유체 제어를 통한 결정화기 온도 제어 document_id A220623067376

열가소성 수지는 많은 상업적 용도에서 사용된다. 폴리에스터, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 유사한 중합체 및 공중합체는 특히 제조공정이 공지되어 있고 잘 알려져 있는 중요한 제품이다. 폴리에스터의 용도는 식품, 음료 및 기타 액체 용기 뿐만 아니라 합성 섬유를 포함한다. 몇몇 폴리에스터, 예컨대 PET는 비정질 및 반결정질 형태 모두로 존재할 수 있다. 비정질 PET는 투명하지만, 결정질 PET는 불투명하다. 통상적인 PET 공정에서, PET는 반응 용기에서 테레프탈산 및 에틸렌 글라이콜을 에스터화시켜 예비-중합체 혼합물을 형성함에 의해 형성된다. 상기 에스터화는 촉매 작용에 의할 필요는 없다. 상기 예비-중합체 페이스트는 이후 가열되어 중합이 촉진된다. 이후 생성된 혼합물은 적합한 촉매의 존재 하에 승온에서, 예컨대 285℃에서 용융물 형태로 중축합된다. Sn, Sb, Ge, Ti 또는 기타의 화합물들이 중축합 촉매로서 사용되어 왔다. 상기 중합체는 상기 중축합 반응기로부터 스트랜드로 직접 압출된다. 압출된 고온의 스트랜드는 펠렛으로 쵸핑(chopping)되기 이전에 냉수와 접촉되고, 건조되고, 결정화 전에 저장소에서 저장된다. 스트랜드를 신장한 후 펠렛화하는 펠렛화 공정은 미국 특허 제5,310,515호에 개시되어 있다. 통상적 지식은 저장되는 동안 소결을 피하기 위해 20℃ 내지 30℃로 적어도 상기 펠렛의 표면을 냉각시켜야 하는 것으로 알려져 있다. 저장되는 동안, 보다 고온인 펠렛의 내부로부터의 열이 펠렛 전체로 분산된다. 따라서, 따뜻한, 즉 외부가 20℃ 내지 30℃보다 훨씬 높은 펠렛은 저장 후 온도 평형 동안 응집될 수 있다. 물과의 접촉에 의한 온도 저하 외에, 상기 펠렛은 냉 공기, 질소 또는 비활성 기체로써 목적하는 온도로 추가로 냉각될 수 있다. 상기 펠렛은 저장된 후, 이어서 목적하는 결정화 온도로 재가열된다. 이들 가열, 냉각 및 재가열 단계들은 이미 에너지 집약적 공정으로 상당한 에너지 불이익을 초래한다. 고온 펠렛의 결정화는 결정화 진탕기 또는 유체 베드에서 수행될 수 있다. 고체 상태화가 고유 점도 상승 및 아세트알데히드 제거 모두를 위해 사용될 수 있다. 도 1A, 1B 및 1C에, PET 제조 장비의 다이어그램이 제공되어 있다. PET 가공 장비(10)는 테레프탈산("TPA") 및 에틸렌 글라이콜("EG")이 혼합되어 예비-중합체 페이스트를 형성하는 혼합 탱크(12)를 포함한다. 이 예비-중합체 페이스트는 에스터화 반응기(14)로 수송되고, 가열되어 에스터화된 단량체를 형성한다. 에스터화 반응기(14) 내의 압력은 에틸렌 글라이콜의 비점을 제어하고 에스터화 반응기(16)로 생성물을 이동시키는 것을 돕기 위해 조정된다. 에스터화 반응기(14)로부터의 단량체를, 이 때에는 에스터화 반응기(14)에서보다 낮은 압력 하에 에스터화 반응기(16)에서 추가 가열시킨다. 다음, 에스터화 반응기(16)으로부터의 단량체를 예비-중합체 반응기(18)로 도입시킨다. 예비-중합체 반응기(18) 내부를 진공으로 유지하면서, 상기 단량체를 가열하여 예비-중합체를 형성한다. 예비-중합체의 고유 점도는 예비-중합체 반응기(18) 내에서 증가되기 시작한다. 예비-중합체 반응기(18)에서 형성된 예비-중합체는 중축합 반응기(20) 및 이후 중축합 반응기(22)로 순차적으로 도입된다. 상기 예비-중합체는 예비-중합체 반응기(18)보다 큰 진공 하에 각 중축합 반응기(20, 22)에서 가열되어, 중합체 쇄 길이 및 고유 점도가 증가된다. 최종 중축합 반응기 이후에, PET 중합체를 펌프로 가압 하에 필터(26, 28) 및 다이(30, 32, 34)를 통해 이동시켜, PET 스트랜드(36, 38, 40)를 형성한다(도 1B 참조). 도 1B에, 폴리에스터 펠렛을 형성하는 방법이 예시되어 있다. 압출된 중합체 스트랜드(36, 38, 40)는, 스트랜드가 다이(30, 32, 34)로부터 나올 때에 상기 스트랜드로의 물 분무 스트림(42, 44, 46)에 의해 냉각된다. 다이(30, 32, 34)로부터 나온 후에, 스트랜드(36, 38, 40)는 비록 여전히 고온이지만, 펠렛(48, 50, 52)으로 절단기에 의해 절단된다. 이런 방식으로 형성된 폴리에스터 펠렛은 실린더형 모양을 갖는 경향이 있지만, 정육면체, 도그 본(dog bone) 또는 다른 모양으로 변형될 수 있다. 상기 공정 중 이 시점에서, 폴리에스터 펠렛은 보통 비정질이다. 상기 폴리에스터 펠렛은 소비자에게 선적되기 전에 전형적으로 결정화된다. 이런 결정화는 이후 보다 고온에서의 건조를 가능케 하여 상기 폴리에스터가 목적하는 바로 압출될 수 있게 한다. 폴리에스터 펠렛의 결정화는 결정화 온도 초과의 온도로 펠렛을 재가열시킴에 의해 전형적으로 성취된다. 펠렛이 결정화됨에 따라, 결정화에서 발생된 열 때문에 추가 가열이 유도된다. 이런 추가 가열은 펠렛을 연질로 만들고, 서로 부착되게 하는 경향이 있다. 그러므로, 상기 펠렛을 교반하여 연화 때문에 이들이 서로 부착되는 것을 방지한다. 결정화 이후, 상기 펠렛은, 고온 펠렛 주변으로 비활성 기체를 통과시킴에 의해 일반적으로 고체 상태화되어 고유 점도가 증가된다. 도 1C에서, 다른 펠렛 형성 공정의 개략도가 제공되어 있다. 이 변형에서는, 다이(66, 68, 70)로부터 나오는 스트랜드(60, 62, 64)는 수중에서 다이 페이스(face) 절단기(80, 82, 84)에 의해 펠렛(72, 74, 76)으로 절단된다. 이 변형에서, 상기 압출된 폴리에스터 스트랜드는 완전히 함침되고, 다이(66, 68, 70)를 나올 때 수중에서 절단된다. 이런 방식으로 형성된 펠렛(72, 74, 76)은 수중에서 배출될 때 용융 폴리에스터의 표면 장력 때문에 구형 모양을 갖는 경향이 있다. 절단 후에, 초기에는 펠렛(72, 74, 76)은 내부에 상당한 양의 열을 여전히 보유한다. 이후, 상기 펠렛/물 조합물을 컨베이어 시스템(92)을 통해 건조기(90)로 보낸다. 유용한 건조기의 예는 물로부터 펠렛(72, 74, 76)을 제거하는 구심력(centripetal) 건조기를 포함한다. 펠렛(72, 74, 76)의 열 함량 때문에 추가의 물이 비등하며, 건조기(90)로부터 나올 때에도 펠렛의 열 함량은 여전히 높다. 상기 펠렛/물 조합물이 상기 건조기로 충분히 빠르게 수송된다면, 폴리에스터 펠렛은 결정화가 일어나기에 충분한 열을 보유할 수 있다. 이후 펠렛(72, 74, 76)은 결정화기(94)로 수송되어, 여기서 결정화가 일어나기 위한 체류 시간(약 2 내지 20분) 동안 체류된다. 결정화기(94)는 또한, 상기 폴리에스터 펠렛이 서로 부착되는 것을 방지하기에 충분한 교반을 제공한다. 국제 특허 출원 제WO2004/033174호 및 미국 특허 출원 제20050110182호 및 제20050110184호는 중합체 펠렛의 결정화 방법을 개시한다. 국제 특허 출원 제WO2004/033174호는, 중합체 펠렛은 액체욕(예: 수욕)에서 승온에서 처리하여 결정화를 유도하는 방법을 개시한다. 미국 특허 출원 제20050110182호 및 제20050110184호는, 펠렛을 신속하게 건조기(90)로 통과시켜 수송하기 위해 도 1C의 펠렛/물 슬러리로 공기를 주입시키는 방법을 개시한다. 결정화 이후, 펠렛(72, 74, 76)은 밀집 상(dense phase) 수송 시스템(96)에 의해 하나 이상의 펠렛 가공 스테이션으로 수송된다. 이런 밀집 상 수송 시스템은 한 장소로부터 다른 장소로 펠렛을 이동시키기 위해 공기를 사용한다. 예컨대, 상기 펠렛은 펠렛의 평균 성질이 조정될 수 있는 블렌딩 저장소로 수송된다. 이런 블렌딩 저장소에서, 폴리에스터 펠렛은 함께 혼합되어 목표 세부사항(specification)을 성취한다. 이런 세부사항은 색상, 분자량, 촉매 농도, 첨가제 농도, 밀도 등에 관한 것이다. 또 다른 예에서, 상기 펠렛은 고체 상태화 가공 반응기로 수송된다. 이 예에서는, 희석 상 수송 시스템은 용융되는 펠렛 표면을 초래하거나 높은 충격 속도를 가짐에 의해 바람직하지 않은 스트리머(streamer) 및 미세물을 형성할 수 있기 때문에, 밀집 상 수송 시스템이 희석 상 수송 시스템보다 더 유용한 경향이 있음을 주지해야 한다. 중합체 펠렛, 특히 폴리에스터 펠렛을 제조하기 위한 이러한 방법 및 시스템은 잘 수행되고는 있지만, 제조 및 유지하는데 장비가 비싼 경향이 있다. 전형적 PET 제조 라인은, 각각이 비교적 큰 모터를 사용하고 제조 플랜트에서 보다 큰 공간(footprint)을 차지하는 여러 개의 결정화기를 포함할 수 있다. 이런 결정화기의 초기 자본 투자는 백만 달러를 쉽게 초과할 수 있다. 따라서, 설치, 작동 및 유지하기에 덜 비싼 중합체 가공 장비 및 방법에 대한 필요성이 존재한다. 발명의 요약 본 발명은, 적어도 하나의 실시양태에서 복수의 중합체 펠렛을 결정화하는 방법을 제공함에 의해 하나 이상의 문제를 극복한다. 상기 실시양태의 방법은 복수의 중합체 펠렛을 결정화기 내로 도입시키는 단계를 포함한다. 결정화를 가능하게 하기 위해서는, 상기 중합체 펠렛은 결정화가능한 하나 이상의 중합체로부터 형성되어야 한다. 이런 결정화가능한 중합체는 결정화 온도 및 융점을 특징으로 한다. 또한, 상기 복수의 중합체 펠렛은 평균 펠렛 온도를 특징으로 한다. 상기 복수의 중합체 펠렛을 초기 평균 온도에서 결정화기 내로 도입시킨다. 상기 결정화기 내부에 있는 동안, 상기 복수의 펠렛은 평균 펠렛 온도를 조정할 목적으로 유체와 접촉된다. 상기 유체는 상기 결정화기 내부의 접촉 영역으로 도입된다. 상기 유체는, 상기 평균 펠렛 온도를 융점 미만으로 유지하면서 상기 복수의 중합체 펠렛을 적어도 부분적으로 결정화시킬 수 있기에 충분한 온도를 가짐으로써 상기 펠렛의 온도를 조정한다. 최종적으로, 상기 복수의 중합체 펠렛은 결정화기의 출구로부터 제거된다. 유용하게는, 본 실시양태에서 이용되는 유체는 액체 또는 기체이다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 중합체 펠렛을 결정화시키는 결정화기가 제공된다. 이 실시양태의 결정화기는 복수의 중합체 펠렛을 수용하는 입구 및 상기 펠렛을 제거하는 출구를 포함한다. 상기 결정화기는 온도 조정 유체와 상기 복수의 펠렛을 접촉시키기 위한 유체 적용기를 추가로 포함한다. 또한 상기 결정화기는 제 1 위치로부터 제 2 위치로 복수의 펠렛을 수송하는 컨베이어를 또한 포함한다. 이 실시양태의 변형에서, 상기 컨베이어는 상기 펠렛이 출구로 이동되게 하는 방식으로 상기 펠렛을 진동시킨다. 유용하게는, 또한 상기 컨베이어는 펠렛이 서로 부착되거나 뭉치는 것을 최소화하기 위해 수송하는 동안 상기 펠렛을 교반시킨다. 본 발명의 추가의 장점 및 실시양태는 기재내용으로부터 자명해지거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 추가의 장점은 또한 첨부된 특허청구범위에서 구체적으로 기재된 구성요소 및 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다. 따라서, 전술된 일반적 기재내용 및 이후의 상세한 설명 모두는 본 발명의 특정 실시양태의 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 본 발명을 한정하는 것이 아님을 이해할 것이다.