روش تازه پلیمریزاسیون پیوسته پلی‌اتیلن‌ترفتالات

1. پیشینه:

پلی‌اتیلن‌ترفتالات (PET) به‌صورت گسترده‌ای در ساخت رزین‌ها، بسته‌بندی، نوارهای مغناطیسی، بطری‌های نوشابه و موارد دیگر کاربرد دارد.  این ماده را می‌توان از واکنش اتیلن‌گلایکول با دی‌متیل‌ترفتالات (DMT) یا ترفتالیک‌اسید (TPA) تولید نمود.  کلیه مواد موردمصرف باید از خلوص بالایی برخوردار باشند.  در هر دو روش یادشده، نخستین مرحله واکنش تشکیل یک پیش‌پلیمر (بیس-هیدروکسی‌اتیل‌ترفتالات bis-HET) است.  درادامه، پلیمریزاسیون این ماده (با خارج‌کردن اتیلن‌گلایکول) تشکیل پلیمر پلی‌اتیلن‌ترفتالات خواهد داد.  ادامه پلیمریزاسیون (که از وزن مولکولی پلیمر مشهود است) تابع شرایط پلیمریزاسیون است و اثر قابل‌توجهی بر ویژگی‌های رزین تولیدی دارد.  با افزایش طول زنجیرهای پلیمر، وزن‌مولکولی و ویسکوزیته مایع درحال‌واکنش افزایش می‌یابد و ازاین‌رو برای اندازه‌گیری وزن‌مولکولی پلیمر از ویسکوزیته ذاتی بهره گرفته می‌شود.  هنگامی که نیاز به تولید پلیمر با وزن‌مولکولی بسیار بالا باشد (مانند رزین‌های مناسب گرید بطری)، پلیمریزاسیون در مراحل جداگانه با شرایط متفاوت انجام می‌گیرد.

روش معمول برای تولید PET، شامل پنج راکتور است.  هریک از این پنج راکتور نیاز به هفت میکسر دارند.  کمپانی هیتاچی Hitachi Ltd. روشی را ارائه نموده که برای کاهش هزینه‌های نگهداری و اجرای میکسرها طراحی شده است.  در این روش، تعداد راکتورها به سه و تعداد میکسرها به یک کاهش داده شده است.  آزمایش‌های نهایی از ژوئن سال 1997 برروی دستگاه آزمایشی با توانایی تولید 70 کیلوگرم در ساعت PET انجام گرفته است.  پیش‌بینی می‌شود که روش یادشده با موفقیت به اهداف کیفی موردنظر دست یابد

2. روش قدیمی:

روش مرسوم تولید PET (که به‌عنوان اجزای اصلی، از اتیلن‌گلایکول EG و ترفتالیک‌اسید TPA بهره می‌برد)، نیازمند دو راکتور و چهار میکسر برای پروسه استریفیکاسیون و سه راکتور و سه میکسر برای پروسه پلی‌کندانسه‌کردن است.  در مرحله پایانی پلی‌کندانسیشن، ویسکوزیته مواد به‌سرعت افزایش می‌یابد که این عمل نیازمند انواع گوناگون میکسرهاست.  برای روش‌های مرسوم تولید PET هزینه‌های نگهداری بالایی نیاز است زیرا تعداد زیاد راکتورهای لازم برای پروسه، دارای ابزار جانبی و تجهیزات کنترلی بسیاری هستند.

3. روش تازه پلیمریزاسیون پیوسته:

تا اواسط دهه 60 میلادی، DMT برای تولید PET مورداستفاده قرار می‌گرفت زیرا به‌طور معمول، استر را می‌توان به‌صورت خالص‌تری نسبت به اسید تولید نمود.  با گسترش پروسه‌های TPA بسیار خالص، اسید آزاد به‌دست‌آمده مورد پذیرش قرار گرفت و اکنون روش مرجح است.  بهره از TPA بسیار خالص، نیاز به بازیابی متانول نداشته و برتری آن این‌ است که استریفیکاسیون پلیمر به‌طور قابل‌توجهی سریع‌تر از واکنش ترانس‌استریفیکاسیون (نخستین مرحله در پروسه تولید از DMT) است.

با آغاز واکنش با ترفتالیک‌اسید (TPA)، مرحله نخست پلیمریزاسیون به‌جای ترانس‌استریفیکاسیون، استریفیکاسیون است.  ویژگی مهم تکنولوژی واکنش جدید این است که فشار بالاتر از فشار اتمسفر بوده و دما بالاتر از دمای جوش گلایکول است و بنابراین زمان واکنش کاهش می‌یابد.  نسبت‌های مولی گلایکول به TPA، 1/1 به 1 تا 2 به 1 موردبهره قرار می‌گیرد. 

روش تازه پلیمریزاسیون پیوسته دربرگیرنده سه راکتور اصلی است: یکی برای استریفیکاسیون، یکی برای پلیمریزاسیون اولیه و دیگری برای پلیمریزاسیون پایانی.  راکتورهای استریفیکاسیون و پلیمریزاسیون اولیه هردو به‌گونه‌ای ساخته شده‌اند که عمل مخلوط‌کردن به‌صورت سیرکولاسیون طبیعی انجام گیرد.  این حقیقت که در این مرحله نیاز به میکسرهای مکانیکی نیست، برتری این روش است.

(1) راکتور استریفیکاسیون (راکتور دمای بالا):  واکنش در این پروسه در دمایی بالاتر از دمای نرمال یعنی در دمای 270 تا 290 درجه‌سانتیگراد انجام می‌گیرد و درنتیجه زمان ماندگاری مواد در راکتور در مقایسه با روش مرسوم به مقدار 35درصد کاهش می‌یابد و درنتیجه کم‌کردن تعداد راکتورها از دو عدد به یک عدد امکان‌پذیر می‌گردد.  راکتور استریفیکاسیون شامل یک بدنه اصلی و یک مبدل حرارتی داخلی است که برای استفاده از بخار آب و اتیلن‌گلایکول (محصولات فرعی واکنش) طراحی شده است.  این مواد با مایع درحال واکنش، جریان سیرکوله طبیعی قدرت‌مندی پدید می‌آورند.

(2) راکتور پلیمریزاسیون اولیه (راکتور جریان بالا-پایین): این راکتور دارای یک مبدل حرارتی در مدخل الیگومر است که با افزایش مایع درحال واکنش، حرارت ایجاد می‌کند.  مایع درحال واکنش از بخش بالایی مبدل حرارتی بالا آمده و برروی تیغه نصب‌شده برروی بخش بیرونی سیلندر مرکزی قرار می‌گیرد.  مایع از بالای سیلندر سرریز شده و از درون سیلندر به پایین راکتور منتقل شده و تخلیه می‌گردد.

(3) راکتور پلیمریزاسیون پایانی (راکتور دوگانه): با ادامه‌یافتن واکنش در راکتور پلیمریزاسیون پایانی، ویسکوزیته مایع افزایش می‌یابد.  یک تیغه میکسر تک‌محوری بدون شافت چرخنده مرکزی و یک راکتور افقی با سه گونه تیغه برای پوشش‌دادن دامنه گسترده ویسکوزیته به‌کار گرفته می‌شود.  این راکتور از تیغه‌های میکسر جدید که نیازی به پاک‌کردن ندارند بهره می‌گیرد.

            برپایه اطلاعات به‌دست‌آمده از دستگاه آزمایشگاهی کمپانی هیتاچی، امکان ساخت دستگاه در اشل بزرگ صنعتی با پروسه پلیمریزاسیون پیوسته برای تولید PET بررسی شده است.  طراحی‌ برای کارخانه با توانایی تولید 300 تن PET در روز نیز انجام گرفته است.  در مقایسه با سیستم‌های مرسوم، مقدار هزینه نیرو برای راکتورهای اصلی یک‌ششم و مقدار هزینه برای بسیاری از بخش‌های نیازمند نگهداری یک‌هفتم شده است.  این پروسه، راندمان بسیار بالایی دارد