DE1960938A1

DE1960938A1 - Polymerisation reactor with mixer

Info

Publication number: DE1960938A1
Application number: DE19691960938
Authority: DE
Inventors: Richard Scholl; Karl Dr Wisseroth
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1969-12-04
Filing date: 1969-12-04
Publication date: 1971-06-09
Also published as: BE759541A

Abstract

Horizontal tubular reactor, esp. for polymerisation reactions, is provided with a mixer rotating around its central axis, this mixer having the shape of a frame with outer longitudinal plates moving in the immediate vicinity of the internal surface of the reactor wall. Used esp. for the gas phase polymerisation of ethylene, propylene and vinyl chloride.

Description

Mischvorrichtung zur Durchführung chemiscber Reaktionen Bei vielen chemischen Umsetzungen hängt die Art der entstehenden Produkte in entscheidender Weise von dem Verweilzeitspektrum der stofflichen Komponenten, insbesondere auch des Katalysators, im Reaktor ab. So werden z.B. Molekulargewichtswie auch Korngrößen-Verteilung von pulverförmig bis feinkörnig anfallenden Polymerisaten in starkem Maße vom Verweilzeitspektrum geprägt. Das Verweilzeitspektrum eines ideal durch mischten Reaktorinhaltes kann für geraden Durchlauf eines kontinuierlichen Prozesses leicht rechnerisch erfaßt werden. Mixing device for carrying out chemical reactions For many chemical conversions depends on the type of the resulting products in decisive Way of the residence time spectrum of the material components, in particular also of the catalyst, in the reactor. For example, molecular weight and grain size distribution are determined from powdery to fine-grained polymers to a large extent on the residence time spectrum embossed. The residence time spectrum of an ideally mixed reactor content can easily computed for a straight run of a continuous process will.

So gilt z.B. für die Altersverteilung der stofflichen Komponenten ausgedrückt durch die jeweiligen Konzentrationsanteile c(t) = cO e-trt (t), worin cO die in einem bestimmten Augenblick durch Zufügung z.B. eines Katalysators erhaltene Konzentration, t die mittlere Verweilzeit im Reaktor und c(t) die entsprechende Konzentration nach der Zeit t bedeutet.For example, this applies to the age distribution of the material components expressed by the respective concentration fractions c (t) = cO e-trt (t), where cO that obtained at a given moment by adding a catalyst, for example Concentration, t the mean residence time in the reactor and c (t) the corresponding Concentration after time t means.

Die effektive Verweilzeit eines Teilchens ist beim kontinuierlichen Prozeß nicht identisch mit der mittleren Verweilzeit t und kann theoretisch von Null bis Unendlich reichen.The effective residence time of a particle is a continuous one The process is not identical to the mean residence time t and can theoretically be from Range from zero to infinity.

Bei einem absatzweise betriebenen Prozeß haben dagegen alle stofflichen Inhaltebestandteile des Reaktors die gleiche konstante Verweilzeit.In the case of a batch process, on the other hand, all have material Contents constituents of the reactor have the same constant residence time.

Da man häufig gern die igenschaften eines im absatzweisen Betrieb hergestellten Produktes aus Gründen einer rationelleren Verfahrenstechnik auch in einem kontinuierlichen Prozeß erreichen möchte, verwendet man gelegentlich eine aus mehreren hintereinandergeschalteten Reaktoren bestehende Reaktionskaskade. Durch eine solche Anordnung wird eine "Rückvermischung" weitgehend unterdrückt, wobei in der Regel der Effekt umso messer ist, je größer die Anzahl der Kaskadenstufen ist. Wegen der notwendigen Einzelantriebe der verschiedenen Stufen wird eine solche Anordnung mit zunehmender Stufenzahl jedoch immer schwerfälliger.Since one often likes the characteristics of a batch-wise operation manufactured product for reasons of a more rational process engineering also in a continuous process is used occasionally a reaction cascade consisting of several reactors connected in series. Such an arrangement largely suppresses "back-mixing", As a rule, the greater the number of cascade stages, the greater the effect is. Because of the necessary individual drives of the various stages, such a However, the arrangement becomes more and more cumbersome as the number of steps increases.

Eine ideale Kaskade, d.h. praktisch von unendlicher Stufenzahl, kann zuweilen von einem Rohrreaktor repräsentiert werden, sofern etwa die rheologischen Eigenschaften des durchzusetzenden Gutes eine Rückströmung in Bezug auf die Produktionsrichtung in dem mit konstantem Durchfluß kontinuierlich betriebenen Reaktor nicht zulassen. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Reaktionsphase eine relativ zähflüssige Schmelze bildet, wie etwa beim Hochdruck-Polymerisationsverfahren des Äthylens in einem Rohrreaktor.An ideal cascade, i.e. practically an infinite number of stages, can can sometimes be represented by a tubular reactor, for example the rheological ones Properties of the goods to be enforced include a backflow in relation to the direction of production do not allow in the reactor operated continuously at constant flow rate. This is the case, for example, when the reaction phase is a relatively viscous melt forms, such as in the high-pressure polymerization process of ethylene in a tubular reactor.

Sehr große Schwierigkeiten bietet dagegen ein rohrförmiger Reaktor, sofern die Reaktionsphase aus pulverförmigem bis feinkörnigem Gut gebildet wird, wie es bei den verschiedenen Gasphasenpolymerisationen von Äthylen, Propylen oder Vinylchlorid der Fall ist. Um eine gute Untermischung der im allgemeinen festen Katalysatoren bzw. um eine weitgehende thermische Homogenität des Reaktorinhaltes zu erreichen, muß die Schüttung durch mechanische Rührorgan ständig bewegt werden. Zwar vermögen allgemein übliche Rührer, bei denen die eigentlichen Rührorgan in Form von Blättern, Paddeln, Schaufeln usw. an einer in der Rohrachse drehbar angeordneten Welle montiert sind, eine -gute Durchmischung des Reaktorinhaltes zu bewirken, jedoch erfolgt diese Durchmischung insbesondere auch in Richtung der Achse. Um das oben geschilderte Kaskadenprinzip auch in einem rohrförmigen Reaktor mit Pulverfüllung anwenden zu können, ist es erforderlich, daß eine Durchmischung der Schüttung in der Förderrichtung des Gutes vermieden wird.On the other hand, a tubular reactor presents very great difficulties, if the reaction phase is formed from powdery to fine-grained material, as is the case with the various gas phase polymerizations of ethylene, propylene or Vinyl chloride is the case. To get a good intermingling of the generally solid Catalysts or a high degree of thermal homogeneity of the reactor contents to achieve, the bed must be constantly moved by mechanical agitator. It is true that common stirrers in which the actual stirrer in Form of leaves, paddles, shovels, etc. on a rotatable in the tube axis Shaft are mounted to cause a -good mixing of the reactor contents, however this mixing takes place in particular also in the direction of the axis. To the above described cascade principle also in a tubular reactor with powder filling To be able to use, it is necessary that a thorough mixing of the bed in the conveying direction of the goods is avoided.

Es wurde nun gefunden, daß man in einem rohrförmigen Reaktor diese Durchmischung in der Achsenrichtung nahezu vollständig unterdrücken kann, wenn man sich eines waagrecht gelagerten Reaktors bedient, in dessen Mittelachse ein rahmenartiger Rührer drehbar angeordnet ist, wobei die äußeren Begrenzungsflächen der Längsleisten des Rahmens bis dicht an die Innenwand des Reaktors heranreichen. Abbildung 1 veranschaulicht schematisch die Wirkungsweise dieses Rahmenrührers in dem mit R angedeuteten Reaktor bezüglich der Bewegung des zu durchmischenden Gutes. Während der zur Rohrachse symmetrischen Drehbewegung des Rührers wird zu durchmischendes Gut von den als Blätter gestalteten Längsleisten des Rührers hochgefördert und im freien Fall zurückgeführt. Die Wirkungsweise des Rührers ist selbstverständlich nur dann gewährleistet, wenn das Gut unter dem Einfluß der Schwerkraft noch frei herunterfallen kann, indem diese noch ausreichend ist, um die Fliehkraft im Gipfel der kreisförmigen Bahn des Rührerblattes überwinden zu können. Für sehr trockene und relativ schwere Güter kann die kritische Drehzahl, unterhalb welcher das Gut frei fallen kann, berechnet werden gemäß der Gleichung #² . r = g worin die Tourenzahl der Rührers, r den Durchmesser des Rohrreaktors und g die Erdbeschleunigung bedeuten. Für einen Rohrreaktor mit einem Durchmesser von 0,5 m liegt dieser kritische Wert bei etwa 6,25 Umdrehungen je Sekunde.It has now been found that in a tubular reactor these Mixing in the axial direction can be almost completely suppressed if one uses a horizontally mounted reactor with a frame-like one in its central axis Stirrer is rotatably arranged, the outer boundary surfaces of the longitudinal strips of the frame close to the inner wall of the reactor. Figure 1 illustrates schematically the mode of operation of this frame stirrer in the reactor indicated by R. regarding the movement of the material to be mixed. During the symmetrical to the pipe axis Rotary movement of the stirrer is material to be mixed from the leaves shaped Longitudinal strips of the stirrer conveyed up and returned in free fall. The mode of action of the stirrer is of course only guaranteed if the material is under the Influence of gravity can still fall freely by this still sufficient is to overcome the centrifugal force in the summit of the circular path of the stirrer blade to be able to. For very dry and relatively heavy goods, the critical speed, below which the good can fall freely can be calculated according to the equation # ². r = g where the number of revolutions of the stirrer, r the diameter of the tubular reactor and g mean the acceleration due to gravity. For a tubular reactor with a diameter from 0.5 m, this critical value is around 6.25 revolutions per second.

Bei feuchtem, etwa angequollenem, oder bei spezifisch sehr leichtem pulverförmigen Gut liegen die kritischen Werte im allgemeinen wesentlich tiefer, da die Abrutschbewegung durch gewisse Reibungskräfte gebremst werden kann. Insgesamt gesehen dürften nur relativ niedere Drehzahlen von maximal etwa 100 Umdrehungen pro Minute von praktischer Bedeutung sein.In the case of moist, possibly swollen, or specifically very light powdery goods, the critical values are generally much lower, because the sliding movement can be slowed down by certain frictional forces. All in all seen should only be relatively low speeds of a maximum of about 100 revolutions per minute may be of practical importance.

In vielen Fällen ist es zweckmäßig, die normalerweise blattförmigen Mischorgane des Rührers mit einer Verkleidung zu versehen, um Ansetzerscheinungen des Gutes, bedingt z.B. durch elektrostatische Haftung, zu vermeiden. Figur 2 zeigt eine solche Verkleidung im senkrecht zur Rohrachse verlaufenden Schnitt. Gleichzeitig wird dem Rührer hierdurch eine erhöhte mechanische Stabilität verliehen.In many cases it is convenient to use the normally leaf-shaped To provide mixing elements of the stirrer with a cladding to prevent deposits of the goods, e.g. due to electrostatic adhesion. Figure 2 shows such a cladding in the perpendicular to the pipe axis Cut. At the same time, this gives the stirrer increased mechanical stability.

Zur beispielsmäßigen Uberprüfung wurde ein waagerechtangeordneter Modellreaktor von 0,6 Meter Länge und einem Rohrdurchmesser von 15 Zentimetern bis etwa zur Hälfte seines Volumens mit trockenem pulverförmigem Polyvinylchlorid gefällt. An einem Ende wurde dem Reaktor in einer Zugabe Methylenblau in fester Porm zugeführt. In zeitlichen Abständen wurden an beiden Enden des Rohres Proben entnommen und die Konzentration des Farbstoffes durch kolorimetrische Bestimmung im wäßrigen Auszug verglichen. Auch nach mehreren Stunden wurde an dem der Stelle der Farbstoffzugabe entgegengesetzten Ende kein Farbstoff beobachtet, Eine achsiale Durchmischung hatte also nicht stattgefunden.A horizontally arranged one was used as an example Model reactor with a length of 0.6 meters and a pipe diameter of 15 centimeters to about half of its volume is precipitated with dry powdered polyvinyl chloride. Solid methylene blue was added to the reactor at one end. At time intervals, samples were taken from both ends of the pipe and the Concentration of the dye by colorimetric determination in the aqueous extract compared. Even after several hours, this was where the dye was added opposite end no dye observed, had axial mixing so did not take place.

Zum Vergleich wurde derselbe Versuch mit einem Rührer ausgeführt, bei dem an einer in der Rohrachse gelegenen Welle paddelartige Rührorgane befestigt waren. Mit dieser Anordnung wurde eine achsiale Durchmischung bis zum anderen Ende des Rohres bereits nach wenigen Minuten festgestellt.For comparison, the same experiment was carried out with a stirrer, attached to a shaft located in the tube axis, paddle-like agitator elements was. With this arrangement there was an axial mixing up to the other end of the pipe detected after just a few minutes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders für die Polymerisation von Äthylen und Propylen sowie auch fur Vinylchlorid aus der Gasphase.The device according to the invention is particularly suitable for polymerization of ethylene and propylene as well as vinyl chloride from the gas phase.

Claims

Claim

Mixing device for carrying out chemical reactions, preferably of polymerizations, in a tubular reactor, characterized in that A frame-like stirrer rotates in the central axis of the horizontally mounted reactor bar is arranged, the longitudinal strips with their outer boundary surfaces up Reach close to the inner wall of the reactor.

Sign.

L e r s e i t e