可變壓降上流預聚合器(ufpp)系統和方法
2023-06-10 11:18:41
可變壓降上流預聚合器(ufpp)系統和方法
【專利摘要】公開了製備聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和預聚物的方法和系統。所述方法和系統使用可變壓降上流預聚合器結構。可選擇UFPP中的壓力分布，以有利改變聚合和酯化反應的相對反應速率。這種設計使在UFPP中進行的酯化最大化，同時仍生產具有最佳羧基端基濃度(例如，約30微當量/g至60微當量/g)的預聚物，以使後縮聚器生產能力最大化。這可導致給定設備產量所需的酯化器尺寸和成本減小。
【專利說明】可變壓降上流預聚合器(UFPP)系統和方法
發明領域
[0001]本發明涉及製備聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和預聚物的方法和系統。更具體地講，本發明涉及製備PET和預聚物PET的可變壓降上流預聚合器系統和方法。
[0002]背景
用於聚酯纖維和瓶樹脂兩者的聚對苯二甲酸乙二酯的製備方法完全或部分地在一系列熔融相反應器中進行。通常，聚對苯二甲酸乙二酯的製備方法可包括三個熔融相反應器:酯化器、UFPP (上流預聚合器)和後縮聚器。所有3個反應器一般在高於270°C的溫度下操作，而操作壓力從第一反應器(酯化器)中的超大氣壓力降低到最終反應器(後縮聚器)中的接近完全真空。過程所用的原料為乙二醇和苯二甲酸。
[0003]對於聚酯纖維，苯二甲酸一般為100%對苯二甲酸，而對於瓶樹脂，苯二甲酸可包含高達5%間苯二甲酸。可在任何點向過程中加入催化劑和其它添加劑，但一般在酯化器後注入。
[0004]在熔融相反應器中，首先使乙二醇與對苯二甲酸反應，以形成低聚物和作為副產物的水蒸氣，然後，低聚物聚合形成聚合物，帶有作為副產物的乙二醇和水。
[0005]有兩個主要化學反應發生。在一個低聚物分子的羥基末端與另一個低聚物分子的羥基末端反應形成較長鏈低聚物分子和乙二醇分子時，這些反應之一發生。在連續反應後，低聚物分子最終長成聚合物分子。將此反應稱為聚合反應。在低聚物分子或乙二醇分子的羥基末端與另一個低聚物分子的羧基末端反應形成較長鏈低聚物分子和水分子時，這些反應的第二反應發生。將此反應稱為酯化反應。較高操作壓力有利於酯化反應，而較低壓力有利於聚合反應。
[0006]在所有的熔融相反應器中，酯化反應和聚合反應兩者均在一定程度上發生。酯化反應支配熔融相過程的早期階段，但隨後聚合成為主要反應機制。
[0007]通常，酯化反應的約85-95%在第一反應器(酯化器)中完成。對於給定設備產量，酯化器的大小(即，停留時間)和成本由在所需酯化反應條件(即，溫度和乙二醇:苯二甲酸進料摩爾比)下完成足夠酯化的需要所決定。
[0008]其餘酯化反應大部分在第二反應器(即UFPP)中完成。UFPP從酯化器中產生的聚酯低聚物生產用於後縮聚器的預聚物。後縮聚器完成預聚物產物的聚合。
[0009]目前，建立和操作聚對苯二甲酸乙二酯製備過程所用的技術和方法是昂貴的。
[0010]發明概述
在本領域需要改進聚對苯二甲酸乙二酯的製備方法和設備，以減小操作和資本成本。簡要描述，本公開的方面包括改進聚對苯二甲酸乙二酯所用製備方法和設備的可變壓降上流預聚合器系統和方法等。
[0011]在一方面，公開了一種可變壓上流預聚合器(UFPP)系統。所述系統包括:
a)第一反應區域，所述第一反應區域包括底部塔板和在所述第一反應區域頂部布置的底部塔板蒸氣空間；
b)第二反應區域，所述第二反應區域包括塔板和塔板蒸氣空間，其中所述塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中頂部塔板升管連接所述塔板與頂部塔板，使得所述塔板和所述頂部塔板連通，
c)第三反應區域，所述第三反應區域包括頂部塔板、泡罩和沿著所述系統的垂直中心軸在所述頂部塔板的帽結構之上布置的所述頂部塔板升管，其中所述第二反應區域與所述第三反應區域通過所述頂部塔板升管中的開口連通；和
d)第四反應區域，所述第四反應區域包括在所述泡罩外側的所述頂部塔板的一部分和頂部塔板蒸氣空間，其中所述第四反應區域包括預聚物出口和蒸氣出口，其中所述第四反應區域為所述塔板和所述系統頂部之間排除所述泡罩下區域的區域，其中所述第三反應區域和所述第四反應區域通過所述泡罩連通，其中所述系統中的壓降通過以下一個或多個來控制:所述塔板和升管的幾何結構、位於外部管線升管中的控制閥、流體進入所述底部塔板的流量和通過所述蒸氣出口的蒸氣流量和組成。
[0012]在另一方面，公開了一種形成預聚物的方法，所述方法包括:
a)使低聚物與第一反應區域接觸，其中引入的所述低聚物的聚合度大於4；
b)使所述低聚物在所述第一反應區域中反應，以產生包含乙二醇和水的副產物蒸氣；
c)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過控制閥限制的升管流入第二反應區域，其中所述第二反應區域的壓力小於所述第一反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第二反應區域中反應；
d)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過內升管流入第三反應區域，其中所述第三反應區域的壓力小於所述第二反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第三反應區域中反應；
e)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過泡罩流入第四反應區域，其中所述第四反應區域的壓力小於第三反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步反應形成預聚物；
f)通過蒸氣出口移出剩餘的副產物蒸氣；和
g)通過預聚物出口移出所述預聚物。
[0013]在另一方面，公開了一種可變壓上流預聚合器(UFPP)系統。所述系統包括:
a)第一反應區域，所述第一反應區域包括底部塔板和在所述底部塔板上方布置的底部塔板蒸氣空間；
b)第二反應區域，所述第二反應區域包括第一塔板和第一塔板蒸氣空間，其中所述第一塔板包括在所述系統的外側邊緣周圍布置的外升管，其中所述外升管在向內面向的側上為環形，其中所述外升管包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口，其中所述第一塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中所述第一反應區域與所述第二反應區域通過所述外升管中的開口連通；
c)在所述第二反應區域之上布置的第三反應區域，所述第三反應區域包括第二塔板和第二塔板蒸氣空間，其中所述塔板包括沿著所述系統的垂直中心軸在所述帽結構之上布置的內升管，其中所述第二反應區域與所述第三反應區域通過所述內升管中的開口連通；
d)第四反應區域，所述第四反應區域包括第三塔板和第三塔板蒸氣空間，其中所述第三塔板包括在所述系統的外側邊緣周圍布置的第二外升管，其中所述第二外升管在向內面向的側上為環形，其中所述第二外升管包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口，其中所述第三塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中所述第三反應區域與所述第四反應區域通過所述外升管中的開口連通；
e)第五反應區域，所述第五反應區域包括頂部塔板、泡罩和沿著所述系統的垂直中心軸在所述帽結構之上布置的頂部塔板升管，其中所述第四反應區域與所述第五反應區域通過所述頂部塔板升管中的開口連通；和
f)第六反應區域，所述第六反應區域包括在所述泡罩外側的所述頂部塔板的一部分和頂部塔板蒸氣空間，其中預聚物出口和蒸氣出口與所述第六反應區域連通，其中所述第六反應區域為所述頂部塔板和所述系統頂部之間排除所述泡罩下區域的區域，其中所述第六反應區域與低於它的所述第五反應區域通過所述泡罩連通。
[0014]在又一方面，本發明公開一種生成預聚物的方法，所述方法包括:
a)使低聚物與第一反應區域接觸，其中引入的所述低聚物的聚合度大於4；
b)使所述低聚物在所述第一反應區域中反應，以產生包含乙二醇和水的副產物蒸氣；
c)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第一反應區域通過外升管流入第二反應區域，其中所述第二反應區域的壓力小於所述第一反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第二反應區域中反應；
d)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第二反應區域通過內升管流入第三反應區域，其中所述第三反應區域的壓力小於所述第二反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第三反應區域中反應；
e)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第三反應區域通過外升管流入第四反應區域，其中所述第四反應區域的壓力小於所述第三反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第四反應區域中反應；
f)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第四反應區域通過頂部塔板升管流入第五反應區域，其中所述第五反應區域的壓力小於所述第四反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第五反應區域中反應；
g)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第五反應區域通過泡罩流入第六反應區域，其中所述第六反應區域的壓力小於第五反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第六反應區域中反應形成預聚物；
h)通過蒸氣出口移出剩餘的副產物蒸氣；和
i)通過預聚物出口移出所述預聚物。
[0015]附圖簡述
參考以下附圖，可更好地了解本公開的很多方面。附圖中的組件不一定按比例。
[0016]圖1為單直徑二塔板UFPP系統的截面圖。
[0017]圖2為單直徑八塔板UFPP系統的截面圖。
[0018]圖3為顯示UFPP中試系統的底部塔板的壓力對聚合物輸出的影響的圖表。
[0019]圖4為顯示UFPP中試系統的底部塔板的壓力對聚合器的壓力的影響的圖表。
[0020]圖5為顯示16塔板UFPP反應器的底部塔板的壓力對聚合物輸出的影響的圖表。
[0021]圖6為顯示16塔板UFPP反應器的底部塔板的壓力對聚合器的壓力的影響的圖表。
[0022]圖7為顯示16塔板UFPP反應器的底部塔板的壓力對酯化器操作體積的影響的圖表。
[0023]發明詳述
在更詳細描述本公開之前，應了解，本公開不限於所述的具體方面，當然，這些可以變化。還應了解，本文所用術語只為了描述具體方面，並不是旨在限制，因為本公開的範圍只受所附權利要求限制。
[0024]除非另外定義，否則本文所用的所有技術和科學術語均具有與本公開所屬領域的普通技術人員普遍了解相同的含義。現在描述優選的方法和材料，不過也可在本公開的實施或試驗中使用與本文所述類似或等價的任何方法和材料。
[0025]除非另外指明，否則本公開的方面利用在本領域技術內的化學工藝、化學工程、化學循環等。這些技術在文獻中充分解釋。
[0026]提出以下實施例，為本領域的普通技術人員提供如何進行這些方法和使用本文公開和要求保護的組合物和化合物的完全公開和描述。雖然已努力保證與數字(例如量、溫度等)有關的精確度，但應考慮一些誤差和偏差。除非另外指明，否則份數為重量份，溫度為。C，壓力為巴絕對壓力。
[0027]應注意到，如本說明書和所附權利要求書所用，單數形式「一個」和「該」包括複數對象，除非上下文清楚地另有規定。因此，例如，提及「一個載體」包括複數載體。在本說明書和以下權利要求書中涉及一些術語，這些術語應限定為具有以下含義，除非明顯有相反意圖。
[0028]討論
本公開的方面包括可變壓上流預聚合器(UFPP)系統、方法等。可用本公開的系統和方法的方面製備聚對苯二甲酸乙二酯。本公開的系統和方法的方面至少因為以下原因有利:可選擇UFPP中的壓力分布，以有利地改變聚合反應和酯化反應的相對反應速率，即，較快的酯化反應在UFPP的下區段內在較高壓力進行，而較快的縮聚反應在UFPP的上區段內在較低壓力進行。設計本公開的方面，使得選擇的壓力分布使在UFPP中進行的酯化最大化，同時仍生產具有最佳羧基端基濃度(例如，約30微當量/g至60微當量/g)的預聚物，以使後縮聚器生產能力最大化。這可導致給定設備產量所需的酯化器尺寸和成本的減小。
[0029]另外，使用的低聚物進料流的羧基端基濃度可以變化。改變壓力分布的能力允許本公開的方面調節此改變的變量，以優化預聚物的性質，並因此控制後縮聚器的操作。壓力分布可用以下一個或多個來改變:塔板和/或升管的高度、塔板和升管的數目和/或幾何布置、固定或可變流量限制裝置的數目和位置和/或可變流量限制裝置的調節。因此，本公開的方面提供一些方式調節壓力分布，以在不同的低聚物進料流的情況下使生產能力最大化。
[0030]可將本公開的方面用於可允許較小反應器在UFPP系統的上遊和/或下遊的新設備。另外，由於可調節壓力分布，以使利用現有反應器的產量最大化，可用本公開的方面消除現有設備的薄弱環節。另外，可優化UFPP系統的形狀和尺寸，這可減少UFPP反應器成本。UFPP反應器可在以下生產率範圍內使用:從約I噸/天的研發設備至大於2000噸/天的大型生產設備。
[0031]常規UFPP反應器包括兩個圓筒形區段:用於預聚物反應和蒸氣-液體分離的最後階段的上部較大直徑區段，和用於預聚物反應較早階段的包含一些塔板和升管的下部較小直徑區段。將聚酯低聚物進料到UFPP底部，並用單獨的管線從UFPP的頂部區段去除預聚物產物和蒸氣副產物。在從UFPP的底部到頂部並流通過時，預聚物和副產物蒸氣流的壓力逐漸減小。出現此壓力減小是容器的幾何結構和容器內塔板和升管的布置引起的摩擦和流體靜力損失兩者的結果。大多數UFPP具有16個塔板以保持反應存料，並有相應數量的連接升管。然而，也開發了具有不同塔板數的UFPP設計。在預聚合器設計中，UFPP的向上流動特徵是獨特的。
[0032]Vodonik(美國專利2，727，882號)教導，當用於聚對苯二甲酸乙二酯過程的原料為對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇時，最初開發了 UFPP。Vodonik教導，在預聚物反應的早期階段使用較高壓力的目的是防止低聚物過分蒸發，過分蒸發可固化並堵塞UFPP蒸氣引出管線。Vodonik的裝置基於用DMT作為原料，並且設定操作壓降，以防止低分子量低聚物揮發，同時保持最低的可能操作壓力，以使聚合反應速率最大化。由於Vodonik使用對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇，Vodonik所述方法不需顯著酯化。
[0033]現今用乙二醇和苯二甲酸(例如，對苯二甲酸)生產聚酯，例如，聚對苯二甲酸乙二酯。應注意到，在Vodonik製備並提交時，對苯二甲酸並非市售可得。由於現今使用不同的化學物質，在本公開的方面發生不同的化學反應。不同的化學反應需要對用於本公開方面的結構和不同操作條件的不同考慮。如上提到，由於Vodonik使用對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇，該方法不需顯著酯化，因此，Vodonik未提到用較高壓力促進UFPP中酯化反應的重要性。本公開的方面在UFPP中使用壓力分布，以有利地改變聚合和酯化反應的相對反應速率。設計本公開的方面，使得壓降使在UFPP中進行的酯化的量最大化，同時仍生產具有最佳羧基端基濃度的預聚物，以控制聚酯聚合物性質，並使後縮聚器生產能力最大化。
[0034]變壓UFPP系統的實施方案可從聚酯低聚物生產聚酯預聚物，這是從單一容器內的多個反應室或區域(例如，約2至30個塔板和升管)形成，其中在連續反應區域中壓力逐漸減小。隨著操作壓力根據壓力分布逐漸減小，反應物和副產物以向上方向移動通過連續反應區域，所述壓力分布經選擇，以優化聚合和酯化反應的平衡，從而使酯化和/或後縮聚反應器的生產能力最大化。在液體被相對更快上升的蒸氣向上掃過UFPP時，從反應區域到反應區域的壓降受影響，直至最終較低壓力佔據容器頂部。在一個實施方案中，可通過可變流量限制裝置獨立於液體流量地改變系統的壓降，以便能夠在不同條件下(例如，變化的低聚物進料流)在不同的壓降操作相同系統。具體地講，可用可變流量限制裝置(例如，控制閥)自動控制壓降，以得到期望的羧基端基(CEG)端基濃度，例如，約30至55微當量/克。可用NIR類型測定或其它方法在離開UFPP的預聚物中測定CEG。在另一個實施方案中，通過UFPP內的固定流量限制裝置(例如，其可在直徑和高度上改變)的布置(例如，對於升管內邊緣布置的交替的中心)實現壓降。在另一個實施方案中，可用可變流量限制裝置和固定流量限制裝置的布置來控制壓降。
[0035]圖1圖示說明可變壓UFPP系統的一個實施方案。以下概要地描述系統，然後更詳細描述。圖1顯示單直徑二塔板UFPP，其中壓降用位於外部管線升管中的控制閥控制。管線升管一般構造用於蒸氣和低聚物流兩者，並且避免積累或「無流」區域。圖1中的系統包括可用於控制系統中溫度(例如，約275°C至約305°C，其中底部塔板和頂部塔板中的溫度在約±5°C的範圍內)的加熱夾套。一般可將系統認為是具有一個或多個反應區域的容器。如圖1中所示,系統包括四個反應區域。各反應區域包括液體混合物(例如,低聚物混合物，在其上升到容器頂部時轉化成預聚物混合物)和在液體之上布置的蒸氣空間。各反應區域包括底部、側面和頂部，其中可有一個或多個升管、管線、入口或出口，以將液體和蒸氣(例如，反應副產物蒸氣)從一個反應區域傳送到另一個反應區域。可控制各反應區域中的壓力，這允許控制液體中的反應。
[0036]第一反應區域包括包含初始低聚物混合物(例如，低聚物、催化劑、添加劑等)的底部塔板和在低聚物之上布置的底部塔板蒸氣空間。相鄰塔板的頂部表面之間的塔板間距一般為約0.1米(m)至約10m，這些尺寸適用於本文所述的其它方面(例如，圖2)。下部容器直逕取決於生產率，但一般為約Im至約7m，這些尺寸適用於本文所述的其它方面(例如，圖2)。上部容器直徑可與下部容器直徑相同或更大，一般為約Im至約10 m，這些尺寸適用於本文所述的其它方面(例如，圖2)。UFPP的長寬比(圓筒高度與直徑之比)一般為約2至約20，這些尺寸適用於本文所述的其它方面(例如，圖2)。研發規模反應器通常小於在此給出的尺寸。外部管線升管連接底部塔板與I號塔板。外部管線升管可連接到底部塔板底部之上的第一反應區域的側面。外部管線升管可連接到I號塔板底部之上的第二反應區域的側面。
[0037]第二反應區域包括包含液體的I號塔板，以及I號塔板蒸氣空間。I號塔板可包括沿著系統的中心垂直軸向上延伸的「帽」結構。第二反應區域尺寸選定為對於優選的操作條件控制反應程度。各塔板上的蒸氣空間可佔塔板間距的約5至約95%，並且對於各塔板有相同或不同的蒸氣空間高度。帽結構用於控制交替塔板上的液體深度和塔板之間流動間隙的大小，以在UFPP中得到期望的壓力分布。以下描述關於帽結構的另外細節。
[0038]第三反應區域包括2號塔板(在此實施方案中為頂部塔板)、泡罩和沿著系統的垂直中心軸在帽結構之上布置的升管。液體和蒸氣可流動通過升管的孔口。升管可具有容器橫截面面積約I至約95%的流動面積。高度和直徑的尺寸可影響壓降，調節高度和直徑的尺寸，以控制流到後縮聚器的預聚物的性質。泡罩布置於2號塔板的一部分上。第三反應區域為2號塔板和泡罩之間的區域。泡罩構造成有效分離預聚物和蒸氣，避免液體微滴攜帶到蒸氣系統，如本領域技術人員已知。帽結構和中心升管的寬度或直徑大約相同。帽結構的邊緣的高度低於2號塔板的水平，並且在到帽結構的中部的高度傾斜。泡罩包括允許液體和蒸氣通過部分泡罩壁的慣性分離機構。
[0039]第四反應區域包括在泡罩外側在2號塔板的一部分上布置的液體和2號塔板蒸氣空間。預聚物出口和蒸氣出口與第四反應區域連通，以便分別能夠從系統去除。第四反應區域為2號塔板和系統頂部之間的排除泡罩下區域的區域。在一個實施方案中，可將第三和第四反應區域認為是單一區域。
[0040]已描述系統的組件，以下描述液體和蒸氣流量。低聚物可通過一個或多個低聚物入口引到底部塔板。引入的低聚物的聚合度大於4或大於4.5。低聚物開始反應，並產生包含乙二醇和水的副產物蒸氣。液體和蒸氣可通過系統外側上布置的控制閥限制的升管從底部塔板傳送到I號塔板。液體和蒸氣流量可通過控制閥限制的升管改變，這可改變壓力和相應的反應。
[0041]液體和蒸氣可通過在中心布置的2號塔板升管引入到2號塔板。在一個實施方案中，在帽結構和升管之間形成液體密封，同時保持I號塔板蒸氣空間。[0042]液體和蒸氣可通過泡罩傳送到泡罩外側的2號塔板的區域。蒸氣可流動通過蒸氣出口，並經進一步處理。在足夠時間後，液體，在此階段為預聚物，可從系統通過預聚物出口去除。
[0043]各反應區域中的壓力可通過以下控制:控制閥限制的升管；低聚物通過低聚物入口的流量；各塔板、各帽結構、升管、升管擋板、泡罩的設計；和/或通過蒸氣出口的蒸氣流量和組成。
[0044]如上簡述，將處於受控溫度(例如，約275°C至約305°C)的包含金屬催化劑鹽(例如，銻、錫、鋅、鎂、鈦或本領域技術人員已知的其它物質)和添加劑(例如，修色劑或調色劑(例如，鈷鹽)、染料或顏料和聚合物改性劑(例如，低聚物)、交聯劑、離子鹽(例如，有機磺酸鹽)和鏈終止劑)的液體通過低聚物入口進料入系統至底部塔板上。在底部塔板上，低聚物開始反應，產生蒸氣副產物，同時其向上流到連接底部塔板與I號塔板的外部管線升管。第一反應區域中的壓力通過高於2號塔板的蒸氣壓和UFPP下部的差壓控制，以得到酯化和聚合反應的所需平衡。用控制閥限制通過外部管線升管的低聚物和蒸氣副產物的流量。在約275°C至305°C的溫度下，第一反應區域中的壓力為約100毫巴絕對壓力至約960毫巴絕對壓力，包括125毫巴絕對壓力至350毫巴絕對壓力。已通過控制閥並流到I號塔板上的液體和蒸氣處於低於底部塔板上的壓力，因此，酯化和聚合反應的平衡已改變，即，酯化反應速率減小，聚合反應速率增加。液體在跨I號塔板流動時繼續反應，產生更多的蒸氣副產物，並通過內部升管傳到2號塔板(頂部塔板)。入口到升管的幾何結構和升管的高度產生另外的壓降，使得頂部塔板在低於I號塔板的壓力下操作，該壓力為約10毫巴絕對壓力至約100毫巴絕對壓力，包括約20毫巴絕對壓力至50毫巴絕對壓力。這又產生酯化和聚合反應平衡的進一步變化。頂部塔板上的液體保留足夠時間，以在允許液體(預聚物)通過預聚物出口流到後縮聚器之前達到期望的聚合度。至少部分地通過調節塔板上的預聚物水平和到UFPP的低聚物進料，控制頂部塔板上的液體/預聚物停留時間。UFPP的頂部塔板上的壓力用真空系統保持，例如噴射泵，這將抽出產生的副產物蒸氣。預聚物和蒸氣副產物在頂部塔板上用「泡罩」分離，所述泡罩採用從液體分離蒸氣的慣性分離機構。在一個實施方案中，泡罩裝配有升管擋板，以提高從液體分離蒸氣的效率。
[0045]本發明設備及其組件的相對大小，即，容器的橫截面面積、塔板的高度、寬度或直徑，可取決於進料到容器的物料的量、進料最大速率所期望的預聚物粘度、所需的停留時間和UFPP容器內的壓力分布。
[0046]可設計圖1以包括另外的塔板，另外的塔板包括控制閥限制的管線升管和/或升管，用於向上通過系統傳送液體和蒸氣。
[0047]如上提到，壓力分布可用以下一個或多個來改變:塔板和/或升管的高度、塔板和升管的幾何布置、固定或可變流量限制裝置的位置和/或可變流量限制裝置的調節。
[0048]圖2圖示說明本公開的另一個實施方案。在此實施方案中，可通過一系列固定流限制裝置或升管控制壓降。圖2圖示說明單直徑八塔板UFPP系統。在此設計中，液體和蒸氣向上流動通過系統，通過交替的內升管和外升管從塔板通到塔板。由於在各升管的入口的固定流量限制、在各塔板上的液體池深度和連續塔板之間的高度差，系統中的壓力從塔板到塔板逐漸減小。流量限制、液體池深度和塔板高度經設計以得到期望的壓降。可用標準優化技術根據需要優化各塔板的壓力。[0049]以下概要地描述然後更詳細描述圖2中所示的系統。系統包括可用於控制溫度(例如，約275°C至305°C，其中底部塔板和頂部塔板中的溫度在約±5°C的範圍內)的加熱夾套。系統包括10個反應區域。各反應區域包括液體混合物(例如,低聚物混合物,在其上升到容器頂部時轉化成預聚物混合物)和在液體之上布置的蒸氣空間。各反應區域包括底部、側面和頂部，其中可有一個或多個升管、入口或出口，以將液體和蒸氣(例如，反應副產物蒸氣)從一個反應區域傳送到另一個反應區域。可控制各反應區域中的壓力，這允許控制液體中的反應。
[0050]第一反應區域包括包含初始低聚物混合物(例如，低聚物、催化劑、添加劑等)的底部塔板和在低聚物之上布置的底部塔板蒸氣空間。相鄰塔板的頂部表面之間的塔板間距為約0.1m至約10m。下部容器直逕取決於生產率，但一般為約Im至約7m。上部容器直徑可與下部容器直徑相同或相似或更大，最多約10m。UFPP的長寬比(圓筒高度與直徑之比)一般為約2m至約20m。研發規模的反應器通常小於在此給出的尺寸。第二反應區域包括包含液體的I號塔板，以及I號塔板蒸氣空間。I號塔板可包括在系統外側邊緣周圍布置的升管。升管在向內面向的側上為環形。升管可包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口。升管(或孔口)的寬度可包括沿著系統的中心垂直軸向上延伸的「帽」結構。帽結構用於保持塔板I上液體池所需的深度，並調節到塔板2的流動間隙，從而幫助調節相鄰塔板之間的壓降。以下描述關於帽結構的另外細節。
[0051]第三反應區域包括包含液體的2號塔板，以及2號塔板蒸氣空間。2號塔板可包括沿著系統的垂直中心軸在I號塔板的帽結構之上布置的升管。升管可具有容器橫截面面積約I至約95%的流動面積，或者可具有高度和寬度的組合，以影響來自第二反應區域中壓力的壓力。2號塔板中升管的底部部分不低於I號塔板的升管的頂部部分，因為這種重疊可導致系統操作中的不穩定性。因此，用於系統中各塔板的升管的頂部部分和底部部分不與上面或下面塔板的升管的底部部分或頂部部分重疊。帽結構和升管的寬度或直徑大約相同。帽結構的中部的高度大約在2號塔板的水平，但在升管的開口區域內。帽結構的邊緣的高度低於2號塔板的水平(例如，約10至90%)，並且在到帽結構的中部的高度傾斜。
[0052]第四、第六和第八反應區域類似反應區域2。然而，第四反應區域中的壓力低於第二反應區域中的壓力，第六反應區域中的壓力低於第四反應區域中的壓力，第八反應區域中的壓力低於第六反應區域中的壓力。
[0053]第五和第七反應區域類似第三反應區域。然而，第五反應區域中的壓力低於第三反應區域中的壓力，第七反應區域中的壓力低於第五反應區域中的壓力。
[0054]第九反應區域包括8號塔板、泡罩和沿著系統的垂直中心軸在帽結構之上布置的升管。泡罩布置於部分8號塔板的一部分上。第九反應區域為8號塔板和泡罩之間的區域。泡罩包括允許液體和蒸氣通過泡罩的壁的部分的類似於以上關於圖1所述的慣性分離機構。
[0055]第十反應區域包括在泡罩外側的8號塔板的一部分上布置的液體，以及8號塔板蒸氣空間。預聚物出口和蒸氣出口與第十反應區域連通，因此分別能夠從系統去除。第十反應區域為8號塔板和系統頂部之間的排除泡罩下區域的區域。在一個實施方案中，將第九和第十反應區域認為是單一區域。
[0056]相鄰塔板的頂部表面之間的塔板間距一般為約0.1m至約10m。已描述系統的組件，以下描述液體和蒸氣流量。低聚物可通過一個或多個低聚物入口引到底部塔板。引入的低聚物的聚合度大於4或大於4.5。低聚物開始反應，並產生副產物蒸氣。液體和蒸氣可通過I號塔板的升管從底部塔板傳送到I號塔板。
[0057]液體和蒸氣可通過在中心布置的2號塔板升管引入到2號塔板。在一個實施方案中，在帽結構和升管之間形成液體密封，同時保持I號塔板上的蒸氣空間。
[0058]在液體和蒸氣從底部塔板、I號塔板和3號塔板傳送時,液體和蒸氣可通過3號塔板傳送至8號塔板。
[0059]液體和蒸氣可通過泡罩傳送到泡罩外側的8號塔板的區域。蒸氣可流動通過蒸氣出口，並進一步處理。在足夠時間後，液體，在此階段為預聚物，可從系統通過預聚物出口去除。
[0060]各反應區域中的壓力可通過以下控制:低聚物通過低聚物入口的流量；各塔板、各帽結構、內部和外部升管、升管擋板、泡罩的設計；和/或通過蒸氣出口的蒸氣流量。
[0061]在本公開的方面中形成的預聚物的特性粘度為約0.2至0.4dl/g或約0.31至
0.4dl/g。壓力分布可用以下一個或多個來改變:塔板和/或升管的高度、塔板和升管的數目和/或幾何布置。
實施例
[0062]現已描述本公開的方面，以下實施例總體描述本公開的一些另外的方面。雖然結合以下實施例和相應的文本和附圖描述本公開的一些方面，但並不旨在本公開的方面限於本說明書。相反，旨在覆蓋包括在本公開方面的精神和範圍內的所有替代、改進和等價物。
[0063]已通過對工業規模UFPP反應器建模、對UFPP反應器上的不同壓降(dP)建模和對8-塔板和2-塔板UFPP反應器建模來說明本公開的方面。
[0064]所用模型已成功用於開發、設計、操作和改進UFPP和其它類型PET聚合反應器。
[0065]也已就I公噸/天的包括4個反應器的連續中試設備說明本公開的方面。可向第一反應器或初級酯化器(PE)進料對苯二甲酸(TA) /乙二醇(EG)糊膏，摩爾比為1.01:1至
1.6:1。PE在超大氣壓操作，反應器停留時間約2小時，溫度在約255°C至270°C的範圍內。糊膏一般包含聚合催化劑。第二反應器或二級酯化器(SE)具有約I小時停留時間，一般在大氣壓和約260°C至約280°C的溫度操作。對於這些實施例，已改變SE壓力，以模擬UFPP壓降(dP)。調色劑，一般為鈷鹽，在二級酯化器之前注入。第三反應器或低聚合器(LP)在約50毫巴絕對壓力操作，具有約40分鐘停留時間，並在約270°C至約285°C溫度操作。最終反應器或高聚合器(HP)在真空控制下操作，其中調節反應器壓力，以控制最終產物的測定粘度。在以下實施例中，將HP壓力調節到4毫巴絕對壓力。最終反應器停留時間在約270°C至約285°C的溫度下為約I小時。
[0066]初級酯化器可以為具有精餾塔頂的強制循環容器。使乙二醇(EG)蒸氣和水(H2O)蒸氣流到精餾塔，並且將EG分離並作為液體返回到初級酯化容器。富水蒸氣從塔頂流出並冷凝，從而驅使酯化反應至約90%完成度。其餘反應器一般為水平刮壁式容器，EG和H2O蒸氣由其冷凝，並且可循環製備TA/EG糊膏或經收集供處置。
[0067]收集來自最終反應器的聚合物，並用標準PET分析測量檢測，一般為特性粘度(iV)、羧基端基分析(COOH)、二甘醇分析(DEG)和用於金屬的X射線螢光(XRF)分析。對所用實施例使用恆定產量，50kg/hr。
[0068]實施例1
4容器聚酯中試設備所用的典型操作條件在表1中給出。SE表示UFPP反應器的底部塔板，低聚合器(LP)表示頂部塔板。設備工藝條件保持恆定，在50毫巴絕對壓力操作LP。為了模擬跨UFPP的壓降(dP)變化，改變SE壓力:
【權利要求】
1.一種可變壓上流預聚合器(UFPP)系統，所述系統包括: a)第一反應區域，所述第一反應區域包括底部塔板和在所述第一反應區域頂部布置的底部塔板蒸氣空間； b)第二反應區域，所述第二反應區域包括塔板和塔板蒸氣空間，其中所述塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中頂部塔板升管連接所述塔板與頂部塔板，使得所述塔板和所述頂部塔板連通， c)第三反應區域，所述第三反應區域包括頂部塔板、泡罩和沿著所述系統的垂直中心軸在所述頂部塔板的帽結構之上布置的所述頂部塔板升管，其中所述第二反應區域與所述第三反應區域通過所述頂部塔板升管中的開口連通；和 d)第四反應區域，所述第四反應區域包括在所述泡罩外側的所述頂部塔板的一部分和頂部塔板蒸氣空間，其中所述第四反應區域包括預聚物出口和蒸氣出口，其中所述第四反應區域為所述頂部塔板和所述系統頂部之間排除所述泡罩下區域的區域，其中所述第三反應區域和所述第四反應區域通過所述泡罩連通，其中所述系統中的壓降通過選自以下的一個或多個來控制:所述塔板和升管的幾何結構、位於外部管線升管中的控制閥、流體進入所述底部塔板的流量和通過所述蒸氣出口的蒸氣流量和組成。
2.權利要求1的系統，所述系統進一步包括控制每個所述反應區域中溫度的加熱夾套。
3.權利要求1的系 統，其中各反應區域包括液體混合物和在所述液體之上布置的蒸氣空間。
4.權利要求1的系統，所述系統具有約2至約20的長寬比(圓筒高度與直徑之比)。
5.權利要求1的系統，其中反應物質可通過裝配有壓力或流量控制裝置的管線升管從所述第一反應區域流到所述第二反應區域。
6.權利要求1的系統，其中所述第二反應區域中的塔板與所述第三反應區域中的頂部塔板通過一些另外的塔板和升管連通，其中所述另外的塔板和升管產生另外的反應區域，其中另外的塔板的數目為2-20。
7.一種形成預聚物的方法，所述方法包括: a)使低聚物與第一反應區域接觸，其中引入的所述低聚物的聚合度大於4； b)使所述低聚物在所述第一反應區域中反應，以產生包含乙二醇和水的副產物蒸氣； c)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過控制閥限制的升管流入第二反應區域，其中所述第二反應區域的壓力小於所述第一反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第二反應區域中反應； d)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過內升管流入第三反應區域，其中所述第三反應區域的壓力小於所述第二反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第三反應區域中反應； e)使所述低聚物和所述副產物蒸氣通過泡罩流入第四反應區域，其中所述第四反應區域的壓力小於第三反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步反應形成預聚物； f)通過蒸氣出口移出剩餘的副產物蒸氣；和 g)通過預聚物出口移出所述預聚物。
8.權利要求7的方法，其中所述壓力通過選自以下的一個或多個項來控制:所述塔板和升管的幾何結構、位於外部管線升管中的控制閥、流體進入所述底部塔板的流量和通過所述蒸氣出口的蒸氣流量和組成。
9.權利要求7的方法，其中所述低聚物包含乙二醇和苯二甲酸組分。
10.權利要求9的方法，其中所述預聚物聚合形成聚酯聚合物。
11.一種可變壓上流預聚合器(UFPP)系統，所述系統包括: a)第一反應區域，所述第一反應區域包括底部塔板和在所述底部塔板上方布置的底部塔板蒸氣空間； b)第二反應區域，所述第二反應區域包括第一塔板和第一塔板蒸氣空間，其中所述第一塔板包括在所述系統的外側邊緣周圍布置的外升管，其中所述外升管在面向內側上為環形，其中所述外升管包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口，其中所述第一塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中所述第一反應區域與所述第二反應區域通過所述外升管中的開口連通； c)在所述第二反應區域之上布置的第三反應區域，所述第三反應區域包括第二塔板和第二塔板蒸氣空間，其中所述第二塔板包括沿著所述系統的垂直中心軸在所述帽結構之上布置的內升管，其中所述第二反應區域與所述第三反應區域通過所述內升管中的開口連通； d)第四反應區域，所述第四反應區域包括第三塔板和第三塔板蒸氣空間，其中所述第三塔板包括在所述系統的外側邊緣周圍布置的第二外升管，其中所述第二外升管在面向內側上為環形，其中所述第二外升管包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口，其中所述第三塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中所述第三反應區域與所述第四反應區域通過所述第二外升管中的開口連通；` e)第五反應區域，所述第五反應區域包括頂部塔板、泡罩和沿著所述系統的垂直中心軸在所述帽結構之上布置的頂部塔板升管，其中所述第四反應區域與該反應區域通過所述頂部塔板升管中的開口連通；和 f)第六反應區域，所述第六反應區域包括在所述泡罩外側的所述頂部塔板的一部分和頂部塔板蒸氣空間，其中預聚物出口和蒸氣出口與所述第六反應區域連通，其中所述第六反應區域為所述頂部塔板和所述系統頂部之間排除所述泡罩下區域的區域，其中所述第六反應區域與低於它的所述第五反應區域通過所述泡罩連通。
12.權利要求11的系統，所述系統進一步包括 g)在所述第五反應區域之上布置的第七反應區域，所述第七反應區域包括第四塔板和第四塔板蒸氣空間，其中所述第四塔板包括沿著所述系統的垂直中心軸在所述帽結構之上布置的第二內升管，其中所述第五反應區域與所述第七反應區域通過所述第二內升管中的開口連通； h)第八反應區域，所述第八反應區域包括第五塔板和第五塔板蒸氣空間，其中所述第五塔板包括在所述系統的外側邊緣周圍布置的第三外升管，其中所述第三外升管在向內面向的側上為環形，其中所述第三外升管包住整個周邊周圍或者具有兩個或更多個開口，其中所述第五塔板包括沿著所述系統的中心垂直軸向上延伸的帽結構，其中所述第七反應區域與所述第八反應區域通過所述第三外升管中的開口連通。
13.權利要求11的系統，其中相鄰塔板的頂部表面之間的塔板間距為約0.1m至約IOm0
14.權利要求11的系統，其中所述UFFP中塔板和升管的數目為2-20。
15.一種形成預聚物的方法，所述方法包括: a)使低聚物與第一反應區域接觸，其中引入的所述低聚物的聚合度大於4; b)使所述低聚物在所述第一反應區域中反應，以產生包含乙二醇和水的副產物蒸氣； c)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第一反應區域通過外升管流入第二反應區域，其中所述第二反應區域的壓力小於所述第一反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第二反應區域中反應； d)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第二反應區域通過內升管流入第三反應區域，其中所述第三反應區域的壓力小於所述第二反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第三反應區域中反應； e)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第三反應區域通過外升管流入第四反應區域，其中所述第四反應區域的壓力小於所述第三反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第四反應區域中反應； f)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第四反應區域通過頂部塔板升管流入第五反應區域，其中所述第五反應區域的壓力小於所述第四反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第五反應區域中反應； g)使所述低聚物和所述副產物蒸氣從所述第五反應區域通過泡罩流入第六反應區域，其中所述第六反應區域的壓力小於第五反應區域中的壓力，其中所述低聚物和所述副產物蒸氣進一步在所述第六反應區域中反應形成預聚物； h)通過蒸氣出口移出剩餘的副產物蒸氣；和 i)通過預聚物出口移出所述預聚物。
16.權利要求15的方法，其中所述預聚物聚合形成聚酯聚合物。
【文檔編號】C08G63/183GK103717299SQ201280039048
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年6月4日 優先權日:2011年6月10日
【發明者】C.A.哈米爾頓, R.E.尼特 申請人:英威達技術有限公司