DE1164381B

DE1164381B - Reaktorsystem

Info

Publication number: DE1164381B
Application number: DEF33451A
Authority: DE
Inventors: Dr Robert Schmitz-Josten; Dr Rudolf Haupt
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1961-03-18
Filing date: 1961-03-18
Publication date: 1964-03-05
Also published as: GB967261A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: BOIj

Deutsche Kl.: 12 g-2/01

Nummer: 1164 381

Aktenzeichen: F 33451IV a /12 g

Anmeldetag: 18. März 1961

Auslegetag: 5. März 1964

Reaktorsystem

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem, beispielsweise für Polymerisationen unter Druck, das aus einer Anzahl paralleler Rohrstränge besteht, die an eine gemeinsame Dosiermischvorrichtung angeschlossen sind und mit einer Entnahmevorrichtung versehen sind. Da bei vielen Reaktionen, z. B. Polymerisationen, wie Äthylen-Vinylacetat-Mischpolymerisation, die Temperatur im Reaktionsraum zwecks Erzielung optimaler Produkte innerhalb verhältnismäßig enger Grenzen konstant gehalten werden muß und ein enges Verweilzeitspektrum innerhalb des Rohrreaktors erforderlich ist, muß während der Reaktion der Inhalt jedes Rohres konstant bleiben und eine gleichmäßige Produktabnahme pro Rohr gesichert sein. Bei Reaktionen unter Druck mit kontinuierlicher Entnahme sind die freien Querschnitte der Entspannungsventile meist so klein, daß eine gleichmäßige Produktabnahme nicht gewährleistet ist. Besonders bei Entspannung von inhomogenen Reaktionsprodukten oder bei Gas-Flüssigkeits-Gemischen, die sich bei der Entspannung entmischen, treten bei Dauerbetrieb an den Ventilen Abnutzungserscheinungen auf, die die Querschnitte in unkontrollierbarer Weise verändern, so daß ein gleichmäßiger Mengenfluß in den einzelnen Rohrsträngen der Anlage nicht mehr möglich ist.

Es wurde nun gefunden, daß eine gleichmäßige Beschickung der Rohre und eine gleichmäßige Produktabnahme erreicht wird, wenn an den Austrittsenden der Rohrstränge Schleusen mit vor- und nachgeschalteten, steuerbaren Ventilen angeordnet sind. Das Verhältnis Schleusenvolumen zu Rohrvolumen ist bei allen Rohrstrangschleuseneinheiten gleich. Mit Hilfe dieser Sehleusenvorrichtung kann erfindungsgemäß aus jedem Rohrstrang jeweils eine genau dosierte Menge intermittierend und taktweise abgezapft und auf einen unter dem Reaktionsdruck liegenden Druck entspannt werden, so daß eine gleichmäßige Zufuhr zu den einzelnen Rohren aus dem gemeinsamen Beschickungsverteiler erzwungen wird. Hierdurch wird für alle Rohre eine gleiche Verweilzeit, die Erzielung eines gleichmäßigen Umsatzes und gleicher Produktqualität gewährleistet. Die bei der taktweisen Entspannung auftretenden Druckstöße bewirken in den Rohren eine Pulsierung und dadurch eine gute Durchmischung der Reaktionspartner gegebenenfalls auch ohne Anwendung mechanischer Rührvorrichtungen. Durch die stoßweise Entnahme der Reaktionsprodukte wird ein Ansetzen derselben an den Rohrwandungen verhindert, so daß die Verstopfungsgefahr weitgehend ausgeschaltet ist. Der Reaktionsverlauf kann in den dünnen Rohren sehr gut gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Anmelder:

Farbenfabriken Bayer Aktiengesellschaft,

Leverkusen

Als Erfinder benannt:

Dr. Robert Schmitz-Josten, Köln-Stammheim,

Dr. Rudolf Haupt, Leverkusen-Bayerwerk

Anordnung ist für beliebig große Anlagen verwendbar, wobei nur eine einzige Verteilungsvorrichtung für die Zuführung der Reaktionspartner in die Vielzahl der Rohre erforderlich ist. Bei Störungen an einem Rohrstrang kann dieser leicht ausgewechselt werden, ohne daß die ganze Anlage zum Erliegen kommt.

Die taktweise Betätigung der Antriebe, der jeder Schleuse vor- und nachgeschalteten Ventile, wird zweckmäßig durch ein Zeitrelais oder ein Kontaktmanometer, das beispielsweise' auf den gewünschten Arbeitsdruck eingestellt ist, vorgenommen.

Das optimale Verhältnis... Schleusenvolumen zu Rohrvolumen muß für jede Reaktion eingestellt werden. Es ist abhängig von der Verweilzeit, dem Umsatz, der Verwendung von flüssigen Reaktionskomponenten, der Anwesenheit von gasförmigen Reaktionskomponenten sowie vom mittleren Reaktionsdruck. Da durch die intermittierende und taktweise Entnahme in den Reaktionsräumen Druckstöße entstehen, ist das Verhältnis Schleusenvolumen zu Rohrvolumen nach oben durch die bei der Füllung und Entleerung des Entnahmevolumens entstehende Druckschwankung in den Rohren begrenzt, falls ein bestimmter Mindest- und Höchstdruck nicht unter- bzw. überschritten werden darf. Im allgemeinen wird das Verhältnis Schleusenvolumen zu Rohrvolumen eine Größe von 0,005 bis 0,1 besitzen. Bei der Durchführung von Reaktionen unter Druck hat sich beispielsweise ein Verhältnis von 0,002 bis 0,1 bewährt. Da vor den Rohrsträngen als Dosiervorrichtung ein Speichergefäß angeordnet ist, kann die Größe der Druckschwankungen in den Rohren auch durch geeignete Größe des Speichergefäßes oder durch Verwendung eines Überdruckes im Speichergefäß gegenüber dem maximalen Reaktionsdruck in den Rohren vermindert werden.

Die taktweise Entnahme aus den einzelnen Rohrsträngen erfolgt vorzugsweise in gleichbleibender Reihenfolge aller Rohre. Eine Füllung und Entleerung aller Schleusen geschieht in einem Zyklus.

409 537/541

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt

A b b. 1 schematisch eine Ausführung des Rohrreaktors für zeitlich nacheinander ablaufende Entnahmespiele der einzelnen Puffer und

A b b. 2 eine Ausführung eines Rohrreaktors für den gleichzeitigen Ablauf aller Entnahmespiele.

Gasförmige Reaktionsteilnehmer werden durch die Leitung 1 mittels des Kompressors 2 durch Leitung 3 in das Misch- und Speichergefäß 4 eingeleitet. Die flüssigen Reaktionsteilnehmer werden dem Mischgefäß 4 aus der leitung 5 mittels der Pumpe 6 über Leitung 7 zugeführt. Die Komponenten werden im Gefäß 4 gegebenenfalls durch den Rührer 8 innig vermischt.

Das Reaktionsgemisch fließt aus dem Speicherund Mischgefäß 4 durch die Verteilerleitung 9 in die einzelnen Leitungen 10,1O₁,1O₂,1O₃ bis 1O_n und zu den Reaktionsrohren 11, H₁, H₂, H₃ bis 11». In diesen Reaktionsrohren wird durch geeignete Temperaturführung die Reaktion eingeleitet und durchgeführt. Die Rohre 11 bis 11» sind zweckmäßigerweise alle gleich lang und haben gleiches Volumen. An den Austrittsenden der Rohre 11 bis H_n sind Entnahmeschleusen 12, U₁,12_a, 12₃ bis 12» angeschlossen, denen die steuerbaren Ventile 13, 13_X, 13₂, 13₃ bis 13» vorgeschaltet und die steuerbaren Ventile 14, 14_l5 14₂, 14₃ bis 14» nachgeschaltet sind. Durch die Leitung 15 werden die dem Reaktor entnommenen Produkte zur Aufarbeitungsanlage abgeführt. Die taktweise Entnahme der Stoffe an den Schleusen, beispielsweise an Schleuse 12, geschieht folgendermaßen:

Takt 1:

Öffnen des Ventils 13 und Füllen der Schleuse 12.

35 Takt 2:

Schließen des Ventils 13 und angemessene Sicherheitspause über die Schließzeit hinaus.

Takt 3:

öffnen des Ventils 14 und Entleeren der Schleuse 12. *°

Takt 4:

Schließen des Ventils 14 und angemessene Sicherheitspause über die Schließzeit hinaus.

Die Takte 1 bis 4 laufen bei jedem Rohr in für jeden Takt konstantem Zeitabstand voneinander ab. Die Druckregulierung der Ablage erfolgt über die Pause zwischen den Öffnungstakten der den jeweiligen Schleusen vorgeschalteten Ventilen 13 bis 13_n, beispielsweise durch ein Zeitrelais.

Die in A b b. 1 gezeigte Druckregelung für das Reaktorsystem arbeitet folgendermaßen:

Der Druck des Rohrsystems wird z. B. über einen Transmitter 17 gemessen. Dessen Meßwert wird auf den Eingang eines Reglers 18 gegeben, der ein PI-Verhalten hat. Der Regler 18 beeinflußt ausgangsseitig die Drehzahl eines Schrittschalters 21 z. B. über den Stellmotor 19 eines Regelgetriebes 20. Zu jeder Entspannungsschleuse 12 bis 12» des Systems gehört ein Nockenschalter 22 bis 22», der nach einmaligem Anstoßen durch den Schrittschalter 21 das Entspannungsspiel der jewiligen Schleuse selbsttätig einmal ablaufen läßt.

In A b b. 2 ist eine vereinfachte Schaltung des Schleusensystems gezeigt. Sie wird angewandt, wenn alle Ventile 13 bis 13» gleichzeitig öffnen sollen. In diesem Fall wird der Druck des Rohrsystems über einen Transmitter 17 gemessen. Dessen Meßwert wird auf den Eingang eines Reglers 18 gegeben, der ein PI-Verhalten hat. Dieser Regler stößt den Nockenschalter 22 an, der nach dem Anstoß das Entspannungsspiel aller Schleusen gleichzeitig einmal ablaufen läßt. Falls die Vormischung im Speichergefäß 4 unter einem höheren Druck als dem bei der Reaktion verwendeten Druck durchgeführt wird, können vor den einzelnen Rohrsträngen Drosselorgane 16,16_1; 16₂, 16₃ bis 16», beispielsweise Überströmventile, angebracht werden, welche die Reduzierung auf den Reaktionsdruck bewirken.

Beispiel

Nach den Patentanmeldungen F 22061 IVb/39c und F 23878 IVb/39c werden unter einem Druck von 320 atü bei Raumtemperatur über einen mit einem Rührer versehenen Mischautoklav von 161 Inhalt stündlich 2,5 kg Äthylen und 6,1 kg einer Lösung aus 25% Vinylacetat, 75% tert. Butanol und 0,05% »«,öc'-Azo-diisobuttersäuredinitril« kontinuierlich in ein aus zwei Rohren bestehendes Rohrsystem eingedrückt, welches sich in einem auf 63 ⁰C erwärmten Wasserbad befindet. Dieses Rohrsystem hat ein Gesamtvolumen von 100 1 und besteht aus zwei parallel geschalteten Hochdruckrohren, deren Innendurchmesser 45 mm und deren Volumen je 50 1 beträgt. Hinter jedem Rohr befindet sich ein Schleusengefäß mit vor- und nachgeschalteten Ventilen mit je 220 ecm Inhalt, über die intermittierend die Lösung des Polymerisates entnommen wird. Die Öffnungszeit der Ventile beträgt dabei 3 Sekunden und die Schließzeit 72 Sekunden. Der Druckabfall bei einer Pufferfüllung betrug bei dem betreffenden Rohr jeweils 20 atü. Das den Puffern entnommene Produkt wird vom Gas und Lösungsmittel befreit und in trockener Form isoliert, wobei pro Stunde 1,2 kg eines Mischpolymerisates von gleichmäßiger Beschaffenheit anfallen, welches 41,5% Vinylacetat und 58,5% Äthylen enthält. Die Anlage läßt sich über lange Zeiträume störungsfrei betreiben, während der gleiche Ansatz in einem Autoklavsystem, bei welchem die Produktentnahme kontinuierlich erfolgt, schon nach einigen Tagen abgestellt werden muß, da eine gleichmäßige Temperaturführung nicht mehr möglich ist und sich Ablagerungen in dem Autoklav bilden. Eine Fällungsfraktionierung des Produktes ergab eine hohe Einheitlichkeit sowohl der Molekulargewichte als auch der chemischen Zusammensetzung. Das Produkt wird bei 151⁰C 30 Minuten lang vulkanisiert und hatte die in der Tabelle angegebenen mechanischen Werte. Zum Vergleich sind die Werte eines Produktes aufgeführt, welches unter gleichen Bedingungen in einem Autoklavsystem mit kontinuierlicher Produktabnahme erhalten wurde.

Zugfestigkeit, kg/cm²

Bruchdehnung, %

Shore-Härtebei20°C ....
Stoßelastizität bei 20⁰C, %

Rohrreaktor

180

470

66

51

Autoklavensystem

130

440

68

47

Der beschriebene Rohrreaktor eignet sich besonders für die kontinuierliche Durchführung von chemischen Reaktionen, bei welchen viskose oder inhomogene Produkte eingesetzt oder gebildet werden, beispielsweise für die Herstellung von hochmolekularen Verbindungen durch Polymerisations- oder Poly-

kondensationsreaktionen, sowie für die Umwandlung von hochmolekularen Produkten, beispielsweise durch Hydrierung.

Er ist z. B. geeignet für die Polymerisation bzw. Copolymerisation von Olefinen oder Olefinderivaten, wie Äthylen, Propylen, Isobutylen, Styrol, Butadien, Isopren, Vinylacetat, Vinylpropionat, Isopropenylacetat, Vinylchlorid, Acryl- und Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure sowie deren Estern, Amiden, Nitrilen und Anhydriden.

Bei solchen Polymerisationsreaktionen werden durch die Parallelschaltung von vielen Rohren ein geringerer Druckabfall, ein günstigeres Verweilzeitspektrum und dadurch in vielen Fällen eine engere Molekulargewichtsverteilung, bessere Produktqualitäten und ein höherer Umsatz erzielt als bei der Hintereinanderschaltung der Rohre.

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktor system, bestehend aus mehreren parallel geschalteten Rohren, die an einer gemeinsamen Dosiermischvorrichtung angeschlossen und an ihrem Austritt mit Schleusen versehen sind, die durch steuerbare Ventile abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile mittels Vorrichtungen gesteuert sind, die ein taktweises Abzapfen der Rohre bewirken.

2. Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe der Ventile durch ein Zeitrelais gesteuert sind.

3. Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe der Ventile durch ein auf den gewünschten Arbeitsdruck des Reaktorsystems einstellbaren Kontaktmanometer gesteuert sind.

4. Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Schleusenvolumen zum Volumen des zugehörigen Reaktionsgefäßes konstant ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 957 297.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen