Установка и способ сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала
Изобретение относится к установке для сушки и твердофазной поликонденсации влагосодержащего полимерного материала в гранулированной форме. Техническим результатом является повышение равномерности сушки полимерного материала в гранулированной форме и его твердофазную поликонденсацию за очень короткое время и с высокой тепловой эффективностью. Технический результат достигается установкой для сушки и твердофазной поликонденсации влагосодержащего полимерного материала в гранулированной форме, которая содержит трубопровод, подающий материал, подлежащий обработке, в продольном направлении, зону обработки для обработки полимерного материала, расположенную вдоль трубопровода, нагнетающие устройства для нагнетания инертного газа в трубопровод и излучающие устройства для излучения переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона, для тепловой обработки полимерного материала, для его сушки и обновления. Причем излучающие устройства содержат совокупность аппликаторов, расположенных в соответствии с зоной обработки за пределами трубопровода в смещенных в продольном направлении положениях, указанные аппликаторы соединены с генератором электромагнитных волн. При этом аппликаторы содержат расположенные один напротив другого излучающие элементы, изготовленные из электропроводного материала и соединенные с соответствующим терминалом генератора электромагнитных волн. Причем излучающие элементы содержат кольца, расположенные в параллельных плоскостях, которые перпендикулярны продольному направлению трубопровода, или пары параллельных стержней, расположенные поперечно продольному направлению трубопровода в диаметрально противоположных положениях, или пары параллельных стержней, расположенные поперечно продольному направлению трубопровода и расположенные чередующимся образом в смещенных положениях вдоль продольного направления. Причем указанные кольца или пары стержней создают силовые линии, параллельные продольному направлению подачи материала, а также определяют магнитные диполи с противоположной полярностью вдоль трубопровода. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение в целом находит применение в области обработки полимерных материалов, и в частности относится к установке для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме.
[0002] Кроме того, изобретение относится к способу обработки для сушки и твердофазной поликонденсации упомянутого выше полимерного материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Известно, что некоторыеновые и/или вторичные полимерные материалы, используемые для литья пластиковых материалов, требуют обработки в соответствующих установках для сушки, обновления и, возможно, кристаллизации.
[0004] В частности, материалы, выбираемые для этой цели, представляют собой полимеры, получаемые в процессе реакции поликонденсации, и выбраны из группы, содержащей поликонденсаты в целом, такие как: полиамиды, эластомерные полиэфиры и ПЭТ; а термин «обновление» используется далее в данном документе для обозначения процесса формирования целевых полимерных цепей путем повторных реакций конденсации, происходящих в твердой фазе, повышающих молекулярную массу полимеров, и как результат, характеристическуювязкость материала.
[0005] Обрабатывающие установки, как правило, используют множество обрабатывающих рабочих станций, в которых поток горячего воздуха протекает через полимерные материалы, нагревая их до предварительно определенных температур.
[0006] Первый недостаток обрабатывающих установок заключается в том, что горячий воздух, используемый для тепловой обработки полимеров, вызывает реакцию окисления, изменяющую структурные или эстетические свойства материала.
[0007] Кроме того, материал нагревается с помощью множества отдельных тепловых станций, расположенных последовательно вдоль линии подачи продукта, а это в итоге увеличивает сложность и общий размер установки.
[0008] Чтобы по меньшей мере частичо устранить упомянутые выше недостатки, был разработан целый ряд установок для тепловой обработки полимеров с применением электромагнитных полей, как правило, радиочастотного (РЧ) диапазона.
[0009] Эти установки особенно подходят для обработки материалов, полимеризованных путем конденсации, с управлением температурой либо путем регулирования электрических параметров электромагнитного поля, в частности, частоты и/или мощности, либо путем регулирования времени воздействия поля.
[0010] Тепловая обработка полимеров с помощью РЧ электромагнитного поля приводит к удалению воды, естественно присутствующей в материале, чтоувеличивает его молекулярную массу и дает полимер высокой прочности и высокой вязкости.
[0011] Документ US 6316518 описывает установку для тепловой обработки полимеров, например, полиэфиров, полиамидов и полиуретанов, содержащую трубопровод подачи обрабатываемого полимерного материала и две обрабатывающие станции вдоль трубопровода подачи.
[0012] Каждая из станций содержит аппликатор, излучающий радиочастотное электромагнитное поле предварительно определенной мощности, адаптированный для нагрева полимерного материала до температуры в диапазоне от 190°С до 205°С.
[0013] В частности, электромагнитное поле, генерируемое электродами, имеет частоту около 40 МГц, а время его воздействия составляет около 30 минут на килограмм обрабатываемого материала.
[0014] Кроме того, установка содержит устройства нагнетания азота в обрабатывающие станции для удаления влаги, образующейся во время реакций полимеризации материала.
[0015] Первый недостаток этого устройства заключается в том, что электромагнитное поле, генерируемое аппликаторами, неравномерно и не может обеспечить оптимальный нагрев полимерного материала, проходящего через трубопровод.
[0016] Этот недостаток затрудняет сушку и процессы твердофазной поликонденсации, из-за чего было обнаружено, что обрабатываемые полимерные материалы имеют очень малую молекулярную массу.
[0017] Дополнительный недостаток заключается в том, что поскольку линии электромагнитной индукции перпендикулярны к направлению подачи материала в трубопроводе, скорость потока материала должна быть очень низкой, чтобы обеспечить обработку подаваемого полимерного материала, чего можно достигнуть, уменьшив диаметр трубопровода.
[0018] Этот недостаток дополнительно увеличивает общее время, необходимое для тепловой обработки полимерного материала.
[0019] Кроме того, из-за особой структуры используемого электромагнитного поля, эта установка имеет очень низкую тепловую эффективность и очень высокое общее потребление.
Техническая Проблема
[0020] Исходя из известного уровня техники техническая проблема, решаемая данным изобретением, заключается в осуществлении тепловой обработки полимерного материала в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, обеспечивающей его равномерную сушку и твердофазную поликонденсацию за очень короткое время и с высокой тепловой эффективностью.
ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Общая задача данного изобретения заключается в решении обсуждаемой выше технической проблемы путем устранения недостатков известного уровня техники.
[0022] Конкретная задача заключается в создании установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме, которая должна быть высокоэффективной и относительно рентабельной.
[0023] Другая конкретная задача данного изобретения заключается в создании упомянутой выше установки, которая может обеспечить равномерную тепловую обработку полимерного материала.
[0024] Следующая задача данного изобретения заключается в создании установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала, обеспечивающей высокую тепловую эффективность.
[0025] Другая задача данного изобретения заключается в создании упомянутой выше установки, имеющей простую конструкцию и легкой в управлении.
[0026] Еще одна задача данного изобретения заключается в предложении способа сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала, обеспечивающего очень короткое общее время обработки.
[0027] Эти и другие задачи лучше объясненные ниже, решены установкой для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, определенной в пункте 1 формулы изобретения, содержащей: трубопровод подачи обрабатываемого материала, устройства нагнетания инертного газа в трубопровод и множество устройств, излучающих переменное электромагнитное поле в радиочастотном диапазоне.
[0028] Излучающие устройства содержат множество аппликаторов, расположенных вдоль трубопровода и за его пределами на соответствующих станциях обработки, каждый аппликатор содержит пару излучающих элементов, расположенных один напротив другого, генерирующих радиочастотное электромагнитное поле в трубопроводе, силовые линии поля по меньшей мере частично параллельны направлению подачи материала.
[0029] В дополнительном аспекте, изобретение относится к способу сушки и твердофазной поликонденсации таких полимерных материалов, определенному в пункте 11 формулы изобретения.
[0030] Преимущественные варианты реализации изобретения будут определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0031] Дальнейшие характеристики и преимущества данного изобретения станут более очевидны после прочтения описания предпочтительногоно не исключительного варианта реализации установки и способа сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала в гранулированной форме согласно данному изобретению, описанному в качестве не имеющего ограничительного характера примера с помощью приложенных графических материалов, в которых:
Фиг. 1 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации твердого полимерного материала по данному изобретению согласно первому варианту реализации изобретения;
Фиг. 2 представляет собой вид сбоку в разрезе первой детали Фиг. 2;
Фиг. 3 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала согласно второму варианту реализации изобретения;
Фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе установки для сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала согласно третьему варианту реализации изобретения;
Фиг. 5-7 представляют собой виды сбоку в разрезе установки в трех вариантах ее реализации, содержащие линии индукции генерируемых электромагнитных полей;
Фиг. 8 представляет собой блок-схему способа сушки и твердофазной поликонденсации твердого полимерного материала согласно данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Со ссылкой на упомянутые выше фигуры, изображена и в целом обозначена числовым обозначением 1 установка для сушки и твердофазной поликонденсации содержащего влагу полимерного материала М.
[0033] Материалы, которые можно обрабатывать установкой 1, принадлежат к группе полимеров, способных полимеризоваться в ходе конденсационной полимеризации, таких как полиамиды и полиэфиры.
[0034] В частности, как показано в Таблице I ниже, сильное снижение внутренней влажности после сушки и существенное увеличение вязкости после твердофазной поликонденсации проявляют такие полимеры как полиамиды 6, получаемые путем поликонденсации с раскрытием кольца, эластомерные полиэфиры, получаемые путем поликонденсации эфира дикарбоновой кислоты, полимеры мягкого сегмента, такие как политетраметиленгликоль (ПТМГ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и другие аналогичные полимеры.
[0035] Обрабатываемый полимерный материал М также может иметь гранулированную форму, чтоувеличиваеттеплообменнуюповерхность для тепловой обработки.
[0036] В предпочтительном варианте реализации изобретения установка 1 содержит трубопровод подачи 2, подающий обрабатываемый материал М в предварительно определенном продольном направлением L и расположенный между входной станцией и выходной станцией, которые не показаны.
[0037] Преимущественно, как изображено на Фиг. 1, трубопровод 2 может содержать стенку 3, изготовленную из диэлектрического материала, и может быть расположен по существу в вертикальном направлении L, способствующем подаче материала М под действием естественной силы тяжести.
[0038] В альтернативном варианте могут быть предусмотрены устройства 4 принудительной подачи материала М, расположенные в трубопроводе 2, и выбранные из группы, содержащей шнеки или архимедовы винты, которые не показаны, и ленточные конвейеры 5, изображенные на Фиг. 3 и 4.
[0039] Кроме того, трубопровод 2 может иметь внутренний диаметр в диапазоне от 20 мм до 60 мм, предпочтительно около 40 мм, обеспечивающий поток подачи полимерного материала в диапазоне от 4 до 11 кг/ч.
[0040] Согласно дополнительному варианту реализации изобретения, который не показан, трубопровод 2 может содержать внутри множество по существу радиальных ребер, расположенных в продольном направлении, обеспечивающих перемешивание полимерного материала М во время его подачи.
[0041] Для удобства на входной станции могут быть предусмотрены загрузочные устройства, которые не показаны, загружающие полимерный материал М, которые могут содержать бункер с выходным каналом на уровне входной станции, и устройства управления скоростью потока материала в трубопровод.
[0042] Также могут быть предусмотрены нагнетающие устройства 6, нагнетающие в трубопровод 2 инертный газ, способствующий удалению влаги, выходящей из полимерного материала М при сушке.
[0043] Инертный газ может быть выбран из группы, содержащей аргон и азот, а трубопровод 2, загрузочная станция и разгрузочная станция очевидно должны быть изолированы от внешней среды для поддержания в них контролируемой атмосферы.
[0044] Таким образом, в процессе подачи материала М в трубопроводе 2, влага, удаленная из него, не будет снова попадать в полимеры, и кинетика реакции процесса конденсации не будет обращена вспять.
[0045] Установка 1 также содержит по меньшей мере одну зону обработки 7, расположенную вдоль трубопровода 2, и устройства 8, излучающие переменное электромагнитное поле в радиочастотном диапазоне для тепловой обработки полимерного материала М, обеспечивающие возможность его сушки и поликонденсации, как наилучшим образом изображено на Фиг. 1-4.
[0046] Электромагнитное поле может иметь фиксированную частоту в диапазоне от 5 МГц до 50 МГц, предпочтительно от 25 МГц до 29 МГц, более предпочтительно около 27,12 МГц.
[0047] Кроме достижения эффективной сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала М, эти значения частот обеспечивают более высокую безопасность по сравнению с установками, использующими другие электромагнитные поля, например, микроволнового диапазона.
[0048] Излучающие устройства 8 содержат множество аппликаторов 9, расположенных в соответствии с зоной обработки 7 за пределами трубопровода 2 и в смещенных в продольном направлении положениях, и соединены с терминалами генератора электромагнитных волн 10, мощность которого составляет от 10 кВ/мдо 20 кВ/м.
[0049] Кроме того, генератор 10 должен быть такого размера, чтобы иметь возможность генерирования переменного тока регулируемой амплитуды для достижения, таким образом, этих значений электромагнитного поля.
[0050] Согласно особому аспекту изобретения, аппликаторы содержат пары расположенных один напротив другого излучающих элементов 11, 11', выполненных с возможностью генерирования переменного электромагнитного поля в трубопроводе 2 с силовыми линиями F, по меньшей мере частично параллельными направлению L подачи материала М, и создающих магнитные диполи с противоположной полярностью вдоль трубопровода 2, как наилучшим образом изображено на Фиг. 5-7.
[0051] Таким образом, генерируемое электромагнитное поле способно равномерно обрабатывать полимерный материал М, подаваемый вдоль трубопровода 2 с однородным распределением температуры, благодаря этому существенно снижая внутреннюю влажность и повышая вязкость материала за очень короткое время.
[0052] В первом варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 2, излучающие элементы 11 состоят из колец 12 из проводящего материала, расположенных по существу перпендикулярно оси L трубопровода 2.
[0053] В частности, кольца 12 разделены на первый ряд 13 колец 12, соединенных параллельно с одним из терминалов 14 генератора 10, и второй ряд 15 колец 12, соединенных с другим терминалом 16 генератора 10.
[0054] Кольца 12 каждого ряда 13, 15 расположены чередуясь вдоль продольного направления трубопровода 2, образуя соответствующие пары 11, 11' излучающих элементов противоположной полярности.
[0055] Во втором варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 3 и предпочтительно используемом в комбинации с ленточным конвейером 5 в качестве подающего устройства, излучающие элементы 11 состоят из двух рядов 17, 18 стержней 19, изготовленных из электропроводного материала и выступающихиз трубопровода 2 в поперечном направлении.
[0056] Эти два ряда 17, 18 размещены на поперечно противоположных сторонах 20, 21 трубопровода 2 и соединены с первым 14 и вторым 16 терминалами генератора 10 соответственно, так, что пары 11, 11' излучающих элементов расположены чередуясь в положениях, смещенных в диаметральном и продольном направлениях.
[0057] В третьем варианте реализации изобретения, изображенном на Фиг. 4, излучающие элементы 11 состоят из смещенных в продольном направлении пар 22 стержней 19, изготовленных из проводящего материала, расположенных поперек трубопровода 2 в диаметрально противоположных положениях.
[0058] В этом варианте реализации изобретения стержни 19 образуют первый ряд пар 22, соединенных параллельно друг другу с терминалом 14 генератора 10 и второй ряд пар 22', соединенных параллельно друг другу с другим терминалом 16 генератора 10.
[0059] Кроме того, пары 22, 22' стержней 19 с противоположной полярностью расположены чередуясь и находясь в смещенных в продольном направлении положениях, образуя пары излучающих элементов 11, 11' с противоположной полярностью.
[0060] В дополнительном аспекте, как изображено на Фиг. 8, в изобретении предложен способ сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала М в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, с помощью упомянутой выше установки 1, включающий этап: а) предоставления предварительно определенного количества полимерного материала М для обработки и этап b) введения полимерного материала М в трубопровод 2.
[0061] За этими этапами следует: этап с) подачи полимерного материала М вдоль трубопровода 2 в зону обработки 7, этап d) активации генератора 10 и генерирования радиочастотного электромагнитного поля с помощью излучающих элементов 11 для тепловой обработки материала М и, наконец, этап е) нагнетания инертного газа в трубопровод 2, способствующего твердофазной поликонденсации полимерного материала М в сочетании с электромагнитным полем.
[0062] Излучающие элементы 11 предназначены для генерирования переменного электромагнитного поля в трубопроводе 2 с силовыми линиями F, по меньшей мере частично параллельными направлению L подачи материала М, имеющего магнитные диполи с противоположной полярностью между каждым излучающим элементом 11 и соседним с ним излучающим элементом 11'.
[0063] В зоне обработки 7 поддерживается температура, заставляющая материал М нагреваться до температуры от 120°С до 180°С, при этом поток подачи регулируется так, чтобы материал М оставался внутри трубопровода 2 в течение времени от 30 секунд до 7 минут, со средней скоростью потока от 4 до 11 кг/ч.
[0064] Следующая таблица показывает условия обработки полимерного материала М, а также результаты сушки и твердофазной поликонденсации, полученные для каждого образца.
[0065] Следует отметить, что для всех обрабатываемых образцов установка может обеспечить значительное уменьшение внутренней влажности, при этом ограничивая конечную температуру материала.
[0066] Также следует отметить, что для образцов A3 и С3, которые продувались азотом внутри трубопровода, наблюдалось значительное увеличение вязкости, что указывает на то, что произошла твердофазная поликонденсация.
[0067] Приведенные выше результаты показывают, что установка и способ по данному изобретению выполняют поставленные задачи, и в частности, соответствуют требованию обеспечения быстрого и эффективного отверждения полимерного материала.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0068] Данное изобретение может найти применение в промышленности, поскольку оно может быть реализовано в промышленном масштабе на фабриках, производящих и перерабатывающих полимеры.
1. Установка (1) для сушки и твердофазной поликонденсации влагосодержащего полимерного материала (M) в гранулированной форме, содержащая:
- трубопровод (2), подающий материал (M), подлежащий обработке, в продольном направлении (L);
- по меньшей мере одну зону обработки (7) для обработки полимерного материала (M), расположенную вдоль трубопровода (2);
- нагнетающие устройства (6) для нагнетания инертного газа в трубопровод (2);
- излучающие устройства (8) для излучения переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона, для тепловой обработки полимерного материала (M), для его сушки и обновления;
причем излучающие устройства (8) содержат совокупность аппликаторов (9), расположенных в соответствии с зоной обработки (7) за пределами трубопровода (2) в смещенных в продольном направлении положениях, при этом аппликаторы (9) соединены с генератором электромагнитных волн (10);
и характеризующаяся тем, что аппликаторы (9) содержат расположенные один напротив другого излучающие элементы (11, 11'), изготовленные из электропроводного материала, причем каждый из них соединен с соответствующим терминалом (14, 16) генератора электромагнитных волн (10), причем излучающие элементы (11, 11') содержат кольца (12), расположенные в параллельных плоскостях, которые по существу перпендикулярны продольному направлению (L) трубопровода (2), или пары (17, 18) параллельных стержней (19), расположенных по существу поперечно указанному продольному направлению (L) указанного трубопровода (2) в диаметрально противоположных положениях, или пары (22, 22’) параллельных стержней (19), расположенных по существу поперечно указанному продольному направлению (L) указанного трубопровода (2), располагаясь чередующимся образом в смещенных положениях вдоль указанного продольного направления (L), причем указанные кольца (12) или пары (17, 18; 22, 22’) стержней (19) создают силовые линии (F) по меньшей мере частично параллельные продольному направлению подачи (L) материала (M), а также определяют магнитные диполи с противоположной полярностью вдоль указанного трубопровода (2).
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что
кольца (12) составляют первый ряд (13) колец (12), соединенных параллельно с одним из терминалов (14) указанного генератора (10), и второй ряд (15) колец (12), соединенных параллельно с другим терминалом (16) указанного генератора (10), причем ряды (13, 15) расположены чередуясь.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пары (17, 18) стержней (19) составляют первый ряд (17) стержней, соединенных параллельно друг к другу с одни терминалом (14) указанного генератора (10) и второй ряд (18) стержней, соединенных параллельно друг к другу с другим терминалом (16) указанного генератора (10).
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пары (22, 22’) стержней (19) составляют первый ряд пар (22), соединенных параллельно друг другу с одним из терминалов (14) указанного генератора (10), и второй ряд пар (22’), соединенных параллельно друг другу с другим терминалом (16) указанного генератора (10).
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод (2) содержит боковую стенку (3), изготовленную из диэлектрического материала, и расположен по существу в вертикальном направлении (L), способствующем подаче материала (M) под действием естественной силы тяжести, при этом трубопровод (2) имеет внутренний диаметр от 20 мм до 60 мм и составляет около 40 мм.
6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит устройства (4) принудительной подачи материала (M), расположенные внутри трубопровода (2), причем устройства (4) принудительной подачи выбраны из группы, содержащей: шнеки, архимедовы винты и ленточные конвейеры (5).
7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод (2) содержит внутри совокупность по существу радиальных ребер, расположенных в продольном направлении, обеспечивающих перемешивание полимерного материала (M) во время его подачи.
8. Способ сушки и твердофазной поликонденсации полимерного материала (M) в гранулированной форме, полученного путем поликонденсации, с помощью установки (1) по одному или более пп. 1-7, включающий следующие этапы:
a) получают предварительно определенное количество полимерного материала (M) для обработки;
b) вводят указанное предварительно определенное количество полимерного материала (M) для обработки в трубопровод (2);
c) подают материал (M) вдоль трубопровода (2) в по меньшей мере одну зону (7) обработки, оборудованную совокупностью излучающих элементов (11, 11');
d) активируют указанный генератор (10) и генерируют радиочастотное электромагнитное поле в полимерном материале (M) с помощью совокупности излучающих элементов (11, 11') для тепловой обработки полимерного материала (M);
e) нагнетают в трубопровод (2) инертный газ, способствующий твердофазной поликонденсации полимерного материала (M) в сочетании с указанным электромагнитным полем;
причем излучающие элементы (11, 11') выполнены с возможностью генерирования переменного электромагнитного поля в трубопроводе (2) с силовыми линиями (F), по меньшей мере частично параллельными направлению (L) подачи материала (M), при этом указанное переменное магнитное поле имеет магнитные диполи с противоположной полярностью между каждым излучающим элементом (11) и соседним с ним излучающим элементом (11'); и
причем в зоне (7) обработки поддерживают среднюю температуру от 120°C до 180°C; и
при этом поток подачи полимерного материала (M) регулируют так, чтобы обрабатываемый материал (M) оставался внутри трубопровода (2) в течение времени от 30 секунд до 7 минут, со средней скоростью потока полимерного материала от 4 кг/ч до 11 кг/ч.
