专利名称：处理塑性材料的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前述部分的装置，以及一种根据权利要求8前述部分的方法。
这种方法例如已经在EP-A-0712703中公开。当这种方法在实际应用中实施时，成品有一些明显的缺陷·产品是水解的，即部分分解，因而其质量有不足；·成品包含相对较高的灰尘含量，这不仅意味着材料的损失而且增加了成品单位重量的成本；及·成品的结晶程度有相当大的变化，非晶态部分相对较高。
本发明的目的是制造一种产品，例如，由PET或聚脂材料制成的用于轮胎帘线的瓶状颗粒等，具有低灰尘含量的改进质量以及改进的结晶度。根据本发明，这是通过权利要求1或权利要求8的特征部分实现的。
本发明基于下述认识，即到目前为止，生产参数是以一种不考虑的方式选择的，且偏向快速生产。例如已经发现，在结晶过程中以较低的温度进行较慢的加热可获得更平稳和经济的生产，在某些情况下，甚至空气也可以代替通常使用的氮气用作处理介质。
还发现，迄今使用的超过195℃的相对高的气体温度不仅导致产品分解并因而质量下降，而且在迄今所使用的装置中导致过多的热量损失。例如可从US-A-5119570中了解到在分开的装置中完成预结晶和结晶。但分开的装置也意味着相对较高的表面-体积比，这会促进热量损失。而在上述EP-A中，预结晶和结晶是在共同装置中完成的，这同样不能产生最佳结果。
从这些发现中可以知道，权利要求1特征部分的开发产生了一种紧凑而经济的结构，同时热量损失最小。小的热量损失还使结晶条件更容易控制，因此从这个观点看，并没有强制使用高的处理温度。最重要的优点是，用于隔室的来自单个气源的气体量可小于迄今使用的情况，且装置自身的整体高度可保持较低，从而节省了空间和成本。尽管具有旋转对称壳体的结晶器可从CH-A-665473中得知，但它并不是设计或适用于进行预结晶和结晶，即它需要另外的装置来完成单独的结晶步骤。
在上述EP-A中，塑性材料流经装置的路径是这样的，即需要一个高的空气通量，用于产生一聚集流化作用，而材料在位于一隔板上方的自由空间上转换进入下一隔室中。相反，本发明优选地提供的路径通过将自由空间或多个自由空间和排放孔设置在穿过处理空间的纵剖面中的不同高度而弯曲。虽然已知的转换在单独材料元件的停留时间上有显著区别，但通过本发明的措施可以更好地控制停留时间。已经显示，通过这种方式，可获得极佳的结晶程度，且非晶态部分可以忽略。相反，在弯曲路径的情况下，流经的空气量可以减小。另外，在自由空间或孔位于底部的情况下，即使在流化床中也根据其密度对处理过的材料进行某种划分，具有提高的相对密度的材料更可能位于底部区域。尽管在流化床中非晶态和结晶材料之间的密度差不是很大，靠近底部密度更大的材料已经比进一步流化的材料更大程度地结晶这一事实还是很重要的。因此，已经完成某些结晶过程的材料主要从底部自由空间输送到下一隔室(或者排放孔)。
根据上述发现，本发明的方法以一对材料进行平稳处理的相对较低的温度开始。虽然起初需要略长的时间，但它确实创造了改进质量的材料的预先条件。与现有技术相比的时间损失可以通过随后预热或预冷凝过程中更短的处理来补偿。最好使用一流化床设计，从而在处理空间中不需要任何搅拌装置(比较US-A-4,064,112和4,161,578)，因为已经显示，上述搅拌装置由于形成强烈的粉末而导致相当大的损失。必须指出，将冷凝与预冷凝和后冷凝分开已经在US-A-3,756,990中公开，它还是实施本发明方法的优选方式。还反映出材料的最终温度为至少185℃，最好是至少200℃，特别是约220℃。
如上所述，尤其是，成品质量不均匀已经在根据EP-A-0712703的现有技术中进行了评述。很显然，停留时间随机分布的已使用的结晶装置的缺点在现有技术中已经认识到，它在包括旋转循环装置的一容器中进行随后加热。如已经发现的，确切地说，这些循环装置对产生过多的灰尘含量负责。为此，从对材料进行更平稳和可控处理的观点看，本发明所使用方法的不同之处在于，使已结晶材料形成具有四个侧部的矩形散料流的形状，特别是在截面上有基本均匀物料的矩形截面；处理气体从四侧部形的一侧流过上述已结晶材料。这意味着，由于这种截面形状，气体在整个流入侧都有相同的条件，在其局部有基本均匀的物料密度。可进一步改进之处在于，散料流截面的矩形侧边之比为大约1∶2到1∶15，最好是从1∶3到1∶10，处理气体从矩形的较大侧边流过散料流。通过这种方式，根据本发明的方法与所有这些方法的不同之处在于，散料流的厚度和/或沿截面的气流条件是不同的。
为了平稳处理，预结晶和结晶有利地要求10到80分钟的期间，最好是15到40分钟，特别是在约20到30分钟之间。如上所述，根据本发明，通过缩短该处理步骤，可更高效地进行随后的加热。根据本发明，这最好是优选地发生，因为结晶，包括预冷凝后的加热是在60到120分钟，特别是约90分钟的期间内完成。
本发明的其它细节是通过在附图中示意性示出的一优选实施例提供的，附图如下
图1是根据本发明方法的流程图；图2示出根据本发明用于预结晶和后结晶的一结晶器的实施例的纵剖图；图3示出沿图2中线III-III的剖面图；图4是根据本发明优选使用的装置的纵剖面示意图，该装置用于预热和冷凝及冷却；以及图5示出根据图4中线V-V的上述装置的剖面图。
根据图1，在根据本发明方法的初始阶段1，非晶态塑料颗粒，特别是聚对苯二甲酸乙酯，主要是通过挤压并切割成粒料而制成的。在根据本发明方法的第一阶段，以这种方式制造的非晶态塑性材料被输送到一结晶器2，如从现有技术中得知并如下面借助于本发明实施例在图2和图3中解释的那样，该结晶器2有利地包括预结晶和后结晶。
当进入阶段2时，塑性材料大约处于环境温度。在阶段2中，用热惰性气体如氮气进行气体处理，该惰性气体在一大约165℃到185℃，如170℃到180℃的相对较低的温度下(与现有技术相比)输送到一气体入口2′中，从而实现塑性材料的平稳处理。因此，根据本发明，如果在结晶器2中的停留时间略长于现有技术中提及的时间，即10到80分钟，最好是20到40分钟，特别是大约30分钟，则是较好的。用相对较低的温度和相对较长的停留时间，可实现均匀和平稳的处理，已经显示，用这种方法在实践中可实现材料的完全结晶。测试显示，当塑性材料离开阶段2时，至多1％保持在非晶态，但一般低于1％。结果，当离开阶段2时，塑性材料的最终温度大约是135℃到180℃。
加热到最大180℃的材料必须继续被加热，从而起动一冷凝反应。有利地，可为此设置一预热器3，之后是一个实际反应器4。就气体回路5(如氮气)而言，通过插入一气体净化阶段6，在已经流过回路5的气体被再一次输送到预热器3之前将两个阶段相互连接。
此处显示的冷凝方法的两阶段是正常的和有利的，但不是绝对需要的。图1中所示图表只是反映这样一个事实，即如果设置两个排成直线的装置3和4，则是有利的。但在实际应用中，将塑性材料加热到大约180℃的预加热(如果材料在低于此温度的温度下进入)可在一加热装置中单独进行，而冷凝随后在一个或几个步骤中完成。但由于效率的原因，更希望将预加热和预冷凝，如果需要还有冷凝，组合在一个装置中。例如，可以设想，将预热器或预冷凝器和冷凝器(反应器)组合在一单独装置中。在这种情况下，在垂直反映器的不同高度设置几个气体入口和出口是有利的，从而将上述反应器划分成具有不同气体温度和/或气体量和/或速度的单独区域。
反应器4将以常规方式设计成墙基反应器或填充层反应器，并具有塑性材料以一可控速度通过的管，下面将借助于图4和图5对预热器3的一优选实施例进行描述。上述反应器4中的“可控速度”可通过安装跨纵向轴线延伸的类似屋顶的装置而实现。这种类似屋顶的装置对材料产生制动效果，因而防止了过快的流过，但由于它们在顶部会聚成一点的屋顶形状，它们促进了本身具有粘结在一起的确定趋势的各颗粒的分离。
尽管预预热器3可设计成位于一个阶段中，但最好包括至少两个阶段，如果必要的话最多八个阶段，气体温度有利地一个阶段一个阶段地增加。根据该设计，在预热器3的末端，材料的温度将达到190到235℃。在包含两个阶段3和4的所示实施例中，材料温度通常为大约220℃。
随后，反应应尽快终止。为此将一冷却装置7连接在出口侧，随后从上述冷却装置7中流出冷凝后的PET材料。但材料也可以是聚烯烃、PEN或PA。如果在反应器4的末端已经发生预冷却，因而塑性材料以一明显低于185℃，例如约160℃的温度流出，那么冷却装置7将不必使用惰性气体；用空气冷却将成为可能。
图2示出根据本发明的一结晶器10，该结晶器10包括一旋转对称的，特别是圆柱形处理空间12(见图3)，该处理空间12由壁11环绕，用于容纳从初始阶段1(图1)流出的片状或粒状塑性材料。为了控制具有外部粒料干燥的预结晶及结晶过程，上述处理空间12被划分成至少两个处理隔室12′和12″。这种划分是由隔板13完成的。图3显示这种划分大致为扇形形状，第一处理隔室12′占据大约至少50％的截面积，最好是2/3到3/4的截面积。相反，隔室12″占据了其余的可用空间。但划分本身(当从对应于图3的顶视图或剖视图观察时)可通过环绕结晶装置10的纵轴线A的径向间隔壁完成。尽管所示实施例仅示出两个隔室12′和12″，但如果需要，可通过至少一个另外的隔板设置多于两个的隔室。
旋转对称结构确保了高体积-表面比，因而不仅热量损失最小，而且可在处理空间12中更容易确保均匀温度。可借助于至少一个注入孔14将塑性材料输送到处理室12。在注入孔中，可通过上层16′设置一个在进入处理空间过程中分配塑性材料的常规转子R。由于隔室12′相对较大的容积，或者是由于空间的原因，下面的壁13最好包括一个漏斗状的偏转区段13′，该偏转区段13′同样增加了壁的硬度。这样，塑性材料沿区段13′向下滑动(至图2的左侧)，进入第一隔室或预结晶隔室12″。
热惰性处理气体如氮气，流过处理空间12。为此，设置了一个气体入口喷嘴15。气体然后沿箭头17方向向上流动，流过一预穿孔的板16。但应该理解，作为本发明的一部分，很可能设置至少两个气体入口15，从而其中一个仅允许气体进入隔室12′，另一个仅允许气体进入隔室12″。如果必要的话，这种分开的气体供应可以在两个隔室12′、12″中用不同的气体量和/或气体速度和/或气体温度处理塑性材料。例如，可能有利的是，在隔室12′中提供一个更高的气体速度，从而更快地干燥塑料粒料的表面。相反，在空间12″可能提供了一种低速而高温的处理气体。
通过提供一种相对高流速的气体，以及通过漏斗状部分13′并通过外壁11直径的增加提供在朝向顶部的上部11′处扩大的处理空间12，产生了所谓聚集流化床的条件，其中塑性材料被非常强烈地流化。通过这种方式，气体在全部侧面绕粒料流动，粒料表面被干燥。非晶态粒料略轻于完全结晶的粒料，虽然差别不是很大，但如果从隔室12′到隔室12″的过渡区选在隔板13下面，这就有助于进行仍旧是非晶态的和已经部分结晶的材料的选择，如图所示在隔板13下面有通道18。可以理解的是，例如这样是有利的，即隔板13通过向下伸出的支柱连接到板16上，且上述隔板13由上述板16支承，因而形成大量这种自由空间18。
通道的高度取决于处理空间12的总容积、上述处理空间12的填充程度、以及将处理的材料类型。因此在本发明的范围内非常可能提供一种用于这种自由空间18的高度的调节装置，例如一种滑动闸门，该滑动闸门可以是大致槽形，限定了隔板13的底端。如果必要，板13的垂直位置由径向辐条(图中未示出)固定，特别是在处理空间的上部，如果需要，在下部也可以。但一般来说，已经显示没有必要安装调节装置来调节自由空间18的高度，且该自由空间可以固定。已经显示，用于自由空间18的间隙高度大约为3到8毫米，特别是5毫米左右一般是有利的。
如果最好能够连续操作结晶器10，必须始终提供一个开放的排放孔19，根据图2位于结晶隔室12″上部的上述排放孔19设置在一排放管20的端部，在该排放管20下端将材料排放到外部。隔板13下方自由空间18的位置以及位于上部的排放孔产生了按照箭头21的略微弯曲或之字形的路径，塑性材料必须沿该路径从输送孔14流到排放孔19。这不仅增加了隔室中的停留时间，而且阻止了假设材料能够直接从自由空间18流到下面的排放孔可能导致的任何形式的“短路″。由于非晶态材料的重量组分已经下落到隔室12′(预结晶)中的下半部，现在在第二隔室12″(结晶后)中只需要相对短的处理，从而获得几乎100％的结晶。因此，该隔室12″可相对较小。但如果提供了多于一个隔板13，则按照箭头21的通道还是有利的，在这种情况下，材料在隔室12″中向上运动之后，能够在第三隔室中完成向下的运动，因此排放孔可有利地位于板区域。
图3示出结晶器10结构的一些几何形状。在顶视图中，气体入口15和位置相对的检修孔22产生了一个横向轴线T，如以点划线所示，气体出口23沿该轴线T布置(图2中位于截面III-III上部)。为了通过检修孔22提供通向隔室12′和12″的入口，隔室12″相对于通过检修孔22的横向轴线T以一特定角度α偏移。上述角度的范围在30°到60°之间，但基本上并不重要。例如已经证明30°是有利的，因为通过这种方式，可以实现这样的几何结构，即图3中隔板13的底部13″大致位于检修孔22的中部区域。由于将在隔室12″中获得所期望的塑性材料最终条件，最好联接至少一个监测装置，例如一个“观察”隔室12″的光谱仪，上述光谱仪借助于所确定的光谱检测塑料的结晶状态。但至少这种监测装置可以体现为观察镜24的形状。当然，这种监测装置可以已经设置在前的隔室中，如果需要这样的话。
如图表中所示，在通过结晶器以后(图1中的阶段2)，塑性材料到达一个预热器3，图4和图5中示出其一优选实施例。图4中的箭头10′表示，在此阶段，从结晶器10中发出的材料进入预热器(预冷凝器)30的竖井31的输送孔中。如特别从图3中可以看到的，在大致圆形的外壁30′中，竖井31具有矩形截面。长度L与宽度B之比例如大约为1∶3到1∶10，最好是1∶5到1∶8，特别是在1∶6左右。竖井31在两侧通过多孔的板、筛或类似物32限定。这确保沿整个长度L均匀的流动状态和处理状态。此外，竖井31的垂直设置使在竖井的整个截面上材料的密度均匀。
如图所示，通常被称作热交换器的装置30被划分成具有不同功能的几个阶段。假如N2被用作用于处理的惰性气体，上述气体可在一相对较低的温度下在33处进入，从而将在由一上壁35隔开的隔室34中已处理的物品引入到低温中，或者将在其中一个上部隔室中释放的挥发性混合物排出。
当隔室34中的氮气流过竖井31的筛壁32后，它离开该冷却隔室34，并随后由一电加热装置E加热到高温。此时达到例如至少185℃的温度，该温度用作隔室36中预冷凝的保温温度。气体在这里同样以Z字形流过竖井31，即以在下面隔室34中相反的流动方向流过，从而随后在一加热装置E中再次加热，并流过一预冷凝隔室37，塑性材料在此以200℃到240℃的气体温度处理，如果需要最高达到260℃。而且，在隔室37中的流动方向与相邻隔室36中的流动方向相反。而后，在重新加热后在最上部隔室38中，如果需要，达到最高温度，用于预热仍旧处于低温的塑性材料。但这并不是绝对重要的，温度控制还可以选择成这样，即在最后、最上部加热装置E中，只有下部隔室36中的温度损失才被补偿。通过这种方式，处理气体基本向上流动，同时塑性材料在竖井31中沉降，从而以相反方向运动。竖井31中的下落速度可通过对底端排放的控制而控制，例如通过具有可变速度的多孔圆盘闸39，或者例如通过位于竖井31端部的温度传感器。可以理解，根据分给热交换器30的任务，例如仅是预热、预冷凝、冷凝等等，如果需要，可设置多于4个隔室，例如6个或8个或更少，或者甚至只有一个隔室。气体以Z字型路径引导也不是必须的，相反，可为每个隔室设置单独的气体入口，以例如改变各隔室34到38中的气流量、气体类型和/或气体速度。
权利要求
1.一种用于使塑性材料，特别是聚对苯二甲酸乙酯结晶的装置，包括一用于容纳片状或粒状塑性材料的处理空间(12)，上述处理空间(12)能够通过至少一个输送孔(14)装入塑性材料，并通过至少一个排放孔(19)进行排放；一用于输送处理气体的输送装置(15)，处理气体通过处理空间(12)中的一个板区域(16)；以及设置在处理空间(12)中的至少一个隔板(13)，该隔板(13)用于将处理空间(12)分隔成至少两个由一自由空间(18)相互联接的隔室(12′，12″)，该自由空间用于将塑性材料从一个隔室(12′，12″)输送到另一个隔室(12′，12″)，从而使塑性材料沿一预定的基本竖直的路径(21)从输送孔(14)流到排放孔(19)；其特征在于，两个隔室(12′，12″)特别以扇形方式设置在一共同的、至少近似是旋转对称的壳体(11)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由于自由空间或多个自由空间(18)以及排放孔(19)的设置，在每种情况下位于纵向截面中不同高度的路径(21)以Z字形或弯曲通过处理空间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在相关的隔板(13)底部设置至少一个自由空间(18)，且最好将排放孔(19)设置在随后的隔室(12″)的顶部。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在输送孔(14)下方设置一隔板(13)，用于通过一漏斗状部分(13′)使进入的塑性材料偏向，从而将材料偏向到一前隔室(12′)，这样通过漏斗状部分(13′)至少部分地覆盖后隔室(12″)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，从顶部观察，第一隔室(12′)占据了至少近似是旋转对称的处理空间(12)的大于一半，最好是大于2/3的区域，因而第一隔室(12′)后面是相应较小的第二隔室(12″)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，一监测装置如一个观察镜(24)连接到至少一个隔室(12″)，例如最后一个隔室。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，处理空间(12)的板区域是一流化床的穿孔板(16)。
8.一种用于处理塑性材料，特别是聚对苯二甲酸乙酯的方法，其中具有相对较低温度的材料在被加热或以固态冷凝之前，特别采用根据前述权利要求中的任一项所述的装置，在加热过程中首先被结晶，其特征在于，材料在至少两个空间(12′，12″)中暴露于热处理气体中至少10分钟，为了结晶而加热到一个超过135℃的温度，例如140-180℃的温度，随后上述材料在包含至多8个阶段，最好是至少2个阶段的预热空间(31)中被加热到至少185℃，最好是至少200℃，特别是大约220℃的温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在以165到185℃结晶的过程中导入热处理气体。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，为了使处理并因而使产品质量均匀，将已结晶材料制成具有四个侧部截面的散料流形状，特别是物料在截面上基本均匀的矩形截面，处理气体从四侧部截面的一侧(L)流出。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，散料流截面的矩形侧边之比(B∶L)为大约1∶2到1∶15，最好是1∶3到1∶10，处理气体从矩形的较大侧边(L)流过散料流。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，处理气体在至少两个阶段中最好从相对侧边作用到四侧部截面的一侧边(L)上，每一阶段具有增加的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，处理气体以反向流动从一个低温阶段(34-37)输送到一个高温阶段(35-38)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，处理气体在至少三个阶段(34-37或35-38)以Z字形和弯曲的方式几次流过散料的四侧部截面。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，具有四侧部截面的散料基本垂直地输送，而处理气体基本水平地输送通过四侧部截面。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，预结晶和结晶最好在10-80分钟的期间内完成，最好是15到40分钟，特别是大约在20-30分钟之内。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在结晶，包括预冷凝之后的加热在一60到120分钟的期间内进行，特别是大约90分钟。
全文摘要
一种用于处理塑性材料,特别是聚对苯二甲酸乙酯的方法,其中具有相对较低温度的材料在被加热或以固态冷凝之前先通过加热被结晶。该材料然后在一装置的至少两个隔室(2)中暴露于热处理气体中至少10分钟,并在一高于135℃,例如140-180℃的温度下结晶。然后该材料在具有至少1个到8个阶段的预热隔室(3)中加热到至少185℃的温度,最好是至少200℃,特别是220℃左右。
文档编号B29C71/00GK1336865SQ00802925
公开日2002年2月20日 申请日期2000年1月4日 优先权日1999年1月22日
发明者卡米尔·博雷尔, 马丁·米勒, 菲利波·泰拉西, 汉斯·盖斯比勒 申请人:布勒公司