DE1545209C3 - Vorrichtung zur Durchführung von Polykondensationsreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Polyester-Kunststoffen - Google Patents

Description

Polykondensationen sind langsam verlaufende Reaktionen, deren Durchführung normalerweise erhöhte Temperatur, eine gute Durchmischung der (im allgemeinen ziemlich viskosen) Reaktanten sowie die Anlegung eines Vakuums zum Absaugen des während der Reaktion gebildeten Kondensats erfordert. Eine technisch besonders wichtige Reaktion dieser Art ist die Herstellung von Polyester-Kunststoffen durch Polykondensation von Diglykolterephthalat zu Polyäthylenterephthalat.

Bei der Herstellung von Polyester-Kunststoffen, aber auch bei anderen Polykondensationen wird die Qualität des Endproduktes nicht nur von den Druck- und Temperaturbedingungen während des Reaktionsablaufes beeinflußt, sondern auch stark von der Behandlung der Reaktanten im Reaktor. Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung optimaler Ergebnisse außer einer richtigen Auswahl der Druck- und Temperaturbedingungen auch noch mehrere andere wichtige Forderungen erfüllt sein müssen, nämlich:

1. Das Verweilzeitspektrum der den Reaktor durchlaufenden Produkte muß möglichst ertg sein.

2. Während des -Durchlaufs durch den Reaktor ίο müssen die Produkte zwar wirksam, aber zugleich schonend durchgemischt werden.

3. Es muß sichergestellt sein, daß an irgendwelchen mit den Produkten in Berührung kommenden Wandungsflächen des Reaktors keine Produktreste anhaftenbleiben.

4. Es muß sichergestellt sein, daß die Reaktionsmischung beim Durchlauf durch den Reaktor eine ausreichend »offene« Oberfläche besitzt, damit der notwendige Stoffaustausch zwischen der flüssigen Reaktionsmischung und dem Dampfraum stattfinden kann.

Für die Durchführung von Polykondensationsreaktionen sind bislang im wesentlichen sogenannte Scheibenreaktoren benutzt worden, wie sie als typisches Beispiel in den USA.-Patentschriften 27 58 915 und 29 64 391 gezeigt sind. Diese Scheibenreaktoren enthalten im Inneren des (mantelbeheizten) Reaktorgehäuses eine oder mehrere horizontale Wellen, die eine Anzahl von exzentrischen und zueinander versetzten, innen an der Gehäusewand umlaufenden Scheiben oder Rührarmen tragen. Die Reaktanten werden unter Vakuum mittels Fördereinrichtungen (Pumpen oder vor und hinter Scheiben angeordnete Förderschnecken) durch den Reaktor hindurchgefördert und erfahren dabei im Bereich der Scheiben eine starke, knetartige Durchmischung.

Bei solchen Scheibenreaktoren sind zwar die Grund-Voraussetzungen für die Reaktionsdurchführung (nämlich Erwärmung und Durchmischung der Reaktanten sowie Vakuum im Dampfraum) gegeben, es sind aber, wie weiter unten noch im einzelnen dargelegt wird, die für eine optimale Behandlung der Reaktanten zusätzlich wichtigen Forderungen nicht erfüllt und nicht erfüllbar. Demgegenüber soll mit der Erfindung ein Reaktor geschaffen werden, der auch diesen Forderungen voll gerecht wird und damit die anzustrebende optimale Behandlung der Reaktanten im Reaktor ermöglicht.

so Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Durchführung von Polykondensationsreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Polyester-Kunststoffen, mit einem mantelbeheizten Reaktionsgehäuse, das mehrere Rührwellenanordnungen enthält und das mit Anschlußstutzen zum Eintrag und Austrag der Reaktionsprodukte versehen ist, gekennzeichnet durch eine Vereinigung der Merkmale, daß die Rührwellenanordnungen als mindestens zwei parallel zueinander angeordnete, horizontale und eingängige Schnecken ausgebildet sind, die mit gleichem Drehsinn angetrieben sind und deren Flanken in an sich bekannter Weise die Form eines Kreisbogens aufweisen, dessen Radius gleich ist dem Achsmittenabstand der Schnecken, daß die Schnecken in ihrem unteren Bereich bis zu einer

⁶S Horizontalebene, die oberhalb der Schneckenachse und unterhalb des Schnittpunktes der Umfangskreise der Schnecken verläuft und die zugleich die obere Grenze für den Pegelstand der Reaktionsprodukte angibt, mit

ihren Randkanten dicht an der Gehäusewand anliegen, während im oberen Bereich der Schnecken zwischen diesen und der Gehäusewand ein mit einem Vakuumanschluß versehener Dampfraum gebildet ist, wobei die Schnecken in Axialrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Gängen einen Spielraum aufweisen, und wobei wenigstens eine der Schnecken axial verschiebbar ist.

Die Erfindung verläßt den bisher eingeschlagenen Weg der Verwendung von Scheibenknetern oder Rührern grundsätzlich, sie sieht statt dessen einen Schneckenreaktor besonderer Bauart vor, der eine Reihe wichtiger Vorteile zur Folge hat und auch besonders für eine kontinuierliche Reaktionsdurchführung geeignet ist Das Ausgangsprodukt läuft dabei von einem Reaktorende aus mittels der rotierenden Schnecken nach Maßgabe der gewählten Rotationsgeschwindigkeit stetig durch den Reaktor hindurch und wird am anderen Reaktorende als Endprodukt entnommen. Innerhalb des Reaktors steht es unter den erforderlichen Druck? und Temperaturbedingungen. Unmittelbar nach dem Verlassen des Reaktors kann das Endprodukt unverzüglich weiterverarbeitet, beispielsweise versponnen werden.

Beim Durchlaufen des Reaktors stellt sich ein ausgesprochen enges Verweilzeitspektrum ein, d. h., alle Produktteilchen verbleiben etwa gleich lange im Reaktor. Da der Flüssigkeitsspiegel im Reaktor begrenzt ist und die Behälterwand mindestens bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels dicht an die Außenkanten der Schnecken anschließt, bilden die Schnecken für das Produkt separate, in Längsrichtung des Reaktors bewegte Kammern, in denen gleichsam eine Portion der Reaktionsprodukte nach der anderen aufeinanderfolgend durch den Reaktor hindurch bewegt wird. Diese einzelnen Portionen können sich also nicht ineinandermischen, und es kann folglich auch nicht geschehen, daß später in den Reaktor eingetragene Produktteilchen früher am Austrittsende ankommen, während früher eingetragene Teilchen sich noch im Reaktor befinden. Dieses die Erzielung eines qualitativ hochwertigen Endproduktes mit gleichmäßigem Polykondensationsgrad wesentlich fördernde Ergebnis vermögen Scheibenreaktoren nicht zu erbringen. Zwar kann sich bei Scheibenreaktoren eine weitgehend konstante mittlere Verweilzeit einstellen, aber der Schwankungsbereich für die Verweilzeiten einzelner herausgegriffener Produktteilchen ist doch recht groß.

Innerhalb der bei dem erfindungsgemäßen Reaktor gebildeten Kammern wird das Produkt nicht nur transportiert (und natürlich über den äußeren Heizmantel beheizt), sondern es wird zugleich auch einer intensiven Mischung unterworfen, die aber sehr viel sanfter ist, als das grobe Quetschen und Kneten des Produktes, das bei den Scheibenreaktoren stattfindet.

Bei dem Knetvorgang der Scheibeneinrichtungen werden nämlich unvermeidlich in den Knetzonen sehr starke Scherkräfte auf das Produkt ausgeübt. Diese Scherkräfte können, wie gefunden wurde, zu Kettenbrüchen Anlaß geben, mit der Folge, daß die Produktqualität entsprechend leidet. Im übrigen besitzen Scheibenreaktoren keine fördernde Wirkung, sondern benötigen durchweg zusätzliche Fördereinrichtungen, die das Produkt in einem kontinuierlichen Strom durch den Reaktor hindurchpressen, während die Scheiben selbst den Strom nur in praktisch radialer Richtung bearbeiten. Demgegenüber findet in den einzelnen Kammern bei dem erfindungsgemäßen Reaktor nicht nur eine radiale Bearbeitung des Materials statt, sondern es treten auch vergleichbar große Wirkungskomponenten in axialer Richtung und in Umfangsrichtung auf, so daß das Produkt optimal durchmischt und ohne Notwendigkeit zusätzlicher Förderungsmittel gefördert wird.

Eine große Schwierigkeit hat bei allen Reaktoren bisher das Haftenbleiben von Produktresten an irgendwelchen Wandungsflächen innerhalb des Reaktors dargestellt. Solche Reste können wegen der beträchtlichen Viskosität des Produktes sehr leicht irgendwo haftenbleiben und dort gegebenenfalls verkracken, so daß der Reaktor von Zeit zu Zeit zur Reinigung stillgesetzt werden mußte. Solche Reste können aber auch, wenn sie sich einmal während des Betriebes von den Wandungsteilen lösen und wieder in das geförderte Material gelangen, das Verweilzeitspektrum und damit die Produktqualität verschlechtern. Zur Vermeidung dieses Mangels ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Schnecken des sogenannten »selbstreinigenden« Typs versehen. Dieser selbstreinigende Typ ist für sich bereits aus der deutschen Patentschrift 8 62 668 bekanntgeworden, und zwar dort für eine Knet- und Preßvorrichtung. Die Erfindung verwendet dieses an sich bekannte Selbstreinigungsprinzip in sehr vorteilhafter Weise dazu, das an den Schneckenflanken (und natürlich auch an den Wandungen des Reaktors selbst) anhaftende viskose Produkt stetig abzukratzen und damit entlang dem Reaktor weiterzufördern. Die Kratzwirkung ist dabei wiederum so geschaffen, daß keinerlei Scherkräfte auf das Produkt ausgeübt werden. Eine mit dieser Selbstreinigung vergleichbare Wirkung läßt sich mit Scheibenreaktoren nicht erreichen. Die Ausbildung und Anordnung der Schnecken innerhalb des Reaktors ermöglicht die Axialverschiebung wenigstens einer der Schnecken, derart, daß wechselweise die eine oder die andere Flanke des Schneckengewindes mit der äußeren Rundkante der Nachbarschnecke in Berührung kommt und so gereinigt wird.

Die offene Austauschfläche ist bei dem Reaktor gemäß der Erfindung ebenfalls sichergestellt, denn die Schneckenflanken treten mit ihren jeweils oberen Abschnitten in den Dampfraum des Reaktors ein, wobei sie stets etwas anhängendes Produkt in verhältnismäßig dünner Schicht mit durch den Dampfraum ziehen. Dieser dünne Produktfilm ergibt einen sehr guten Austausch zwischen dem Produkt und dem Dampfraum, der vor allen Dingen den Vorteil hat, daß alle Produktteilchen in gleichem Ausmaß mit dem Dampfraum in Berührung gebracht werden. Auch dieses Ergebnis können Scheibenreaktoren nicht liefern. Vielmehr besteht dort der Nachteil, daß einzelne Produktteilchen sehr oft und andere beinahe überhaupt nicht mit dem Dampfraum in Berührung gebracht werden, was sich wiederum entsprechend nachteilig auf die Produktqualität auswirkt.

Zweckmäßig ist in weiterer Ausbildung der Erfindung das die Schneckenanordnung enthaltende Reaktionsgehäuse in einem geschlossenen, vorzugsweise zylindrischen Heizbehälter angeordnet, der aus mehreren, in Längsrichtung voneinander getrennten Kammern besteht und der mit einem geeigneten Heizmedium beschickt wird.

Die Antriebskraft für die Schnecken kann zunächst von einem Motor auf eine der Schnecken ausgeübt werden und von dieser durch geeignete, übliche Getriebeelemente auf die übrigen Schnecken übertragen werden, derart, daß alle Schnecken gleichsinnig rotiert werden. Das Getriebe liegt dabei zweckmäßig außerhalb des Reaktionsbehälters und außerhalb des

Heizbehälters so, daß es durch eine Kühlwand gegen Wärmeeinfluß isoliert ist.

Weiterhin ist es günstig, am Ende des Reaktionsbehälters eine Förderschnecke anzuordnen, die das Reaktionsprodukt abnimmt und einer Bearbeitungseinrichtung zuführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen stellt dar

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Polykondensationsreaktors im Horizontalschnitt,

F i g. 2 das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 im Längsschnitt,

F i g. 3 das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2 im Mittelquerschnitt,

F i g. 4 das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 bis 3 in einer getriebeseitigen Ansicht.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in einem Reaktionsbehälter 30 drei parallelachsige Schnecken 31, 32, 33 drehbar angeordnet. Die Schnecken sind mit ihren Enden in abgedichteten Radiallagern 34 und 35 geführt, die Abdichtung kann in üblicher Weise mit Stopfbuchsen oder ähnlichen Mitteln durchgeführt sein. Diese Abdichtung der Wellendurchführung ist deshalb wichtig, weil während der Reaktion innerhalb des Behälters 30 ein verhältnismäßig hohes Vakuum aufrechterhalten werden muß.

Der Behälter 30 ist bis zum Produktspiegel 38 mit Reaktionsprodukt gefüllt. Die Schneckenflanken führen während der Umdrehung der Schnecken beim Austritt aus der Produktmasse jeweils einen dünnen Produktfilm mit, der dann in dem oberhalb des Spiegels befindlichen, evakuierten Reaktionsraum 43 zum Austausch mit einer Dampfphase kommt.

Um zu vermeiden, daß sich ständig ein Teil des Reaktionsproduktes auf den Flanken der Schnecken absetzt, finden Schnecken Verwendung, die eine gegenseitige Selbstreinigung der Flanken bewirken. Der prinzipielle Aufbau derartiger selbstreinigender Schnecken setzt voraus, daß die Flanken im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildet sind, wobei der Radius dieses Flankenbogens dem Achsmittenabstand der miteinander im Eingriff stehenden Schnecken entspricht. Praktisch kann jede nach diesem Prinzip aufgebaute Schneckenform in einem Reaktor gemäß der Erfindung Verwendung finden.

Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand ζ zwischen in Axialrichtung aufeinanderfolgenden Flanken, beispielsweise 36, 37 (Gewindenut) einer Schnecke, z. B. 32, größer als die Stärke y des einfassenden Gewindes der benachbarten Schnecke 31. Durch Relativverschiebung in Axialrichtung zwischen den Schnecken kann erreicht werden, daß die Flanken einer Schnecke, z. B. 31, alternativ an den Flanken 36 oder 37 der benachbarten Schnecke 32 zur Anlage kommen und damit die Abstreifwirkung abwechselnd auf der einen und der anderen Flanke herbeiführen.

Diese zeitweise Reinigung und Freigabe der Schnekkenflanken kann bei dem in den Zeichnungen dargestellten Reaktor mit drei nebeneinanderliegenden Schnecken in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die mittlere Schnecke axial verschieblich gelagert ist. Je nach den durchzuführenden Reaktionen und je nach der Wirkung der Ausgangsstoffe wird während des Reaktionsverlaufes die mittlere Schnecke von Zeit zu Zeit in Axialrichtung von der einen Endstellung (z. B.

Anlage an den Flanken 36) in die andere Endstellung (Anlage an den Flanken 37) verschoben. Damit ist gewährleistet, daß die Bildung von Absetzungen des Reaktionsproduktes auf den Flanken verhindert wird.
Durch die Schnecken wird nach Maßgabe der Rotationsgeschwindigkeit eine stetige Förderung des Produkts durch den Behälter 30 erzielt. Dabei ist eine Vermischung der Produktteile in Axialrichtung des Behälters sehr unerwünscht. Um eine derartige Vermischung zu verhindern, liegt deshalb der Mantel des Behälters 30 zumindest bis zur Höhe des Spiegels 38 dicht an den Außenkanten 39 der Schnecken an. Dadurch werden jeweils völlig abgeschlossene Kammern 40 zwischen aufeinanderfolgenden Gängen einer Schnecke gebildet. Diese Kammern verlaufen über die gesamte Breite des Behälters und werden mit ihrem Inhalt durch die Rotation der Schnecken langsam vom Eintrittsstutzen 41 in Richtung auf den Entnahmestutzen 42 verschoben, wobei während dieser kontinuierlichen Längsbewegung ständig die Reaktion durchgeführt wird, ohne daß eine Vermischung des Inhaltes der in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Kammern stattfinden kann.
Für die Durchführung von Polykondensationen ist ein verhältnismäßig hohes Vakuum im Reaktionsbehälter 30 erforderlich. Dieses Vakuum wird in dem oberhalb des Spiegels 38 verbleibenden vergrößerten, im Querschnitt vorzugsweise halbkreisförmigen Raum 43 erzeugt. Über einen im oberen Bereich des Behälters 30 vorgesehenen Stutzen 44 wird ständig Kondensat, beispielsweise Wasser, abgeführt und dabei zugleich das erforderliche Vakuum erzeugt.

Weiterhin muß während der Reaktion Wärme zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist der gesamte Reaktionsbehälter 30 von einem im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrischen Heizbehälter 45 umgeben. Um ein Abstufen der Heiztemperatur in Längsrichtung des Behälters je nach der durchgeführten Reaktion zu ermöglichen, kann der Heizbehälter 45 mehrere, beispielsweise drei, gesonderte Heizkammern 46,47 und 48 aufweisen. Jede Heizkammer ist mit einem Einlaßstutzen 49 und einem Auslaßstutzen 50 für das Heizmedium versehen. Die außenliegende Heizkammer erstreckt sich auch in den Bereich der Endwandung 51 des Reaktionsbehälters.

Der Rotationsantrieb der Schnecken erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Elektromotor 52, der außerhalb des Reaktionsbehälters und außerhalb des Heizbehälters angeordnet ist. Die Antriebskraft wird über ein Zahnrad 53 (F i g. 4) von der Motorwelle zunächst auf ein auf der mittleren Schnecke 32 angeordnetes, außerhalb des Reaktionsbehälters liegendes Zahnrad 54 übertragen und von diesem unter Zwischenschaltung weiterer Zahnräder 55 und 56 auf die den Schnecken 31 und 33 zugeordneten Zahnräder 57 und 58. Die Zwischenräder 55 und 56 dienen jeweils zur Umkehrung der Rotationsrichtung, so daß sämtliche Schnecken in gleicher Richtung angetrieben werden. Zweckmäßigerweise ist, wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel, die dem so gebildeten Getriebe zugekehrte Endwandung 59 des Reaktionsbehälters mit einer Kühlkammer 60 ausgebildet, die einen unerwünschten Wärmeübergang auf das Getriebe verhindert. Das Getriebe ist in einem mit der Endwandung des Behälters verbundenen Gehäuse 61 angeordnet.

Gemäß der Erfindung soll die mittlere Schnecke 32 von Zeit zu Zeit in Axialrichtung hin- und hergehend verschoben werden. Diese zusätzliche Bewegung

erfolgt durch einen am Ende der Schneckenwelle 62 angeordneten hydraulisch oder pneumatisch betätigten Kolben 63, der verschieblich in einem Zylinder 64 geführt ist. Der Zylinder ist mit den üblichen Druckmittelleitungen 65 und 66 ausgerüstet. Das Ende der Schneckenwelle 62 ist axial verschieblich in dem zugeordneten Zahnrad 54 gelagert, und zwar mit einer geeigneten Mitnehmerverbindung, so daß bei Rotation des Zahnrades 54 die Schnecke mitgenommen wird, jedoch axial Verschiebungen bei relativ dazu stillstehendem Zahnrad 54 durchführbar sind.

Die Zufuhr des Produkts erfolgt über den Stutzen 41. Da innerhalb des Behälters 30 ständig ein Vakuum herrscht, sind für die Einführung des Produkts keine

besonderen Fördereinrichtungen notwendig. Dagegen erfolgt die Entnahme des Reaktionsproduktes am anderen Ende des Behälters über den Stutzen 42 gegen die Belastung durch das Vakuum. Aus diesem Grunde ist innerhalb des Stutzens 42 eine Förderschnecke vorgesehen, die das Reaktionsprodukt unmittelbar über eine Leitung 68 einer Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einer Spinneinrichtung, zuführt, was einem unerwünschten Abbau des Polykondensationsgrades nach Verlassen des Reaktionsbehälters entgegenwirkt. Der Stutzen 42 ist zur Aufrechterhaltung der Temperatur außerhalb des durch die Heizkammer 48 beeinflußten Bereiches mit einer weiteren Heizkammer 69 versehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

809 622/17

Claims (5)

ίο to Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von Polykondensationsreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Polyester-Kunststoffen, mit einem. mantelbeheizten Reaktionsgehäuse, das mehrere Rührwellenanordnungen enthält und das mit Anschlußstutzen zum Eintrag und Austrag der Reaktionsprodukte versehen ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung der Merkmale, daß die Rührwellenanordnungen als mindestens zwei parallel zueinander angeordnete, horizontale und eingängige Schnecken (3 t, 32, 33) ausgebildet sind, die mit gleichem Drehsinn angetrieben sind und deren Flanken (36, 37) in an sich sich bekannter Weise die Form eines Kreisbogens aufweisen, dessen Radius gleich ist dem Achsmittenabstand der Schnecken, daß die Schnekken in ihrem unteren Bereich bis zu einer Horizontalebene (38), die oberhalb der Schneckenachse und unterhalb des Schnittpunktes der Umfangskreise der Schnecken verläuft und die zugleich die obere Grenze für den Pegelstand der Reaktionsprodukte angibt, mit ihren Randkanten dicht an der Gehäusewand anliegen, während im oberen Bereich der Schnecken zwischen diesen und der Gehäusewand ein mit einem Vakuumanschluß versehener Dampfraum (43) gebildet ist, wobei die Schnecken in Axialrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Gängen einen Spielraum aufweisen und wobei wenigstens eine der Schnecken axial verschiebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgehäuse (30) in einem zylindrischen Heizbehälter (45) untergebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizbehälter (45) in Axialrichtung in mehrere gesonderte Heizkammern (46, 47, 48) unterteilt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe (53, 54, 55, 56, 57, 58) für den gleichsinnigen Antrieb der Schnecken (31, 32, 33) außerhalb des Heizbehälters (45) angeordnet und durch eine Kühlwandung (59, 60) gegenüber Wärmeeinfluß isoliert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Reaktionsgehäuses (30) eine Förderschnecke (67) angeordnet ist, die das Reaktionsprodukt abnimmt und einer Bearbeitungseinrichtung zuführt.