ES2268473T3 - Proceso y equipo para desgasificar un polimero. - Google Patents
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Abstract
Proceso para eliminar los compuestos volátiles residuales contenidos en un polímero termoplástico, que se caracteriza por que comprende las siguientes etapas: (1) formación del polímero bajo la forma de un fundido que fluye como corriente principal. (2) formación de un agente espumante bajo la forma de una o más corrientes líquidas secundarias. (3) adición de la(s) corriente(s) líquida(s) secundaria(s) a la corriente principal por atomización como para dividir cada corriente líquida secundaria en varias corrientes fraccionadas y formar así una premezcla del polímero fundido / agente espumante: (4) introducción de la premezcla en un mezclador estático, luego en una cámara de expansión a presión reducida como para separar el polímero fundido de los compuestos volátiles residuales y del agente espumante; y (5) retiro del polímero fundido, desprovisto así de los compuestos volátiles residuales y del agente espumante, de la cámara de expansión.
Description
Proceso y equipo para desgasificar un
polímero.
La presente invención se relaciona con un
proceso y un equipo para desgasificar un polímero, especialmente con
el fin de remover compuestos volátiles residuales contenidos en un
polímero termoplástico.
En un proceso para la fabricación de un
polímero, la reacción de polimerización en teoría debería ser
completa y transformar todo el monómero en polímero. En realidad,
se sabe que una reacción de polimerización nunca es completa, en
particular en una solución o en un proceso de polimerización en
masa, especialmente a causa del incremento en la viscosidad del
medio de polimerización durante la reacción. Así es que, en la
práctica el polímero obtenido contiene en general compuestos
volátiles residuales, tales como cualquier monómero que no haya
reaccionado, uno o más solventes que hayan sido agregados o que se
hayan acumulado durante la reacción y oligómeros formados durante
la misma. Estos productos son esencialmente compuestos volátiles
comparados con el polímero, el cual no es volátil. Además, se sabe
que estos compuestos volátiles residuales tienen efectos
indeseables sobre la calidad del polímero, como son por ejemplo
propiedades mecánicas y físicas y características toxicológicas del
polímero, especialmente en aplicaciones para el empaque de
alimentos.
Desde hace tiempo ha existido una necesidad de
desarrollar procesos de más alto rendimiento y más efectivos para
remover los compuestos volátiles residuales contenidos en polímeros,
especialmente a causa de las regulaciones toxicológicas mucho más
estrictas. Estos procesos generalmente consisten en una operación de
desgasificación del polímero llamada "desvolatilización". La
desgasificación generalmente se lleva a cabo sometiendo al polímero
caliente, en particular en la forma de una solución o de un fundido,
a presión reducida, preferiblemente a una presión por debajo de la
presión atmosférica (o presión subatmosférica) en una o más cámaras
de expansión, (también llamadas "tanques de purga" o
"desvolatilizadores"), que son colocadas en serie y están bajo
niveles de vacío sucesivamente más elevados. En particular, el
polímero puede ser extruido en una cámara de expansión en la forma
de un fundido y dividido por ejemplo en la forma de hilos en caída
como para facilitar la separación de los compuestos volátiles
residuales del polímero, que es así recuperado, y desprovisto de
estos compuestos. Tales procesos de desgasificación son descritos,
por ejemplo, en las Patentes de los Estados Unidos US 2 970 089, US
3 853 672, US 3 928 300, US 4 294 652; US 4 383 972, US 5 453 158,
US 5 540 813 y US 5 874 525.
Es sabido que a lo largo de muchos años se han
producido mejoras en tales procesos de desgasificación,
especialmente mediante la adición al polímero de un agente inerte y
volátil. Este agente es generalmente conocido por el término
"agente espumante", "agente soplador" o "agente de
remoción", o si no un "fluido ayudante de la
desvolatilización", o "facilitador de desvolatilización".
Bajo estas condiciones, la desgasificación del polímero consiste
generalmente en expandir en caliente y a presión reducida la mezcla
resultante de esta adición, en una cámara de expansión tales como
las descritas anteriormente. Como resultado de esta expansión se
tiene que el agente espumante forma un gran número de burbujas
dentro del polímero fundido y que la eliminación de los compuestos
volátiles residuales contenidos en el polímero, por difusión, se
facilita por el considerable aumento en la superficie de contacto
de la masa espumante que se obtiene. Los agentes espumantes
empleados más frecuentemente son los que se describen en las
patentes de los Estados Unidos US 3 668 161, US 3 773 740, US 4 195
169, US 4 537 954, US 5 350 813, US 5 380 822 y US 6 410 683.
Estos son generalmente fluidos líquidos bajo condiciones normales y
fácilmente volátiles bajo condiciones de desgasificación, por
ejemplo agua, alcoholes o cetonas, o una solución de dióxido de
carbono en agua. Las patentes de los Estados Unidos US 5 691 445 y
US 5 861 474 han propuesto reemplazar estos agentes espumantes
convencionales por un fluido supercrítico que sería normalmente
gaseoso en condiciones de inyección, pero que se mantiene en
solución en el polímero gracias a las altas presiones que se
aplican durante la inyección.
De esta forma, se ha propuesto por ejemplo el
uso de nitrógeno, dióxido de carbono y alcanos, especialmente
alcanos del C4 al C6. En todos los casos, se han dado pocos detalles
acerca de la forma en que el agente espumante se agrega al
polímero, exceptuando el hecho de que generalmente se recomienda
hacer la adición y luego someter la mezcla resultante a un
mezclador estático colocado corriente abajo de la cámara de
expansión. En general, se cree que el mezclador estático tiene el
efecto de dispersar el agente espumante en toda la masa del
polímero. Poco es sin embargo lo que se ha descrito en lo referente
a la forma en que el agente espumante se mezcla y se dispersa
dentro de la masa del polímero. La relativamente alta temperatura y
la alta presión que son aplicadas en los procesos antes de la
desgasificación, y el vacío y la alta temperatura que son aplicados
durante la desgasificación en la cámara de expansión generalmente
impiden que se realicen observaciones directas sobre la mezcla y
sobre la dispersión del agente espumante en el polímero, la división
del agente espumante en relativamente finas partículas líquidas (o
gotitas) dentro del polímero y la pre-expansión del
polímero, por ejemplo en el mezclador estático.
Las patentes de los Estados Unidos 6 124 426
(equivalente a la Aplicación de la Patente Europea EP 905 149 A)
propone la inyección de un agente espumante, tal como el agua, un
alcohol o una cetona, en un polímero fundido utilizando una
boquilla dirigida en la dirección opuesta al flujo del polímero.
Esto tiene el efecto de mejorar el rendimiento en el mezclado de un
mezclador estático colocado corriente abajo del punto de adición
del agente espumante. Una boquilla de inyección se define
generalmente como una tubería que incluye una restricción como para
acelerar y dirigir un fluido, cuya presión cae al salir de la
boquilla. En la patente de los Estados Unidos, se especifica que
una boquilla orientada en la dirección opuesta, es decir en la
dirección del flujo del polímero, tiende a concentrar el agente
espumante en un punto en el mezclador estático y que esto produce
un mezclado no uniforme, una reducción en el rendimiento del
mezclador y finalmente en una menos efectiva desgasificación del
polímero.
En la Aplicación de la Patente Europea EP 1 084
739 se revela un equipo y un proceso para la desvolatilización de
polímeros, en particular para la remoción de impurezas volátiles de
polímeros termoplásticos. El proceso comprende la carga de un
agente de remoción en un polímero derretido en un extremo de la
entrada de un mezclador estático por medio de una bomba y un
dispositivo de inyección. Sin embargo, la Aplicación de la Patente
Europea no dice nada sobre el dispositivo de inyección y de cómo
el agente de remoción es cargado en el polímero derretido.
La patente de los Estados Unidos US 3 644 296
revela un proceso para la polimerización de las lactamas de alto
peso molecular. El proceso comprende (i) mezclar una primera porción
de los monómeros de lactama con un catalizador para proporcionar un
primer componente, (ii) mezclar una segunda porción de los monómeros
de lactama con un promotor acelerante de la polimerización para
proporcionar un segundo componente, (iii) mezclar el primero y
segundo componente juntos en estado líquido, y (iv) introducir la
mezcla resultante en una zona de polimerización. Sin embargo, la
Patente de los Estados Unidos no revela ni un procedimiento, ni un
equipo para desgasificar un polímero y más en particular para
remover los compuestos volátiles residuales contenidos en un
polímero tras la polimerización. La patente no revela la adición
de un agente espumante a un polímero fundido.
La patente de los Estados Unidos US 4 233 269
revela un distribuidor de flujo fluido para el mezclado y
distribución del gas y del líquido sobre la sección transversal de
un reactor que tiene un camino del flujo que fluye hacia arriba.
En el reactor, los gases y líquidos entran en contacto con el fin
de que llegue a producirse una deseada reacción química, e.g. en
operaciones para la refinación por hidrógeno de aceites,
craqueo hidrogenante de hidrocarburos en compuestos más ligeros,
hidrogenación de olefinas y compuestos aromáticos y oxonación de
olefinas a aldehídos. Sin embargo, la Patente de los Estados Unidos
no describe ni un proceso, ni un equipo para desgasificar un
polímero. En particular, no describe la adición de un líquido a otro
líquido y además, no revela ni un mezclador estático ni una cámara
de expansión a presión reducida para separar un polímero fundido de
compuestos volátiles residuales.
La Patente de los Estados Unidos US 6 419 386
propone un equipo mezclador estático que comprende dos mezcladores
estáticos laminares, colocados en serie, que tiene una sección
transversal que se incrementa en tamaño en la dirección de flujo de
un producto principal de una alta viscosidad destinado a ser
mezclado con un aditivo de baja viscosidad. El equipo además
incluye un dispositivo para inyectar el aditivo al producto
principal. El dispositivo comprende un plato que tiene un orificio
convergente a través del cual pasan el producto principal y el
aditivo, dicho orificio es colocado antes o en la entrada del
primero de los dos mezcladores estáticos. También incluye una
tubería para inyectar el aditivo (proporcionado en su extremo con
una boquilla) alineada con el orificio y orientada en la dirección
del flujo del producto principal. La boquilla comprende un canal de
alimentación central que emerge sobre el eje del orificio en el
plato. Se especifica que el equipo propuesto es apropiado para el
mezclado de un producto viscoso, tal como el poliestireno, con un
aditivo mucho menos viscoso, como un aceite mineral o un aceite
de parafina, soluble en poliestireno. El aditivo puede, en otros
casos, ser un gas como el nitrógeno, dióxido de carbono o vapor. Sin
embargo, no se menciona si el equipo, y especialmente el
dispositivo de inyección, puede ser apropiado para la adición de un
agente espumante a un polímero, y su mezcla allí dentro durante
una operación de desgasifica-
ción.
ción.
Sin embargo, se ha intentado utilizar el
dispositivo de inyección descrito en la Patente de los Estados
Unidos US 6 419 386, con el fin de adicionar un agente espumante,
como el agua, en un polímero fundido fabricado continuamente en un
proceso de polimerización en masa, tal como el poliestireno, a la
entrada de un mezclador estático colocado corriente arriba de una
cámara de expansión para desgasificar el polímero. Fenómenos como
"golpeteo" o "martilleo" se observaron luego, acompañados
por una vibración sustancial en el mezclador, con repercusiones en
la cámara de expansión. La magnitud de estos fenómenos fue tal que
la planta podría haber sido estropeada y puesta en peligro su
seguridad. Estos fenómenos aparecen especialmente durante los
cambios en la fabricación del poliestireno, por ejemplo una
reducción en la rata de producción horaria y/o una disminución en
el peso molecular medio del polímero. Después de una extensiva
investigación, se ha encontrado que estos fenómenos de golpeteo
podrían ser debidos a los fenómenos de "cavitación" que se
presentan en la masa del polímero fundido que fluye a través del
mezclador estático. Tales fenómenos podrían ser causados por el agua
inyectada pobremente dispersada dentro del polímero. En particular,
disminuyendo la presión para bajar la presión de vapor de agua
podría conducir a una vaporización repentina del agua y a la
formación de grandes bolsas de vapor de agua. Estas bolsas de gas
se caracterizan por la inestabilidad teniendo en cuenta el hecho
que, subsecuentemente, las más pequeñas variaciones en temperatura y
presión podrían conducir a la repentina recondensación del
agua.
Específicamente el objetivo de la presente
invención es corregir estas deficiencias y permitir una más
efectiva desgasificación de los polímeros, especialmente cuando se
emplean agentes espumantes convencionales, en particular fluidos
líquidos que son fácilmente volátiles y generalmente insolubles en
estos polímeros. Una de las ventajas de los agentes espumantes
convencionales deriva del hecho de que estos son inyectados en forma
líquida y que las pequeñas cantidades introducidas son más fáciles
de controlar.
La presente invención se refiere en primer lugar
a un proceso para eliminar los compuestos volátiles residuales
contenidos en un polímero termoplástico, que se caracteriza porque
comprende las siguientes etapas:
(1) formación del polímero en la forma de un
fundido que fluye como corriente principal.
(2) formación de un agente espumante en la forma
de una o más corrientes líquidas secundarias.
(3) adición de la corriente(s)
líquida(s) secundaria(s) a la corriente principal por
atomización como para dividir cada corriente líquida secundaria en
varias corrientes fraccionadas, formando así una premezcla del
polímero fundido/agente espumante.
(4) introducción de la premezcla en un mezclador
estático, luego en una cámara de expansión a presión reducida como
para separar el polímero fundido de los compuestos volátiles
residuales y del agente espumante y retiro del polímero fundido,
desprovisto así de los compuestos volátiles residuales y del agente
espumante, de la cámara de expansión.
La figura 1 muestra de forma esquemática un
equipo para la desgasificación de un polímero termoplástico,
permitiendo que el proceso de la invención sea implementado.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran esquemáticamente
varias modalidades de un dispositivo atomizador que puede ser
instalado en el equipo mostrado en la Figura 1.
La figura 5 muestra esquemáticamente una
boquilla atomizadota que puede ser usada en los dispositivos
mostrados en las figuras 2, 3 y 4.
El polímero termoplástico utilizado en el
proceso de la invención puede ser un homo- o co- polímero
termoplástico, o una mezcla de dos o más (co-) polímeros
termoplásticos, especialmente escogidos de polímeros olefinas,
especialmente poli (alfa-olefinas) tales como
polietileno de baja densidad (LDPE), un polietileno de alta densidad
(HDPE), un polietileno linear de baja densidad (LLDPE), un
copolímero del etileno con al menos una alfa olefina, por ejemplo
una alfa olefina C3 a C8, un polipropileno, un polibuteno, un
poliisobuteno, o una mezcla de un polietileno con una poli (alfa
olefina). Los (co) polímeros termoplásticos también pueden ser
escogidos de polímeros de vinilo, especialmente polímeros de vinilo
aromáticos, tales como un poliestireno, un poli
(alfa-metilestireno), un poliestireno de alto
impacto (HIPS), en particular uno modificado por injerto sobre un
caucho natural o sintético, tal como un polibutadieno o un
poliisopreno, un co-polímero del estireno
/acrilonitrilo (SAN), un copolímero del estireno / anhidro maleico
(SMA), un terpolímero del acrilonitrilo/ butadieno/ estireno (ABS),
un copolímero del estireno / ácido acrílico, un copolímero del
estireno/ metil metacrilato y un cloruro de polivinilo. Los (co)
polímeros termoplásticos también pueden ser escogidos entre
policarbonatos, poliamidas, poliésteres, polisiloxanos y cauchos
sintéticos, tales como un polibutadieno, un poliisopreno, un caucho
del etileno propileno (EPR) y un caucho de
etileno-propileno-dieno (EPDM). Es
preferible escoger un (co) polímero termoplástico de los polímeros
olefinas y de los polímeros de vinilo aromáticos, tales como los que
se mencionan anteriormente, y especialmente a partir de los (co)
polímeros del estireno, tales como el poliestireno y poliestireno
de alto impacto (HIPS). En la presente descripción, el término
"polímero" significa tanto un homopolímero o copolímero como
una mezcla de dos o más (co) polímeros.
En el proceso de la invención, los compuestos
volátiles residuales contenidos en los polímeros en general pueden
ser uno o más monómeros residuales, uno o más solventes orgánicos
que han sido agregados o acumulados durante la fabricación de los
polímeros, especialmente hidrocarburos alifáticos, tales como
hexano, heptano, octano o decano, hidrocarburos aromáticos, tales
como benceno, tolueno, etilbenceno, xileno, cumeno, u otros alquil
bencenos, hidrocarburos halogenados, hidrocarburos aromáticos
halogenados, compuestos nitrilo, compuestos aminados y también
oligómeros producidos durante la fabricación de los polímeros. En
particular, los compuestos volátiles residuales encontrados al
final de la fabricación de los polímeros del estireno son
esencialmente estireno residual, impurezas de hidrocarburos que
generalmente acompañan al monómero, relacionadas con solventes
inertes que tienen un bajo punto de ebullición, tales como
etilbenzeno, cumeno, n-propilbenzeno,
metilciclohexano y etiltolueno, y oligómeros del estireno, tales
como los dimeros y trimeros del estireno. Estos compuestos
volátiles residuales se encuentran en los polímeros después de su
polimerización. En general, el contenido de monómero residual, por
ejemplo el contenido de estireno residual, puede ser alrededor de
0.5 a 25% preferiblemente 1 a 10% en peso con relación al
polímero.
Una etapa de desgasificación preliminar puede
ser llevada cabo sobre el polímero sometiendo el polímero fundido
a presión reducida, como para remover una porción sustancial de los
compuestos volátiles residuales antes de que se lleve a cabo el
proceso de la invención. El polímero resultante de esta etapa
preliminar puede tener un monómero residual, por ejemplo estireno
residual, con un contenido de alrededor 500 a 5000, preferiblemente
1000 a 3000, partes por millón (ppm) en peso con respecto al
polímero.
El proceso de la invención comprende un paso en
el cual el polímero que contiene los compuestos volátiles
residuales, como se describe anteriormente, se forman como un
fundido. En general, el polímero se calienta a una temperatura
superior a la temperatura de transición del estado vítreo Tg
(medida de acuerdo con el método ASTM E 1356-98)
del polímero y de preferencia por debajo de la temperatura de
descomposición del polímero. El polímero puede ser calentado a una
temperatura suficientemente alta y bien encima de la Tg del
polímero, para que la viscosidad del polímero no sea tan elevada,
para que el polímero sea capaz de fluir de forma relativamente
fácil y para facilitar la desgasificación. De esta forma el polímero
puede ser calentado a una temperatura más alta que (Tg + 30ºC),
preferiblemente superior a (Tg + 50ºC), de forma especial superior
a (Tg + 90ºC). El polímero fundido puede resultar de fundir el
polímero, por ejemplo en una extrusora. De preferencia puede
resultar directamente de la fabricación del polímero, cuando este se
fabrica especialmente empleando una solución, o preferiblemente en
un proceso de polimerización en masa. De esta forma, cuando un
polímero de estireno se fabrica utilizando un proceso de
polimerización en masa, generalmente se obtiene el polímero después
de la polimerización en la forma de un fundido a una temperatura que
varía de 130 a 200ºC, preferiblemente de 150 a 190ºC. El polímero
fundido es luego preferiblemente precalentado a una temperatura
apropiada para desgasificar el polímero, por ejemplo una
temperatura que varíe de 180 a 300ºC, preferiblemente de 200 a
280ºC, especialmente entre 220 a 260ºC. El precalentamiento puede
ser llevado a cabo en un intercambiador de calor, por ejemplo del
tipo de mezclador estático. Además, es preferible someter el
polímero fundido a una operación de desgasificación previa en una
cámara de expansión, a una temperatura que puede variar desde 180 a
300ºC, preferiblemente de 200 a 280ºC, especialmente de 220 a 260ºC,
y a una presión reducida, por ejemplo una presión por debajo de la
presión atmosférica, preferiblemente una presión absoluta que varíe
de 5 X 10^{2} a 5 X 10^{4} Pa, especialmente 10^{3} a
10^{4} Pa. En general, el propósito de la operación de
desgasificación previa es esencialmente separar una porción
sustancial de los compuestos volátiles residuales del polímero
antes de la desgasificación, de acuerdo con la invención que es
llevada cabo usando un agente espumante, haciendo posible así
optimizar la remoción de los compuestos volátiles residuales hasta
que se obtenga un polímero con un muy bajo contenido de estos
compuestos.
El polímero fundido se utiliza en el proceso de
la invención en la forma de una corriente principal,
preferiblemente de forma continua, por ejemplo usando una bomba de
engranajes.
El proceso de la invención también comprende una
etapa en la cual un agente espumante se forma en la forma de al
menos una corriente líquida secundaria. El agente espumante
preferiblemente puede ser escogido a partir de fluidos que sean
líquidos bajo condiciones normales y que sean también fácilmente
volátiles, especialmente bajo condiciones de desgasificación, en
particular en condiciones de expansión a presión reducida. Además,
el agente espumante puede ser insoluble (o inmiscible) o
sustancialmente insoluble en el polímero fundido. El agente
espumante puede ser escogido a partir de agua, alcoholes,
especialmente C_{1} a C_{10}, de preferencia C_{1} a C_{5},
alcoholes, cetonas, especialmente C_{3} a C_{10}, de preferencia
C_{3} a C_{5}, cetonas, una solución acuosa de dióxido de
carbono y mezclas de dos o más de estos productos. Preferiblemente,
el agente espumante es escogido de agua, metanol, etanol,
n-propanol, isopropanol, n-butanol,
isobutanol, acetona, de 0.1 a 10% en peso, preferiblemente 0.5 a
5% en peso, y en especial 0.5 a 1.5% en peso, solución de dióxido
de carbono (con base en el peso total de la solución) y una mezcla
de dos o más de estos productos. La cantidad de agente espumante
agregada al polímero puede ser de 0.1 a 8% de preferencia 0.2 a 5%,
y en especial 0.5 a 3% en peso con respecto al polímero.
El agente espumante se emplea en el proceso de
la invención en la forma de una o más corrientes líquidas
secundarias, preferiblemente de forma continua, utilizando por
ejemplo una o más bombas.
El proceso de la invención también incluye una
etapa en la cual la(s) corriente(s) líquida(s)
secundaria(s) es (son) agregadas preferiblemente de forma
continua, a la corriente principal por atomización como para dividir
cada corriente líquida secundaria en varias corrientes
fraccionadas. La expresión "atomización de la corriente de
líquido secundaria" es entendida para significar en general
cualquier medio que divida o fragmenta la corriente líquida
secundaria en varias corrientes fraccionadas, especialmente en al
menos dos, o de preferencia al menos tres, o especialmente al menos
cuatro corrientes fraccionadas, por ejemplo en un número de
corrientes fraccionadas que varíen de 2 a 20, preferiblemente de 3
a 15, especialmente de 4 a 12. Esta división o fragmentación en
varias corrientes permite que los fenómenos de "golpeteo"
antes mencionados se reduzcan o aun más, que sean eliminados y al
mismo tiempo permite mejorar de forma muy considerable la
efectividad del proceso de desgasificación. Uno de los
mejoramientos observados en el proceso, puede ser que sea posible,
por ejemplo, reducir la temperatura de desgasificación y/o reducir
el vacío (es decir incrementando la presión subatmosférica) en la
cámara de expansión, mientras se sigue removiendo una cantidad
constante de compuestos volátiles. De forma alternativa, el
contenido de compuestos volátiles residuales en el polímero puede
ser sustancialmente reducido, especialmente si se compara con los
procesos previos conocidos. Otro mejoramiento observado puede ser
también, que sea posible reducir la cantidad del agente espumante
usado en la desgasificación, mientras se continúa todavía
removiendo una cantidad constante de compuestos volátiles
residuales. Tal reducción en la cantidad de agente espumante hace
más fácil llevar a cabo las subsecuentes operaciones de separación,
condensación y recuperación de los compuestos volátiles residuales
y en particular el monómero residual. El monómero residual así
recuperado puede ser ventajosamente retornado a la polimerización
con el fin de fabricar el polímero. Para dar un ejemplo, pueden
lograrse considerables reducciones de costes relacionadas con el
calentamiento, enfriamiento y/o medios de energía empleados en
estas operaciones de separación, condensación y
recuperación.
recuperación.
La atomización de la corriente líquida
secundaria en la corriente principal se lleva a cabo de tal forma
que una corriente líquida secundaria se divide en varias corrientes
fraccionadas o más particularmente en varios chorros líquidos que
pueden así penetrar la corriente principal y pueden luego ellas
mismas ser reducidas o subdivididas más fácilmente en pequeñas
partículas líquidas o gotitas. La atomización se lleva a cabo
preferiblemente de forma que se orienten las corrientes
fraccionadas en dirección a los ángulos rectos a la dirección de la
corriente principal o a un ángulo recto, agudo o nulo,
preferiblemente un ángulo agudo o ángulo nulo, es decir en una
dirección que tenga un componente no-cero dirigido a
lo largo de la dirección de la corriente principal. En particular,
al menos una de las corrientes fraccionadas puede ser escogida para
ser orientada en una dirección equivalente a la dirección de la
corriente principal o sustancialmente en esta dirección, mientras al
menos una de las otras corrientes fraccionadas sea orientada en una
dirección que forme un ángulo superior a 20º y menor o igual a
90º, preferiblemente un ángulo mayor a 20º e inferior a 90º, por
ejemplo un ángulo que varíe de 30º a 80º, especialmente 45º a 75º,
con la dirección de la ya mencionada corriente principal. La
expresión "dirección sustancialmente en la dirección de la
corriente principal" puede ser entendida para significar una
dirección que forme un ángulo de 20º, preferiblemente 10º, con la
dirección de dicha corriente.
Cuando un agente espumante se utiliza en la
forma de dos o más corrientes líquidas secundarias, estas últimas
son introducidas preferiblemente de forma simultánea atomizándolas
en la corriente principal y especialmente en una de las formas
preferidas descritas anteriormente.
Tal atomización hace posible formar una
premezcla en la cual el polímero fundido es premezclado con el
agente espumante dividido o fragmentado así de antemano. Esta
pre-mezcla se produce especialmente antes o justo
antes del momento en el que es introducida en un mezclador
estático.
La temperatura y la presión de la(s)
corriente(s) líquida(s) secundaria(s) son en
particular tales que el agente espumante está en forma líquida en
el momento cuando se agrega a la corriente principal. En particular,
la(s) segunda(s) corriente(s)
secundaria(s) pueden estar a temperatura igual o
preferiblemente menor que la de la corriente principal, por ejemplo
a una temperatura que fluctúe entre la temperatura ambiente (por
ejemplo a 20ºC) hasta 200ºC, o preferiblemente por encima de 150ºC,
y a una presión más grande que la de la corriente principal, por
ejemplo 0.2 a 3 Mpa, preferiblemente 0.3 a 2 Mpa, más grande que la
de la corriente principal.
En el punto de adición de la(s)
corriente(s) líquida(s) secundaria(s) en la
corriente principal, la corriente principal puede estar a la misma
o aproximadamente la misma temperatura que la del polímero fundido,
en particular a una temperatura como la indicada anteriormente,
especialmente en el momento del precalentamiento. En este punto de
la adición, la corriente principal puede estar a una presión
absoluta escogida dentro del rango de 1 a 12 MPa, preferiblemente
1.5 a 10 MPa, especialmente de 2 a 8 MPa.
De acuerdo con una versión preferida, puede ser
ventajoso agregar la corriente(s) líquida(s)
secundaria(s) a la corriente principal en el momento en que
esta última se somete a una constricción, o más, particularmente a
una doble operación que comprende, en la dirección del flujo de la
corriente principal, en sucesión a la fase de descompresión seguida
por una fase de compresión. La constricción puede ser obtenida por
una restricción (o estrechamiento) de la corriente principal
producida por ejemplo, por una placa perforada o un dispositivo
"venturi". La constricción puede comprender, en la dirección de
la corriente principal, en sucesión una corriente hacia arriba o
sección convergente seguida de una corriente hacia abajo o sección
divergente, la parte más estrecha de la constricción situada entre
la sección convergente y la sección divergente, es decir entre la
fase de descompresión y la fase de compresión. Se ha encontrado que
la pre-mezcla se mejora sustancialmente cuando la
adición de la(s) corriente(s) líquida(s)
secundaria(s) se lleva a cabo durante la constricción de la
corriente principal, y más particularmente durante la fase de
descompresión o si no durante la fase de compresión, o aun entre
estas dos fases. Los mejores resultados se obtuvieron cuando la
adición se ejecuta especialmente entre las fases de descompresión y
compresión, o preferiblemente durante la fase de compresión de la
corriente principal. De hecho se ha observado, que tal adición tiene
el efecto de mejorar la atomización, especialmente la división del
agente espumante en corrientes fraccionadas y a partir de entonces
de hacer más fácil la operación de desgasificación del
polímero.
La constricción puede ser empleada de tal forma
que, durante la fase de descompresión, la corriente principal se
somete a una caída de presión que fluctúa entre 0.2 a 2 MPa,
preferiblemente de 0.3 a 1.2 MPa y que de aquí en adelante, durante
la fase de compresión, se somete a un incremento en la presión. La
magnitud de incremento generalmente es inferior que la de la caída,
en particular varía entre 0.1 a 1 MPa, preferiblemente de 0.1 a
0.5 MPa. La constricción de la corriente principal puede causar así
una pérdida de carga global que varía de 0.1 a 1 MPa, de
preferencia de 0.2 a 0.7 MPa.
Cuando la constricción de la corriente principal
se lleva a cabo aplicando una sección convergente y una sección
divergente respectivamente al paso de la corriente, no es solamente
ventajoso introducir la(s) corriente(s)
líquida(s) secundaria(s) entre las fases de
descompresión y compresión, o preferiblemente durante la fase de
compresión, de la corriente principal, sino que es también además
particularmente recomendable orientar al menos una de las
corrientes fraccionadas en una dirección paralela o aproximadamente
paralela al plano de la sección divergente. La expresión
"dirección aproximadamente paralela al plano de la sección
divergente" puede ser entendida para significar una dirección
que forme un ángulo de 20°, preferiblemente 10° o aun 5°, con el
plano de la sección divergente. Además, puede recomendarse para
al menos una de las otras corrientes fraccionadas que sea
simultáneamente orientada en una dirección equivalente a la
dirección de la corriente principal o sustancialmente en esta
dirección. La expresión "dirección sustancialmente en la dirección
de la corriente principal" puede ser entendida para significar
una dirección que forme un ángulo de \pm20°, preferiblemente
\pm10°, con la dirección de dicha corriente.
Además, se ha encontrado que al formar la
premezcla bajo las condiciones de la invención se tienden luego a
facilitar las operaciones llevadas a cabo en el mezclador estático y
en la cámara de expansión, para que el proceso de desgasificación
del polímero sea de forma global considerablemente mejorado.
Específicamente, el proceso de la invención
comprende luego la introducción de la pre-mezcla en
un mezclador estático; la introducción preferiblemente se lleva a
cabo de forma continua. El mezclador estático puede ser un
mezclador estático linear o convencional, por ejemplo un mezclador
estático del tipo SMX vendido por Sulzer Chemtech o Koch Glitsch, u
otro mezclador estático convencional vendido por Kenics, Toray o
Ross. Es también posible usar un mezclador estático como se
describe en las Aplicaciones de la Patente Japonesa JP
62-191274 o JP 57-15258, en la
Aplicación de la Patente Británica GB 2 010 739 o en la Patente
Francesa FR 2 223 073. Es también posible usar un mezclador
estático como se describe en la Patente de los Estados Unidos US 6
419 386, particularmente apropiada para mezclar productos de muy
diferentes viscosidades: en particular, comprende dos mezcladores
estáticos en línea, cada uno con una sección transversal diferente.
Sin embargo, el proceso de la invención tiene la ventaja de ser
capaz de usar un mezclador estático más convencional, como uno de
los anteriormente mencionados.
El mezclador estático puede operar bajo
condiciones de tal forma que la velocidad de cizallamiento se halle
dentro de un rango de 1 a 200 s^{-1}, especialmente I a 10
s^{-1}. La temperatura del mezclador estático puede ser la misma
que la de la cámara de expansión. En particular, puede ser escogida
dentro de un rango de 180°C a 300°C, preferiblemente 200 a 280°C,
especialmente de 210ºC a 260ºC o 220 a 245°C. En virtud del
proceso de la invención, la temperatura del mezclador estático puede
ser reducida ventajosamente, por ejemplo del orden de al menos 10 o
15°C, comparada con la que se emplea normalmente durante esta etapa,
sin por esto afectar la homogenización de la mezcla y sin
restringir la dispersión del agente espumante dentro del polímero.
La presión a la entrada del mezclador estático puede ser escogida
dentro de un rango de 1 a 12 MPa, preferiblemente 1.5 a 10 MPa,
especialmente de 2 a 8 MPa. La presión en la salida del mezclador
estático puede ser la misma, o aproximadamente la misma, que la de
la cámara de expansión. De acuerdo con el proceso de la invención,
el mezclador estático puede en esencia tener el efecto de
homogenizar la premezcla y de continuar la dispersión y división
del agente espumante en partículas líquidas extremadamente finas o
gotitas, de tal forma que el mezclado que se obtiene se optimiza
para ser de aquí en adelante ventajosamente expandido y
desgasificado. El tiempo medio de residencia del polímero fundido y
del agente espumante en el mezclador estático puede variar de 0.5 a
20 minutos, preferiblemente 0.5 a 10 minutos, especialmente 1 a 5
minutos. De forma ventajosa, el tiempo puede ser reducido comparado
con los niveles conocidos en los procesos convencionales de
desgasificación del polímero.
El proceso de la invención comprende luego la
introducción de la mezcla en una cámara de expansión. Esta
introducción preferiblemente se lleva a cabo de forma continua. La
cámara de expansión puede ser una de las descritas en los procesos
de desgasificación del polímero. Puede ser utilizada en particular
una cámara de expansión en la cual la mezcla se extruye en forma de
masa dividida, por ejemplo en la forma de hilos en caída. La
presión absoluta aplicada en la cámara de expansión se selecciona
preferiblemente de tal forma que la mezcla puede ser expandida
vaporizando el agente espumante. Una presión
sub-atmosférica (es decir una presión por debajo de
la presión atmosférica), puede ser especialmente aplicada y puede
ser escogida dentro de un rango de 10^{2} a 10^{4} Pa,
preferiblemente de 10^{2} a 5 X 10^{3} Pa, especialmente 5 X
10^{2} a 5 X 10^{3} Pa. La presión
sub-atmosférica aplicada en la cámara de expansión
puede ser ventajosamente más grande, por ejemplo por un factor de
al menos 2, que la normalmente empleada durante esta etapa, sin
por esto perjudicar la efectividad de la desgasificación. La
temperatura de la cámara de expansión se escoge preferiblemente de
tal forma que la mezcla puede ser expandida y el polímero mantenido
en el fundido, especialmente en una forma relativamente fluida, y
sin ser sustancialmente degradado o descompuesto. La temperatura
puede ser escogida dentro de un rango de 180 a 300ºC,
preferiblemente de 200 a 280ºC, especialmente de 210 a 260ºC o 220 a
245ºC. En virtud del proceso de la invención, la temperatura de la
cámara de expansión puede ser reducida ventajosamente, por ejemplo
del orden de al menos 10 o 20ºC, comparada con la que se emplea
normalmente durante esta etapa, sin por ello perjudicar la
efectividad de la desgasificación. Tal reducción en la temperatura
es además particularmente benéfica ya que eso hace posible reducir
los efectos de cualquier despolimerización térmica del polímero y
especialmente para reducir el contenido de monómero residual en el
polímero.
La cámara de expansión permite así que los
compuestos volátiles residuales y el agente espumante sean separados
del polímero fundido. En particular, el contenido de monómero
residual, por ejemplo contenido de estireno residual, del polímero
desgasificado de acuerdo con la invención, puede ser menor o igual
que 250 ppm, y preferiblemente estar en un rango de 50 a 250 ppm,
especialmente de 50 a 200 ppm.
El polímero, desprovisto así de los compuestos
volátiles residuales y el agente espumante, es retirado de la
cámara de expansión, preferiblemente de forma continua,
especialmente por una bomba de engranajes.
La presente invención también se refiere a un
equipo para remover los compuestos volátiles residuales contenidos
en un polímero termoplástico, especialmente por la implementación
del proceso anteriormente descrito, cuyo equipo se caracteriza
porque comprende:
- una tubería de alimentación del polímero
fundido;
- una cámara de adición en la que pasa la
tubería de alimentación y a través de la cual el polímero fundido
fluye como corriente principal;
- una o más tuberías para la adición de un
agente espumante que fluye como una o más corrientes líquidas
secundarias, la(s) tubería(s) pasa (pasan) a la
cámara de adición y tiene(n) en su(s)
extremo(s) un dispositivo atomizador que permite que cada
líquido secundario sea dividido en varias corrientes
fraccionadas;
- un mezclador estático que tiene una entrada,
conectada a la cámara de adición y una salida; y
- una cámara de expansión para separar el
polímero fundido de los compuestos volátiles residuales y del agente
espumante, ésta cámara se conecta a la salida del mezclador
estático y se suministra con una tubería para retirar el polímero
fundido así separado y con una tubería para extraer los compuestos
volátiles residuales y el agente espumante.
El equipo de acuerdo con la invención comprende
una cámara de adición en la que pasa una tubería de alimentación
del polímero fundido que contiene especialmente los compuestos
volátiles residuales que se removerán, y a través de la cual el
polímero fundido fluye como corriente principal. Pasando a la
cámara de adición se encuentran una o más tuberías para la adición
de un agente espumante que fluye como una o más corrientes líquidas
secundarias. El equipo también comprende un mezclador estático que
tiene una entrada, conectada, en particular directa o
indirectamente, a una cámara de expansión. El polímero termoplástico
y el agente espumante pueden ser en especial los que se han
descrito anteriormente.
La cámara de adición puede ser de cualquier
forma. En particular, puede ser de la forma de una tubería o tubo,
en particular una tubería que extienda la tubería de alimentación
del polímero fundido o si no una cámara contigua (o adyacente) a la
entrada del mezclador estático y preferiblemente colocada en el eje
longitudinal del mezclador estático. La cámara de adición puede
estar especialmente diseñada para resistir las relativamente altas
presiones y temperaturas, tales como las indicadas
anteriormente.
La(s) tubería(s) de adición pasan
a la cámara de adición y tienen, en su extremo, un dispositivo
atomizador para dividir cada corriente líquida secundaria en varias
corrientes fraccionadas, especialmente como para formar en la
cámara de adición una pre-mezcla del polímero
fundido con el agente espumante así predividido o
pre-fragmentado. La división de la corriente líquida
secundaria en varias corrientes fraccionadas se describió en
detalle arriba. El dispositivo atomizador puede ser cualquier
corriente capaz de dividir mecánicamente una masa líquida. En
particular, puede ser seleccionado entre aspersores, rociadores,
atomizadores, vaporizadores o dispositivos de nebulización. Puede
consistir especialmente de una boquilla cerrada, colocada en el
extremo de la tubería de adición y perforada en varios orificios,
el número de los cuales es equivalente al número de las corrientes
fraccionadas que van a formarse, en particular al menos 2,
preferiblemente al menos 3 o 4, por boquilla, por ejemplo un número
que varíe de 2 a 20, preferiblemente 3 a 15, en especial 4 a 12 por
boquilla. La boquilla puede tener cualquier forma y en particular
ser de la forma de un sobre cerrado perforado con orificios, que
tiene una base abierta, especialmente una contigua al extremo de la
tubería de adición. La boquilla puede en particular tener la forma
de un sobre cilíndrico, especialmente un sobre cilíndrico de
revolución, tal como un enchufe de hueco. Una de sus dos bases se
cierra y la otra base está abierta y especialmente contigua con el
extremo de la tubería de adición; tanto el sobre y la base cerrada
se perforan con orificios. La boquilla (o en particular su sobre)
puede tener una pared tal que cada orificio perforado consiste en
un canal, preferiblemente recto, que pasa justo a través de la
pared. El orificio de la sección transversal del canal es
generalmente circular y puede tener un diámetro que varía de 0.1 a
10 mm, preferiblemente 0,5 a 5 mm, por ejemplo de 1 a 3 mm. La
boquilla tiene orificios especialmente (o en particular, canales que
pasan a través de la pared de la boquilla) que son orientados de
tal forma que las corrientes fraccionadas resultantes son dirigidas
en una dirección que forma, con la dirección de la corriente
principal que fluye a través de la cámara de adición, un ángulo
recto, agudo o nulo, preferiblemente un ángulo agudo o nulo, es
decir en una dirección que tenga un componente
no-cero dirigido a lo largo de la dirección de dicha
corriente. En particular, es posible escoger una boquilla en la
que al menos uno de los orificios (o canales) de la misma se dirige
en tal forma que la corriente fraccionada resultante se orienta en
una dirección equivalente a la dirección de la corriente principal
que fluye a través de la cámara de adición o sustancialmente en
esta dirección, mientras que al menos uno de los otros orificios (u
otros canales) se dirige de tal forma que la corriente fraccionada
resultante se orienta en una dirección que hace un ángulo mayor a
20° y menor o igual a 90°, por ejemplo un ángulo que varíe de 30 a
80°, especialmente de 45 a 75°, con la dirección de dicha corriente
principal. La expresión "dirección sustancialmente en la
dirección de la corriente principal" puede ser entendida para
significar una dirección que haga un ángulo de 20°, preferiblemente
10°, con la dirección de dicha corriente. Los orificios o canales
orientados en una dirección equivalente a la dirección de la
corriente principal o sustancialmente en esta dirección pueden tener
el mismo diámetro o diferente del que tienen los orificios o
canales orientados de forma diferente: preferiblemente, estos
pueden tener un diámetro más grande por ejemplo 1.2 a 4 veces,
preferiblemente 1.5 a 3 veces, más grande que el de los orificios
o canales orientados de forma diferente.
De acuerdo con una variante preferida, el
dispositivo atomizador se coloca en la cámara de adición la cual
puede tener una zona de constricción (o restricción o
estrechamiento) para que la corriente principal experimente una
constricción como se ha descrito anteriormente. La zona de
constricción puede comprender, en la dirección de flujo de la
corriente principal, sucesivamente una corriente hacia arriba o
sección convergente y una corriente hacia abajo o sección
divergente, la parte más angosta de la zona se localiza entre las
dos secciones. El dispositivo atomizador puede ser colocado en
cualquier punto en la zona de constricción, por ejemplo en la
corriente hacia arriba o sección convergente o en la corriente hacia
abajo o sección divergente, o si no en la parte más angosta de la
zona, es decir localizada entre las dos secciones. Se ha notado que
los mejores resultados se obtienen cuando el dispositivo atomizador
se coloca en la parte más angosta de la zona de constricción o
preferiblemente en la corriente abajo o sección divergente de la
zona. El plano de la sección divergente puede formar un ángulo
agudo (A) o ángulo recto, más específicamente un ángulo mayor que
20° y menor o igual a 90°, preferiblemente un ángulo mayor que 20°
y menor a 90°, por ejemplo un ángulo que varíe de 30° a 80°,
especialmente 45 a 75°, con la dirección de la corriente principal
fluyendo a través de la cámara de adición, mientras que el plano de
la sección convergente puede formar un ángulo obtuso (B) o ángulo
recto, más específicamente un ángulo mayor o igual a 90° y menor a
160°, preferiblemente un ángulo mayor que 90° y menor a 160°, por
ejemplo que varíe de 100° a 150°, especialmente 105 a 135°, con la
dirección de dicha corriente principal. Los ángulos (A) y (B) son
mostrados en particular en la Figura 3. La zona de constricción
puede, por ejemplo, consistir de una placa perforada o dispositivo
"venturi". La parte más angosta de la zona de constricción
puede corresponder a una amplia reducción en el área de la sección
transversal para el flujo de la corriente principal en la cámara de
adición: el área puede ser reducida por un factor de al menos 2,
preferiblemente al menos 5, especialmente al menos 10, por ejemplo
por un factor que varía de 2 a 150, preferiblemente de 5 a 120, en
especial de 10 a
80.
80.
Cuando el dispositivo atomizador se localiza en
la parte más delgada de la zona de constricción o preferiblemente
en la corriente abajo o sección divergente de esta zona, es posible
escoger una boquilla atomizadora la cual tiene al menos uno de sus
orificios (o canales que pasan a través de la pared de la boquilla),
dirigido de tal forma que la corriente fraccionada resultante se
orienta en una dirección paralela o aproximadamente paralela al
plano de la corriente de abajo o sección divergente. La expresión
"dirección aproximadamente paralela al plano de la corriente de
abajo o sección divergente" puede ser entendida para dar a
entender una dirección que hace un ángulo de \pm10°,
preferiblemente \pm5°, con el plano de dicha sección. Además, al
menos uno de los otros orificios (u otros canales) pueden ser
dirigidos de tal forma que la corriente fraccionada resultante se
oriente en una dirección equivalente a la dirección de la corriente
principal que fluye a través de la cámara de adición o
sustancialmente en esta dirección. La expresión "dirección
sustancialmente en la dirección de la corriente principal" puede
ser entendida para dar a entender una dirección que forme un ángulo
de \pm 20°, preferiblemente \pm10°, con la dirección de dicha
corriente.
El equipo de acuerdo con la invención comprende
además un mezclador estático que tiene una entrada y una salida y
especialmente un eje longitudinal. La cámara de adición se conecta
directa o indirectamente al mezclador estático. La cámara de
adición está preferiblemente contigua (o adyacente) a la entrada
del mezclador estático y especialmente colocada en el eje
longitudinal del mezclador estático. El mezclador estático puede ser
un mezclador estático linear y ser escogido entre mezcladores
estáticos convencionales, como se describe anteriormente, que
comprenden en especial elementos de mezclado estáticos,
posiblemente de calentamiento o enfriamiento.
El equipo de acuerdo con la invención incluye
también una cámara de expansión conectada a la salida del mezclador
estático. La cámara de expansión puede ser también escogida entre
las cámaras de expansión usadas en los procesos de desgasificación
del polímero, tales como las cámaras de expansión antes mencionadas.
En general se proporciona con un dispositivo de extrusión para
dividir la mezcla que sale del mezclador estático, por ejemplo en
forma de hilos en caída. La función de la cámara de expansión es
separar el polímero de los compuestos volátiles residuales y el
agente espumante. Se suministra con una tubería para extraer los
componentes volátiles residuales y el agente espumante. La tubería
de extracción puede salir de la porción superior de la cámara de
expansión y ser conectada especialmente a una bomba de vacío. La
cámara de expansión también se proporciona con una tubería para
retirar el polímero fundido desprovisto así de los compuestos
volátiles residuales y del agente espumante. La tubería de
extracción puede ser suministrada con una bomba de engranajes.
La presente invención también se relaciona con
el empleo del equipo como se ha descrito anteriormente en un
proceso para la desgasificación de un polímero termoplástico. El
proceso puede comprender los pasos arriba descritos.
La figura 1 muestra esquemáticamente un equipo
para la desgasificación de un polímero termoplástico permitiendo
que el procedimiento de la invención sea implementado. El equipo
comprende una tubería de alimentación de polímero fundido (1)
suministrada con una bomba de engranajes (2). La tubería (1) pasa
hacia una cámara de adición (3) a través de la cual el polímero
fundido fluye como corriente principal. Una tubería (4) para la
adición de un agente espumante que fluye como una corriente líquida
secundaria entra a la cámara (3) y tiene, en su extremo, un
dispositivo atomizador (5) para dividir la corriente líquida
secundaria en varios (en la figura 1, en tres) corrientes
fraccionadas (6) y (6’). El equipo comprende un mezclador estático
(7) que tiene una entrada (8) y una salida (9). La entrada (8) se
conecta a la cámara de adición (3) vía una tubería (10). La salida
(9) se conecta a una cámara de expansión (11) vía una tubería (12),
la cual (12) entra a la porción superior (13) de la cámara de
expansión y tiene, en su extremo, un medio (14) para la división y
extrusión de la mezcla del polímero fundido/agente espumante. La
porción superior (13) de la cámara de expansión se suministra con
una tubería (15) para extraer los compuestos volátiles residuales y
el agente espumante. La tubería (15) se conecta a una bomba de
vacío (16). La porción inferior (17) de la cámara de expansión (11)
se suministra con una tubería (18) para retirar el polímero fundido
desprovisto de los compuestos volátiles residuales y el agente
espumante. La tubería (18) se suministra con una bomba de engranajes
(19).
La figura 2 muestra esquemáticamente una primera
modalidad de un dispositivo atomizador que puede ser usado en el
aparato mostrado en la figura 1. Los elementos en la figura 2
idénticos a los mostrados en la figura 1 son identificados por las
mismas referencias numéricas. Una tubería de alimentación del
polímero fundido (1) pasa a una cámara de adición (3) a través de
la cual el polímero fundido fluye como corriente principal (20). La
cámara de adición (3) tiene la forma de una tubería con la misma
sección transversal que la tubería de alimentación (1) y colocada a
continuación de esta última. Una tubería (4) para la adición de un
agente espumante que fluye como una corriente líquida secundaria
(21) tiene en su extremo, un dispositivo atomizador (5) para la
división de la corriente líquida secundaria (21) en varias (en la
figura 2, en 3) corrientes fraccionadas (6) y (6’). La corriente
fraccionada (6’) se orienta en una dirección equivalente a la
dirección de la corriente principal (20), mientras que las otras
dos corrientes fraccionadas (6) se orientan en una dirección que
hace un ángulo de 60° con la dirección de dicha corriente
principal. La cámara de adición (3) se conecta directamente a la
entrada (8) de un mezclador estático (7), como el que se muestra en
la figura 1.
La figura 3 muestra esquemáticamente una segunda
modalidad del dispositivo atomizador que puede ser usado en el
equipo mostrado en la figura 1. Los elementos de la figura 1 que son
idénticos a los mostrados en las figuras 1 o 2 se identifican por
las mismas referencias numéricas. La tubería de alimentación del
polímero fundido (1) pasa a una cámara de adición (3) a través de
la cual el polímero fundido fluye como corriente principal (20).
Una tubería (4) para la adición de un agente espumante que fluye
como una corriente líquida secundaria (21) entra dentro de la
cámara de adición (3). La tubería (4) tiene, en su extremo, un
dispositivo atomizador (5) para dividir la corriente líquida
secundaria (21) en varias (en la figura 3, en tres) corrientes
fraccionadas (6) y (6’). La cámara de adición (3) tiene una
constricción (22) que comprende una corriente hacia arriba o
sección convergente (23) y una corriente hacia abajo o sección
divergente (24). El plano de la corriente hacia arriba o sección
convergente y el de la corriente hacia abajo o sección divergente
forma un ángulo (B) de 120° y un ángulo (A) de 60° con la dirección
de la corriente principal (20), respectivamente. El dispositivo
atomizador (5) se localiza corriente hacia abajo o sección
divergente (24) de la constricción. Como resultado, la corriente
fraccionada (6’) del dispositivo atomizador (5) se orienta en una
dirección equivalente (o paralela) a la dirección de la corriente
principal (20), mientras que las otras dos corrientes fraccionadas
(6) se orientan en una dirección paralela al plano de la corriente
hacia abajo o sección divergente (24) de la constricción, es decir
en una dirección que forma un ángulo de 60° con la dirección de
dicha corriente principal. La cámara de adición (3) pasa
directamente a la entrada (8) de un mezclador estático (7), como se
muestra en la figura 1. La cámara de adición (3) tiene la misma
sección transversal que el mezclador estático (7).
La figura 4 muestra esquemáticamente una tercera
modalidad de un dispositivo atomizador que puede ser usado en el
equipo mostrado en la figura 1. Los elementos de la figura 4 que son
idénticos a los mostrados en las figuras 1, 2 o 3 se identifican
por las mismas referencias numéricas. El dispositivo de la figura 4
es idéntico al mostrado en la figura 3, excepto por el hecho que
comprende dos tuberías (4) en lugar de una tubería para adicionar
un agente espumante. De esta forma, el agente espumante fluye como
dos corrientes líquidas secundarias (21). Cada tubería (4) tiene,
en su extremo, un dispositivo atomizador (5) para dividir cada
corriente líquida secundaria (21) en varias (en la figura 4, en
tres) corrientes fraccionadas (6) y (6’), La cámara de adición (3)
tiene una constricción (22) que comprende una corriente hacia arriba
o sección convergente (23) y una corriente hacia abajo o sección
divergente (24). El plano de la corriente hacia arriba o sección
convergente (23) y el de la corriente hacia abajo o sección
divergente (24) forma un ángulo (B) de 120° y un ángulo (A) de 60°
(estos ángulos no se muestran en la figura 4) con la dirección de la
corriente principal (20), respectivamente. Los dispositivos
atomizadores (5) se localizan en la corriente hacia abajo o sección
divergente (24) de la constricción. Como resultado, la corriente
fraccionada (6’) de cada dispositivo atomizador se orienta en una
dirección equivalente (o paralela) a la dirección de la corriente
principal (20), mientras que las otras dos corrientes fraccionadas
(6) se orientan en una dirección paralela al plano de la corriente
hacia abajo o sección divergente (24) de la constricción, es decir
en una dirección que forma un ángulo de 60° con la dirección de
dicha corriente principal. La cámara de adición (3) pasa
directamente a la entrada (8) del mezclador estático (7), como se
muestra en la figura 1. La cámara de adición (3) tiene una sección
transversal idéntica a la del mezclador estático (7).
La figura 5 muestra esquemáticamente una
boquilla atomizadora que puede ser utilizada en uno de los
dispositivos mostrados en las Figuras 2, 3 o 4. Los elementos de la
figura 5 que son idénticos a los mostrados en las figuras 2, 3 o 4
son identificados por las mismas referencias numéricas. Una tubería
(4) para la adición de un agente espumante fluye como una corriente
líquida secundaria (21) entra a una cámara de adición (3) (que no se
muestra en la figura 5) a través de la cual un polímero fundido
fluye como corriente principal (20). La tubería (4) se suministra,
en su extremo, con un dispositivo atomizador (5) que forma una
boquilla que tiene la forma de un conector hueco cilíndrico que
tiene una base cerrada y la otra abierta y está contigua al extremo
de la tubería (4). La boquilla está formada más particularmente por
un sobre cilíndrico (25) que tiene un eje de revolución (26)
paralelo a la corriente principal (20), una base abierta (27)
contigua al extremo de la tubería (4) y una base cerrada (28). El
sobre cilíndrico (25) y la base cerrada (28) son perforadas por dos
canales cilíndricos (29) y por un canal cilíndrico (30),
respectivamente, de tal forma que la corriente líquida secundaria
(21) se divide en varias (en la figura 5 en 3) corrientes
fraccionadas (6) y (6’). Los canales cilíndricos (29) se orientan
de tal forma que sus ejes (coincidentes con la dirección de las
corrientes fraccionadas) forma un ángulo de 60° con la dirección de
la corriente principal (20). El canal cilíndrico (30) se orienta de
tal forma que su eje (coincidente con la dirección de la corriente
fraccionada (6’)) es idéntico (o paralelo) a la dirección de la
corriente principal (20). Los siguientes ejemplos ilustran la
presente invención.
Un poliestireno de alto impacto (HIPS), de aquí
en adelante llamado "el polímero" fue desgasificado de forma
continua. El polímero fue modificado, injertando un poliestireno en
un polibutadieno, y preparado por un proceso continuo de
polimerización en masa. El polímero contenía 94.5% en peso de
poliestireno y 5.5% en peso de polibutadieno, con un peso molecular
medio de 210000 daltons y un contenido de estireno residual de 1700
ppm.
La desgasificación fue llevada a cabo de forma
continua en un equipo como se muestra en la figura 1. El polímero
fue empleado en la forma de un fundido que fluye continuamente como
corriente principal con una rata de flujo de 7000 kg/h, a una
temperatura de 238ºC y una presión absoluta de 2.5 MPa, en una
tubería de alimentación (1) provista con una bomba de engranajes
(2). El polímero fundido alimentaba una cámara de adición (3) a
través de la cual el polímero fundido fluía como corriente
principal (20). Dos tuberías de adición de agua (4), como se
muestra en la figura 4, entraban a la cámara de adición (3), en las
cuales el agua se calentaba a 150°C y una presión absoluta de 3.5
MPa y fluía en forma de dos corrientes líquidas secundarias (21).
Cada tubería (4) fue provista, en su extremo, con un dispositivo
atomizador (5) idéntico al mostrado en la Figura 5, excepto por el
hecho que el número de canales cilíndricos (29) era de 4 en lugar de
2. De esta forma, la boquilla (5) que forma el dispositivo
atomizador fue perforada por cuatro canales cilíndricos (29) de 1
mm de diámetro y por un canal cilíndrico (30) de 2 mm de diámetro,
que tiene direcciones y que forma ángulos como se muestra en la
figura 5, resultando que cada corriente líquida secundaria (21) se
dividía en cinco corrientes fraccionadas (6) y (6’). La pérdida de
carga total creada por el dispositivo atomizador era de 0.5 MPa.
El agua fluía continuamente vía las dos tuberías (4) y los
dispositivos de atomización (5) en la cámara de adición (3), en una
cantidad total equivalente a 1.5% en peso con respecto al polímero.
La cámara de adición (3) tenía una zona de constricción (22), como
se muestra en la figura 4, con una sección convergente (23) y una
sección divergente (24) que
formaba un ángulo (B) de 120° y un ángulo (A) de 60° con la dirección de la corriente principal (20) respectivamente.
formaba un ángulo (B) de 120° y un ángulo (A) de 60° con la dirección de la corriente principal (20) respectivamente.
La premezcla, resultante a partir de la adición
de agua al polímero fundido, fluía luego de forma continua
directamente a la entrada (8) de un mezclador estático (7) del tipo
SMX ® comercializado por Koch Glitsch (Suiza), a una temperatura de
235ºC y a una presión absoluta de 2.5 MPa. El tiempo medio de
residencia de la mezcla polímero/agua en el mezclador estático (7)
era de 3 minutos. Una mezcla de polímero fundido/agua a una
temperatura de 230ºC y a una presión absoluta de 3.5 103 Pa se
obtuvo a la salida (9) del mezclador estático (7).
La mezcla se introducía luego de forma continua
en una cámara de expansión (11) vía una tubería (12), la cual
entraba a dicha cámara y tenía, a su extremo, medios de extrusión y
división (14) colocados en la porción superior (13) de la cámara
de expansión (11). La cámara de expansión (11) se calentaba a una
temperatura de 225ºC, y a una presión absoluta de 3.5 X 10^{3}
Pa. Los compuestos volátiles residuales, tales como el estireno
residual y el agua fueron separados del polímero fundido y extraídos
de forma continua de la cámara de expansión (11) vía una tubería de
extracción (15) conectada a una bomba de vacío (16). El polímero
fundido, desprovisto así de los compuestos volátiles residuales y
del agua, se retiraba continuamente a 235ºC de la cámara de
expansión (11) vía una tubería de extracción (18) provista con una
bomba de engranajes (19). El contenido de estireno residual del
polímero así retirado fue de 150 ppm.
(Ejemplo
comparativo)
Aquí el proceso fue exactamente como en el
ejemplo 1, excepto que el agua se introducía en la cámara de adición
(3) vía las tuberías de adición (4) que no tenían el dispositivo
atomizador (5) al extremo de ellas.
Bajo estas condiciones, se observaron los
fenómenos de "golpeteo", y en particular de "martilleo",
en todo el mezclador estático (7) y justo en la cámara de
expansión (11). Además, el polímero retirado vía la tubería de
retiro (18) tenía un contenido de estireno residual de 250 ppm.
Estos fenómenos de "golpeteo" pusieron la planta de
desgasificación en peligro, por lo que el proceso de
desgasificación tuvo que ser parado rápidamente por razones de
seguridad.
Claims (16)
1. Proceso para eliminar los compuestos
volátiles residuales contenidos en un polímero termoplástico, que
se caracteriza porque comprende las siguientes etapas:
(1) formación del polímero bajo la forma de un
fundido que fluye como corriente principal.
(2) formación de un agente espumante bajo la
forma de una o más corrientes líquidas secundarias.
(3) adición de la(s) corriente(s)
líquida(s) secundaria(s) a la corriente principal por
atomización como para dividir cada corriente líquida secundaria en
varias corrientes fraccionadas y formar así una premezcla del
polímero fundido / agente espumante:
(4) introducción de la premezcla en un mezclador
estático, luego en una cámara de expansión a presión reducida como
para separar el polímero fundido de los compuestos volátiles
residuales y del agente espumante; y
(5) retiro del polímero fundido, desprovisto así
de los compuestos volátiles residuales y del agente espumante, de
la cámara de expansión.
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1,
que se caracteriza porque el polímero termoplástico se escoge
entre los polímeros olefínicos y los polímeros de vinilo
aromáticos, de preferencia entre los (co-) polímeros del
estireno.
3. Proceso de acuerdo con la Reivindicación 1 o
2, que se caracteriza porque el agente espumante se
selecciona entre el agua, alcoholes, especialmente los alcoholes
de C_{1} a C_{10}, especialmente las cetonas de C_{3} a
C_{10}, una solución de dióxido de carbono acuoso, y las mezclas
de dos o más de estos productos.
4. Proceso de acuerdo con cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 3, que se caracteriza porque cada
corriente líquida secundaria se divide, por atomización en al menos
dos, de preferencia en al menos tres, especialmente en al menos
cuatro corrientes fraccionadas.
5. Proceso de acuerdo con alguna de las
Reivindicaciones 1 a 4, que se caracteriza porque las
corrientes fraccionadas se orientan en una dirección que forma un
ángulo recto, agudo o nulo, preferiblemente un ángulo agudo o nulo,
con la dirección de la corriente principal.
6. Proceso según alguna de las Reivindicaciones
1 a 5, que se caracteriza porque al menos una de las
corrientes fraccionadas se orienta en una dirección equivalente a
la dirección de la corriente principal o sustancialmente en esta
dirección, mientras que al menos una de las otras corrientes
fraccionadas se orienta en una dirección que forma un ángulo
superior a 20° y menor o igual a 90°, preferiblemente un ángulo
superior a 20° y menor a 90°, especialmente un ángulo que varía
entre 30° a 80°, con la dirección de dicha corriente principal.
7. Proceso según cualquiera de las
Reivindicaciones 1 a 6, que se caracteriza porque
la(s) corriente(s) líquida(s)
secundaria(s) es (son) adicionada(s) a la corriente principal en el momento en que esta última se somete a una constricción que comprende particularmente, sucesivamente en la dirección del flujo de la corriente principal, una fase de descompresión seguida por una fase de compresión.
secundaria(s) es (son) adicionada(s) a la corriente principal en el momento en que esta última se somete a una constricción que comprende particularmente, sucesivamente en la dirección del flujo de la corriente principal, una fase de descompresión seguida por una fase de compresión.
8. Proceso de acuerdo con la Reivindicación 7,
que se caracteriza porque la(s) corriente(s)
líquida(s) secundarias es (son) agregada(s) a la
corriente principal entre las fases de descompresión y de
compresión, o preferiblemente durante la fase de compresión.
9. Equipo para remover los compuestos volátiles
residuales contenidos en un polímero termoplástico, que se
caracteriza porque comprende:
- una tubería de alimentación del polímero
fundido;
- una cámara de adición en la cual pasa la
tubería de alimentación y a través de la cual el polímero fundido
fluye como corriente principal;
- una o más tubería(s) para la adición de
un agente espumante que fluye como una o más corrientes líquidas
secundarias, cuya(s) tubería(s) pasan (pasa) a la
cámara de adición y tiene (tienen) en su(s) extremo(s)
un dispositivo atomizador que permite que cada corriente líquida
secundaria sea dividida en varias corrientes fraccionadas,
- un mezclador estático que tiene una entrada,
conectada a la cámara de adición y una salida; y
- una cámara de expansión para separar el
polímero fundido de los compuestos volátiles residuales y del agente
espumante, cuya cámara se conecta con la salida del mezclador
estático y se suministra con una tubería para retirar el polímero
fundido así separado y con una tubería para extraer los compuestos
volátiles residuales y el agente espumante.
10. Equipo de acuerdo con la Reivindicación 9,
que se caracteriza porque el dispositivo atomizador se
compone de una boquilla cerrada colocada en el extremo de la
tubería de adición y perforada por varios orificios, cuyo número es
equivalente al número de corrientes fraccionadas que van a
formarse.
11. Equipo de acuerdo con la Reivindicación 10,
que se caracteriza porque el número de orificios por boquilla
es al menos 2, preferiblemente al menos 3, y en especial al
menos 4.
12. Equipo de acuerdo con la reivindicación 10 o
11, que se caracteriza porque los orificios están orientados
de una forma tal que las corrientes fraccionadas resultantes se
dirigen a lo largo de una dirección que hace un ángulo recto, agudo
o nulo, preferiblemente un ángulo agudo o nulo, con la dirección de
la corriente principal fluyendo a través de la cámara de
adición.
13. Equipo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 12, que se caracteriza porque al menos
uno de los orificios está dirigido de tal forma que la corriente
fraccionada resultante se orienta en una dirección equivalente a la
dirección de la corriente principal que fluye a través de la cámara
de adición o sustancialmente en esta dirección, mientras que al
menos uno de los otros orificios se dirija de tal forma que la
corriente fraccionada resultante se orienta en una dirección que
forma un ángulo superior a 20° y menor o igual a 90°,
preferiblemente un ángulo superior a 20° e inferior a 90°, en
especial un ángulo que varía de 30 a 80°, con la dirección de dicha
corriente principal.
14. Equipo de acuerdo con una de las
Reivindicaciones 9 a 13, que se caracteriza porque la cámara
de adición comprende una zona de constricción que tiene
especialmente, en la dirección del flujo de la corriente principal,
sucesivamente, una sección corriente hacia arriba o convergente y
una sección corriente hacia abajo o divergente, la parte más
estrecha de la zona se localiza entre las dos secciones.
15. Equipo de acuerdo con la Reivindicación 14,
que se caracteriza porque el dispositivo de constricción se
coloca en la parte más angosta de la zona de constricción o de
preferencia en la sección corriente abajo o divergente de la zona
mencionada.
16. Equipo de acuerdo con una de las
Reivindicaciones 9 a 15, que se caracteriza porque la cámara
de adición está contigua a la entrada del mezclador estático.
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