СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕСЛИПАЮЩЕГОСЯ ГРАНУЛЯТА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО ПОЛИЭФИРНЫЙ МАТЕРИАЛ, И ДАЛЬНЕЙШЕЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕННОГО ГРАНУЛЯТА
METHOD OF PRODUCING UNSINTERED GRANULATE INCLUDING POLYESTER MATERIAL AND FURTHER PROCESSING OF PRODUCED GRANULATE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу получения неслипающегося гранулята, включающего полиэфирный материал, в котором полиэфирный материал подают в поток охлаждающей воды в виде расплава и отделяют от охлаждающей воды после прохождения через охлаждающий участок.
Темой изобретения также является применение гранулята, полученного таким образом.
К полиэфирным материалам могут относиться, в частности, полиэтилентерефталат или его модифицированные сополимеры с модифицирующими компонентами со стороны кислоты, например изофталевой кислотой, или со стороны диола, например циклогександиметанолом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Например, DE 10349016 В4 также начинается с осуществления способа указанного выше типа, где в соответствии с описанием этого документа после формирования гранулята считается необходимым проведение так называемой фазы кристаллизации или посткристаллизации.
Как может быть установлено из DE 19848245 А1, полиэфирный гранулят в начальной стадии является по существу аморфным и прозрачным. В этом состоянии он имеет склонность к слипанию на протяжении дальнейшей обработки в твердой фазе при температуре стеклования, а также выше нее. Слипания полимера можно избежать путем увеличения его кристалличности, что может быть обнаружено по белой окраске. Согласно DE 102004015515 А1 для этого необходима степень кристаллизации, составляющая по меньшей мере 38%.
В соответствии с DE 10349016 В4, посткристаллизация осуществляется посредством использования тепловой энергии, содержащейся в гранулированных частицах сразу после гранулирования. Во избежание слипания гранулированных частиц до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень кристаллизации, предлагается встряхивать их или подвергать воздействию вибрации, например, транспортировкой с помощью вибрационного или встряхивающего конвейера.
Однако высокая степень кристаллизации в дальнейшей обработке гранулята не всегда желательна, так как соответственно увеличивается энергия, требуемая для плавления гранул.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В случае известных способов посткристаллизация для получения достаточно кристалличного неслипающегося гранулята, а также меры по предотвращению слипания гранулированных частиц уже во время посткристаллизации предполагают существенную сложность в химической технологии и оборудовании. Более того, неизбежно возникает специфическая температура гранулята, зависящая от размера гранул. Поэтому задачей изобретения является усовершенствование указанного выше способа так, чтобы он мог быть осуществлен более рациональным образом и с меньшей сложностью в отношении оборудования. Кроме того, предполагается, что можно будет избежать необходимости высокой степени кристаллизации, более 45%.
Согласно изобретению это достигается в соответствии с п.1 формулы изобретения тем, что время нахождения полиэфирного материала на охлаждающем участке составляет 0,2-5 с и охлаждающая вода имеет давление по меньшей мере 2 бар (0,2 МПа) на протяжении охлаждающего участка. В соответствии с возможным выполнением способа полиэфирный материал может присутствовать в охлаждающей воде в виде нити или гранулята.
Для гранулята, полученного таким образом, посткристаллизация не требуется или по меньшей мере требуется не в каждом случае. Показано, что при отсутствии дополнительного введения внешней энергии гранулят не слипается даже без посткристаллизации и механического перемещения. Даже во время нагревания под давлением слипания не было обнаружено. Гранулят пригоден для прямой переработки без дополнительной кристаллизации, причем возможно использование его высокой температуры в газовой обработке, такой как обработка в реакторе твердофазной постконденсации, кондиционирующем реакторе для сушки, устройствах для дегазации и/или удаления альдегидов или кристаллизации (если фактически требуется более высокая степень кристаллизации). В качестве примеров дальнейшей обработки могут быть упомянуты также пневмотранспорт и промежуточное хранение в бункерах или в термостойких кипах.
Известно, что охлаждаемый объект невозможно увлажнить при наличии очень высоких температурных градиентов (Leidenfrost). При атмосферных условиях или малом избыточном давлении это явление также наблюдается для полиэфирного расплава, если последний вводят в охлаждающую воду. На поверхности полиэфирного материала формируется паровой слой, который обладает изоляционным эффектом и препятствует охлаждению полиэфирного материала.
Кроме того, при испарении и конденсации в граничном слое возникают неуравновешенные состояния, которые делают поверхность полиэфирного материала шероховатой (образуются «кратеры»). Шероховатая поверхность способствует слипанию готовых гранулированных частиц. Это приводит к неконтролируемой кристаллизации и повышению истирания в последующей механической обработке, в результате чего происходит разрушение и возникает необходимость в проведении циклов очистки, а также происходит потеря материала. Кроме того, в результате многократного прохождения через температуру стеклования гранулированные частицы могут агломерироваться, что приводит к дальнейшему разрушению и потере качества.
Неожиданно было обнаружено, соответственно условиям по п. 1 формулы изобретения, что испарение и поверхностную кавитацию у гранулированных частиц можно контролировать до такой степени, когда поверхность частиц образует структуру апельсиновой корки, которая уменьшает и без того низкие поверхности контакта сферических частиц таким образом, что агломерация больше не наблюдается даже при дальнейшей тепловой обработке. Мгновенный прямой контакт с охлаждающей водой вызывает контролируемое образование поверхностной структуры и, следовательно, впервые делает возможным охлаждение расплава, которое согласовано с дальнейшим процессом обработки и контролируемой степенью кристаллизации, которая может составлять от 8 до 45%.
Кристаллизация начинается от ядра гранулированных частиц наружу ввиду более высокой температуры затвердевающего расплава, преобладающего здесь, что ведет к возникновению в гранулированных частицах напряжений и усадки, которые представляют собой эффект отталкивания близко расположенных частиц и поэтому дополнительно препятствуют агломерации.
Во избежание слипания конечных гранулированных частиц достаточно очень короткого времени нахождения полиэфирного материала при упомянутых условиях давления на охлаждающем участке, составляющего лишь 0,2-5 с.
С другой стороны, посредством ограничения времени нахождения при упомянутых условиях давления на охлаждающем участке до 5 с, предпочтительно до 2 с, достигнута низкая степень кристаллизации готового гранулята, составляющая менее 10%. Готовый гранулят в высокой степени аморфен, что может быть определено по его прозрачности. Предпочтительно, готовый гранулят, таким образом, имеет аморфную часть, составляющую не более 92% и не менее 55%. Полиэфирный материал после отделения охлаждающей воды к тому же все еще имеет преимущественно высокую температуру для дальнейшей непосредственной обработки, такой как, например, твердофазная посткристаллизация или сушка.
Предпочтительные воплощения способа согласно изобретению охарактеризованы в зависимых пунктах 2-14 формулы изобретения.
Таким образом, предпочтительно выбирать время нахождения в более узких пределах от 0,2 до 2 с, особенно предпочтительно между 0,4 и 0,8 с. То же самое относится к давлению, которое устанавливают предпочтительно между 3 бар (0,3 МПа) и 6 бар (0,6 МПа). Давление выше чем 6 бар (0,6 МПа) в большинстве случаев не требуется для достижения результата соответственно изобретению и может вызвать проблемы в конструкции устройства.
После прохождения охлаждающего участка давление охлаждающей воды быстро снижается, и затем охлаждающую воду отделяют от полиэфирного материала. Снижение давления может быть осуществлено на суженном участке в виде отрезка трубы с уменьшенным поперечным сечением или посредством гидроканалов. В другом исполнении может использоваться трубопроводная арматура специальной формы, например запорные клапаны.
Перед суженным участком желательно, чтобы происходило испарение с поверхности полиэфирного материала, поскольку это способствует отделению охлаждающей воды и посредством формирования изолирующей паровой пленки предотвращает дальнейшее охлаждение полиэфирного материала, которое больше не требуется или, возможно, более не желательно. Эти эффекты дополнительно достигаются выбором температуры охлаждающей воды от 80 до 110°С, предпочтительно от 85 до 95°С, близкой к атмосферной точке кипения. С другой стороны, потери воды путем испарения остаются минимальными.
Для разнообразных дальнейших способов обработки выгодно использовать срезающее движение лезвий на фильерной пластине в сочетании с поверхностным натяжением отвердевающего расплава, при средней температуре готового гранулята в интервале 90-220°С, предпочтительно 150-220°С. Эта температура зависит в том числе и от времени нахождения полиэфирного материала на охлаждающем участке, так что она может быть отрегулирована подходящим выбором этого времени.
При рассмотрении процесса гранулирования указанная по меньшей мере одна нить расплавленного полиэфирного материала может быть разрезана после ее выхода в поток охлаждающей воды и, следовательно, ещё перед проходом через охлаждающий участок, что может быть выполнено, например, с помощью перфорированной плиты с прикрепленным набором вращающихся лезвий или подобным образом. Диаметр перфорации при этом составляет порядка миллиметра.
Расплав, который предпочтительно сформирован в виде по меньшей мере одной расплавленной нити, может также быть гранулирован уже после вытягивания и охлаждения в охлаждающей воде. Разрезание нити также возможно после отделения охлаждающей воды. Готовые гранулированные частицы при этом обычно весят от 10 до 20 мг.
Для отделения полиэфирного материала от охлаждающей воды можно использовать водно-паровой сепаратор, которому предшествует указанный выше суженный участок, необходимый для снижения давления охлаждающей воды. В случае подводного гранулирования можно использовать коммерчески доступный центробежный сепаратор. Благодаря образованию пара после снижения давления также достаточно простого дугового сита с отсасывающим устройством, на котором пар и воду отделяют от гранулированных частиц и удаляют воздухом или инертным газом. Такое воплощение также возможно и для нити, разрезаемой после этого.
В случае непосредственного подводного гранулирования, которое предпочтительно, время нахождения полиэфирного материала на охлаждающем участке может быть отрегулировано изменением потока охлаждающей воды, например, с помощью контроля скорости вращения водяного насоса на охлаждающем участке, поскольку гранулированные частицы переносятся потоком охлаждающей воды. Регулирование потока охлаждающей воды на охлаждающем участке возможно простым способом, в котором охлаждающую воду разделяют между охлаждающим участком и обходным трубопроводом и вместе направляют обратно на подачу перед суженным участком. В этом случае через суженный участок проходит постоянное количество воды, а давление на охлаждающем участке остается постоянным и изменяется в месте разделения.
В качестве альтернативы гранулирование полиэфирного материала также возможно после охлаждения в охлаждающей воде. Кроме того, таким образом может быть осуществлено удлинение полиэфирного материала, который затем присутствует на охлаждающем участке по меньшей мере частично в виде нити.
Другое альтернативное воплощение предусматривает, что полиэфирный материал гранулируют уже после отделения охлаждающей воды с образованием гранулированных частиц приблизительно цилиндрической формы. Для этой цели полиэфирный материал пропускают через весь охлаждающий участок в виде нити, поэтому гранулирование осуществляют после охлаждающего участка.
Соответственно изобретению, в частности пункту 15 формулы изобретения, где указано одно из назначений применения продукта, полученного предложенным способом в соответствии с пунктами 1-14 формулы изобретения, продукт подают непосредственно в реактор или сушилку твердофазной постконденсации, предпочтительно, например, в сушилку колонного или шахтного типа с неподвижным псевдоожиженным слоем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено более подробное объяснение изобретения со ссылкой на варианты его воплощения, представленные на чертежах, где:
Фиг.1 - схема первого воплощения изобретения с подводным резанием; и
Фиг.2 - соответствующая схема второго воплощения изобретения с сухим резанием.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На обеих фигурах позиция 1 обозначает впуск расплава, 2 - выпуск гранулята и 3 - камеру резания. Циркуляция охлаждающей воды включает последовательно расположенные охлаждающий участок 4, обычно 0,5-3 м длиной, суженный участок 5, водо- и пароотделитель 6 и поддерживается в работе водным циркуляционным насосом 7. Водо- и пароотделитель 6 может представлять собой простое дуговое сито или доступный для приобретения центробежный сепаратор. В контуре циркуляции охлаждающей воды дополнительно содержится теплообменник 8, с помощью которого температуру охлаждающей воды можно регулировать и поддерживать постоянной посредством терморегулятора 15. Терморегулятор гранулята обозначен позицией 9 и связан с контроллером 10 количества воды. Контроллер количества воды действует на перепускной клапан 11, с помощью которого можно регулировать распределение охлаждающей воды между охлаждающим участком 4 и обходным каналом 12. Водо- и пароотделитель 6 снабжен отсасывающим вентилятором 14, перед которым установлен пароконденсатор 13. Водный циркуляционный насос 7 создает в описанном контуре циркуляции охлаждающей воды давление, установленное таким образом, чтобы на охлаждающем участке 4 оно составляло более 2 бар (0,2 МПа). Как вариант регулирования и поддержания давления постоянным на фиг.1 представлен другой контроллер 16 давления, который воздействует на регулирующий клапан 5а суженного участка 5.
Два воплощения изобретения на фиг.1 и фиг.2 отличаются положением камеры 3 резания. В конструкции на фиг.1 камера 3 резания расположена в контуре циркуляции охлаждающей воды в зоне впуска расплава 1, прямо перед охлаждающим участком 4, и подвержена воздействию потока охлаждающей воды. Давление охлаждающей воды в ней составляет более 2 бар (0,2 МПа), как и по всему охлаждающему участку 4. В воплощении изобретения на фиг.2 камера 3 резания расположена за пределами циркуляции охлаждающей воды между водо- и пароотделителем 6 и выпуском 2 гранулята и, следовательно, является сухой.
В воплощении на фиг.1 расплавленный полиэфирный материал выходит предпочтительно из множества сопел, формируя, соответственно, большое количество расплавленных нитей в камере резания, расплавленные нити немедленно разрезают под водой до необходимого размера гранул режущим ротором, например вращающейся перфорированной пластиной. Здесь также используется термин «лицевая поверхность фильеры». Вследствие режущего движения лезвий на фильерной плите с учетом поверхностного натяжения затвердевающего расплава формируются гранулированные частицы приблизительно сферической формы. Гранулят переносят непосредственно на охлаждающий участок 4 посредством циркуляционной воды. В камере 3 резания и на протяжении охлаждающего участка давление охлаждающей воды, как уже было указано, составляет более 2 бар (0,2 МПа). Это давление воды снижается до давления окружающей среды на последующем суженном участке 5. Сужение может быть достигнуто благодаря специальной конструкции поперечного сечения трубопровода с учетом количества циркуляционной воды или с использованием регулирующего клапана 5а, который является, например, запорным клапаном, пригодным для 2-фазной смеси, благодаря которому на охлаждающем участке также возможен упомянутый контроль давления. После снижения давления вода испаряется непосредственно со все еще горячей поверхности гранулированных частиц и может далее быть легко отделена с помощью водо- и пароотделителя 6. Полученный в результате этого пар откачивают вместе с окружающим воздухом с помощью вытяжного вентилятора 14 и конденсируют в пароконденсаторе 13.
В соответствии с изобретением стремительное охлаждение при избыточном давлении, составляющем по меньшей мере 2 бар (0,2 МПа), имеет место в камере 3 резания, на охлаждающем участке 4 и также частично возможно даже на суженном участке 5, однако из-за геометрических соотношений время нахождения в камере 3 резания и на суженном участке 5 меньше по сравнению с временем нахождения на охлаждающем участке 4. В соответствии с длительностью стремительного охлаждения гранулированные частицы охлаждаются в большей или меньшей степени. Регулированием времени нахождения на охлаждающем участке 4 посредством контроллера 10 расхода воды можно регулировать температуру готового гранулята управляемым способом, который также пригоден в случае частиц малого диаметра. Терморегулятор 9 гранулята при этом используется в качестве управляющего контроллера эталонного значения контроля расхода воды в форме каскадного контроля.
В воплощении на фиг.2 подобным образом множество нитей предпочтительно убраны, однако они вводятся непосредственно в охлаждающий участок 4, где они испытывают стремительное охлаждение аналогично ранее описанному грануляту. Резка с получением цилиндрических гранул осуществляется в камере 3 резания, которая расположена после водо- и пароотделителя 6 уже после отделения воды. Суженный участок 5 может иметь форму узких каналов, через которые проводятся нити. Кроме того, управление способом соответствует воплощению, изображенному на фиг.2.
ПРИМЕРЫ
Примеры A-D, показанные ниже в таблице, относятся к производству полиэфирного гранулята, в котором применяется ранее описанное воплощение согласно фиг.1. Пример Е - это сравнительный пример, в котором для гранулирования использовался подводный струйный гранулятор, а давление охлаждающей воды на протяжении охлаждающего участка соответствовало давлению окружающей среды. Во всех примерах расплав был приготовлен с помощью плавления гранулята ПЭТ при 290°С.
Пример
Расход расплава
Размер гранулята
Циркуляция воды
Температура воды
Давление в камере резания
Длительность стремительного охлаждения
Средняя температура гранулята
кг/ч
мг
м<sup>3</sup>/ч
°С
бар избыт.
с
°С
А
110
19
15
97
4
0,5
180
В
110
35
17
99
5,1
0,45
215
С
110
12
17
102
5
0,45
175
D
100
15
12
96
4
0,5
160
Е
100
15
12
96
0
0,5
160
В примерах A-D гранулированные частицы, выходящие из выпуска гранул, показывали отсутствие слипания даже при адиабатическом прямом наполнении. В примере D гранулят был подвергнут дополнительному давлению, равному 3 бар (0,3 МПа), и даже тогда не слипся.
Гранулированные частицы, полученные в сравнительном примере Е, в отличие от других примеров слиплись с образованием комков размером с кулак немедленно после выпуска гранулята.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
1. Впуск расплава
2. Выпуск гранулята
3. Камера резания
4. Охлаждающий участок
5. Суженный участок
5а. Клапан регулирования расхода
6. Водо- и пароотделитель
7. Водный циркуляционный насос
8. Теплообменник циркуляционной воды
9. Терморегулятор гранулята
10. Контроллер количества воды
11. Перепускной клапан
12. Обходной канал для охлаждающего участка
13. Пароконденсатор
14. Вытяжной вентилятор-отделитель воды
15. Терморегулятор
16. Контроллер давления