DE10000527A1 - Reaktoreinbauten zur Ausgasung oder Polykondensation - Google Patents
Reaktoreinbauten zur Ausgasung oder PolykondensationInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren von Reaktoren mit neuen Reaktoreinbauten insbesondere zur Ausgasung und Polykondensation unter Normaldruck, Überdruck, Vakuum oder Trägergas, die so gestaltet sind, daß in einem horizontalen oder vertikalen zylinderförmigen Reaktionsgefäß ein Schaft drehbar gelagert angebracht ist, mit dem ringförmige Scheiben fest verbunden sind, zwischen denen im Vollkreis oder in jeglicher Form gestalteten Segmenten marktgängige Hochleistungsfüllkörper oder andere, aus der Kolonnentechnik bekannten und industriell vorgefertigten Packungen gepackt sind, wobei durch geeignete Vorrichtungen dafür gesorgt wird, daß die Füllkörper in den so entstandenen Packscheiben fixiert werden und nicht in das Innere des Reaktors gelangen können. Dabei können die Packscheiben im Reaktor horizontal oder vertikal angeordnet sein und die Reaktion der Polykondensation oder Ausgasung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Packscheibenreaktoren für den kontinuierlichen Betrieb sind horizontal gelagert und das Produkt wird am Anfang des Zylinders in den Reaktor eingefüllt und am Ende des Zylinders wieder entnommen, wobei die spezifische Oberfläche der Füllkörper oder Packungen in Abhängigkeit von Reaktionsfortschritt variiert werden kann. Packscheibenreaktoren für den diskontinuierlichen Betrieb können vertikal oder horizontal aufgebaut sein, und das Produkt wird am Boden des Zylinders aus dem Reaktor entnommen und über eine Pumpe so in ...
Description
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und Vorrichtung zur Ausgasung
und Polykondensation unter Normaldruck, Überdruck, Vakuum oder Trägergas mit
Reaktoreinbauten, die erfindungsgemäß in Segmenten mit Hochleistungsfüllkör
pern oder Kolonnenpackungen eingebracht sind.
Zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Polykondensation von linearen
Polyestern wie Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat, aber auch
beispielsweise zum Austreiben von Lösungsmitteln werden Reaktoren verwendet,
deren Prinzip es ist, durch Einbauten, die auf einer horizontal angeordneten Welle
befestigt sind, während ihrer Rotation die Ausbildung von filmartigen Oberflächen
zu fördern, wodurch die Entfernung der bei der Polykondensation frei werdenden
Diole wesentlich gefördert und damit eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit der
Polykondensation erreicht wird.
Vor allem zu nennen sind dabei der Scheibenreaktor nach US-Patent 3 499 873
("Disc Ring Reaktor"), bei dem auf einem durch den Reaktor verlaufenden Schaft
Ringscheiben verschiedener Ausführung angebracht sind. Vorteilhaft an dem
heute weit verbreiteten Scheibenreaktors ist die Möglichkeit, einzelne Scheiben
oder Scheibenpakete durch mit dem Reaktorboden verbundene Wehre in einzelne
Kammern aufzuteilen. Diese Maßnahme fördert die Pfropfenströmung im Reaktor
und verbessert damit die Produktgleichmäßigkeit. Ein weiterer Vorteil dieser
Einbauten ist die bei ansteigender Viskosität der Polymerschmelze in den Spalten
zwischen Ringscheibe und Wehr auftretende Scherung, die eine bessere Homo
genisierung und Temperierung der Schmelze ermöglicht. Ein weiterer Vorteil
dieses Reaktortyps mit einer im Zentrum liegenden Welle ist die einseitige Lage
rung der Welle direkt im Reaktor. Damit ist nur noch eine Wellenabdichtung an der
Antriebsseite erforderlich (siehe dazu auch "Polyester producing plants: principles
and technology, Verlag Moderne Industrie, 1996, S 31-33). Nachteilig an dieser
Art des Reaktoraufbaues ist die relativ begrenzte Variationsbreite der spezifischen
Oberfläche der Ringscheiben, die nur durch Erhöhung der Scheibenzahl oder die
Verwendung perforierter Scheiben einstellbar ist.
Ohne den zentralen Schaft arbeitet der Käfigreaktor aus US Patent 3 279 895, bei
dem anstelle einer zentralen Welle ein Käfig mit entsprechenden Einbauten
verwendet wird. Diese Einbauten sind Siebe oder Drahtgeflechte, die mit dem
Ansteigen der Viskosität der Polymerschmelze im Verlaufe des Reaktors vom
Produkteintritt zum Produktaustritt auch in ansteigender Maschenweite
verwendet werden. Der Vorteil dieses Reaktortyps liegt in der großen Variations
breite der spezifischen Oberfläche. So kann im Bereich des Eintrittes der niedrig
viskosen Vorkondensate durch engmaschige Einbauten eine sehr große Oberflä
che installiert werden, was eine intensive Ausgasung der Spaltprodukte ermöglicht
und damit kürzere Verweilzeiten im Reaktor realisierbar sind, wobei auf den hohen
fertigungstechnischen Aufwand des Reaktorkäfigs hinzuweisen ist. Nachteilig an
dieser Form des Reaktoraufbaues ist das Fehlen von Wehren. Ohne die Kamme
rung ist eine gezielte Pfropfenströmung im Reaktor in Frage gestellt, was insbe
sondere bei Lastwechsel zu Produktinhomogenitäten führen kann. Auch fehlt die
Möglichkeit, im Bereich der ansteigenden Viskosität durch Scherung eine Homo
genisierung der Schmelze zu erreichen. Nachteilig an diesem Reaktortyp ist auch
der hohe fertigungstechnische Aufwand, der für die mechanische Stabilität des
Rotors erforderlich ist, sowie die Notwendigkeit der festen Lagerung der Käfig
zapfen auf beiden Seiten des Reaktors, was zwei Dichtungssysteme zur Wellen
abdichtung erfordert.
Es besteht deshalb nach wie vor der Bedarf, das Verfahren und die Vorrichtung,
insbesondere Reaktoren für die Polykondensation oder Ausgasung von Monome
ren oder auch zum Austreiben von Lösungsmitteln, insbesondere unter Vakuum
oder Trägergas, dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Vorteile des Schei
benreaktors der Kammerung und gezielten Homogenisierung durch Scherung, als
auch die freie Wahl der spezifischen Oberfläche des Rotors im Verlaufe des
Reaktors vom niedrigviskosen Produkteintritt bis zum hochviskosen Produktaustritt
gewährleistet sind, wobei ein besonderes Ziel der Erfindung die einfache Ferti
gung der Reaktoreinbauten und die Optimierung herkömmlicher Apparate und
Verfahren ist.
Erfindungsgemäß kann das erreicht werden, indem die Ausgestaltung der
Ringscheiben für horizontal arbeitende Reaktoren zur kontinuierlichen Vakuum-
oder Trägergasbehandlung von Polymerschmelzen oder anderen Flüssigkeiten so
vorgenommen wird, daß zwischen mindestens zwei Scheiben oder Scheibenseg
menten eine Füllung von kommerziell angebotenen Hochleistungsfüllkörpern oder
Kolonnenpackungen angebracht wird, wie sie z. B. von den Firmen RASCHIG
oder SULZER hergestellt werden. Die kommerziellen Hochleistungsfüllkörper oder
Kolonnenpackungen werden dicht gepackt und zwischen zwei oder mehreren
Scheiben verspannt. Damit ist es möglich, mit geringem fertigungstechnischen
Aufwand unter Verwendung kommerzieller und marktgängiger Standardfüllkörper
oder Kolonnenpackungen eine große Variationsbreite der spezifischen Oberfläche
der Rotorsegmente einzustellen, wobei die Hochleistungsfüllkörper oder kommer
ziellen Kolonnenpackungenn eine spezifische Oberfläche im Bereich von 50-500 m2/m3,
bevorzugt 100-300 m2/m3 und ein Lückenvolumen von 87-99%,
bevorzugt von 95-98% aufweisen. Erfindungsgemäß wird es damit möglich, im
Bereich des Produkteintrittes das Verfahren und Vorrichtung unter Anwendung der
Packscheiben mit Füllkörpern hoher spezifischer Oberfläche einzusetzen und im
Bereich der ansteigenden Viskosität Packscheiben mit geringerer Oberfläche zu
verwenden. Es besteht auch die Möglichkeit, Packscheiben nur im Eintrittsbereich
des Vorpolymeren einzusetzen und im Bereich der ansteigenden Viskosität mit
herkömmlichen Ringscheiben zu arbeiten.
Die Erfindung wird anhand von einigen Skizzen näher erläutert.
Zeichnung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Packschei
be, wobei sowohl der gesamte freie Innenraum (1) zwischen den äußeren seitli
chen Begrenzungsscheiben (2, 3) oder Teile davon mit Füllkörpern oder Kolon
nenpackungen gefüllt sein können, wobei der freie Raum in Kreisringen. Krei
ssegmenten oder anderen frei geformten Segmenten angeordnet sein kann. Für
die räumlichen Ausformung der mit Füllkörpern oder Kolonnenpackungen gefüllten
Zwischenräume zwischen zwei Scheiben sind keine Grenzen gesetzt. Für eine
einfache Fertigung werden jedoch symmetrische Formen wie z. B. der in der
Zeichnung dargestellte Kreisring bevorzugt. Für einen freien Fluß der Schmelze in
die und aus der Packung sind die radialen äußeren (4) und radialen inneren (5)
Abdeckungen der Packung perforiert und bestehen z. B. aus Lochblechen, Sieben,
Stäben oder Gittern. Es kann auch vorteilhaft sein, die äußeren seitlichen Begren
zungsscheiben (2, 3) zu perforieren. Die Nabe (6) kann beide äußere Begren
zungscheiben tragen oder jede Begrenzungsscheibe hat eine separate Nabe,
wobei die Nabe durch Speichen mit den Begrenzungscheiben verbunden sind. Die
lichte Weite (W) zwischen den Begrenzungscheiben wird nicht limitiert sondern
richtet sich nach der erforderlichen mechanischen Stabilität der Packscheibe.
Auch sind die Verhältnisse der Radien R1 und R2 frei wählbar, zumal auch jede
andere Scheibenform als der Kreisring gewählt werden kann.
Zeichnung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines horizontal arbeitenden Pack
scheibenreaktors, darin bedeuten: (1) Antrieb, (2, 3, 4, 5, 6,) Packscheiben nach
dem Prinzip aus Zeichnung 1, (7) Produkteinlaß, (8) Produktauslaß, (9) Brüden
abzug, (10) optionaler Einlaß von Spülgas, (11) Trennbleche.
Die Anwendung des Verfahrens mit den erfindungsgemäßen Packscheiben ist
jedoch nicht auf Reaktoren mit horizontal arbeitendem Rührer begrenzt. Bei der
batchweisen Herstellung z. B. von Polyester wird nach wie vor in vielen Anlagen
mit einfachen Wendel- oder Ankerrührern gearbeitet, wobei in neuester Zeit auch
diskontinuierlich Ringscheibenrektoren von der Firma Lurgi-Zimmer (siehe dazu
auch "Polyester producing plants: principles and technology, Verlag Moderne
Industrie, 1996, S. 25-26) eingesetzt werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, daß die im Polykondensationsgefäß befindliche Schmelze auch wäh
rend der Polykondensationsreaktion im Kreislauf umgepumpt wird, was eine
Grundvoraussetzung für die Totraumfreiheit im Austragsbereich ist (siehe dazu
auch "Polyester producing plants: principles and technology, Verlag Moderne
Industrie, 1996, S. 22). Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Packscheiben
läßt sich nach zwei unterschiedlichen Methoden in diskontinuierlich arbeitenden
Reaktoren einsetzen. Einmal besteht die Möglichkeit, wie beim horizontal arbei
tenden Reaktor die einfachen, vertikal angeordneten Ringscheiben durch Pack
scheiben zu ersetzen, was zu einer Vergrößerung der Ausgasungsoberfläche und
damit zur Steigerung der Ausgasungsgeschwindigkeit führt.
Die kostengünstige Umrüstung bestehender diskontinuierlicher Reaktoren mit z. B.
vertikal arbeitendem Ankerrührer kann auch so erfolgen, daß eine oder mehrere
Packscheiben horizontal im oberen Bereich des Reaktors angeordnet sind, und
die Polymerschmelze mittels einer Schmelzepumpe am Boden des Reaktors
kontinuierlich ausgetragen wird und oberhalb der Packscheiben so auf diese
verteilt wird, daß jeder Bereich der Packscheibe gleichmäßig mit Schmelze
überspült wird. Im Gegensatz zu den Packscheiben des horizontalen Reaktors
werden die Packscheiben im vertikalen Betrieb so aufgebaut, daß der Boden der
Packscheibe z. B. als perforierte Scheibe ausgebildet ist und somit die Packung
trägt und die obere Abdeckung der Scheibe durch eine grobe Drahtgaze oder ein
Gitter bewerkstelligt wird. Die kommerziell erhältlichen Hochleistungsfüllkörper
oder Kolonnenpackungen werden dabei so angeordnet, daß nach Beendigung der
Schmelzezufuhr eine restlose Entleerung der Packung erfolgt.
Eine ähnliche Anordung läßt sich z. B. auch für die Stufe der Umesterung oder
Veresterung bei der diskontinuierlichen Polyesterherstellung anwenden.
Zeichnung 3 zeigt einen herkömmlichen, diskontinuierlich arbeitenden Packschei
benreaktor mit zwei horizontal angeordneten Packscheiben und mit Kreislauffüh
rung der Schmelze sowie einer Schmelzeverteilung. Darin bedeuten (1) Drossel
ventil zum Druckausgleich in der Kreislaufleitung, (2) Antrieb, (3) Schmelzevertei
lung, (4) Packscheiben, (5) Schmelzepumpe mit Antrieb und Dichtsystem, und (6)
Gießdüse mit integrierter 3-Wege-Armatur.
Zeichnung 4 zeigt einen diskontinuierlich arbeitenden Polykondensationsreaktor,
der mit Kreislauffahrweise, vertikal arbeitenden Packscheiben und einer Schmel
zeverteilung. Darin bedeuten (1) Drosselventil zum Druckausgleich in der Kreis
laufleitung, (2) Packscheiben, (3) Antrieb Packscheiben, (4) Schmelzepumpe mit
Antrieb und Dichtsystem, (5) Gießdüse mit integrierter 3-Wege Armatur.
Zeichnung 1
1
Innenraum
2
,
3
seitliche Begrenzungsscheiben
4
radiale äußere Abdeckung
5
radiale innere Abdeckung
Zeichnung 2
Zeichnung 2
1
Antrieb
2
,
3
,
4
,
5
,
6
Packscheiben
7
Produkteinlaß
8
Produktauslaß
9
Brüdenabzug
10
optionaler Einlaß von Spülgas
11
Trennbleche
Zeichnung 3
Zeichnung 3
1
Drosselventil zum Druckausgleich in der
Kreislaufleitung
2
Antrieb
3
Schmelzeverteilung
4
Packscheiben
5
Schmelzepumpe mit Antrieb und Dichtsystem
6
Gießdüse mit integrierter 3-Wege-Armatur
Zeichnung 4
Zeichnung 4
1
Drosselventil
2
Packscheiben
3
Antrieb Packscheiben
4
Schmelzepumpe
5
Gießdüse
Claims (9)
1. Verfahren und Vorrichtung zur Ausgasung und Polykondensation oder Austrei
ben von Lösungsmitteln unter Normaldruck, Überdruck, Vakuum oder Trägergas
mit Reaktoreinbauten bestehend aus einem horizontalen oder vertikalen zylinder
förmigen Reaktionsgefäß, in dem ein Schaft drehbar gelagert angebracht ist und
mit dem Schaft ringförmige Scheiben fest verbunden sind, gekennzeichnet
dadurch, daß zwischen zwei oder mehreren Scheiben im Vollkreis oder in jeglicher
Art geformten Segmenten kommerzielle Hochleistungsfüllkörper oder Kolonnen
packungen angebracht sind und die kommerziellen Hochleistungsfüllkörper oder
Kolonnenpackungen eine spezifische Oberfläche im Bereich von 50-500 m2/m3,
bevorzugt 100-300 m2/m3 und ein Lückenvolumen von 87-99%, bevorzugt
von 95-98% aufweisen, die Füllkörper oder Kolonnenpackungen in den so
entstandenen Packscheiben fixiert werden, um nicht in das Innere des Reaktors
gelangen zu können.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der
Reaktor aus einem horizontalen Zylinder besteht, in dem die Reaktionsmasse an
einer Seite kontinuierlich eintritt und an der anderen Seite austritt und im Verlaufe
des Reaktors Packscheiben nach Anspruch 1, gefüllt mit kommerziellen Hochlei
stungsfüllkörpern oder Kolonnenpackungen unterschiedlicher spezifischer Ober
fläche angeordnet sind, wobei die spezifische Oberfläche der Füllkörper oder
Kolonnenpackungen im Bereich des Produkteintritts des Reaktors größer ist als im
Bereich des Produktaustritts.
3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch,
daß die Packscheiben durch Wehre voneinander getrennt sind.
4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, daß
mindestens das erste Viertel des Innenraumes des Reaktors mit Packscheiben
ausgerüstet ist.
5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß
im Bereich des Produkteintrittes eine oder mehrere Packscheiben installiert sind.
6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der
die Packscheiben tragende Schaft horizontal gelagert ist und das Reaktionspro
dukt an der tiefsten Stelle des Bodens des Reaktors kontinuierlich ausgetragen
wird und über eine Pumpe dem Reaktor oberhalb der Packscheiben wieder
zugeführt wird, wobei das Reaktionsprodukt gleichmäßig über die Packschei
benoberfläche verteilt wird und der Reaktor batchweise betrieben wird.
7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der
die Packscheiben tragende Schaft vertikal gelagert ist und die Packscheiben
vorzugsweise in den oberen zwei Dritteln des Reaktors und besonders bevorzugt
im Bereich oder oberhalb des Flüssigkeitsniveaus angeordnet sind und das
Produkt über den Verlauf der Polykondensationsreaktionan der tiefsten Stelle des
Reaktors am Boden ausgetragen wird und über eine Pumpe dem Reaktor ober
halb der Packscheiben wieder zugeführt wird und die kommerziell erhältlichen
Hochkeistungsfüllkörper oder Kolonnenpackungen dabei so angeordnet werden,
daß bei Beendigung der Schmelzezufuhr eine restlose Entleerung der Packung
erfolgt, wobei das Reaktionsprodukt während der Reaktion gleichmäßig über die
Packscheibenoberfläche verteilt und der Reaktor batchweise betrieben wird.
8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, daß
jede Art der üblichen und gängigen Füllkörper für die Füllung der Packscheiben
Verwendung finden, wobei bevorzugt Füllkörper aus Edelstahl eingesetzt werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, daß anstelle der
Füllkörper auch andere aus der Kolonnentechnik an sich bekannte und industriell
vorgefertigte Packungen oder Packungselemente als Füllung der Packscheiben
eingesetzt werden.
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