DE2214204B2

DE2214204B2 - Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation

Info

Publication number: DE2214204B2
Application number: DE2214204A
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Alexandrowitsch Michaljow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-23
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE2214204C3; JPS499589A; JPS5318554B2; DE2214204A1

Description

Es ist ein Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation (GB-PS 8 75 853) bekannt, der einen Schneckenext-uder mit einer Vakuumzone zur Entfernung von flüchtigen Komponenten aus der Reaktionszone darstellt oder eine Kette von solchen Extrudern enthält.

Der Reaktor weist mehrere Temperaturbereiche auf. d^;e ;i der Länge der Schnecke angeordnet sind. Der Stoff wird in einem solchen Reaktor durch die Pumpenwirkung des Schraubengewindes der Schnecke bewegt.

Der zu polymerisierende Stoff wird dem Reaktor in Form eines Monomeren oder eines Vorpolymerisats durch die Beschickungsöffnung zugeführt. Indem sich der Stoff als eine Schicht durch die Nuten des Schraubengewindes der Schnecke über alle Temperaturbereiche verschiebt, erreicht er den erforderlichen Umwandlungsgrad, wonach er in Form einer Polymerisationsschmelze die Vakuumzone passiert, in der die flüchtigen Komponenten aus der Schmelze entfernt werden, und durch ein Formwerkzeug in Form eines endlosen Profilerzeugnisses extrudiert wird.

Die Reaktoren vom Typ eines Schneckenextruders weisen eine Reihe von Nachteilen auf.

Die Verweilzeit des Stoffs in der Polymerisationszone des Reaktors muß genügend groß sein, insbesondere, wenn die Polymerisation bis zu den höchsten Umwandlungsgraden vorgenommen wird; das Pumpvermögen eines Einschnecken- und mehr noch eines Mehrschneckenextruders ist relativ hoch, deshalb muß man mit einer geringen Zahl von Schneckenzügen arbeiten, um eine erforderliche Verweilzeit des zu polymerisierenden Stoffs im Reaktor zu gewährleisten Aus diesem Grunde ist es nicht immer möglich, das maximale Pumpvermögen der Schnecken auszunutzer und eine optimale Leistung des Reaktors zu sichern.

Reaktoren vom Einschneckentyp werden am häufigsten bei Polymerisationen bis zu 60- bis 80prozentiger Umwandlung verwendet, weil in den letzten Stadier der Umwandlung die Polymerisationsreaktion verzögert wird. Zur Durchführung einer vollständigen Polymerisation wäre es in diesem Fall notwendig, die Abmessungen des Reaktors bis zu unzulässigen Abmes sungen zu erhöhen oder dessen Leistung in erhebli ehern Maße zu verhindern.

Außerdem besteht beim Reaktor vom Einschnecken typ die Gefahr, daß der zu polymerisierende Stoff ar der Fläche der Schnecke anhaftet, was zu einer Ver minderung der Leistung des Reaktors und zu einer Stö rung seines Normalbetriebs führen kann.

Um in den Reaktoren vom Schneckentyp die not wendigen Bedingungen für die Entfernung von flüchti

gen Komponenten aus der Masse des zu polymerisierenden Stoffs zu schaffen, wird in der Zone der Entfernung von fluchtigen Komponenten die Tiefe des Schneckengewindes größer ausgeführt und die Gewindesteigung im Vergleich zu dun vorangehenden und darauffolgenden Zonen vergrößert; dadurch füllt der Stoff an diesem Schneckenabschnitt nicht den gesamten freien Raum der Gewindenuten aus.

Dadurch wird eine Verminderung des Drucks und der Dichte des Stoffs in der Zone der Entfernung von flüchtigen Komponenten erreicht.

Da der unter Vakuum zu setzende Stoff, beispielsweise PoK rnethylmethacrylat, eine hohe Viskosität aufweist, bildet sich bei der Entwicklung von flüchtigen Komponenten ein Schaum, der allmählich die öffnungen verstopft, durch welche die Vakuumzone des Reaktors mit der Masse des zu verarbeitenden Stoffs verbunden ist.

Aus diesem Grunde kann der Reaktor mit einem solchen Vakuum-System nicht für längere Zeit wirksam betrieben werden.

Es ist auch ein Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation (SU-PS 1 47 170) bekannt, bei dem zur Erhöhung der Intensität des Polymerisationsprozesses durch die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche, bezogen auf die Volumeneinheit des zu polymerisierenden Stoffs, im Gehäuse angeordnete und an der gemeinsamen Antriebswelle befestigte drehbare Scheiben verwendet werden, die mit Hohlräumen für den umlaufenden Wärmeträger versehen sind. Für den Transport des zu polymerisierenden Stoffs durch den Reaktor und zur Änderung der Verweilzeit des Stoffs im Reaktor ist eine regelbare Zahnrad-Austragvorrichtung verwendet worden, die am Austritt aus dem Reaktor angeordnet ist. Zur gleichmäßigen Verteilung des zu polymerisierenden Stoffs in den Hohlräumen zwischen den drehbaren Scheiben ist in jeder Scheibe eine öffnung in Form eines Sektors vorgesehen, wobei diese öffnungen in benachbarten Scheiben unter einer Winkelverschiebung von 180° angeordnet sind. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung von der Reaktionsmasse zum Wärmeträger sind zwischen den drehbaren Scheiben feststehende Kratzer angeordnet, die die Bildung einer Kruste an der Oberfläche dieser Scheiben verhindern.

Der zu polymerisierende Stoff, der dem Reaktor zugeführt wiid, verschiebt sich aufeinanderfolgend zwischen allen drehbaren Scheiben längs den Wärmeaustauschflächen und tritt durch die Austragvorrichtung aus dem Reaktor heraus. Dabei wird während des Durchtritts des Stoffs durch den Reaktor die Polymerisationsreaktion bis zur notwendigen Umwandlungsstufe durchgeführt.

Dieser Reaktor weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Der zu polymerisierende Stoff kann sich in diesem Reaktor nur durch die Einwirkung der Schwerkraft oder durch den Außendruck verschieben. Bei der Blockpolymerisation von, beispielsweise, Styrol oder Methylmethacrylat, weist das Reaktionsmedium in den letzten Stadien der Umwandlung eine hohe Viskosität auf, was die Verschiebung dieses Reaktionsmediums in t>u einem solchen Reaktor erheblich erschwert.

Außerdem findet in dem oben beschriebenen Reaktor keine intensive Durchmischung des Stoffs durch den Schub statt; deshalb ist die Temperatur eines Reaktionsmediums mit hoher Viskosität in einem solchen Reaktor wesentlich ungleichmäßiger als beispielsweise in einem Reaktor voiü Typ des Schneckenextruders, obwohl der Reaktor des oben beschriebenen Typs eine einfachere Konstruktion aufweist, und eine Anlage zui kontinuierlichen Polymerisation, die auf der Grundlage eines solchen Reaktors gebaut worden ist, bedeutend geringere Abmessungen besitzen kann, als die auf dei Grundlage von anderen bekannten Reaktoren gebau ten Anlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation zu schaffen, der verhältnismäßig geringe Abmessungen aufweist, eine hohe Leistung pro Volumeneinheit der Ausrüstung gewährleistet, einen zuverlässigen Transport des Stoffs durch den Reaktor sichert sowie die Herstellung eines Polymerisats mit konstanten Qualitätsdater ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch einen Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation, der in einem Gehäuse angeordnete und an einer gemeinsamen Antriebswelle übereinander befestigte bewegliche Scheiben mit dazwischen angeordneten Abstandhülsen, weiche mit Hohlräumen für den umlaufenden Wärmeträger versehen sind, sowie eine Einrichtung zur Verschiebung des zu verarbeitenden Stoffs durch den Reaktor und zur gleichmäßigen Verteilung des Stoffs zwischen der Scheiben enthält, gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtung zur Verschiebung und zur gleichmäßigen Verteilung des Stoffs feststehende Scheiben, die zwischen den beweglichen Scheiben angeordnet sind, sowie in Rillen der feststehenden Scheiben untergebrachte Schnecken aufweist, die mit spiralförmigen Nuten des Gewindes in Eingriff treten, das an ebenen Seitenflächen der beweglichen Scheiben ausgebildet ist, wobei die spiralförmigen Nuten abwechselnd miteinander durch die Spalte, welche zwischen den feststehenden Scheiben und den zylindrischen Außenflächen der Abstandhülsen vorgesehen sind, und die Spalte, welche zwischen dem Gehäuse des Reaktors und den zylindrischen Außenflächen der beweglichen Scheiben bestehen, in Vorbindung kommen, und mindestens eine der feststehenden Scheiben mit einer Einrichtung zur Entfernung von flüchtigen Komponenten aus der Masse des zu verarbeitenden Stoffs verseher ist.

Vorzugsweise ist die zylindrische Außenfläche dei beweglichen Scheibe in bezug auf deren Drehachse exzentrisch ausgeführt und im Reaktorgehäuse ein Kratzer befestigt, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der beweglichen Scheibe angedrückt wird.

Die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse isi vorzugsweise in bezug auf deren Drehachse exzentrisch ausgeführt und an der feststehenden Scheibe eir Kratzer befestigt, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse angedrücki wird.

Man kann die zylindrische Innentläche des Gehäuse; in bezug auf die Drehachse der beweglichen Scheibe exzentrisch ausführen und an der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe einen Kratzer befestigen, der über die gesamte Höhe des Spaltes zwischen dem Gehäuse und der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe an die zylindrische Innenfläche des Gehäuses angedrückt wird.

Man kann ferner die zylindrische Innenfläche der feststehenden Scheibe in bezug auf die Drehachse der Abstandhülse exzentrisch ausführen und an der zylindrischen Außenfläche der Abstandhülse einen Kratzer befestigen, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Innenfläche der feststehenden Scheibe ange-

drückt wird.

Es ist wünschenswert, daß die Einrichtung zur Entfernung von flüchtigen Komponenten aus der Masse des zu verarbeitenden Stoffs eine Vakuumkammer enthält, die in einer der feststehenden Scheiben angeordnet ist und mit der Masse des zu verarbeitenden Stoffs durch mindestens ein in der feststehenden Scheibe vorgesehenes Loch in Verbindung steht, das die Form eines radial ausgerichteten Schlitzes mit Abschrägungen aufweist, die an Kanten vorgesehen sind, welche der beweglichen Scheibe an der Seite derselben zugekehrt sind, an der sich der zu verarbeitende Stoff in spiralförmig ausgebildeten Nuten des Gewindes von der Zentralzone des Reaktors in der Richtung zu dessen Randzone verschiebt.

Im erfindungsgemäßen Reaktor wird die Polymerisationsreaktion mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit und bei optimaler Temperatur bis zu den verschiedenen Umwandlungsgraden in einer dünnen Schicht des zu polymerisierenden Stoffs unter intensivem Durchmischen durchgeführt, das durch die Einwirkung der beim Schub zwischen den in bezug zueinander zu bewegenden Flächen entstehenden Viskosität gesichert wird, wodurch ein guter Temperaturausgleich des Reaktionsmediums gewährleistet wird.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist entfaltete Wärmsaustauschflächen auf, die, bezogen auf die VoIumenein.'ieit des zu polymerisierenden Stoffs, im Vergleich zu bekannten Reaktoren bedeutend größer sind.

Im Reaktor wird ein Anhaften des zu polymerisierenden Stoffs an die Wärmeaustauschflächen verhindert, was einen hohen Koeffizienten der Wärmeabgabe von dem Reaktionsmedium zu dem Wärmeträger gewährleistet und eine leichte Steuerung der Temperaturführung der Polymerisationsreaktion ermöglicht. Der Reaktor sichert eine wirksame Entfernung des restlichen Monomeren und der anderen flüchtigen Substanzen, was dadurch erreicht wird, daß der zu polymerisierende Stoff in Form einer dünnen Schicht durch die Zone des verminderten Drucks bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur durchgelassen wird. Der Reaktor weist verhältnismäßig geringe Abmessungen auf. Zur anschaulichen Erläuterung des letztgenannten Vorteils kann man den erfindungsgemäßen Reaktor mit dem Reaktor vom Typ des Schneckenextruders vergleichen, in dem die Polymerisationsbedingungen den Polymerisationsbedingungen des erfindungsgemäßen Reaktors ähnlich sind.

Wenn man die Polymerisation bis zu hohen Umwandlungsgraden führen und dabei eine genügend hohe Leistung, bezogen auf die Volumeneinheit der Ausrüstung, gewährleisten will, muß man eine Kette der Reaktoren vom Typ eines Schneckenextruders verwenden.

Als Vergleich kann man einen Extruder mit einem Schneckendurchmesser von 90 mm betrachten, der gewöhnlich zur Herstellung von Profilerzeugnissen mit besonders breiten Abmessungen verwendet wird und ein standardisiertes Verhältnis zwischen den Schnekkenmaßen aufweist (die Länge des Gewindeteils ist gleich dem 17fachen Durchmesser, die Gewindesteigung ist gleich dem Schneckendurchmesser).

Bei diesem Vergleich muß man berücksichtigen, daß die Verweilzeit des zu polymerisierenden Stoffs in den zu vergleichenden Reaktoren unter sonst gleichen Bedingungen von der Gesamtlänge der Nuten der Schnecke abhängig ist

Im erfindungsgemäßen Reaktor ist die Nut an ebenen Flächen der beweglichen Scheiben längs einer spiralförmigen Linie geschnitten.

Die Nut mit einer solchen Länge und mit solchen Profilmaßen wie bei der zu vergleichenden Schnecke mit einem Durchmesser von 90 mm kann man an beiden Seitenflächen einer beweglichen Scheibe mit einem Durchmesser von unter 600 mm schneiden.

Auf einer Länge, die gleich dem 17fachen Schnekkendurchmesser ist, kann man eine solche Anzahl von

ίο beweglichen Schnecken unterbringen, daß die Gesamtlänge der Nuten dieser Schnecken die Gesamtlänge der Nuten der zu vergleichenden Schnecke mindestens um das 5fache übersteigt. Man kann also auf dieser Länge einen Reaktor unterbringen, der die gleiche Leistung wie eine Reihe hintereinandergeschalteter Reaktoren vom Typ des Schneckenextruders hat, wenn man dabei als Basis für den Vergleich die Länge der Strecke nimmt, die der zu polymerisierende Stoff im Reaktor zurücklegt. Auf diese Weise beansprucht die Anlage mit dem erfindungsgemäßen Reaktor weniger Raum als eine Anlage mit hintereinandergeschalteten Reaktoren.

An Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den einen Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation,
F i g. 2 den Schnitt 11-11 der F i g. 1,
F i g. 3 den Schnitt IH-III der F i g. 2,
Fig. 4 den Schnitt IV-IV der Fig. 1,
F i g. 5 den Schnitt V-V der F i g. 4 und
F i g. 6 eine schematische Darstellung einer linienförmigen Anordnung des erfindungsgemäßen Reaktors zur Herstellung von Längspolymererzeugnissen.
Der Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation enthält übereinander angeordnete feststehende Scheiben 1. 2. 3 und 4 (Fig. 1, 2), in denen Hohlräume für den umlaufenden Wärmeträger vorgesehen sind. Zwischen den feststehenden Scheiben 1,2,3,4 sind Ringe 5 angeordnet, die zusammen mit den feststehenden Scheiben 1,2,3 und 4 das Reaktorgehäuse bilden.

Im Zwischenraum zwischen den feststehenden Scheiben 1. 2, 3 und 4 befinden sich auf eine Antriebshohlwelle 6 aufgesetzte bewegliche Scheiben 7, die unter Beibehaltung eines minimalen Spalts zwischen den ebenen Flächen der feststehenden Scheiben 1, 2, 3 und 4 angeordnet sind. Zwischen den beweglichen Scheiben 7 befinden sich an der Antriebswelle 6 Abstandhülsen 8, während am Ende der Antriebswelle 6 eine kurze Schnecke 9 angeordnet ist Die beweglichen Scheiben 7. die Abstandhülsen 8 und die Schnecke 9 sind an der Antriebswelle 6 mittels eines Stopfens 10 befestigt. In die beiden ebenen Seitenflächen der beweglichen Scheiben 7 ist eine spiralförmige Nut 11 (F i g. 1, 3) mit einem trapezförmigen Profil geschnitten. Die in beide Seitenflächen der beweglichen Scheiben 7 geschnittene spiralförmige Nut 11 ist von sehen des Schneidens gesehen, nach einer Sehe ausgerichtet

Die eine bewegliche Scheibe (F i g. 1) mit den an dieser anliegenden Flächen der feststehenden Scheiben bildet einen Reaktorabschnitt Der gesamte Reaktor besteht aus mehreren Abschnitten gleicher Konstruktion.

Zwischen der zylindrischen Außenfläche der bewegliehen Scheiben 7 und der zylindrischen Innenfläche der Ringe 5 sind Spalte für den Durchgang des Stoffs aus dem oberen Teil des Abschnitts des Reaktors, d. h„ aus dem Spalt zwischen den ebenen Flächen der

chen Scheibe und der darüber angeordneten beweglichen Scheibe, in den unteren Teil des Abschnitts, d. h., in den Spalt zwischen den ebenen Flächen der beweglichen Scheibe und der darunter angeordneten beweglichen Scheibe, vorgesehen.

Zwischen der zylindrischen Außenfläche der Abstandhülsen 8 und der zylindrischen Innenfläche der feststehenden Scheiben 2 und 3 besteht ein Spalt für den Durchgang des Stoffs aus einem Reaktorabschnitt in den anderen.

Die zylindrischen Außenflächen der beweglichen Scheiben 7 sind glatt ausgeführt, wobei diese zylindrischen Flächen in bezug auf die Drehachse der Antriebswelle 6 exzentrisch ausgebildet sind, an welcher die beweglichen Scheiben 7 angeordnet sind.

Die Größe dieser Exzentrizität ist gleich der Hälfte des Unterschieds zwischen dem Durchmesser der zylindrischen Innenfläche des Rings 5 und dem Durchmesser der beweglichen Scheibe 7. Die Ausrichtung dieser Verschiebung ist in jedem Reaktorabschnitt verschieden.

Auf diese Weise wird zwischen dem Reaktorgehäuse und der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe 7 ein Ringspalt 12 (F i g. 3) mit veränderlichem Querschnitt gebildet. An der zylindrischen Innenfläche des Rings 5 ist in einer besonderen Auskehlung ein Kratzer 13 angeordnet, der eine Platte aus einem elastischen Werkstoff darstellt. Die Abmessungen der Auskehlung entsprechen den Abmessungen des Kratzers 13. Der Kratzer 13 wird über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der beweglichen Scheibe angedrückt.

Die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse 8 ist glatt und in bezug auf die Drehachse der Antriebswelle 6 exzentrisch ausgeführt. In der feststehenden Scheibe 3 ist in der Auskehlung ein Kratzer 14 befestigt, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse angedrückt wird.

Gemäß einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Durchgang zwischen den benachbarten Reaktorabschnitten sowie zwischen der oberen und der unteren Abschnittshälfte wie folgt ausgeführt werden.

Die zylindrischen Außenflächen der beweglichen Scheiben 7 und der Abstandhülsen 8 sind in bezug auf die Drehachse der Antriebswelle 6 konzentrisch ausgeführt, während die zylindrischen Innenflächen der Ringe 5 (F i g. 1) und der feststehenden Scheiben 3 in bezug auf die Drehachse der Antriebswelle 6 exzentrisch ausgebildet sind. In diesem Fall sollen die Kratzer an beweglichen Scheiben 7 und Abstandhülsen 8 in spe ziell dafür ausgeführten Auskehlungen befestigt werden.

An der oberen feststehenden Scheibe I sind Beschikkungsöffnungen 15 und 16 vorgesehen. Falls notwendig können die Beschickungsöffnungen in einer beliebigen Reaktorsektion angeordnet werden.

In den beweglichen Scheiben 7 sind Hohlräume 17 für den umlaufenden Wärmeträger vorgesehen. Der Wärmeträger wird dem Hohlraum 17 durch die Antriebshohlwelle 6 über eine Verteilungsvorrichtung 18 zugeführt.

In den Rillen der feststehenden Scheiben sind Schnecken 19 (F i g. 2) angeordnet. Das Schraubengewinde jeder dieser Schnecken kommt unter Beibehal- tong eines minimalen Spalts mit dem entsprechenden spiralförmigen Gewinde der beweglichen Scheibe 7 (^F * g 2. 3) in Eingriff, wobei das Profil des Schraubengewindes der Schnecken 19 rechtwinklig ist, wahrem die Gewindesteigung der Schnecke 19 und die Gewin desteigung der beweglichen Scheibe 7 gleich sind. Di( Drehrichtung der Schnecke 19 und die Ausrichtung de! Gewindes dieser Schnecke können linksläufig unc rechtsläufig sein. In beiden Fällen begünstigt die durch die Schnecke 19 zu bewirkende Bewegung des Stoff; die Verschiebung dieses Stoffs, die durch das spiralförmige Gewinde der beweglichen Scheibe 7 hervorgerufen wird, wobei das durch die Schnecke 19 zu bewegende Stoffvolumen von dem Verhältnis zwischen den Profilmaßen der Gewindenuten der Schnecke 19 und Profilmaßen des Gewindes der beweglichen Scheibe 7 sowie vom Durchmesser der Schnecke 119 abhängig ist.

Die Welle 6 und die Schnecke 19 werden von der gemeinsamen, nicht dargestellten Welle angetrieben. Bei einer Umdrehung der beweglichen Scheibe 7 führt die Schnecke 19 eine Umdrehung um die eigene Achse aus, wenn die bewegliche Scheibe und die Schnecke die gleiche Zahl von Gewindegängen haben. Wenn beispielsweise mit der beweglichen Scheibe 7 eine Schnekke mit doppeltem Gewinde in Eingriff steht, so ist deren Umdrehungszahl dementsprechend um das zweifache geringer.

Da die spiralförmige Nut 11 der beweglichen Scheibe ein trapezförmiges und die Nut der Schnecke 19 ein rechtwinkliges Profil haben, ragt der Kamm des Gewindes der Scheibe 19 in die spiralförmige Nut 11 des Gewindes der beweglichen Scheibe 7 unter Beibehaltung eines minimalen Spalts in bezug auf alle drei Seitenflächen der spiralförmigen Nut 11 der beweglichen Scheibe 7 hinein.

Da der Kamm des Gewindes der Schnecke 19 in der spiralförmigen Nut 11 der beweglichen Scheibe 7 unter einem Winkel angeordnet ist, kann er den Querschnitt der spiralförmigen Nut 11 der beweglichen Scheibe 7 nicht ganz überdecken (F i g. 3), wodurch der Übergang des zu verarbeitenden Stoffs, der sich durch die spiralförmigen Nuten 11 verschiebt, durch die Nuten des Gewindes der Schnecke 19 an der anderen Seite derselben ermöglicht wird.

Der Durchgangsquerschnitt, der diesen Übergang ermöglicht, vergrößert sich mit der Zunahme des Neigungswinkels des Gewindes der Schnecke 19, während der Widerstand gegen den Übergang des Stoffs durch die Nuten der Schnecke 19 von diesem Durchgangsquerschnitt sowie von der Drehrichtung der Schnecke 19 abhängig ist.

Die feststehenden Scheiben 1, 2, 3 und 4 und die Schnecken 19, welche nach der oben dargelegten Methode angeordnet worden sind, arbeiten mit den spiralförmigen Nuten 11 zusammen und bilden eine Einrichtung zur Bewegung des zu verarbeitenden Stoffs durch den Reaktor sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Stoffs zwischen den Scheiben 7.

In der feststehenden Scheibe 3 (F i g. 1) ist eine Vakuumkammer 20 vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten Vakuumleitung in Verbindung steht. Die Vakuumkammer 20 steht durch die Löcher 21 (F i g. 1 und 4) mit der Masse des zu verarbeitenden Stoffs in Verbindung, der sich in der spiralförmigen Nut 111 der beweglichen Scheibe 7 befindet.

Eine zweckmäßige Form der Löcher 21, die an ihren Kanten an der Seite der beweglichen Scheibe 7 Abschrägungen 22 (F i g. 5) aufweisen (die Drehrichtung der beweglichen Scheibe 7 ist mit einem Pfeil angegeben), sowie deren radiale Anordnung in bezug auf die Drehachse der beweglichen Scheibe 7 gemäß F i g. 4

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vermindern die Wahrscheinlichkeit des Eindringens zu verarbeitenden Stoffs in die Vakuumkammer 20 (Fig. 1) und vergrößern die Fläche des Stoffs, von der die flüchtigen Komponenten entfernt werden, was eine zuverlässige Entfernung von flüchtigen Substanzen aus der Masse des zu verarbeitenden Stoffs gewährleistet.

In dem mit einer Vakuumkammer 20 versehenen Reaktorabschnitt sind die Bedingungen für die Verschiebung des zu verarbeitenden Stoffs durch das spiralförmige Gewinde der beweglichen Scheibe 7 schlechter, als in den anderen Reaktorabschnitten, weil hier Löcher 21 von besonderer Form vorhanden sind; deshalb soll die Schnecke 19, die in diesem Abschnitt angeordnet ist, im Vergleich zu den in den übrigen Reaktorabschnitten angeordneten Schnecken 19 einen größeren Durchmesser aufweisen.

Falls notwendig können statt eines mehrere Abschnitte zum Entfernen von flüchtigen Substanzen aus dem zu verarbeitenden Stoff verwendet werden.

Der untere Teil des Reaktors, der mit einer kurzen Schnecke 9 versehen ist, dient als Auspreßzone; die Konstruktion dieser Zone ist ähnlich der Konstruktion der entsprechenden Zone eines gewöhnlichen Schnekkenextruders, und sie umfaßt ein Formwerkzeug 23.

Die Umfangsgeschwindigkeit verschiedener Punkte der beweglichen Scheiben 7 ist unterschiedlich. Dies beeinflußt die volumetrische Geschwindigkeit der Bewegung des zu verarbeitenden Stoffs durch die spiralförmigen Nuten 11 dieser Scheiben, was zur Bildung von Gasblasen durch Kochen des Monomeren führen kann. Das betrifft hauptsächlich die oberen Seitenflächen der beweglichen Scheiben 7, wo sich der Stoff in der Richtung von der Achse des Reaktors zu dessen Randzone bewegt. Ein Ausgleich der volumetrischen Geschwindigkeiten des zu verarbeitenden Stoffs, dessen Viskosität mit der Steigerung der Umwandlungsstufe zunimmt, im Reaktor wird durch die Änderung der Profilmaße der spiralförmigen Nuten 11, der Zahl der Gewindegänge der Schnecken 19 und der beweglichen Scheiben 9. des Durchmessers und der Drehrichtung der Schnecken 19 sowie durch die Verwendung von verschiedenen, oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Konstruktion, die den Durchgang des Stoffs aus der oberen Hälfte in die untere Hälfte des Reaktorabschnitts gewährleisten, erreicht.

In den Reaktorabschnitten, in denen die flüchtigen Substanzen entfernt werden, werden mit Hilfe von diesen Maßnahmen eine Verminderung der Dichte sowie eine Verminderung des Drucks des zu verarbeitenden Stoffs erreicht, was für ein wirksames Entfernen von flüchtigen Komponenten erforderlich ist.

Im Durchschnitt sollen die Nuten der Gewinde mit einer möglichst geringen Tiefe geschnitten werden, um die Wärmeabfuhr von der exothermen Polymerisationsreaktion aus dem Reaktionsmedium zu erleichtern. Bei der Wahl der Nuttiefe wird auch der Einfluß der Nuttiefe auf die Leistung des Reaktors berücksichtigt. Der erfindungsgemäße Reaktor umfaßt mindestens vier Temperaturbereiche, die mit einem in den Hohlräumen der feststehenden Scheiben 1,2,3 und 4 sowie der beweglichen Scheiben 7 umlaufenden Wärmeträger versorgt werden.

Der in Richtung von den Beschickungsöffnungen 15 und 16 zum Formwerkzeug 23 gesehen erste Temperaturbereich sichert das Anwärmen des zu verarbeitenden Stoffs bis zu einer Temperatur, die für das Einleiten der Polymerisationsreaktion erforderlich ist

Der zweite Temperaturbereich ist zur Abführung der

Wärme, die sich bei der exothermen Polymerisationsreaktion entwickelt, bestimmt, und er dient zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Temperaturniveaus des Reaktionsmediums.

Der dritte Temperaturbereich ist die Zone, in der aus der Polymerisatschmelze restliches Monomeres und andere flüchtige Substanzen entfernt werden.

In der vierten Zone des Reaktors werden entsprechend Druck, Temperatur oder Viskosität der Polyme-

risatschmelze auf einem Niveau gehalten, das die erforderlichen Bedingungen für das Formen des Erzeugnisses gewährleistet.

Der Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors wird durch Hilfsvorrichtungen gesichert. Zu diesen gehören:

eine Vorrichtung zur Vorbereitung des Monomeren und j:u dessen Zuführung in den Reaktor, die aus Behältern 24 und 25 (F i g. 6) für Monomeres oder aus Vorpolyrnerisationsanlagen besteht, die zur Herstellung eines teilweisen polymerisierten Monomeren bestimmt

sind; eine Kühlvorrichtung 26 und eine Aufnahme- und Ziehvorrichtung 27, die beide den bei der kontinuierlichen Herstellung von Profilerzeugnissen nach dem Warmspritzverfahren anzuwendenden Vorrichtungen ähnlich sind, sowie eine Dosierpumpe 28.

Der erfindungsgemäße Reaktor arbeitet folgendermaßen: Der vorbereitete Stoff wird einer der "ieschikkungsöffniingen des Reaktors 27 in Form eines Monomeren oder eines teilweise polymerisierten Monomeren mittels einer Dosierpumpe 28 oder unter der Einwirkung des Inertgases aus den Behältern 24 und 25 zugeführt. Falls notwendig, können verschiedene Hilfskomponenten in Form einer Monomerlösung einer anderen Beschickungsöffnung des Reaktors 27 zugeführt werden.

Der zu verarbeitende Stoff, welcher durch die Beschickungsöffnungen 15 und 16 (F i g. 1) zugeführt wird, gelangt in den Zwischenraum zwischen den beweglichen Scheiben 7 und den feststehenden Wänden des Keaktorgehäuses und wird unter der Einwirkung des

spirallormigen Gewindes der beweglichen Scheiben 7 und des Schraubengewindes der Schnecken 19 (F i g. 2) in radialer Richtung von der Zentralachse des Reaktors zu dessen Randzone über die obere Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 verschoben; dann gelangt der

zu verarbeitende Stoff durch den Spalt 12 zwischen dem Reaktorgehäuse und der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe 7 an die untere Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 und bewegt sich durch die spiralförmigen Nuten 11 des Gewindes über die un-

tere Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 zum Reaktorzentrum.

Weiter verschiebt sich der Stoff aus dem oberen Keaktorabschnitt in den unteren Reaktorabschnitt durch den Spalt zwischen der zylindrischen Innenfläche °^er ^'stehenden Scheibe 3 und der zylindrischen Außenfläche der Abstandhülse 8. Es ist darauf hinzuweisen, daß der in den spiralförmigen Nuten Il des Gewindes der beweglichen Scheibe 7 befindliche Stoff durch die Einwirkung der zwischen dem Stoff und den

«ο beweglichen sowie unbeweglichen Reaktorflächen entstehenden Reibungskräfte verschoben wird, während sich der Stoff in dem Teil der beweglichen Scheibe 7. der relativ nahe an der Stelle der Verzahnung mit der Schnecke 19 liegt, durch dessen Verdrängung aus den *5 Nuten der beweglichen Scheiben 7 mittels der Gewindekamme der Schnecken 19 verschiebt wobei ein be-S™^mler· ^{von der} Viskosität des Stoffs abhängiger Widerstand gegen den Obergang des Stoffs durch die

Nuten der Schnecke 19 an der anderen Seite derselben besteht.

Dadurch sind die Bedingungen für die Bewegung des Stoffs im Reaktor in einem geringeren Grad von den zwischen dem Stoff und den beweglichen sowie unbeweglichen Reaktorflächen entstehenden Reibungskräften abhängig. Das ist besonders wichtig, wenn man berücksichtigt, daß die Polymerisationsreaktion in einem Medium mit zunehmender Viskosität stattfindet.

Auf diese Weise verschiebt sich der zu verarbeitende Stoff bei der Drehung der Antriebswelle 6 in der Richtung von oben nach unten aufeinanderfolgend durch alle Reaktorabschnitte.

Das wirksame Durchmischen, welches durch den Schub der drehbaren beweglichen Scheiben 7 und den Reaktorwänden hervorgerufen wird, sichert eine gute Verteilung der getrennt eingeführten Komponenten und ein schnelles Anwärmen des Stoffs, in der Richtung von den Reaktorwänden, bis zur Temperatur des Einleitens der Polymerisationsreaktion im ersten Temperaturbereich des Reaktors. Die Polymerisationsgeschwindigkeit ist in verschiedenen Umwandlungsbereichen unterschiedlich; deshalb soll der zweite Temperaturbereich des Reaktors eine solche Anzahl von Abschnitten umfassen, die eine optimale Temperatur des Reaktionsmediums bei verschiedenen Umwandlungsgraden sichert und dadurch die gesamte Geschwindigkeit der Polymerisationsreaktion erhöht.

In dem zweiten Temperaturbereich des Reaktors wird die bei der exothermen Polymerisationsreaktion entstehende Wärme aus dem Reaktionsmedium abgeführt. Da sich der zu verarbeitende Stoff in Form einer dünnen Schicht unter den Bedingungen des Schubs zwischen den sich zueinander einander bewegenden Wänden befindet, hinter denen der Wärmeträger umläuft, werden eine leichte Steuerung der Reaktion und die Durchführung der Polymerisation bei verhältnismäßig höheren Temperaturen möglich, ohne daß dabei die Gefahr einer Überhitzung des Stoffs von innen besteht. Das betrifft insbesondere die Reaktorabschnitte, in denen die Polymerisation bis zu höheren Umwandlungsgraden durchgeführt vird und das Reaktionsmedium eine hohe Viskosität aufweist.

In den letzten Umwandlungsstadien ist die Reaktionsgeschwindigkeit geringer; folglich ist auch die Wärmemenge geringer, die aus dem Reaktionsmedium abzuführen ist. Deshalb können in den letzten beweglichen Scheiben 7 des zweiten Temperaturbereichs des Reaktors die Hohlräume für den umlaufenden Wärmeträger fehlen.

In den Reaktorzonen, in denen sich der Stoff in Form eines unvollständigen polymerisierten Monomeren befindet, wird das Anhaften des Stoffs in den Nuten der genannten Gewinde dadurch unmöglich gemacht, daß das Gewinde der Schnecken 19 mit dem Gewinde der beweglichen Scheiben 7 unter Beibehaltung eines minimalen Spalts in Eingriff steht, wodurch deren gegenseitige Säuberung von dem anhaftenden Stoff verwirklicht wird.

An den Stellen des Übergangs des Stoffs aus der oberen Hälfte des Reaktorabschnitts in die untere Hälfte desselben wird die Bildung einer Kruste aus dem anhaftenden Stoff dadurch verhindert, daß von der Oberfläche des Reaktorgehäuses der Stoff durch die zylindrische Außenfläche der beweglichen Scheibe 7 und von der zylindrischen Außer.^.che der beweglichen S-heibe 7 durch den Kratzt. 13 (Fig.7) gesäubert wird.

Auf ähnliche Weise wird mittels des Kratzers 14 und der Abstandshülse 8 die Säuberung der Reaktorflächen an den Stellen des Übergangs zwischen den benachbarten Abschnitten vorgenommen.

Bei der Drehung der beweglichen Scheiben 7 wird der an den Stellen des Übergangs zwischen der oberen und der unteren Hälfte des Abschnitts befindliche Stoff in den keilförmigen Teil des Ringspalts 12 mitgerissen, wo er einer intensiven Einwirkung der Schubkräfte ausgesetzt wird. Dies kann als Mittel zur Änderung des Molekulargewichts des zu polymerisierenden Stoffs durch die mechanische Destruktion dienen.

Aus dem zweiten Temperaturbereich des Reaktors gelangt der zu verarbeitende Stoff in Form einer Polymerschmelze mit einer relativ hohen Viskosität in die Zone, in der das restliche Monomere und die anderen flüchtigen Substanzen entfernt werden. Da die Polymerisatschmelze eine hohe Viskosität aufweist, entsteht bei deren Bewegung über die obere Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 ein hoher Widerstand gegen den Übergang des Stoffs durch die Nuten der Schnecke 19 an der anderen Seite derselben.

Aus diesem Grunde sowie auch dadurch, daß sich in diesem Temperaturbereich des Reaktors der Stoff in der Richtung von der Reaktorachse zu der Seite der Steigerung der volumetrischen Geschwindigkeit verschiebt, und durch die Bewegung des Stoffs mittels der Schnecke 19, die sich in diesem Reaktorbereich befindet, wird an der oberen Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 ein Bereich des verminderten Drucks gebildet, in dem mit dem Stoff nicht der ganze freie Raum der spiralförmigen Nuten 11 gefüllt wird.

Die Löcher 21 (F i g. 1), durch welche die Vakuumkammer 20 mit der Masse des zu verarbeitenden Stoffs in Verbindung steht, sind über dem Bereich der oberen Seitenfläche der beweglichen Scheibe 7 angeordnet, wo die Zone des verminderten Drucks gebildet wird. Der Reaktorabschnitt, in dem sich die Zone zur Entfernung der flüchtigen Komponenten befindet, ist von oben und von unten durch Abschnitte begrenzt, wo die Verdichtung des Stoffs verwirklicht wird, wodurch der verminderte Druck nur in der Zone der Entfernung der flüchtigen Komponenten aufrechterhalten wird.

Der Innenraum der beweglichen Scheibe 7 weist in diesem Reaktorabschnitt eine gesonderte Einlaßleitung (nicht dargestellt) für den Wärmeträger auf.

All das schafft günstige Voraussetzungen für die Entfernung des restlichen Polymerisats und der anderen flüchtigen Substanzen aus der Polymerisatschmelze.

Aus der Zone zur Entfernung der flüchtigen Komponenten wird der Stoff in Form einer Polymerisatschmelze der Auspreßzone des Reaktors zugeführt, in der die erforderliche Temperatur, Viskosität und Druck erzeugt werden, und durch das Formwerkzeug 23 in Form eines endlosen Profilerzeugnisses extrudiert.

Der erfindungsgemäße Reaktor ist zu einer kontinuierlichen Polymerisation des Monomeren in Verbindung mit einem Formwerkzeug bestimmt und kann zur Herstellung von Profilerzeugnissen, wie Rohre, Bänder, Stäbe aus Polymerisatschmelze nach einem kontinuierlichen Verfahren verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Reaktor ohne Vakuumkammer kann zur kontinuierlichen Herstellung eines Vorpolymerisats mit einem hohen Umwandlungsgrad verwendet v/erden, um dieses Vorpolymerisat unmittelbar einem gewöhnlichen Schneckenextruder mit Vakuumzone zur Herstellung von polymeren Profilerzeugnissen zuführen zu können.

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Der Reaktor, der, wie oben beschrieben, aus Abschnitten mit einer Vakuumkammer besteht, kann für die Durchführung der Polykondensationsreaktion verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Reaktor kann auch als kontinuierlicher Mischer zur Aufbereitung von hochviskosen Zusammensetzungen aus pulverfönnigen und flüssigen Komponenten, z. B. zur Aufbereitung von pastenartigen Mischungen auf der Grundlage von Polyvinylchlorid, verwendet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktor zur kontinuierlichen Polymerisation, der in einem Gehäuse angeordnete und an einer gemeinsamen Antriebswelle übereinander befestigte bewegliche Scheiben mit dazwischen angeordneten Abstandhülsen, welche mit Hohlräumen für den umlaufenden Wärmeträger versehen sind, sowie eine Einrichtung zur Verschiebung des zu verarbeitenden Stoffs durch den Reaktor und zur gleichmäßigen Verteilung des Stoffs zwischen den genannten Scheiben enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung tür Verschiebung des zu verarbeitenden Stoffs durch den Reaktor und zur gleichmäßigen Verteilung des Stoffs zwischen den Scheiben feststehende Scheiben (1, 2, 3, 4), die zwischen den beweglichen Scheiben (7) angeordnet sind, sowie in Rillen der feststehenden Scheiben (2,

3) untergebrachte Schnecken aufweist, die mit spiralförmigen Nuten (11) des Gewindes in Eingriff kommen, das an den ebenen Seitenflächen der beweglichen Scheiben (7) ausgebildet ist, wobei die spiralförmigen Nuten (11) abwechselnd miteinander durch die Spalte, welche zwischen den feststehenden Scheiben (2,3) und den zylindrischen Außenflächen der Abstandhülsen (8) vorgesehen sind, und die Spalte, welche zwischen dem Gehäuse des Reaktors und den zylindrischen Außenflächen der beweglichen Scheiben (7) bestehen, in Verbindung kommen, und mindestens eine der feststehenden Scheiben (2) oder (3) mit einer Einrichtung zur Entfernung von flüchtigen Komponenten aus der Masse des zu verarbeitenden Stoffs versehen ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Außenfläche der beweglichen Scheibe (7) in bezug aul deren Drehachse exzentrisch ausgeführt ist und im Reaktorgehäuse ein Kratzer (13) befestigt ist, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der beweglichen Scheibe (7) angedrückt wird.

3. Reaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse (8) in bezug auf deren Drehachse exzentrisch ausgeführt ist und an der feststehenden Scheibe (2, 3) ein Kratzer (14) befestigt ist, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Außenfläche der Abstandhülse (8) angedrückt wird.

4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innenfläche des Gehäuses in bezug auf die Drehachse der beweglichen Scheibe (7) exzentrisch ausgeführt ist und an der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe (7) ein Kratzer befestigt ist, der über die gesamte Höhe des Spaltes zwischen dem Gehäuse und der zylindrischen Außenfläche der beweglichen Scheibe (7) an die zylindrische Innenfläche des Gehäuses angedrückt wird.

5. Reaktor nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innenfläche der feststehenden Scheibe (3) in bezug auf die Drehachse der Abstandhülse (8) exzentrisch ausgeführt ist und an der zylindrischen Außenfläche der Abstandhülse (8) ein Kratzer befestigt ist, der über deren gesamte Höhe an die zylindrische Innenfläche der feststehenden Scheibe (3) angedrückt wird.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Entfernung von flüchtigen Komponenten aus der Masse des zu verarbeitenden Stoffs eine Vakuumkammer (20) enthält, die in einer der feststehenden Scheiben (3) angeordnet ist und mit der Masse des zu verarbeitenden Stoffs durch mindestens ein in der feststehenden Scheibe (3) vorgesehenes Loch (21) in Verbindung steht das die Form eines radial ausgerichteten Schlitzes mit Abschrägungen (22] aufweist, die an Kanten vorgesehen sind, welche der beweglichen Scheibe (7) an der Seite derselben zugekehrt sind, an der sich der zu verarbeitende Stoff in spiralförmig ausgebildeten Nuten (11) des Gewindes von der Zentralzone des Reaktors in der Richtung zu dessen Randzone verschiebt