l'extraction de la vapeur. Bien que cela ne fasse pas partie de- la présente invention, le procédé d'enlèvement du constituant volatil peut être encore accru par injection dans la masse plastique, d'eau dans le but de re froidirtla masse plastique en-un point situé en aval d'un joint de pression qui est en aval des points d'injection de vapeur et d'extraction. Un orifice ultérieur d'extraction de vapeur sous pression réduite, non seulement enlève l'eau ainsi injectée mais amène aussi avec lui une partie de la vapeur précédemment infectée, en meme temps que les constituants volatils qui se sont combinés avec elle. la présente invention va maintenant etre décrite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe en plan d'une extrudeuse à double vis, comprenant la section d'extraction du constituant volatil conforme à la présente inventions et La figure 2 est une vue en coupe latérale de l'extrudeuse et de la section d'extraction de constituants volatils représentée sur la figure 1. En se référant maintenant aux figures 1 et-2, la paire de vis d'extrusion 10 et 12 sont renfermées dans un carter ou fût 14 entouré par une double paroi chauffante 16. Le matériau pénétrant par une entrée d'alimentation 18 est travaillé et déplacé par les vis 10 et 12 jusqu a au moins une section d'extraction de vapeur qui comporte un orifice 20 dtextraction de vapeur adjacent à une section 22 d'arbre à diamètre réduit de la vis d'extrudeuse. Plusieurs de ces sections d'extraction de vapeur peuvent être prévues suivant une manière connue ; la pression d'extraction de vapeur dans chacune peut être commandée indépendamment quand les étages sont séparés par des joints de pression du matériau plastique, lesquels joints sont formés par des segments de vis cylindriques ou des segments à pas inverses. En suivant une ou plusieurs sections de stabilisation telles que représentées sur les figures 1 et 2, des quantités résiduelles de constituants volatils dans la masse plastique sont enlevées conformément à la présente invention dans une section séparée du dispositif d'extrudeuse, qui comporte une première paire de cylindres 24 formant--joint de pression et une paire aval de cylindres 26 formant joint de pression. Dans le segment des vis d'extrudeuse placées entre les cylindres d'étanchéité 24 et 26, une section 27 de vis à arbre de diamètre réduit est prévue de façon à ce qu'une pression basse soit maintenue dans la masse plastique au- voisinage de l'orifice 30.Cependant, la section de vis 27 a un pas tel que la partie aval de la section 27 est maintenue remplie par le moyen de pression aval 26 et est maintenue à une pression qui est sensiblement supérieure à la pression du matériau au voisinage de l'orifice 30. Conformément à la présente invention, un moyen d'injection 28 pour un gaz tel que de la vapeur est prévu en amont du joint 26 et en aval du joint 24. Le moyen d'injection 28 peut comprendre une ou plusieurs entrées dans le fût de l'extrudeuse, et bien entendu est connecté a# une source de gaz d'injection, tel qu'un générateur de vapeur, non représenté. L'orifice 30 est prévu en un point de la même section 27 d'extrudeuse en amont du point d'injection. L'orifice 30, si ongle désire, peut être connecté à un dispositif de réduction de pression tel qutun aspirateur ou une pompe à vide. Il est important que l'injection de gaz soit faite à un point intermédiaire entre un point aval à pression élevée et un point amont à pression fatale, et que la pression d'injection soit inférieure à cette pression élevée et supérieure à cette basse pression. On considère que cela est surprenant ; la demanderesse a découvert que ce n'est pas la direction de l'écoulement de la matière plastique visqueuse sous pression qui détermine la direction du gaz injecté, mais qu'au lieu de cela, cette direction est comman dée par les pressions relatives amont et avale. En. outre, il est surprenant que le gaz injecté s'écoule promptement et en grand volume à contre-courant de la matière plastique visqueuse sous pression dans l'espace prévu dans l'extrudeuse. La présente invention est, par conséquent, très avantageuse quand le matériau plastique est faiblement alimenté à la zone de basse pression en amont, quand les vis sont remplies et sous pression au point d'injection du gaz, et quand le matériau est à une pression élevée en aval du point d' injection. En ce qui concerne l'orifice 30, du fait de la tendance d'un tel orifice à s'encrasser ou même à s'obstruer avec des solides s'échappant avec le gaz, un moyen d'extraction de vapeur préféré comprend une paire de vis embossées 32 enveloppées par un bot- tier 34 étroitement ajusté, avec un jeu suffisant pour permettre seulement au gaz de passer à travers. Les vis 32 de la paire embottée ont un pas et sont entraînées en rotation par un moteur d'en-. traînement (non représenté) dans une direction qui force les solides entraînés à retourner vers la masse plastique dans l'extrudeu- se principale. Dans la forme de réalisation du dispositif représenté sur les figures 1 et 2, on a aussi représenté un moyen d'entrée d'eau facultatif 36 dans le but d'injecter de l'eau de refroidissement dans la masse plastique. Cette eau est extraite par l'orifice 38 d'extraction de vapeur en aval de ce point, dans lequel on extrait aussi une partie du gaz injecté dans le moyen d'injection de gaz 28. Le matériau plastique traité dans le dispositif et ainsi stabilisé est ensuite extrudé par la filière 42. Conformément à la présente invention, on a découvert que sensiblement tous les constituants volatils peuvent Etre extraits d'une masse plastique dans une extrudeuse à vis en injectant dans la masse plastique souple ou pliable un gaz non réactif, c'est-àdire ne réagissant pas avec la masse plastique, qui se mélange intimement par écoulement à contre-courant de la masse plastique, formant dedans celle-ci une phase vapeur dispersée, et qui a pour résultat que les constituants volatils sont extraits avec le gaz in jecté par un orifice prévu dans ce but. Le gaz doit, bien entendu, être injecté à une pression supérieure à celle de la masse plastique.On préfère garder la pression de la masse plastique raisonnablement basse au point d'injection, par exemple en utilisant un arbre àdia mètre réduit sur la vis d'extrusion dans la zone d'injection du gaz, de façon à faciliter la manipulation et 11 injection du gaz. Le gaz à injecter peut être choisi dans une large variété de matériaux gazeux sensiblement non réactifs. La condition habituelle est que le gaz soit non réactif avec le matériau plastique. Bien que la présente invention soit utile pour traiter les polyoléfines, telles que le polyéthylène, divers autres polymères et systèmes de solvants de polymères peuvent aussi être traités. En particulier, des polymères tels que le polystyrène, le polypropylène, les polycarbonates ainsi que d'autres peuvent eAtre purifiés à l'aide de la présente invention. Les quantités de matière plastique débitées, les matériaux volatils qui sont à en extraire, le gaz à y injecter, et le calibre ét les dimensions relatives du dispositif utilisé dans la présente invention sont tous en relation. La quantité de gaz injectée pour extraire les constituants volatils conformément à la présente invention peut varier largement de façon surprenante, si on le dési re, des volumes énormes de gaz peuvent être Injectés et extraits à contre-courant et ce débit peut facilement être changé selon le degré de pureté désiré à obtenir et le débit du matériau plastique. Généralement, comme exemple spécifique, on a trouvé que dans une (petite) extrudeuse à double vis de diamètre de vis de 5 cm environ ayant une section d'entratnement de 54 cm avec un ar- bre d'un diamètre de 28,5 mm et une pression dans la masse plastique a1 environ 9,8 kg par cm2, de la vapeur à 2000C et à 18 kg par cm2 peut être injectée commodément suivant un débit d'environ 25 kg à ltheure pour entraîner pratiquement tout ce qui reste de solvant hexane-cyclohexane d'une solution de 95 à 98 % de solide pénétrant dans. la section d'entratnement à un débit d'environ 125 kg de matériau polymérique à l'heure. Comme exemples d'extraction de solvants résiduels d'une solution à 40 ffi de solide de polyéthylène dans un mélange de solvant hexane-cyclohexane > utilisant un dispositif tel que celui représenté sur les figures 1 et 2 ayant des vis de 5 cm avec trois étages d'extraction de vapeur, ayant des soutirages de vapeur respectivement à 25 kg par cm2 en pression aval , à la pression atmosphérique, et au voisinage du vide, et dans lequel les filets de vis inversés en aval des points d'injection de vapeur étaient utilisés pour gar der la vis d'extrudeuse remplie dans les zones d'orifice d'injection et d'extraction de vapeur, et dans laquelle le diamètre de ltarbre dans la même zone était de 28,5 mm, les expériences suivantes ont été faites et ont donné les résultats ci-après TABLEAU Echantillon n0 29 23 30 Débit de production, kg/heure ... 46,3 46,3 48,6 Proportion de solvant (parties par million) à l'entrée de la section d'entrainement par vapeur 9.708 15.599(1) 9.259 Gaz injecté ................... .. aucun vapeur (2) vapeur Température d'injection, OC ~ 4 4 183 Pression d'injection, W cm2 - 8,0 9,8 Gaz extrait en amont du point d'injectian, Wheure - 18 64 Gaz extrait en aval du point d'in- jection, kg/ heure , ~ 0,78 1,75 Teneur du produit en solvant (par ties par million) ............... 497 O o (1) 4.920 à l'alimentation, 10.679 ajouté (2) et eau L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de 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 apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'extraction d'un constituant volatil hors d'une matière plastique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on travaille le matériau et le constituant en direction aval dans une zone d'une extrudeuse, une partie avale de cette zone étant remplie de ce matériau sous pression ; - on maintient le matériau à une pression plus faible sur une partie amont de cette zone ; - on injecte un gaz dans la matière plastique dans la partie aval , où le matériau est à l'état visqueux et remplit complè -tement les espaces entre filets au point d'injection ; et - on extrait le gaz en même temps que le constituant vola til à la partie amont de la zone. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est de la vapeur. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau, ou la matière, plastique est une polyoléfine et le gaz est de la vapeur. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique est du polyéthylène et le gaz est de la vapeur. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz et le constituant volatil combinés sont extraits par aspiration par un orifice à basse pression. 6 - Dispositif pour l'extraction -d'un constituant volatil d'une matière (ou matériau) plastique, caractérisé en ce qu'il comporte - une extrudeuse à vis ayant une zone, dont une partie aval est complètement remplie de matière plastique à l1état'vis- queux, cette zone ayant une partie amont qui est à une pression plus basse que celle de la partie aval ; - un moyen pour injecter un gaz dans le matériau dans la partie aval et à une pression supérieure à celle du matériau ; et - un moyen d'orifice en amont du moyen d'injection pour extraire du matériau le gaz combiné avec le constituant volatil, à une pression inférieure à celle du point dsinjection. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen d'orifice comprend - une paire de vis emboftées, disposées et entraînées en rotation de façon à empêcher la matière plastique de quitter le dispositif ; et - un boîtier pour ces vis, communiquant à une extrémité avec le dispositif, le jeu autour des vis étant limité de façon à permettre sélectivement la fuite essentiellement du gaz seul hors du dispositif. 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen d'injectionde degaz comprend une source de vapeur, et une conduite, de cette source au dispositif. 9 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen d'orifice est connecté à un moyen de réduction de pression. 10 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière plastique, à un endroit en aval du point dtinjection, est maintenue à une pression supérieure à la pression au point dtin- section. 11 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un moyen est prévu en aval du point d'injection, pour mainté- nir la matière plastique à une pression supérieure à la pression au point d'injection. 12 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un moyen est prévu pour alimenter faiblement la matière plastique à la partie amont.