DE10151777A1

DE10151777A1 - Fällung von Kieselsäure in einem Taylor-Reaktor

Info

Publication number: DE10151777A1
Application number: DE2001151777
Authority: DE
Inventors: Marcus Freyer; Ralf Maus; Juri Tschernjaew; Stefan Schulze; Klaus Benner
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Kieselsäure durch saure Fällung von Silikaten in einem Taylor-Reaktor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Taylor-Reaktor zur Herstellung von Fällungskieselsäuren, ein Verfahren zur Herstellung von Fällungskieselsäuren im Taylor- Reaktor und die so erhaltene Kieselsäure.

Reaktoren, die nach dem Taylor-Couette-Prinzip arbeiten sind bekannt.

Taylor-Couette-Reaktoren bestehen in der Regel aus zwei koaxialen konzentrisch angeordneten Zylindern, wobei der äußere Hohlzylinder ruht und der innere Vollzylinder rotiert. Als Reaktionsraum dient das Volumen, das durch den Spalt der Zylinder gebildet wird, Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit des Innenzylinders treten eine Reihe unterschiedlicher Strömungsformen auf, die durch eine dimensionslose Kennzahl, die sogenannte Taylor-Zahl Ta, charakterisiert werden. Die Taylor-Zahl (Ta) ist wie folgt definiert:

mit
r_i: Radius des Innenzylinders [m]
r_a Radius des Außenzylinders [m]
u_i: Umfangsgeschwindigkeit des Innenzylinders [m/s]
ν: Kinematische Viskosität [m²/s]

Die Taylor-Zahl ist zusätzlich zur Winkelgeschwindigkeit des Rührers noch abhängig von der kinematischen Viskosität des Fluids im Spalt und von den geometrischen Parametern, dem äußeren Radius des Innenzylinders, dem inneren Radius des Außenzylinders und der Spaltbreite, der Differenz beider Radien. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Taylor-Reaktors.

Strömungsformen im Taylor-Reaktor

Bei niedriger Winkelgeschwindigkeit bildet sich die laminare Couette-Strömung, eine einfache Scherströmung aus. Beim Erreichen einer kritischen Taylor-Zahl bilden sich sogenannte Taylor-Wirbel aus. Die Taylor-Wirbel sind Ringwirbel mit abwechselnder Drehrichtung und Achsen längs der Umfangsrichtung (vgl. Fig. 2). Die Stromlinien dieser Wirbel sind laminar, weshalb diese Strömungsform als laminarzellulär bezeichnet wird. Diese sogenannten Taylor- Wirbel sind rotationssymmetrisch, besitzen die geometrische Form eines Torus (Taylor- Wirbelringe) und haben eine Durchmesser, der annähernd so groß ist wie die Spaltbreite. Zwei benachbarte Wirbel bilden ein Wirbelpaar oder eine Wirbelzelle.

Fig. 3 zeigt die sich ausbildenden Strömungsformen bei schrittweiser Erhöhung der Drehzahl des Innenzylinders nach Reiter ("Untersuchungen zur Flokkulation im Zylinderrührreaktor und im durchströmten Rohr", Dissertation, TU Berlin (1983)). Die Wirbel der laminaren Strömung (a) zerfallen in kleinere Wirbel von näherungsweise quadratischem Querschnitt (b, laminarzellulär). Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl entstehen Sekundärwirbel (c), bis die Strömung in den zellulär-turbulenten Bereich umschlägt (d). Auch hier bilden sich Sekundärwirbel (e), bis sich schließlich eine voll turbulente Strömung ausbildet (f). Bild (g) zeigt die sich ausbildende Strömungsform, wenn die Apparatur zusätzlich axial durchströmt wird, (Schulze, "Mikroorganismen als alternatives Flockungsmittel in der Fest-Flüssig-Trennung", Dissertation TH Karlsruhe (1996), Seite 56).

Wird der Taylor-Reaktor mit einem Zu- und Ablauf versehen und kontinuierlich betrieben, resultiert eine Taylor-Wirbelströmung mit einem geringen axialen Strom (vgl. Fig. 3 g). Dabei wandert jedes Wirbelpaar durch den Spalt, wobei nur ein geringer Stoffaustausch zwischen benachbarten Wirbelpaaren auftritt. Die Vermischung innerhalb solcher Wirbelpaare ist sehr hoch, wogegen die axiale Vermischung über die Paargrenzen hinaus sehr gering ist. Ein Wirbelpaar kann daher als gut durchmischter Rührkessel betrachtet werden. Das Strömungssystem verhält sich somit wie ein ideales Strömungsrohr, indem die Wirbelpaare mit konstanter Verweilzeit wie ideale Rührkessel durch den Spalt wandern.

Die Thermodynamik und Kinetik von Taylor-Reaktoren ist vor allem am Beispiel der Reaktion von Bariumchlorid mit Natriumsulfat zum schwerlöslichen Bariumsulfat untersucht worden.

Untersuchungen zum Mischungsverhalten bzw. Kristallisationsverhalten an dieser Reaktion finden sich z. B. in A. Barresi et al. Aiche Journal, März 2001, Vo. 47, No. 3, Seite 664 bis 676; Barresi et al. Chem. Eng. Sci. 54 (1999), Seite 2339 bis 2349; A. Barresi et al. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Vol. 56 (1999), Seite 1423-1433 und G. P. Smith et al., J. Fluid Mech. (1982) Vol. 123, Seite 187-217.

Ogihara et al. beschreiben in J. Ceram Soc., Jpn, Vol. 103, S. 151-154, 1995 die Umsetzung einer organischen Siliziumverbindung (Tetraethylorthosilikat) mit ethanolischer Ammoniaklösung in einem Taylor-Reaktor, wobei monodisperse Kieselsäure erhalten wurde. Die saure Fällung eines anorganischen Silikats in wässriger Lösung ist hier nicht offenbart.

Auf Grund der im Vergleich zu Rührreaktoren kontrollierten Durchmischung des Reaktionsfluids sind Taylor-Reaktoren auch von technischen Interesse. So wird in EP 0 498 583 die Verwendung eines Taylor-Reaktors zur Durchführung einer kontinuierlichen radikalischen Emulsionspolymerisation beschrieben. In WO 98/22524 wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Vernetzung von wasserlöslichen, Aminogruppen enthaltenden Kondensations- und Additionsprodukten in wässriger Lösung offenbart.

Weitere Ausführungsformen eines Taylor-Reaktors zur Durchführung von Polymerisationsreaktionen können DE 199 60 389 und DE 198 28 742 entnommen werden, Hier werden Taylor-Reaktoren beschrieben, die zur Durchführung von Stoffumwandlungen mit einer Änderung der Viskosität des Reaktionsmediums geeignet sind. Beispiele für solche Reaktionen bzw. Stoffumwandlungen sind neben der Polymerisation von vinylischen Monomeren auch polymeranaloge Reaktionen, die Herstellung olefinisch ungesättigter, mit Elektronenstrahlen oder ultraviolettem Licht härtbaren Materialien, die Herstellung von Polyurethanharzen, die Herstellung von Polyharnstoffen oder Reaktionen die zur Bildung von Mesophasen führen, wie z. B. Kolloide. Die Herstellung von Fällungskieselsäure ist hier nicht erwähnt.

In Chem. Eng. Sci 55 (2000) 733-747 beschreiben Woo-Sik Kim et al. die Fällung von Kalziumcarbonat durch eine Gas-/Flüssigreaktion von Ca(OH)₂ mit CO₂ in einem Taylor- Reaktor. Auch hier ist die saure Fällung eines Silikats nicht erwähnt.

Taylor-Reaktoren sind demnach bis jetzt nur zur Durchführung von Polymerisationsreaktionen bzw. wissenschaftlich zur Fällung von Bariumsulfat und Kalziumcarbonat bekannt.

Die kontinuierliche Herstellung einer Kieselsäure durch saure Fällung eines Silikats ist durch WO 01/46073 bekannt. Hier werden wobei die Edukte in einem Reaktor zunächst einer durchmischten (turbulenten) Reaktionszone und anschließend einer Ruhezone zugeführt. Der Reaktortyp ist nicht näher spezifiziert. Taylor-Reaktoren haben konstruktionsbedingt keine Ruhezone.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, zu prüfen, unter welchen Umständen bzw. mit welchen Modifikationen ein Taylor-Reaktor auch zur Durchführung von anderen chemischen Reaktionen eingesetzt werden kann.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass ein Taylor-Reaktor hervorragend zur kontinuierlichen Herstellung von Kieselsäure durch saure Fällung von Silikaten eingesetzt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Taylor-Reaktor zur Herstellung von Fällungskieselsäuren, aufgebaut aus einem äußeren Reaktionsgefäß mit mindestens einem Zulauf, mindestens einem Ablauf und einem inneren Rotor, wobei durch den oder die Zuläufe eine wässrige Silikatlösung und ein Säuerungsmittel zudosiert wird.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Taylor-Reaktors weist dieser mindestens zwei Zuläufe auf, denen jeweils eine wässrige Silikatlösung und ein Säuerungsmittel zudosiert werden können.

Es ist ebenfalls möglich, dass der Taylor-Reaktor eine Vorrichtung zur Vorvermischung der wässrigen Silikatlösung und des Säuerungsmittels aufweist. Die Vorrichtung kann z. B. ein Rührkessel oder ein Strömungsrohr sein, wobei der Austrag der Vorrichtung auch einen Zulauf in den Taylor-Reaktor geleitet wird. Es ist möglich, durch einen zweiten Zulauf zusätzlich entweder Silikatlösung oder Säuerungsmittel oder sogar beide Edukte getrennt zuzudosieren (3 Zuläufe). In der Regel befinden sich die Zuläufe und Abläufe an oder in der Nähe des Bodens (Deckel) des erfindungsgemäßen Reaktors.

Zur Herstellung von Kieselsäure werden in der Regel die Rohstoffe Wasserglas und Schwefelsäure eingesetzt. Diese Fällung stellt prinzipiell eine Neutralisationsreaktion dar, die vereinfacht durch folgende Brutto-Gleichung dargestellt werden kann.

Na₂O(SIO₂)_3,3 + H₂SO₄ → 3,3 SiO₂↓ + Na₂SO₄ + H₂O

Fällungen dieser Art sind bekannt (z. B. EP 0 901 986, EP 0 937 755) werden in Rührkesseln im Semi-Batch durchgeführt und gliedern sich häufig in drei Stufen. In der ersten Stufe, zur Zeit t₀ wird eine Vorlage V₀ in einem Behälter geben, die aus Wasser, das ggf. mit Wasserglas versetzt wurde, besteht. Diese wird entsprechend der einzustellenden Fälltemperatur aufgeheizt. Die Temperatur während der Fällung liegt im Bereich von 40°C bis 85°C. In der zweiten Stufe werden beide Reaktanden über die Fällzeit (t₀ bis t₁) entweder in einem konstantem Mengenverhältnis oder bei konstantem pH-Wert in die Vorlage dosiert. Unter Fällzeit ist die Zeit zu verstehen, welche zum gleichzeitigen Zufügen der Reaktionskomponenten in die wässrige Vorlage erfoderlich ist. Die Fälldauer, d. h. die Zugabe der beiden Edukte, hängt von der jeweiligen Rezeptur ab und beeinflusst die Produkteigenschaften. Anschließend folgt optional eine Alterungstufe, in der die Dosierung gestoppt wird und die Fällung unterbrochen wird.

Am Ende der bekannten Fällungsreaktionen liegen die Feststoffgehalte in der Suspension zwischen 80 g/l und 200 g/l. In der letzten Stufen (t₂ bis t_E) kann dann ausschließlich Säure (V_E) zudosiert werden. Während dieser Rücksäuerung wird ein pH-Wert zwischen pH 3 bis 4 eingestellt. Die Variation der Produkteigenschaften erfolgt durch die Fälltemperatur, Konzentration der Reaktionskomponenten sowie der Fällzeit und des pH-Wertes. Als wesentliche Eigenschaften sind die Partikelgrößenverteilung, die BET-Oberfläche und die DBP-Zahl nennen.

Der erfindungsgemäße Taylor-Reaktor gestattet eine Verbesserung dieser Reaktionsführung.

Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind daher auch ein Verfahren zur Herstellung von Kieselsäure durch Fällung einer wässrigen Silikatlösung mit einem Säuerungsmittel, wobei die Fällung in einem Taylor-Reaktor durchgeführt wird, sowie eine Fällungskieselsäure, erhalten durch Fällung einer wässrigen Silikatlösung mit einem Säuerungsmittel, wobei die Fällung in einem Taylor-Reaktor durchgeführt wird.

Die Fällung kann kontinuierlich, diskontinuierlich oder semikontinuierlich erfolgen.

Der erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß eingesetzte Taylor-Reaktor kann im stationären Zustand jeweils unabhängig durch die folgenden Kennzahlen
Taylorzahl: 50-50.000, bevorzugt 500-20.000, besonders bevorzugt 3.000-10.000
Reynoldszahl (axial): 0,0724 bis 7,24, bevorzugt 0,1348-2,69, besonders bevorzugt 0,4042-1,35
charakterisiert werden.

Unter "stationärem Zustand" ist ein Zustand des Reaktors nach dem Anfahren, d. h. bei vollständiger Füllung des Reaktors mit den Reaktanden zu verstehen.

Bei der bekannten diskontinuierlichen Fällung von Kieselsäure in einem Rührkessel ist eine Veränderung der Viskosität mit der Reaktionszeit zu beobachten, d. h. es tritt ab einer bestimmten Reaktionszeit (bzw. Säurezugabe) ein sprunghafter Viskositätsanstieg ein. Nach weiterer Zugabe von Säure fällt die Viskosität jedoch wieder nahezu auf den Ursprungswert ab. Im vorliegenden Fall ist ein Effekt einer Viskositätsänderung nicht zu beobachten, d. h. die Reaktionsparameter sind so gewählt, das keine Änderung der Wirbelstrukturen im erfindungsgemäßen Taylor-Reaktor festgestellt werden. Die Bedingungen zur Bildung von Taylor-Wirbeln im Reaktor sind immer erfüllt.

Die mittlere Verweilzeit im Raylor-Reaktor kann zwischen 5 und 500 Minuten liegen. Bevorzugt wird der Reaktor in senkrechter Position mit einem Durchfluß von unten nach oben oder oben nach unten betrieben.

Der innere Zylinder des erfindungsgemäßen Reaktors kann einen stationären äußeren Zylinder rotieren. Es ist auch möglich, den äußeren Zylinder im gleichen oder entgegengesetzten Drehsinn rotieren zu lassen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren bzw. im erfindungsgemäßen Taylor-Reaktor kann als wässrige Silikatlösung, Natrium-Wasserglas, bevorzugt mit einer Konzentration von 5-50, besonders bevorzugt 15-35 Gew.-% eingesetzt werden. Das Säuerungsmittel ist bevorzugt Schwefelsäure und wird bevorzugt mit einer Konzentration von 25-75 Gew.-%, insbesondere zwischen 30 und 40 Gew.-% eingesetzt.

Es werden insbesondere Natriumwasserglas und Schwefelsäure, Salzsäure, Kohlendioxid oder Phosphorsäure eingesetzt.

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. im erfindungsgemäßen Taylor-Reaktor kann eine BET-Oberfläche von 5-800, bevorzugt 10-500, besonders bevorzugt 50-300 m²/g aufweisen.

Durch die gute Durchmischung im Taylor-Reaktor ist ein gleichmäßiges Wachstum bzw. Agglomeration oder Aggregation der Kieselsäurenpartikel gewährleistet. Es können so monomodale bis bimodale Partikelgrößenverteilungen hergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure weist bevorzugt einen d₅₀-Wert von 1-80, besonders bevorzugt 3-50 µm auf.

Es ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Taylor-Reaktor möglich, eine Fällungskieselsäure mit einer engen Partikelgrößenverteilung, die eine Standardabweichung von 0,1 bis 0,5 (logarithmische Normalverteilung) aufweist, herzustellen.

In der Regel wird das erfindungsgemäße Verfahren im Taylor-Reaktor bei einem pH von 3-14, bevorzugt 7-12 durchgeführt. Optional kann der eigentlichen Fällungsreaktion eine Rücksäuerung folgen. Dies kann durch Zugabe eines Säuerungsmittels zum Reaktoraustrag außerhalb oder innerhalb des Reaktors bis zum pH 2-5 erfolgen. Die Zugabe kann außerhalb z. B. in einen Mischbehälter entsprechend der Vorrichtung zur Vorvermischung oder innerhalb des Reaktors durch Zudosieren des Säuerungsmittel durch einen Zulauf im oberen Teil (z. B. in den oberen 25-5%) des Reaktors erfolgen. Als Säuerungsmittel kann die o. g. Schwefelsäure, aber auch jedes andere Säuerungsmittel wie CO₂, HCl, HNO₃ oder Phorphorsäure eingesetzt werden.

Nach Abschluß der Reaktion im Taylor-Reaktor selbst bzw. optional der Rücksäuerung wird die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure in üblicher Weise abfiltriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet.

Der erfindungsgemäße Taylor-Reaktor weist bevorzugt eine Heizeinrichtung z. B. einen Doppelmantel auf. Auf diese Weise kann die Herstellung von Fällungskieselsäure bei erhöhter Temperatur, bevorzugt zwischen 50 und 95°C durchgeführt werden.

Die physikalisch/chemischen Daten der erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren werden mit den folgenden Methoden bestimmt:
BET-Oberfläche: Areameter, Fa. Ströhlein, gemäß ISO 5794/Annex D
CTAB-Oberfläche: bei pH 9, gemäß Janzen und Kraus in Rubber Chemistry and Technology 44 (1971) 1287
DBP-Zahl: ASTM 2414-88

Die Filtration und Trocknung der erfindungsgemäßen Kieselsäuren sind dem Fachmann geläufig und können z. B. in den o. g. Patenten nachgelesen werden. Bevorzugt wird die fällungsgemäße Kieselsäure durch Sprühtrocknung (im Düsenturm), einem Etagentrockner, einem Flash- oder Spin-Flash-Trockner getrocknet. Die Sprühtrocknung kann z. B. gemäß US 4 097 771 durchgeführt werden. Hier wird im Spin-Flash-Trockner eine Fällungskieselsäure erzeugt, die in Partikelform mit einem mittleren Durchmesser von über 80, insbesondere über 90, besonders bevorzugt über 200 µm erhalten wird.

Die erfindungsgemäßen Kieselsäuren können daher als Füllstoffe in Elastomerenmischungen, insbesondere für Reifen verwendet werden.

Weiterhin können die erfindungsgemäßen Kieselsäuren in allen Anwendungsgebieten verwendet werden, in denen üblicherweise Kieselsäuren eingesetzt werden, wie z. B. in Batterieseparatoren, Anti-Blocking-Mittel, Mattierungsmittel in Lacken, Papierstrichen oder Entschäumer.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Elastomerenmischungen, vulkanisierbare Kautschukmischungen oder sonstige Vulkanisate sowie Reifen, die die erfindungsgemäße Kieselsäure enthalten.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern ohne ihren Schutzumfang, wie in den Patentansprüchen definiert, einzuschränken.

Beispiele

1. Versuchsapparatur

1.1 Geometrie

Der hier verwendete Reaktor besitzt ein Verhältnis von Spaltbreite zu Innenradius von s/r_i = 0,087 und ein Verhältnis von Behälterhöhe zu Spaltbreite l/s = 59. Der innere Zylinder ist aus Edelstahl gefertigt. Der ruhende Aussenzylinder besteht Glas, der als Doppelmantel ausgeführt ist, so dass eine Temperierung des Reaktionsvolumens mit einem Heizmedium möglich ist.

1.2 Versuchsaufbau

Fig. 4 zeigt den Aufbau der Versuchsanlage. Die Edukte werden über die zwei Schlauchpumpen P1 und P2 von unten in den Reaktor gefördert. Dabei sind die Zuführungen für Wasserglas und Schwefelsäure diametral im Spalt angeordnet. Der Durchmesser des Schlauches für das Wasserglas beträgt 2 mm und der für die Schwefelsäure 0,8 mm. Die Vorlagebehälter V1 und V2 werden gewogen, so dass sich aus der Gewichtsabnahme der geförderte Massenstrom bestimmen lässt. So ist gewährleistet, dass Wasserglas und Schwefelsäure in einem konstanten Massenverhältnis in den Reaktor gefördert werden. Der Reaktor wird mit Hilfe eines Doppelmantels beheizt. Mit dem Thermostaten werden Temperaturen von 50°C bis 85°C im Reaktor realisiert werden. Die Drehzahl des Innenzylinders kann im Bereich von 100 bis 1500 min^-1 eingestellt werden. Am oberen Teil des Aussenzylinders befindet sich der Produktablass. An dieser Stelle wird die Temperatur und pH- Wert der Suspension gemessen. Abschließend wird die Suspension durch Zugabe von Schwefelsäure auf eine pH-Wert von 3 bis 4 eingestellt.

2. Stoffsystem Kieselsäure

2.1 Versuchsplanung

Entsprechend den obigen Ausführungen zeichnet sich der Taylor-Reaktor durch seine definierte Hydrodynamik aus. Diesen hängen, wie die charakteristischen Kenngrößen zeigen von der Geometrie des Reaktors, der Drehzahl des Innenzylinders, dem Durchfluss durch den Reaktor und der sich während der Reaktion einstellenden kinematischen Viskosität ab. Von diesen Größen kann die Drehzahl und der Durchfluss, womit die mittlere Verweilzeit gesteuert wird, beeinflusst werden. Neben diesen Größen ist natürlich aus dem existierenden Herstellverfahren bekannt, dass die Temperatur, die Konzentration und das Verhältnis der Edukte die Produkteigenschaften wesentlich beeinflussen.

3. Versuchsdurchführung

3.1 Anfahren des Reaktors

Im Reaktionsraum wird eine Vorlage entsprechend Tabelle 1 auf die jeweilige Versuchstemperatur aufgeheizt und die entsprechende Drehzahl des Innenzylinders am Motor eingestellt (Tabelle 2). Anschließend wird mit der Zudosierung der Edukte in den Reaktionsraum begonnen. Nach einer Zeit von etwa 40 min wird zum erstenmal eine Suspensionsprobe am Reaktorauslass genommen.

3.2 Probenaufbereitung und Analytik

Über die gesamte Dauer eines Versuchs wurden am Auslass des Reaktors Suspensionsproben zu definierten Zeiten entnommen. Die Suspension wird jeweils mittels Laserbeugungs- Spektroskopie (Coulter LS230) auf ihre Partikelgrößenverteilung hin untersucht. Zur Charakterisierung der Proben wurde sowohl die Bestimmung der BET-Oberfläche durchgeführt als auch für ausgewählte Proben REM-Aufnahmen angefertigt, was allerdings nur mit Pulverproben möglich ist. Deshalb die Suspensionsproben zuerst gewaschen, um das Natriumsulfat zu entfernen. Gewaschen wird so lange, bis sich ein konstanter Leitfähigkeitswert des Filtrates eingestellt hat, dann kann von einer ausreichenden Entfernung des Nebenproduktes ausgegangen werden. Abschließend wird die Probe über einer Drucknutsche filtriert und im Trockenschrank bei einer Temperatur von 105°C über 12 h getrocknet. Die spezifische Oberfläche der Partikel wurde mit einer Adsorptionsmethode bestimmt. Um Aussagen über die Morphologie der Kieselsäure machen zu können, wurden zusätzlich REM-Aufnahmen angefertigt.

4. Versuchsergebnisse für den stationären Zustand

Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf eine Probe nach einer Betriebszeit von ca. 6,5 h. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Reaktor im stationären Zustand. Die dargestellte Partikelgrößenverteilung wurde jeweils für die Suspensionsprobe angefertigt. Die REM-Aufnahmen wurden für die gewaschene und getrocknete Probe erstellt. Wie die folgenden Partikelgrößenverteilungen und REM-Aufnahmen zeigen, lassen sich im Taylor- Reaktor durch die entsprechende Wahl der Parameter Verweilzeit, Temperatur und Drehzahl die charakteristischen Größen wie Partikelgrößenverteilung, spezifische Oberfläche und Morphologie signifikant beeinflussen.

Beispiel 1

Tabelle 1

Tabelle 2

Parameter

Temperatur: 50°C
Mittlere Verweilzeit: 75 min
Drehzahl: 700 min
^-1
Die Auswertung der Partikelgrößenverteilung ergibt einen Medianwert von 18 µm, das Produkt weist eine BET-Oberfläche von 52 m²/g auf.
Fig. 5 zeigt die Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Kieselsäure, Fig. 6 eine REM- Aufnahme der gewaschenen und getrockneten Probe.

Beispiel 2

Parameter

Temperatur: 50°C
Mittlere Verweilzeit: 50 min
Drehzahl: 1500 min
^-1
Die Auswertung der Partikelgrößenverteilung ergibt einen Medianwert von 12 µm, das Produkt weist eine BET-Oberfläche von 235 m²/g auf.
Fig. 7 zeigt die Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Kieselsäure, Fig. 8 eine REM- Aufnahme der gewaschenen und getrockneten Probe.

Beispiel 3

Parameter

Temperatur: 50°C
Mittlere Verweilzeit: 75 min
Drehzahl: 1500 min
^-1
Die Auswertung der Partikelgrößenverteilung ergibt einen Medianwert von 9 µm, das Produkt weist eine BET-Oberfläche von 66 m²/g auf.
Fig. 9 zeigt die Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Kieselsäure, Fig. 10 eine REM- Aufnahme der gewaschenen und getrockneten Probe.

Claims

1. Taylorreaktor zur Herstellung von Fällungskieselsäuren, aufgebaut aus einem äußeren Reaktionsgefäß mit mindestens einem Zulauf, mindestens einem Ablauf und einem inneren Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass durch den oder die Zuläufe eine wässrige Silikatlösung und ein Säuerungsmittel zudosiert wird.

2. Taylorreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mindestens zwei Zuläufe aufweist, durch die jeweils getrennt eine wässrige Silikatlösung und ein Säuerungsmittel zudosiert wird.

3. Taylorreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine Vorrichtung zur Vorvermischung der wässrigen Silikatlösung und des Säuerungsmittels aufweist.

4. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor im stationären Zustand eine Taylorzahl von 50-50.000 aufweist.

5. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor im stationären Zustand eine Reynoldszahl (axial) von 0,0724 bis 7,24 aufweist.

6. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Verweilzeit zwischen 5 und 500 Minuten liegt.

7. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor senkrecht steht und von unten nach oben betrieben wird.

8. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor senkrecht steht und von oben nach unten betrieben wird.

9. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als wässrige Silikatlösung Natriumwasserglas und/oder als Säuerungsmittel Schwefelsäure, Salzsäure, Kohlendioxid oder Phosphorsäure zudosiert wird.

10. Fällungskieselsäure, erhalten durch Fällung einer wässrigen Silikatlösung mit einem Säuerungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung in einem Taylor-Reaktor durchgeführt wird.

11. Fällungskieselsäure nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt wird.

12. Fällungskieselsäure nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungskieselsäure eine BET-Oberfläche von 5-800 m²/g aufweist.

13. Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungskieselsäure einen d₅₀-Wert von 1 bis 80 µm aufweist.

14. Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungskieselsäure eine Partikelgrößenverteilung mit einer Standardabweichung von 0,1 bis 0,5 (logarithmische Normalverteilung) aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung von Kieselsäure durch Fällung einer wässrigen Silikatlösung mit einem Säuerungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung in einen Taylor-Reaktor durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Fällungsreaktion im Taylor-Reaktor 3-14 beträgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Austrags des Taylor-Reaktors durch Zugabe eines Säuerungsmittels innerhalb oder außerhalb des Taylor-Reaktors auf 2-5 eingestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als wässrige Silikatlösung Natriumwasserglas und/oder als Säuerungsmittel Schwefelsäure, Salzsäure, Kohlendioxid oder Phosphorsäure zudosiert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Taylor-Reaktor im stationären Zustand eine Taylorzahl von 50-50.000 aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Taylor-Reaktor im stationären Zustand eine axiale Reynoldszahl von 0,0724-7,24 aufweist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Verweilzeit zwischen 5 und 500 Minuten liegt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor senkrecht steht und von unten nach oben betrieben wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor senkrecht steht und von oben nach unten betrieben wird.

25. Verwendungen der Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 10 bis 13 in Elastomerenmischungen, Reifen, Batterieseparatoren, Anti-Blocking-Mittel, Mattierungsmittel in Lacken, Papierstrichen oder Entschäumer.