"PROCESSO CONTÍNUO PARA A PRODUÇÃO DE POLI(TRIMETILENO TEREFTALATO)"
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um processo contínuo para a produção de poli(trimetileno tereftalato), também conhecido como poli(1,3- propileno) tereftalato. O processo da invenção pode ser utilizado como parte de um processo de três recipientes, onde o primeiro recipiente é um trocador de éster para produzir uma mistura de bis-3-hidroxipropil tereftalato e polímeros de baixo peso molecular de 1,3-propanodiol e de ácido tereftálico que têm um grau médio de polimerização de 15 ou menos a partir de dimetiltereftalato e 1,3-propanodiol, ou um reator para produzir o material de partida a partir de ácido tereftálico e 1,3-propanodiol. O segundo recipiente é um pré-polimerizador, e o terceiro recipiente é um polimerizador ou uma estação de acabamento final.
Antecedentes da Invenção
Os processos contínuos de três recipientes são conhecidos para a produção de poli(etileno tereftalato). Por exemplo, Vodonik, na patente US 2.727.882, apresenta um processo para a polimerização contínua de bis-2- hidroxipropil tereftalato mediante a utilização de um pré-polimerizador.
Também são conhecidos os processos em batelada para a produção de poli(trimetileno tereftalato). Por exemplo, Doerr et al., na patente US 5.340.909, apresentam a produção de poli(trimetileno tereftalato) mediante a utilização tanto de uma reação de troca de éster que começa com éster de tereftalato de dialquila inferior quanto a esterificação direta de ácido tereftálico seguida por uma reação de policondensação, ambas as quais são realizados em batelada ao se utilizar uma autoclave.
Adicionalmente, um processo em pressão atmosférica para a produção de poliésteres, tal como poli(1,3-propileno tereftalato) é descrito na patente US 5.599.900.
Seria altamente desejável a obtenção de um processo contínuo de três recipientes para a produção de poli(trimetileno tereftalato). Também seria desejável a obtenção de um processo contínuo para a produção de poli(trimetileno tereftalato) no qual a produção de subprodutos, tais como acroleína e álcool alílico, fosse minimizada e no qual o peso molecular do polímero final de poli(trimetileno tereftalato) fosse maximizado. A presente invenção apresenta esse processo.
Descrição Resumida da Invenção
A invenção compreende um processo contínuo para a produção de poli(trimetileno tereftalato), o qual compreende as etapas de:
(a) alimentação contínua de uma mistura de alimentação líquida em um pré-polimerizador, sendo que a mistura de alimentação líquida compreende pelo menos um dentre bis-3-hidroxipropil tereftalato e poliésteres de baixo peso molecular de 1,3-propanodiol e de ácido tereftálico, e a mistura de alimentação líquida têm uma razão molar entre os grupos propileno e os grupos tereftalato de 1,1 a 2,2;
(b) polimerização contínua do bis-3-hidroxipropil tereftalato e dos ditos poliésteres de baixo peso molecular para formar um pré-polimero de poli(trimetileno tereftalato) e uma primeira corrente de subprodutos gasosos;
(c) remoção contínua do pré-polimero de poli(trimetileno tereftalato) do pré-polimerizador, sendo que o pré-polimero tem uma viscosidade relativa de pelo menos cerca de 5;
(d) alimentação contínua do pré-polimero de poli(trimetileno tereftalato) em um polimerizador final e polimerização contínua do pré- polimero de poli(trimetileno tereftalato) para formar um poli(trimetileno tereftalato) de peso molecular elevado e uma segunda corrente de subprodutos gasosos; e (e) remoção contínua do poli(trimetileno tereftalato) de peso molecular elevado do polimerizador final, sendo que o poli(trimetileno tereftalato) de peso molecular elevado tem uma viscosidade relativa de pelo menos cerca de 17.
Descrição dos Desenhos
A Figura 1 é uma representação esquemática de um aparelho útil na prática do processo da presente invenção.
A Figura 2 é uma representação esquemática de um pré- polimerizador útil na realização da etapa de pré-polimerização do processo da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
O processo da presente invenção faz parte um processo contínuo de três estágios e três recipientes para a produção de poli(trimetileno tereftalato). O primeiro estágio no processo é uma troca de éster ou uma reação de esterificação direta, dependendo se o material de partida do processo for o dimetiltereftalato ou o ácido tereftálico. O segundo estágio é uma pré-polimerização, e o terceiro estágio é uma polimerização final. A presente invenção é útil na obtenção de um processo contínuo para a produção de poli(trimetileno tereftalato) no qual a produção de subprodutos é minimizada e o peso molecular do polímero produzido é maximizado.
O termo "ppm" é aqui empregado para se referir a partes por milhão que é igual a microgramas por grama.
1. Produção de Materiais de Alimentação do Pré-polimerizador
O material de partida para o pré-polimerizador pode ser produzido tanto pela troca de éster a partir de dimetiltereftalato e 1,3-propanodiol quanto pela esterificação direta a partir de ácido tereftálico e 1,3-propanodiol. Ambos os processos resultam no bis-3-hidroxipropil tereftalato (indicado como "monômero") e poliésteres de baixo peso molecular de 1,3-propanodiol e ácido tereftálico que têm um grau médio de polimerização de 15 ou menos (indicados como "oligômeros").
Conforme apresentado na figura 1, o recipiente de reação (10) é uma fonte de monômeros e/ou de oligômeros, os quais são alimentados no pré-polimerizador (12). O recipiente de reação (10) pode ser um reator de troca de éster ou um reator de esterificação direta.
Se a mistura de alimentação de monômeros/oligômeros for produzida por esterificação direta a partir de ácido tereftálico ou troca de éster a partir de dimetiltereftalato, um catalisador é adicionado antes da reação de esterificação ou transesterificação. Os catalisadores úteis no processo da troca de éster incluem compostos orgânicos e inorgânicos de titânio, lantânio, e zinco. Os catalisadores de titânio, tais como o titanato de tetraisopropila e o titanato de tetraisobutila, são os preferidos, e são adicionados ao 1,3-propanodiol em uma quantidade suficiente para se obter 20 a 90 ppm de titânio em peso com base no polímero final. Esses níveis produzem o dimetiltereftalato a um nível não reagido relativamente baixo na reação da troca de éster (menos de 5% em peso com base no peso total da corrente de saída da troca de éster), resulta em velocidades de reação razoáveis nas etapas de pré-polimerização e de polimerização final, e produzem o polímero com uma coloração CIELAB b* inferior a 8, medida através de uma escala de coloração CIE 1976 CIELAB, Commission International de L'Eclairage. O valor "b" apresenta o grau de amarelo claro, sendo que um valor numérico alto apresenta um grau mais alto (indesejável) de amarelo claro. Um outro catalisador útil da troca de éster é o acetato de lantânio, o qual pode ser adicionado em uma quantidade suficiente para se obter 125 a 250 ppm de lantânio em peso com base no polímero final. Depois da reação de troca de éster, o lantânio é desativado pela adição de ácido fosfórico em uma quantidade suficiente para se obter 10 a 50 ppm de fósforo em peso com base no polímero final. Titanato de tetraisopropila ou titanato de tetraisobutila é adicionado então como um catalisador de policondensação em uma quantidade suficiente para se obter 10 a 50 ppm do titânio em peso com base no polímero finalizado. As quantidades de outros catalisadores de troca de éster são ajustadas para se obter o mesmo efeito que os 20 a 90 ppm de titânio.
Os catalisadores úteis no processo de esterificação direta incluem os compostos de organo-titânio e organo-estanho, os quais são adicionados ao 1,3-propanodiol em uma quantidade suficiente para se obter pelo menos 20 ppm de titânio, ou pelo menos 50 ppm de estanho, respectivamente, em peso com base no polímero final.
O catalisador adicional pode ser acrescentado à mistura monômero/oligômero depois da troca de éster ou da reação de esterificação direta e antes da pré-polimerização.
Se a mistura de alimentação de monômeros/oligômeros for produzida por meio da esterificação direta a partir de ácido tereftálico ou através da troca de éster a partir de dimetiltereftalato, a razão molar entre os grupos propileno e os grupos tereftalato é mantida em cerca de 1,1 a 2,2, preferencialmente em cerca de 1,4 a 1,8, e mais preferencialmente em cerca de 1,5 na entrada no pré-polimerizador.
2. Pré-polimerização
Conforme apresentando na figura 1, a mistura monômero/oligômero é bombeada do trocador de éster ou do reator de esterificação direta para o pré-polimerizador (12) por meio da linha de alimentação de temperatura controlada (16) equipada com bombas e opcionalmente filtros. Nas linhas de alimentação, a mistura monômero/oligômero é mantida em uma temperatura de cerca de 215°C a 250°C. O pré-polimerizador (12) executa a etapa inicial de polimerização, a qual envolve a remoção do excesso de 1,3-propanodiol e o aumento da viscosidade do produto mediante a formação de moléculas de cadeia longa de polímero. Conforme apresentado na figura 2, o pré-polimerizador (12) consiste em três seções: pré-aquecedor (20), seção de bandeja (22), e seção de domo (24).
A função do pré-aquecedor (20) consiste em fornecer o calor necessário para a realização da reação de pré-polimerização e evaporar o excesso de 1,3-propanodiol da mistura de reação no pré-polimerizador. O pré-aquecedor (20) é um trocador de calor que tem uma pluralidade de tubos e um invólucro que contém um meio de aquecimento, tal como vapor de Dowtherm. A mistura monômero/oligômero é aquecida enquanto passa através do pré-aquecedor (20) e então entra no fundo da seção de bandeja (22).
A seção de bandeja (22) é circundada por um revestimento que contém um meio de aquecimento tal como vapor de Dowtherm e contém uma pluralidade de bandejas (26) dividindo a coluna em uma série de zonas de reação, as quais são conectadas de maneira fluida umas às outras por uma pluralidade de tubos (28). As distâncias entre as bandejas (26) e os tubos (28) produzem turbulência e geram filmes finos que permitem que o 1,3-propanodiol se difunda mais rapidamente a partir do pré-polimero. As distâncias e os tubos também propiciam um intervalo no reator (tempo de retenção) para dirigir a reação de polimerização a um peso molecular elevado.
A seção de domo (24) inclui uma cobertura ("bubble cap") (30) juntamente com o tubo (32), a bandeja superior (34), a linha de saída de vapor (36), e a linha de saída de polímero (38). O domo é circundado por um revestimento que contém um meio de aquecimento, tal como vapor de Dowtherm. vácuo é puxado no topo da coluna através da linha de saída de vapor (36), por exemplo, por meio de jatos de vácuo.
A mistura de reação líquida é aquecida até cerca de 255°C no pré-aquecedor (20). A temperatura da mistura de reação líquida na seção de bandeja (22) é mantida em cerca de 245°C a 265°C, preferencialmente de cerca de 250°C a 260°C, e mais preferencialmente de cerca de 255°C.
A estrutura da seção de bandeja (22) resulta em uma diminuição por etapas na pressão de bandeja a bandeja, do fundo ao topo do pré- polimerizador. A pressão absoluta acima da bandeja superior (34) no pré-polimerizador é mantida de cerca de 533 a 2399 Pa, preferencialmente de cerca de 800 a 1600 Pa, e mais preferencialmente em cerca de 800 Pa.
O vapor de 1,3-propanodiol é um subproduto da reação de polimerização e é a força condutora para a operação do pré-polimerizador. A combinação do calor no fundo do pré-polimerizador e do vácuo no topo vaporiza o 1,3-propanodiol e o puxa para cima através da seção de bandeja (22), causando uma regeneração contínua das interfaces líquido-vapor. O vapor de 1,3-propanodiol entra na mistura de reação líquida e a carrega do fundo ao topo da seção de bandeja (22).
A entrada da mistura de reação líquida requer tanto um volume adequado quanto uma velocidade do vapor, que dependem da proporção da queda de pressão do fundo ao topo da seção de bandeja (22), que por sua vez depende da razão molar entre os grupos propileno e os grupos tereftalato. Para um rendimento e uma razão molar constantes, a queda de pressão no pré- polimerizador é constante.
A seção de domo (24) separa o vapor de 1,3-propanodiol do pré-polimero interior que está sendo carregado para cima na coluna. O vapor e o pré-polimero interior que passa através da bandeja superior (34) entram na grande "bubble cap" C30) através do tubo (32) na seção de domo (24). O vapor de 1,3-propanodiol entra no tubo na área abaixo da bandeja superior (34), sai do tubo abaixo da "bubble cap" (30), e inverte a sua direção de cima para baixo, permitindo que o líquido do pré-polimero interior atinja a porção subjacente da "bubble cap" (30), forme gotas, e prossiga em direção à bandeja superior (34). Quando o vapor de 1,3- propanodiol sai através das fendas na "bubble cap" (30), ele inverte a sua direção outra vez. Uma vez que o vapor de 1,3-propanodiol tenha entrado na seção de domo (24), a velocidade do vapor e a capacidade de entrada são reduzidas drasticamente, o que permite que o líquido saia. Os vapores de 1,3-propanodiol são removidos da seção de domo (24) através da linha de saída de vapor (36) que é conectada a um sistema de vácuo. Os vapores de 1,3-propanodiol são então condensados e coletados.
Um método para condensar os vapores de 1,3-propanodiol do pré-polimerizador é por meio de um condensador nebulizador. Os vapores da linha do vapor passam para um condensador vertical, no qual são nebulizados com o 1,3-propanodiol condensado que tinha sido resfriado até uma temperatura de menos de 60°C, preferencialmente de menos de 50°C. Os vapores de 1,3-propanodiol condensados do pré-polimerizador, juntamente com o 1,3-propanodiol do pulverizador, fluem para um depósito de condensados localizado abaixo do condensador. Uma porção da mistura líquida no depósito de condensados é bombeada através de um refrigerador no topo do condensador para ser utilizada como nebulizador de condensação.
Os vapores de 1,3-propanodiol que saem do pré-polimerizador contêm tipicamente outros subprodutos de reação tais como acroleína e álcool alílico. É desejável que a produção dos subprodutos tais como a acroleína e o álcool alílico seja minimizada porque ambos esses compostos são altamente tóxicos e causam irritação aos olhos e às membranas mucosas. De acordo com o processo da invenção, a quantidade de acroleína contida na corrente de 1,3-propanodiol condensada que sai do pré-polimerizador é não superior a 20 ppm em peso de condensado, preferencialmente não superior a 10 ppm, e mais preferencialmente não superior a 0 ppm. A quantidade de álcool alílico contida na corrente de 1,3-propanodiol condensada que sai do pré- polimerizador é não superior a 170 ppm em peso do condensado, preferencialmente não superior a 130 ppm, e mais preferencialmente não superior a 40 ppm.
O produto de reação poli(trimetileno tereftalato) líquido sai do pré- polimerizador por meio da gravidade ou de uma bomba através da linha de saída de polímero (38) conectada à bandeja superior (34).
A viscosidade relativa é um indicador de peso molecular. A viscosidade relativa, normalmente indicada como "LRV", é a relação entre a viscosidade de uma solução de 4,75 gramas de poli(trimetileno tereftalato) em 100 gramas da solução e a viscosidade do próprio solvente. O solvente aqui utilizado para medir a viscosidade relativa é o hexafluoroisopropanol que contém 100 ppm de ácido sulfúrico, e as medições são feitas a 25°C. A viscosidade relativa do poli(trimetileno tereftalato) que sai do pré- polimerizador é de pelo menos cerca de 5, preferencialmente de cerca de 9 a 10.
O tempo de residência ou retenção no pré-polimerizador varia tipicamente de cerca de 20 a 45 minutos.
3. POLIMERIZAÇÃO FlNAL
Conforme apresentado na figura 1, o produto líquido da reação no pré-polimerizador (12) é alimentado no polimerizador final ou estação de acabamento (14) por meio de uma linha de alimentação com temperatura controlada (18). A finalidade principal da estação de acabamento (14) é o aumento do comprimento da cadeia molecular ou da viscosidade do polímero. Isto é efetuado ao se utilizar calor, agitação, vácuo e catalisadores. É desejável que o peso molecular do polímero final seja maximizado, de modo que o processamento adicional, por exemplo, a polimerização no estado sólido, possa ser evitada antes da fiação da fibra ou de outra operação de formação.
A estação de acabamento é normalmente um recipiente cilíndrico horizontal circundado por um revestimento que contém um meio de aquecimento, tal como vapor de Dowtherm. O pré-polimero proveniente do pré-polimerizador (12) flui através de uma entrada na estação de acabamento. Um agitador gera grandes áreas de superfície de filmes finos de polímero para intensificar a transferência de massa de 1,3-propanodiol do polímero.
A temperatura dos reagentes líquidos na estação de acabamento é mantida em cerca de 245° a 265°C, preferencialmente de cerca de 250°C a 260°C, e mais preferencialmente de cerca de 255°C. A pressão na estação de acabamento é mantida em cerca de 66 a 400 Pa.
O polímero final é removido da estação de acabamento através de uma saída por meio de uma bomba. A viscosidade relativa do poli(trimetileno tereftalato) que sai da estação de acabamento é de pelo menos cerca de 17, preferencialmente de cerca de 35 ou mais, mais preferencialmente de cerca de 40 ou mais, com maior preferência de cerca de 45 ou mais, e ainda mais preferencialmente de cerca de 50 ou mais. Quando correlacionadas com as medições da viscosidade intrínseca em 60/40 por cento em peso de fenol/1,1,2,2-tetracloroetano ao se seguir à norma D 4603-96 da ASTM, essas viscosidades relativas correspondem às viscosidades intrínsecas de cerca de 0,55 dl/g, 0,85 dl/g, 0,91 dl/g, 0,96 dl/g, e 1,0 dl/g, respectivamente. A viscosidade do polímero final pode ser controlada ao se ajustar à pressão da estação de acabamento ou outras variáveis. O tempo de residência ou retenção na estação de acabamento é tipicamente de cerca de uma a duas horas.
O 1,3-propanodiol e outros subprodutos gasosos são removidos da estação de acabamento através de vácuo seguido por condensação. Um método para condensar os vapores de 1,3-propanodiol da estação de acabamento é por meio de um condensador nebulizador semelhante àquele descrito acima na condensação dos vapores de 1,3-propanodiol do vaporizador e do pré-polimerizador.
De acordo com a presente invenção, a quantidade de acroleína contida na corrente de 1,3-propanodiol condensado que sai da estação de acabamento é não superior a 80 ppm em peso do condensado, preferencialmente não superior a 45 ppm, e mais preferencialmente não superior a 25 ppm. A quantidade de álcool alílico contida na corrente de 1,3- propanodiol condensado que sai da estação de acabamento é não superior a 1.000 ppm, preferencialmente não superior a 650 ppm, e mais preferencialmente não superior a 500 ppm.
O polímero final pode ser peletizado ou alimentado diretamente a uma operação de formação, tal como fiação da fibra, formação de filme ou operação de moldagem. As fibras feitas a partir do poli(trimetileno tereftalato) produzido pelo processo da invenção têm propriedades que as tornam úteis em várias aplicações têxteis, incluindo a fabricação de tapetes ou de roupas.
4. Aditivos
Vários aditivos podem ser utilizados no processo da invenção. Estes incluem inibidores de cor, tais como o ácido fosfórico, removedores de brilho, tal como o dióxido de titânio, modificadores da capacidade de tingimento, pigmentos e branqueadores. Se catalisadores de troca de éster e de polimerização separados forem utilizados, o ácido fosfórico (H3PO4) ou outros inibidores de cor podem ser adicionados para minimizar ou impedir a propriedade de formação de cor do catalisador da troca de éster.
Exemplos 1 a 27
Ao se utilizar um aparelho do tipo indicado nos desenhos, junto com um trocador de éster, uma corrente de 76,4 Ib/h (34,7 kg/h) de dimetiltereftalato foi pré-aquecida até uma temperatura de 185°C e misturada continuamente com uma corrente de 44,9 Ib/h (20,4 kg/h) de 1,3-propanodiol catalisado que também foi pré-aquecida até uma temperatura de 185°C, para formar uma mistura que tem uma razão molar de 1,5 mole de 1,3-propanodiol por mole de dimetiltereftalato. O catalisador era o titanato de tetraisopropila (Tyzor® TPT1 disponível junto à Ε. I. DuPont de Nemours and Company1 Wilmington, DE), DuPont Performance Chemicals, o qual foi adicionado ao 1,3-propanodiol em uma quantidade suficiente para se obter 50 ppm em peso de titânio com base no peso total do poli(trimetileno tereftalato) formado no processo. A mistura de dimetiltereftalato/1,3-propanodiol catalisado foi passada para a base de um trocador de éster, onde a temperatura dos reagentes líquidos foi mantida em 237°C, e a pressão na base do trocador de éster foi mantida em 119,97 a 126,63 Pa. A pressão no topo da coluna de troca de éster era a atmosférica. No trocador de éster, o 1,3-propanodiol reagiu com o dimetiltereftalato para formar monômero de tereftalato de bis-3- hidroxipropil tereftalato e oligômeros de baixo peso molecular de 1,3- propanodiol e de ácido tereftálico, liberando vapor de metanol, o qual foi removido continuamente do topo do trocador de éster. A mistura monômero/oligômero foi removida continuamente da base do trocador de éster e passada para a base de um pré-polimerizador. No pré-polimerizador, os monômeros e oligômeros reagiram para formar um pré-polimero de poli(trimetileno tereftalato), liberando vapor de 1,3-propanodiol. O vapor de 1,3-propanodiol e outros subprodutos gasosos foram removidos do topo do pré-polimerizador e condensados. O pré-polimero de poli(trimetileno tereftalato) foi removido continuamente do prato superior do pré-polimerizador e passado para a extremidade de entrada de um recipiente da estação de acabamento. A temperatura dos reagentes líquidos na estação de acabamento foi mantida em 255°C. Na estação de acabamento, o pré- polimero de poli(trimetileno tereftalato) reagiu para formar um polímero elevado do peso molecular, liberando mais vapor de 1,3-propanodiol. O vapor de 1,3-propanodiol e outros subprodutos gasosos foram removidos continuamente da estação de acabamento. O poli(trimetileno tereftalato) foi removido continuamente da estação de acabamento e peletizado. As condições e os resultados para a polimerização contínua estão indicados na Tabela I fiara o pré-polimerizador e na Tabela Il para a estação de acabamento.
Nas Tabelas I e II, a temperatura no pré-polimerizador é fornecida como a temperatura da placa inferior. Os níveis de acroleína e álcool alílico são fornecidos em partes por milhão (ppm) em peso com base no condensado total que é removido do pré-polimerizador e da estação de acabamento, respectivamente. Os níveis de dipropileno glicol (DPG) são fornecidos como uma porcentagem em peso com base no pré-polimero total ou no polímero final que é removido do pré-polimerizador e da estação de acabamento, respectivamente. A velocidade do agitador na estação de acabamento é fornecida em rotações por minuto (rpm). A quantidade de grupos carboxila terminais (COOH) no polímero final é fornecida em microequivalentes por grama com base no peso total do polímero final. O nível de catalisador é fornecido como partes por milhão (ppm) em peso de titânio no polímero final. Tabela I
<table>table see original document page 15</column></row><table> Tabela II
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