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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung einer Polymerisation von Monomeren oder Co-Monomeren, insbesondere eine Homo- und Copolymerisation von Dienen, wie Butadienen, Isoprenen, Piperylenen, zu Polymeren in einem Reaktor, insbesondere in einem Mischkneter, mit zumindest einem Einlass für das zu polymerisierende Produkt (Feed), an den im Reaktor eine Feedzone anschliesst.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zur Durchführung von derartigen Verfahren werden als Reaktoren und insbesondere als Mischkneter bezeichnet. Sie dienen bei diesen Verfahren sehr vielfältigen Zwecken. Als erstes ist das Eindampfen mit Lösungsmittelrückgewinnung zu erwähnen, welches chargenweise oder kontinuierlich und oft auch unter Vakuum erfolgt. Hierdurch werden beispielsweise Destillationsrückstände und insbesondere Toluoldiisocyanate behandelt, aber auch Produktionsrückstände mit toxischen oder hochsiedenden Lösungsmitteln aus der Chemie und Pharmaproduktion, Waschlösungen und Lack-Schlämme, Polymerlösungen, Elastomerlösungen aus der Lösemittelpolymerisation, Klebstoffe und Dichtmassen.
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Mit den Apparaten wird ferner eine kontinuierliche oder chargenweise Kontakttrocknung, wasser- und/oder lösemittelfeuchter Produkte, oftmals ebenfalls unter Vakuum, durchgeführt. Die Anwendung ist vor allem gedacht für Pigmente, Farbstoffe, Feinchemikalien, Additive, wie Salze, Oxyde, Hydroxyde, Antioxidantien, temperaturempfindliche Pharma- und Vitaminprodukte, Wirkstoffe, Polymere, synthetische Kautschuke, Polymersuspensionen, Latex, Hydrogele, Wachse, Pestizide und Rückstände aus der chemischen oder pharmazeutischen Produktion, wie Salze, Katalysatoren, Schlacken, Ablaugen gedacht. Anwendung finden diese Verfahren auch in der Lebensmittelproduktion, beispielsweise bei der Herstellung und/oder Behandlung von Blockmilch, Zuckeraustauschstoffen, Stärkederivaten, Alginaten, zur Behandlung von Industrieschlämmen, Ölschlämmen, Bioschlämmen, Papierschlämmen, Lackschlämmen und allgemein zur Behandlung von klebrigen, krustenden zähpastösen Produkte, Abfallprodukten und Zellulosederivaten.
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In einem Mischkneter kann eine Polykondensationsreaktion, meist kontinuierlich und meist in der Schmelze, stattfinden und wird vor allem verwendet bei der Behandlung von Polyamiden, Polyester, Polyacetaten, Polyimiden, Thermoplaste, Elastomere, Silikone, Harnstoffharze, Phenolharze, Detergentien und Düngemittel. Zum Beispiel findet sie Anwendung auf Polymerschmelzen nach einer Massepolymerisation auf Derivate der Methacrylsäure.
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Stattfinden kann auch eine Polymerisationsreaktion, ebenfalls meist kontinuierlich. Dies wird angewendet auf Polyacrylate, Hydrogele, Polyole, thermoplastische Polymere, Elastomere, syndiotaktisches Polystyrol und Polyacrylamide.
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In Mischknetern kann ein Entgasen und/oder Devolatilisieren stattfinden. Angewendet wird dies auf Polymerschmelzen, nach (Co-)Polymerisation von Monomer(en), nach Kondensation von Polyester oder Polyamidschmelzen, auf Spinnlösungen für synthetische Fasern und auf Polymer- oder Elastomergranulate bzw. -pulver im festen Zustand.
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Ganz allgemein können im Mischkneter feste, flüssige oder mehrphasige Reaktionen stattfinden. Dies gilt vor allem für Backreaktionen, bei der Behandlung von Flusssäure, Stearaten, Cyaniden, Polyphosphaten, Cyanursäuren, Zellulosederivaten, -ester, -äther, Polyacetalharzen, Sulfanilsäuren, Cu-Phthalocyaninen, Stärkederivaten, Ammoniumpolyphosphaten, Sulfonaten, Pestiziden und Düngemittel.
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Des weiteren können Reaktionen fest-/gasförmig (z.B. Karboxylierung) oder flüssig-/gasförmig stattfinden. Angewendet wird dies bei der Behandlung von Acetaten, Aciden, Kolbe-Schmitt-Reaktionen, z.B. BON, Na-Salicylaten, Parahydroxibenzoaten und Pharmaprodukten.
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Reaktionen flüssig/flüssig erfolgen bei Neutralisationsreaktionen und Umesterungsreaktionen.
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Ein Lösen und/oder Entgasen in derartigen Mischknetern findet bei Spinnlösungen für synthetische Fasern, Polyamiden, Polyester und Zellulosen statt.
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Ein sogenanntes Flushen findet bei der Behandlung bzw. Herstellung von Pigmenten statt.
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Eine Solid-State-Nachkondensation findet bei der Herstellung bzw. Behandlung von Polyester, Polycarbonaten und Polyamiden statt, ein kontinuierliches Anmaischen z.B. bei der Behandlung von Fasern, z.B. Zellulosefasern mit Lösungsmitteln, eine Kristallisation aus der Schmelze oder aus Lösungen bei der Behandlung von Salzen, Feinchemikalien, Polyolen, Alkoholaten, ein Compoundieren, Mischen (kontinuierlich und/oder chargenweise) bei Polymeren-Mischungen, Silikonmassen, Dichtmassen, Flugasche, ein Koagulieren (insbesondere kontinuierlich) bei der Behandlung von Polymersuspensionen.
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In einem Mischkneter können auch multifunktionale Prozesse kombiniert werden, beispielsweise Erhitzen, Trocknen, Schmelzen, Kristallisieren, Mischen, Entgasen, Reagieren – dies alles kontinuierlich oder chargenweise. Hergestellt bzw. behandelt werden dadurch Polymere, Elastomere, anorganische Produkte, Rückstände, Pharmaprodukte, Lebensmittelprodukte, Druckfarben.
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In Mischknetern kann auch eine Vakuumsublimation/ Desublimation stattfinden, wodurch chemische Vorprodukte, z.B. Anthrachinon, Metallchloride, Ferrozene, Jod, metallorganische Verbindungen usw. gereinigt werden. Ferner können pharmazeutische Zwischenprodukte hergestellt werden.
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Eine kontinuierliche Trägergas-Desublimation findet z.B. bei organischen Zwischenprodukten, z.B. Anthrachinon und Feinchemikalien statt.
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Im Wesentlichen werden einwellige und zweiwellige Mischkneter unterschieden. Ein einwelliger Mischkneter ist beispielsweise aus der
AT 334 328 , der
CH 658 798 A5 oder der
CH 686 406 A5 bekannt. Dabei ist in einem Gehäuse eine axial verlaufende, mit Scheibenelementen besetzte und um eine Drehachse in einer Drehrichtung drehende Welle angeordnet. Diese bewirkt den Transport des Produktes in Transportrichtung. Zwischen den Scheibenelementen sind Gegenelemente am Gehäuse feststehend angebracht. Die Scheibenelemente sind in Ebenen senkrecht zur Kneterwelle angeordnet und bilden zwischen sich freie Sektoren, welche mit den Ebenen von benachbarten Scheibenelementen Kneträume ausformen.
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Eine mehrwellige Misch- und Knetmaschine wird in der
CH-A 506 322 beschrieben. Dort befinden sich auf einer Welle radiale Scheibenelemente und zwischen den Scheiben angeordnete axial ausgerichtete Knetbarren. Zwischen diese Scheiben greifen von der anderen Welle rahmenartig geformte Misch- und Knetelemente ein. Diese Misch- und Knetelemente reinigen die Scheiben und Knetbarren der ersten Welle. Die Knetbarren auf beiden Wellen reinigen wiederum die Gehäuseinnenwand.
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Ein weiterer mehrwelliger Mischkneter der oben genannten Art ist beispielsweise aus der
EP 0 517 068 B1 bekannt. Bei ihm drehen in einem Mischergehäuse zwei achsparallel verlaufende Wellen entweder gegensinnig oder gleichsinnig. Dabei wirken auf Scheibenelementen aufgesetzte Mischbarren miteinander. Neben der Funktion des Mischens haben die Mischbarren die Aufgabe, produktberührte Flächen des Mischergehäuses, der Wellen und der Scheibenelemente möglichst gut zu reinigen und damit ungemischte Zonen zu vermeiden. Insbesondere bei stark kompaktierenden, aushärtenden und krustenden Produkten führt die Randgängigkeit der Mischbarren zu hohen örtlichen mechanischen Belastungen der Mischbarren und der Wellen. Diese Kraftspitzen treten insbesondere beim Eingriff der Mischbarren in denjenigen Zonen auf, wo das Produkt schlecht ausweichen kann. Solche Zonen sind z.B. dort gegeben, wo die Scheibenelemente auf der Welle aufgesetzt sind.
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Ferner ist aus der
DE 199 40 521 A1 ein Mischkneter der o.g. Art bekannt, bei welchem die Tragelemente im Bereich der Knetbarren eine Ausnehmung ausbilden, damit der Knetbarren eine möglichst grosse axiale Erstreckung aufweist. Ein derartiger Mischkneter hat eine hervorragende Selbstreinigung aller produktberührten Flächen des Gehäuses und der Wellen, hat aber die Eigenschaft, dass die Tragelemente der Knetbarren aufgrund der Bahnen der Knetbarren Ausnehmungen erforderlich machen, die zu komplizierten Tragelementformen führen.
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Aufgabe
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Polymerisationsreaktion, insbesondere von Dienen, zu verbessern.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führt, dass in der Feedzone eine Rückmischung des anpolymerisierten Produktes mit dem Feedstrom erfolgt.
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Diese Rückmischung in der Feedzone hat den erheblichen Vorteil, dass das Produkt, welches relativ flüssig ist, mit einem bereits anpolymerisierten Produkt, welches etwas höherviskos ist, vermischt wird. Hierdurch wird die Viskosität schon frühzeitig in der Feedzone erhöht, sodass durch die entsprechenden Knetelemente bereits früh in Folge der Scherwirkung Wärme in das Produkt bzw. den Feedstrom eingetragen wird, sodass die Exothermie auch schnell gestartet wird. Das bedeutet, dass schon frühzeitig ein Entgasen von Lösungsmittel und auch von nicht polymerisierten Monomeren bzw. Co-Monomeren erfolgt.
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Bevorzugt wird dann aber die Viskosität des Produktes in der Feedzone möglichst konstant gehalten. Die Konstanthaltung erfolgt auf einen Wert auf jeden Fall vor der Einbruchstelle der Verdampfung, sodass das Produkt genügend Zeit hat, zu reagieren und zu entgasen. Bekannt ist, dass sich in Folge des Wärmeeintrags die Viskosität erhöht und zwar bis ein Punkt erreicht wird, an dem die Viskosität so hoch ist, dass kein Lösungsmittel bzw. Monomer mehr vom Inneren des Produktes an die Oberfläche gelangen kann, sodass dann auch keine Entgasung mehr erfolgt. Dies wird als Einbruchstelle der Verdampfung bezeichnet.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Feedzone bis etwa 50 % der Verfahrenslänge, d.h. der Länge des Reaktors erstreckt. Im vorliegenden Fall wird im Übrigen bevorzugt ein Reaktor mit einem Längen/Durchmesserverhältnis von 1 bis 6 verwendet, wobei es sich bevorzugt um einen Ein- oder Zweiwellenkneter handelt. Bei einem Zweiwellenkneter können die Wellen gegensinnig oder gleichsinnig, mit gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl drehen.
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Auf die Feedzone folgt dann eine Transportzone, in der das Produkt zum Austrag geführt wird. Dies geschieht bevorzugt im Plugflow, d. h., ohne Rückmischung. Der Plugflow geschieht über eine Verfahrenslänge von 0,2 bis 1, bevorzugt von 0,4 bis 1.
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Das Austragsorgan für das reagierte Produkt aus dem Reaktor kann beliebig ausgestaltet sein, bevorzugt wird eine Austragsschnecke.
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Des Weiteren ist vorgesehen, das Produkt nicht nur an einem Einlass in den Reaktor einzugeben, sondern an mehreren Einlässen innerhalb der Feedzone. Des Weiteren können dem Produkt vor der Eingabe in den Reaktor oder aber auch nach Eingabe innerhalb der Feedzone noch Initiatoren zugeführt werden. Dabei kann es sich bevorzugt um Metallocen-Katalysatoren oder Ziegler-Natta-Katalysatoren handeln.
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Ein besonderes Augenmerk der vorliegenden Erfindung ist auch auf die Verdampfung des Monomers gerichtet. Das Produkt wird bevorzugt durch die Verdampfung von Monomer im Reaktor gekühlt. Dieses verdampfte Monomer gelangt dann in einen Kondensator, wobei in einem Ausführungsbeispiel daran gedacht ist, dass der Kondensator direkt dem Reaktor aufsitzt und das verdampfte Monomer in diesem Kondensator kondensiert und direkt auch wieder im Reflux-Verfahren dem Feedstrom zugeführt wird. Beim direkten Kondensieren, d. h., beim Reflux wird das Kondensat noch in der Feedzone, d. h. im Bereich von 0 bis 50 % der Verfahrenslänge vom Feed ausgesehen zurückgeführt und so zusammen mit dem anpolymerisierten Produkt ideal rückgemischt.
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Bei einer zweiten Möglichkeit wird das verdampfte Monomer in einem entsprechenden externen Wärmetauscher kondensiert und ggfs. nach einer Aufbereitung dem Reaktor wieder in der Feedzone zugeführt.
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Bei der externen Kondensation kann wiederum die Kondensation direkt oder auch mittels einer Sprühkondensation mit einem Monomer erfolgen, wobei optional daran gedacht ist, dass dieses Monomer Inhibitoren enthält, wodurch die Weiterreaktion des kondensierten Monomers unterbunden wird. In einer Möglichkeit ist auch daran gedacht, dem kondensierten Monomer Sauerstoff zuzuführen, um es zu inhibieren.
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Das gesamte Verfahren kann in einem einzigen Reaktor stattfinden, es ist jedoch auch daran gedacht, die Polymerisation von der Entgasung zu trennen.
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Figurenbeschreibung
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in den
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1 eine schematische Darstellung eines Reaktors zur Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens zur kontinuierlichen Durchführung einer Polymerisation;
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2 eine schematische Darstellung des Reaktors nach 1, jedoch mit externer Kondensatrückführung;
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3 eine schematische Darstellung des Reaktors nach 1 mit einer weiteren Ausführungsform einer externen Kondensatrückführung;
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4 eine schematische Darstellung des Reaktors nach 1 mit anschliessender Austragsschnecke;
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5 eine schematische Darstellung zur zweistufigen Verfahrensdurchführung.
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In 1 ist schematisch ein Mischkneter 1 dargestellt, der, wie im Stand der Technik beschrieben, ausgestaltet sein kann. Er weist insbesondere einen durch einen Pfeil 2 gekennzeichneten Einlass für ein Produkt (Feed) auf, welches in ihm polymerisiert werden soll.
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Gemäss 4 wird der Mischkneter 1 in eine Feedzone 3 und eine Plugflowzone 4 unterteilt, wobei in der Feedzone 3 eine Rückmischung des Produktes (Feed) mit bereits anpolymerisiertem Produkt erfolgt, während in der Plugflow-Zone das Produkt direkt zu einem Austrag 5 hin befördert wird. Die Feedzone nimmt etwa 0 bis 0,5 der Verfahrenslänge ein, dementsprechend die Plugflow-Zone 0,5 bis 1,0.
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Während der Behandlung des Produktes in dem Mischkneter 1 erfolgt ein Verdampfen von insbesondere dem Monomer bzw. Comonomer. Diese verdampften Bestandteile werden durch einen Brüdenstutzen 6 abgezogen, wobei das verdampfte Monomer bevorzugt kondensiert wird. Hierzu ist zu dem Ausführungsbeispiel gemäss 1 in dem Brüdenstutzen 6 ein Wärmetauscher 7 vorgesehen, an oder in dem das verdampfte Monomer direkt kondensiert wird. Dieses Monomer gelangt dann bevorzugt wieder sofort zurück in den Feedstrom.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäss 2 ist eine externe Kondensation vorgesehen, wozu der Wärmetauscher 7.1 angeordnet ist. Von diesem Wärmetauscher 7.1 erfolgt eine Rückführung des kondensierten Monomers direkt in den Einlass 2 des Mischkneters 1.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung gemäss 3 ist eine Sprühkondensation 8 vorgesehen, die ebenfalls mit einem Monomer erfolgt. Dieses Monomer kann Inhibitoren enthalten, die eine Weiterreaktion des kondensierten Monomers unterbinden. Zur Unterbindung kann auch, wie durch den Pfeil 9 angedeutet, dem kondensierten und zurück zu führenden Monomer Sauerstoff zugeführt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäss
5 ist daran gedacht, die Polymerisation in einem Mischkneter
1.1, dann aber die Devolatilisierung, d. h. die Entgasung des Produktes in einem weiteren Mischkneter
1.2 durchzuführen. Aus diesem weiteren Mischkneter
1.2 erfolgt der Abzug des verdampften Monomers über den Brüdenstutzen
6 zu dem Wärmetauscher
7. Eine Pumpe
10 übernimmt dann die Rückführung wieder in den Einlass
2 des Mischkneters
1.1. Bezugszeichenliste
| 1 | Mischkneter |
| 2 | Produkt (Feed) |
| 3 | Feedzone |
| 4 | Plugflow-Zone |
| 5 | Austrag |
| 6 | Brüdenstutzen |
| 7 | Wärmetauscher |
| 8 | Sprühkondensation |
| 9 | Sauerstoffzugabe |
| 10 | Pumpe |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 334328 [0016]
- CH 658798 A5 [0016]
- CH 686406 A5 [0016]
- CH 506322 [0017]
- EP 0517068 B1 [0018]
- DE 19940521 A1 [0019]
