DE2032700C3 - Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationen in Großautoklaven - Google Patents

Description

A, = D- 0,28,
b = D -0,08,
c=D- 0,025 abhängen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleitbleche auf der der Innenwand des Großautoklavs zugekehrten Seite derart gerundet sind, daß der Rundungsradius gleich ist dem Zylinderradius des Autoklaveninnenraumes oder kleiner ist als dieser.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleitbleche in einem Abstand von der Autoklaveninnenwand angebracht sind, der mindestens 50 mm beträgt.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationen, beispielsweise Suspensions- oder Massepolymerisationen, in Großansätzen vornehmlich über 90 m³ Inhalt.

Der hohe Verbrauch an Kunststoffen und Kautschuken macht es erforderlich, nach größeren und daher wirtschaftlicher arbeitenden Einheiten für die Ausführung der Polymerisationsreaktion zu suchen. Die Inhalte der Autoklaven zur technischen Herstellung von Polymerisaten betragen heute 1 bis 20 m³, in selteneren Fällen 40 m³. Die Temperatur im Autoklav wird durch Abfuhr der Polymerisationswärme konstant auf einem optimalen Wert gehalten. Die Polymerisation kann diskontinuierlich oder kontinuierlich betrieben werden. Das Polymerisat fällt als Lösung oder Emulsion oder als Suspension in einem Verdünnungsmittel an. Bei der sogenannten Massepolymerisation verwendet man kein Verdünnungsmittel. Hier arbeitet man bei Temperaturen, unter denen das Polymerisat flüssig ist.

Für alle Polymerisationen ist es wichtig, daß der Autcklaveninhalt gut gerührt wird, damit Stoff- und Wärmeaustausch in ausreichendem Maße über den gesamten Inhalt gegeben sind. Zum Beispiel verlangt die Polymerisation von Styrol in wäßriger Suspension eine besonders gleichmäßige Verteilung der Scherspannungen im Autoklaveninhalt, damit Perlen gewünschter Größe entstehen können.

Die Viskosität der Polymerisationsflüssigkeiten ist fast immer höher als die des Wassers. Meistens betreibt man die Polymerisationen bei hohen Viskositäten (ζ. B. bei 5000 bis 20 000 cP), um möglichst viel Feststoff bei einem Minimum an eingesetztem Verdünnungsmittel zu gewinnen. Der Steigerung der Viskosität im Polymerisationsansatz ist eine Grenze gesetzt durch die Rührfähigkeit.

Methoden zum Rühren von Flüssigkeiten sehr hoher Viskosität in Autoklaven der heute gebräuchlichen Größen beruhen auf der Verwendung von schnecken-, schrauben- oder wendeiförmigen Rührorganen, die sich über einen möglichst großen Teil des Autoklaven-

ao Inhalts ersiiecken (Crawford und Rüssel, Lightnin, W. u. P.). Bei sehr großen Autoklaven, z. B. bei Autoklaven mit einem Inhalt über 50 m³, sind solche Rührorgane in ihrer Anwendung sehr problematisch. Die Rührwellen sind bei Lagerung an nur einem Autoklavenboden so stark, daß sie nicht wirtschaftlich hergestellt, eingebaut und betrieben werden können, wobei insbesondere die Größe der Gleitringdichtung hohe Kosten verursacht. Bei einer Lagerung der Welle an beiden Autoklavenböden, mit Gleitringdichtungen an beiden Wellenenden, kann zwar die Welle dünner ausgeführt sein, jedoch ist die Wärmedehnung der Rührwelle dann Ursache für häufiges Versagen der Dichtungen.

Weil bei den Rührautoklaven mit Inhalten über 90 m³ — im weiteren Großautoklaven genannt — die ausschließliche Verwendung der Wandkühlung zur Abfuhr der Polymerisationswärme wegen des ungünstigen Verhältnisses der Kühloberfläche zum Gesamtvolumen nicht ausreicht, ist man gezwungen, andere Kühlverfahren anzuwenden, die es notwendig machen, die Autoklaven mit Flüssigkeitsstand — d. h. nicht vollständig gefüllt — zu betreiben.

Bei dem Betrieb der teilweise gefüllten Polymerisationsautoklaven entstehen an der Autoklaveninnenwand im Bereich der Phasengrenzfläche Flüssigkeit/ Gas unerwünschte Wandanwüchse. Ihre Bildung erklärt sich aus dem Verhalten der beim Rühren entstehenden Trombe.

Ist die Trombe unruhig, so werden die der Flüssigkeitsoberfläche nahen Wandbereiche immer wieder geflutet und freigelegt. Dabei wächst festes Polymerisat an diesen Wandbereichen an und formt Wächten. Mit dem Ziel, die Durchmischung des Autoklaveninhaltes während des Rührvorganges zu verbessern, werden häufig Stromstörer, wie Blechstreifen oder Stangen, im Autoklaveninneren angebracht. Diese bewirken, daß der Autoklaveninhalt nicht mehr als Ganzes rotieren kann, weil seine Teilvolumina jetzt zu einem ständigen Ortswechsel relativ zueinander gezwungen werden.

Die Blechstreifen—sogenannte Bewehrungsbleche—■ werden meist über die gesamte Höhe des Autoklavs mit der zylindrischen Innenwand so verschweißt oder verschraubt, daß sie radial zur Autoklavenmittellinie weisen.

An den von oben in die Trombe hineinragenden Stromstörern und an dem in die Trombe hineintauchenden Teil Her Rührwelle entstehen rrfahninpsge-

maß große Wächten. Auch die Bewehrungsbleche zeigen dort starke Wächten, wo sie aus der Trombe herausragen. In der Flüssigkeit — dem eigentlicher Polymerisationsraum — wirken sich derartige Bewehrungsbleche dadurch nachteilig aus, daß sie nahe der Autoklaveninnenwand Räume schaffen, wo die Flüssigkeitsströmung stagniert oder zumindest deutlich verlangsamt ist. Deshalb findet man in diesen Bereichen ebenfalls starke Wandanwüchse, die sich über die gesamte Höhe der Bewehrungsbleche erstrecken.

Die Anwüchse an der Wand, an der Rührwelle und an den Stromstörern verschlechtern die Qualität des Polymerisationsproduktes. Das durch erforderliche Reinigungsarbeiten bedingte Stillegen der Autoklaven stellt besonders beim Einsatz der Großautoklaven die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Polymerisationsprodukten in Frage.

In der USA.-Patentschrift 2 854 320 wird Hn fliissigkeitsgefüllter Reaktor mit spezieller Formgebung beschrieben, bei dem Wandablagerungen dadurch ver- »o mieden werden können, daß in dem Reaktor durch einen mehrflügeligen Rührer mit LJntenantrieb eine starke Turbulenz erzeugt wird. Da diese Vorrichtung aber nur bei flüssigkeitsgefülltem Reaktor wirksam ist, ist eine Abführung der Reaktionswärme durch Verdampfung des Lösungsmittels, wie sie bei GroCreaktoren nötig ist, nicht möglich. Die verwendeten Bewehrungsbleche sind nicht verstellbar und haben keine hinterspülten Innenkanten, so daß sie zu Wandablagerungen neigen. Außerdem verbietet sich wegen der ungewöhnlichen Form ein Bau des Reaktors als Großautoklav aus Fertigungs- und Festigkeitsgründen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in den zum Polymerisieren angesetzten Inhalten nicht vollständig gefüllter zylindrischer Großautoklaven, in deren Innenraum Stromleitbleche sowie ein mehrllügeliges Rührwerk mit Untenantrieb am Boden angebracht sind, die Entstehung der Wandanwüch&e zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei einander gleiche Stromleitbleche drehbar und durch die Autoklavenseitenwand hindurch verstellbar im oberen Drittel des zylindrischen Teils des Autoklavs an der Innenwand in gleicher Höhe radialsymmetrisch angebracht sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine homogene Durchrnischung von Polymerisationsansätzen in Autoklaven, vornehmlich der Größe 100 bis 400 m³ Gesamtinhalt, unter gleichzeitigem Vermeiden der Entstehung von Wandanwüchsen und ermöglicht damit in vorteilhafter Weise die Ausführung von Suspensions- und Massepolymerisationen im Großmaßstab der Polymerisationsansatzvolumina vornehmlich über 90 m³.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen S5 Vorrichtung ist in F i g. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Ein dreiflügeliger Rührer 2 mit einem an dem von den Rührblättern beschriebenen Kreis gemessenen Außendurchmesser von 3000 mm und einer Steghöhe der Blätter von 665 mm befindet sich am unteren Korbboden eines Großautoklavs 1 und wird von unten angetrieben. Die Blätter des Riihrers 2 sind von der Nabe 8 der Rührwelle 9 abnehmbar. Als Wellendichtung dient ein doppelt wirkender Gleitring 3. Der Autoklav hat ein Gesamtvolumen von 100 m³. Das Verhältnis der Höhe //, gemessen über Korbböden, zum Innendurchmesser D beträgt 1,7 : 1. Zwei Zapfeno sind im oberen Drittel des zylindrischen Teils des Großautoklavs in gleicher Höhe durch die zylindrische Seitenwand des Autoklavs dicht geführt, mit Flanschen 4 befestigt und radialsymmetrisch angeordnet. Auf diese Zapfen sind einander gleiche Stromleitbieche 5 gesteckt, die von außen drehbar und um die Zapfenachse verstellbar sind. Die Abmessungen der Stromleitbleche betragen: Höhe A₁ = 1200 mm. Breite b = 350 mm und Dicke c = 110 mm. Die Kanten der Stromleitbleche sind abgerundet. Damit die Stromleitbleche 5 auf dem Zapfen 6 gedreht werden können, ohne in der zu der Querschnittebene des Zylinders geneigten oder parallelen Stellung mit ihren Enden an die Autoklavenwand zu stoßen, ist die der Auioklavenwand zugekehrte Seite gerundet, und zwar so, daß der Krümmungsradius gleich ist dem Zylinderradius des Autoklaveninnenraumes oder kleiner ist als der. Die Stromleitbleche sind in einem Abstand von der Autoklavenwand angebracht, der mindestens 50 mm beträgt.

In waagerechter Stellung beeinflussen die Stromleitbleche die Strömung kaum. In einem bestimmten, mit der Richtung der umlaufenden Strömung positiv gebildeten, experimentell jeweils zu bestimmenden Winkel gebracht, wirkt sich die Anordnung der Stromleitbleche beruhigend auf die Trombe aus, d. h., die Wandteile des Großautoklavs über dem Polymerisationsansatz werden nicht mdir periodisch geflutet und freigelegt.

Die Rührversuche im i00-m³-Autoklav haben gezeigt, daß dabei die der Trombenoberfläche nächstliegende Kante des Stromleitblechs etwa 500 mm unter der Trombenoberfläche liegt.

Weil die Gestalt der Trombenoberfläche von der Füllhöhe und Viskosität des Polymerisationsansatzes, von der Drehzahl und der Beschaffenheit des Rührers und von dem Höhe-Durchmesser-Verhältnis des Großautoklavs abhängt, aber auch durch die Stellung der Stromleitbleche beeinflußt wird, muß der Ort der Zapfen 6 in der Höhe wählbar sein.

Die Dimensionierung der Stromleitbleche und der Rührer steht im Zusammenhang mit den Abmessungen des verwendeten Großautoklavs. Bei den Großautoklaven, die zweckmäßigerweise mit Korbböden ausgeführt werden und die mit dreiflügeligen Rührern mit Untenantrieb gerührt werden sollen, hängt die Gestalt der Autoklaven, d. h. das Verhältnis von Höhe zum Durchmesser, von folgenden Überlegungen ab: Sind die Autoklaven zu schlank, so wird das nahe der Oberfläche gelegene, vom Rührer am weitesten entfernte Flüssigkeitsvolumen zu schwach gerührt. Ist dagegen der Autoklav zu flach gebaut, so entstehen große, von der Güte der Polymerisationsreaktion her nicht zu verantwortende Unterschiede in der Durchmischung zwischen den Umfangszcneu und den Axialzonen des gerührten Volumens.

An Hand der Rühr- und Polymerisationsexperimente im 100-rr.³-Autoklaven mit einem Verhältnis der über Korbböden gemessenen Höhe H zum Innendurchmesser D von 1,7:1 wurden die vorteilhaften Abmessungen des dreiflügeligen Rührers mit Unterantrieb und die der Stromleitbleche gefunden. Mit Hilfe von strömungstechnischen Analogiebetrachtungen wurden hieraus die Konstruktionsmaße f ür dreiflügelige Rührwerke und die Stromleitbleche in Großautoklaven der Gesamtinhalte von 200, 300 und 400 m³ derselben Baugruppe (HID) = 1,7: 1 sowie in Großautoklaven der Gesamtinhalte von 100, 200, 300 und -KX) m³

der Baugruppen (H/D) = 1:1 und (///D) =-- 2,1 : 1 abgeleitet.

Eine Ausdehnung der strömungstechnischen Analogiebetrachtungen auf Autoklaven größerer Gesamtinhalle ist nicht sinnvoll, da druckfeste zylindrische Autoklaven mit dem Gesamtinhalt über etwa 400 m³ nicht mehr wirtschaftlich sind, da die Herstellungskosten sehr hoch liegen. Autoklaven, die wesentlich kleiner sind als die 100-nv-Autoklaven, sind ebenfalls unwirtschaftlich, jedoch vom Gesichtspunkt des Durchsatzes her gesehen. Die Konstruktionsmaße für dreiflügelige Rührwerke und die Stromleitbleche lassen sich für alle erwähnten Großautoklaven und die denkbaren, zwischen H/D =1:1 und 2,1 : 1 liegenden Baugruppen mit einer Genauigkeit von ± 10% rrsit Hilfe einer einzigen Gruppe von Faktoren darstellen, mit denen der Innendurchmesser D des Großautoklavs zu multiplizieren ist, um das bestimmte Konstruktionsmaß zu erhalten:

Tabelle 1

Innendurchmesser von Autoklaven mit Korbböden

Durchmesser des dreiflügeligen

Rührers d = D- 0,68

Steghöhe des Rührblattes
beim dreiflügeligen Rührer h = D -0,16

Höhe des Stromleitblechs Zi₁ = D- 0,28

Breite des Stromleitblechs b = D- 0,08

Dicke des Stromleitblechs c = D ■ 0,025

(hat keinen Einflußauf den Rührvorgang).

Der hier verwendete Innendurchmesser D des Großautoklavs sei in der folgenden Tabelle 1 für die drei angegebenen Baugruppen wiedergegeben.

	1 .. 1 .. 1 ..	100	Inhalt 200	in ma 300	400
H: D
1,7 2,1	5300 mm 4400 mm 4200 mm	6800 mm 5500 mm 5200 mm	7500 mm 6300 mm 5800 mm	8200 mm 6900 mm 6400 mm
	B	e i s ρ i c 1

In einem Großautoklav mit Körbböden und einem Gesamtinhalt von 100 m³ bei einem Höhe-Durchmcsser-Verhältnis von 1,7: 1 wurde die Suspensionspolymerisation von Styrol in einem Ansatz von 85 m³ mil einem End-Feststoffgehalt von 50% ausgeführt. Der dreiflügelige Rührer mit einem Durchmesser von 665 mm nahm bei einer Drehzahl von 40 UpM die Leistung von 48 kW auf.

Die Abmessungen der Stromleitbleche betrugen:

^a5 Höhe A₁ = 1200 mm,
Breite b = 350 mm,
Dicke c = 110 mm.

Die Anzahl der Stromleitbleche war zwei. Die Stromleitbleche waren so eingestellt, daß sie mit der Strömungsrichtung einen Winkel von 60° bildeten. Die Trombenoberfläche befand sich während des Rührvorganges 500 mm über der oberen Kante der Stromleitbleche und war völlig stationär. Die Wandanwüchsc an der Phasengrenze Ansatz/Gasraum fanden sich aui einem ringförmigen Streifen von etwa 10 cm Breite und hatten insgesamt 0,5 kg Masse und betruger 0,0017% der Polystyrolausbeute.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationen in Großansätzen, bestehend aus einem zylindrischen Großautoklaven, in dessen Innenraum Stromleitbleche sowie ein mehrflügeliges Rührwerk mit Untenantrieb am Boden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gleiche Stromleitbleche drehbar und durch die Autoklavenseitenwand hindurch verstellbar im oberen Drittel des zylindrischen Teils des Autoklavs an der Innenwand in gleicher Höhe radialsymmetrisch angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Stromleitbleche, die Höhe A₁, die Breite b und die Dicke c. von dem Innendurchmesser D des Großautoklavs nach den Beziehungen