DE2300111C3 - Verfahren zur Abführung der Reaktionswärme bei der Copolymerisation des Äthylens in wäßriger Dispersion - Google Patents
Verfahren zur Abführung der Reaktionswärme bei der Copolymerisation des Äthylens in wäßriger DispersionInfo
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Description
Es ist bekannt, daß man wertvolle Polymerisatdispersionen
durch Copolymerisation des Äthylens in wäßriger Dispersion herstellen kann. Das Äthylen
wird dabei in gasförmigem Zustand eingesetzt, und man arbeitet bei relativ hohen Drücken. Bei der
Durchführung dieser Polymeris^'.ion in großtechnischem
Maßstab ist es erwünscht, zumindest einen Teil der Reaktionswärme durch Siedeki:hlung abzuführen.
Bei der Verwendung von Siedekühlern üblicher Anordnung stellt man jedoch fest, daß der gleichmäßige
Ablauf der Reaktion immer wieder durch Verstopfungen der Kühler- und Kondensatrohre gestört wird.
Dies ist wahrscheinlich auf die Bildung von Äthylenhydratkristallen zurückzuführen, die bei den im System
herrschenden hohen Drücken und den durch das Kühlmedium bedingten niedrigen Temperaturen beständig
sind. So liegt z. B. der Zersetzungspunkt des Äthylenhydrats bei einem Druck von 41 Bar bei
16° C.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, diese
Störungen zurückzudrängen und eine gleichmäßige Abführung der Polymerisaticnswärme zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das anspruchsgemäße Verfahren gelöst.
Aus der DE-OS 2038363 ist nun ein Verfahren zur Emulsions-Homopolymerisation des Vinylchlorids
bekannt, bei dem zwar die Polymerisationswärme durch verdampfendes Vinylchlorid abgeführt wird, bei
dem sich jedoch kein Athylenhydrat bilden kann. Diese Verbindung kann sich auch beim Verfahren der
US-PS 3349070, das die Massepolymerisation von Styrol betrifft, nicht bilden. Bei dem Verfahren der
DE-OS 2 049622 zur Wärmeabfuhr bei der Polymerisation von Monomeren in der Gasphase wird zwar
Äthylen als mögliches Monomcres erwähnt, doch erfolgt dessen Polymerisation nicht in wäßriger Emulsion
unter Verwendung Radikale bildender Katalysatoren, sondern in Abwesenheit von Wasser unter
Verwendung vofi sog. Zieglcr-Katalysatoren oder von Katalysatoren,die Chromoxid enthalten. Auch in diesem
Fall wird Polymerisationswärme durch Verdampfen von flüssigem Wärmeträger abgeführt, doc'i kann
sich kein Äthylenhydrat bilden und Störungen im
Kühlsystem bewirken.
Weder der US-PS 3349070 noch der DE-OS 2049622, noch der DE-OS 2038363 können daher
Anregungen für die Vermeidung der Äthylenhydrat- bildung in der Kühlzone einer Emulsions-Copolyme-
risation des Äthylens, bei der Wärme durch verdamp fendes Monomeres abgeführt wird, entnommen
werden.
Es wurde nun gefunden, daß man Copolymerisate des Äthlens mit 60 bis 95 Gewichtsprozent an üblichen
Comonomeren durch Polymerisation der Mono meren in wäßriger Dispersion, wobei mindestens ein
Teil der Polymerisationswärme abgeführt wird durch \ erdampfen des Äthylens, Abkühlen der Dämpfe un-
ter Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium in einer oberhalb des Polymerisationsgefäßes angeordneten,
mit diesem in offener Verbindung stehenden Kühlzone und Rückführen in das Polymerisationsgefäß mit
Vorteil herstellen kann, indem am oberen Ende der 2« Kühizone die Dämpfe eingeführt und Cömonoinerc
in flüssiger Form im Verlauf der Polymerisation kontinuierlich oder absatzweise zugegeben werden, und
die Abkühlung am absteigenden Dampfstrom erfolgt. Als Comonomere kommen dabei in Frage: Vinyl-21J
ester von organischen Fettsäuren mit 1 his 12 Kohlenstoffatomen im AlkyJrcst, beispielsweise Vinylacetat
oder Vinylpropionat; olefinisch ungesättigte Carbonsäuren mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, wie Acrylsäure,
Methacrylsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure; Ester solcher Säuren, wie Methylacrylat,
Mcthylmethacrylal, Äthylacrylat. Butylacrylat, Äthylhexylacrylat, sowie Maleinsäurediester oder
-halbestcr des Methanols oder Butanols; Amide solcher Säuren, wie Acrylamid oder Methylolacrylamid;
is Nitrile solcher Säuren, wie Acrylnitril oder Methacrylnitril;
ferner Vinylchlorid, Vinyläthylketon oder Vinylsulfonsiiurc, Hydroxyalkylacrylate und bifunktionellc
Acrylester und Vinylverbindungen; sosvie Gemische dieser Monomeren.
■<(> Die Polymerisation wird in wäßriger Dispersion in
üblichen Druckautoklaven durchgeführt. Dabei können die bekannten Emulgier- und Dispergierhilfsmittel,
wie z. B. ionische und nicht ionische Emulgatoren und Schutzkolloide, verwendet werden, wie sie in
•r. H ο u b c η - W e y I, »Methoden der organischen Chemie«,
Band XIV/1, »Makromolekulare Stoffe«, Gcorg-Thicme-Verlag, Stuttgart 1961, auf den Seiten
192 bis 208 und 411 bis 420 ausführlich beschrieben
sind. Als wasserlösliche radik;ilhildende Polymerisao
tionskatalysatoren kommen vor allem Persulfate, wie Kalium-, Natrium- und Ammoniumpersulfat, Wasserstoffperoxid
und icicht Radikale bildende Azoverbindungen, wie Azoisobuttersäurenitril, sowie Perborate
und übliche Redoxkatalysalorsystcme in Frage. )-, Ferner können übliche Regler- und Puffersubstanzen
zugesetzt werden.
Die Polymerisation wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 30 und 85" C durchgeführt. Der
Druck richte! sich nach der Menge Äthylen, die ein-(f)
polymerisiert werden soll. Bei der Herstellung von Copolymcrisaten mit niedrigem Äthyiengehalt genügen
Drücke um 5 bis K) Bar; will man dagegen sehr hohe Äthylcngchaltc einstellen, so muß bei Drücken
von 50 Bar oder darüber gearbeitet werden. Man geht hs im allgemeinen so vor, daß man den Äthylendruck
konstant hält, so daß im Verlauf der Polymerisation laufend Äthylen in dem Maß, in dem es polymerisiert,
nachgeliefert wird. Das Äthylen löst sich bereitwillig
.η den in der Dispersion enthaltenen Comonomeren.
Diese werden kontinuierlich oder absatzweise im Verlauf
der Polymerisation zugegeben.
Die bei der Polymerisation freiwerdende Wärme bewirkt, daß aus der wäßrigen Dispersion Äthylen
Verdampft. Je nach Zusammensetzung der Dispersion Enthält der Gasraum über der Dispersion außer dem
Äthylen auch noch geringe Mengen Wasser- und Comonomerendampf. Dieser trägt natürlich auch in geringem
Umfang zur Abfuhr der Polymerisationswärme bei. Die Dämpfe können nun in eine Kühlzone
eintreten, die oberhalb des Polymerisationsgefäßes angeordnet ist und mit diesem in offener Verbindung
steht. Erfindungsgemäß werden die Dämpfe so geführt,
daß sie am oberen Ende der Kühlzone eintreten. Die Kühlzone kann beispielsweise ein senkrecht angeordneter
Böhrenbündelwärmeaustauscher sein. Die Dämpfe strömen dann von oben nach unten durch
die Röhren und werden von dem Kühlmedium, das die Röhren umgibt, abgekühlt. Als Kühlmedium
kommen übliche Flüssigkeiten mit einem Gefrierpunkt unterhalb der Arbeitstemperatur in Frage, -c. B.
Wasser/Glykol-Gemische, Methanol, wäßrige Cafciumchloridlösungen,
flüssiger Ammoniak. In der Kühlzone kommen die Äthylendämpfe durch die
Wand in indirekten Kontakt mit dem Kühlmedium. Es findet ein Wärmeaustausch statt, wodurch die
Dämpfe abgekühlt werden. Arbeitet man bei Äthylendrücken oberhalb des kritischen Drucks (der bei
reinem Äthylen bei 51 Bar, in Gegenwart geringer Mengen Wasserdampf oder Comonomerer etwas höher
liegen kann), so kann es nicht zu einer Kondensation kommen. Es hat sich aber überraschenderweise
gezeigt, daß trotzdem die Polymerisationswärmc in genügendem Maß abgeführt werden kann.
Vorzugsweise führt man die Polymerisation jedoch unterhalb des kritischen Drucks, vorzugsweise zwischen
5 und 50 Bar, durch. Dabei können nun die Dämpfe bei ind:*ektem Kontakt mit dem Kühlmedium
kondensieren, sofern dessen Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur der Dumpfe, insbesondere
des Äthylens, bei dem jeweiligen Druck liegt. Das Kondensat fließt dann in das Polymerisationsgefiiß
zurück.
Ein besonderes Merkmal des Verfahrens der Erfindung
besteht darin, daß man am oberen linde der Kii'nlzone
laufend Comonomcre in flüssiger Form zugibt. Dabei tritt auch dann noch Wärmeabfuhr ein. wenn die
Temperatur des Kühlmediums über der Verflüssigungstemperatur des Äthylens bei dem herrschenden Druck
liegt. Man kann sich vorstellen, daß die Kondensation
der Dämpfe hier durch Auflösen in den flüssigen Comonomeren erfolgt. Die Lösung gibt beim Kontakt mit
dem Kühlmedium Wä'.me ab. Diese Arbeitsweise ermöglicht
eine noch gleichmäßigere Durchführung der Polymerisation, so daß z. B. in einem Chargenbeirieb 10
Stunden und langer störungsfrei polymerisiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die schematische Abbildung veranschaulicht:
In dem Polymerisationsgefäß 1 befindet sich die
wäßrige Dispersion 2. Gasförmiges Äthylen wird über die Leitung 3 zugeführt. Oberhalb des Polymerisationsgefäßes
ist der Wärmeaustauscher 4 angeordnet, der von einem Kühlmedium 5 durchströmt wird.
Äthylendämpfc steigen du-^h die Leitung 6 auf und
werden am oberen Ende des Kühlers in diesen eingeführt; die abgekühlten Dampfe bzw. das Kondensat
strömen durch die Leitung 7 in das Polymerisationsgefäß zurück. Durch die Leitung 8 werden Ccmonomere
in das obere Ende des Kühlers eingebracht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es,
'< die Polymerisationswärme bei der Äthylencopolymerisation
in wäßriger Dispersion gleichmäßig abzuführen, wodurch eine Polymerisation in großtechnischem
Maßstab wesentlich vereinfacht wird. Es ist überraschend, daß der Dampfkreislauf und damit die Wärmeabfuhr
so gleichmäßig und gut regelbar durchgeführt werden kann, obwohl man in der Nähe des
kritischen Drucks arbeitet. Ein Teil der Polymerisationswärme kann zusätzlich durch herkömmliche
Mantelkühlung abgeführt werden.
Die entstehenden Polymerisatdispersionen können den üblichen Verwendungszwecken zugeführt werden;
sie sind z. B. als Textilhilfsmittel, als Bindemittel für Papierstreichmassen, Anstriche oder Faservliese,
sowie als Klebrobstoffe oder Zusätze zu hydraulischen
.'« Bindemitteln brauchbar.
Die in dem Beispiel genannten Teile und Prozente beziehen sich auf das Gewicht.
.·"> In einem Rührdruckbehälter aus V4A-Stahl, ausgerüstet
mit von oben zu beaufschlagendem nach Abbildung angeordnetem Rückflußkühler mit Rohrbündelwärmeaustauscher
(Abbildung), wird eine Emulsionscopolymerisation mit Monomerenzul?uf durch-
iii geführt. Der Behälter wird mit 66,4 Teilen Wasser,
3,75 Teilen Polyvinylalkohol, 1,5 Teilen Octylphenol · 25 Äthylenoxid, 0,375 Teilen Kaliumpersulfat,
3,75 Teilen Polyvinylalkohol, 1,5 Teilen Octylphenol · 25 Äthylenoxid, 0,375 Teilen Kaliumpersulfat,
η 0,6 Teilen Vinylacetat
beschickt, die Temperatur des Inhalts mit Hilfe eines Tempcriermantels auf 40° C eingestellt und (nach
mehrmaligem Spülen der Behälteratmosphä.-e mit Äthylen) ein Äthylendruck von 41 Bar eingestellt.
■to Außerhalb des Reaktionsbehälters wird eine Lösung A «»us weiteren
12,0 Teilen Wasser,
0,2 Teilen Natriumacetat.
0,1 Teilen Natriumformaldehydsulfoxylat
12,0 Teilen Wasser,
0,2 Teilen Natriumacetat.
0,1 Teilen Natriumformaldehydsulfoxylat
r. bereitet, und zum Starten der Reaktion werden 1,5
Teile dieser Lösung zugepumpt. 15 Minuten später wird damit begonnen, 59,4 Teile Vinylacetat im Verlauf
von 4 Stunden gleichmäßig durch den Rückflußkühler und den Rest der Lösung A in 51/, Stunden
-.η gleichmäßig direkt in den Reaktionsbehälter zu pumpen.
Das durch die Reaktion verbrauchte Äthylen wird laufend ergänzt. Die entstehende Reaktionswärme
w,id durch das Kühlmitte! des Wärmetauschers abgeführt. Seine Temperatur bewegt sich im
Vi Verlauf der gesamten Reaktionszeit zwischen —,2 und
+ 15" C, gesteuert durch die Temperatur der Reaktionsmischung.
Nach Reaktionsende wird die Kühleinrichtung außer Betrieb gesetzt, und nach Entspannen kann dem
wi Reaktionsbehälter die auspolymerisierte Kunststoffdispersion
entnommen werden, die 17,5% Äthy'en im Copolymerisat enthält.
Vcrgleichsbeispiel A
„'. Die Versuchsbedingungen sind am Beginn der Polymerisation
so, wie sie im Beispiel beschrieben sind, lediglich die Führung der im Wärmetauscher zu kühlenden
Dumpfe ist anders: Sie werden aus dem Reak-
23 OO 1 11
tionsbehälter in die untere Verteilerhaube des Rohrbündelwärmetauschers
geleitel, aus der auch die Flüssigkeit (am Wärmetauscherkopf zugeführtes Vinylacetat
und Kondensat) in den Reaktor zurückfließt.
Die Polymerisation verläuft etwa 1 Stunde lang in der gleichen Art, wie im Beispiel beschrieben. Dann
verstopft sich der Ablauf der unteren Verteilerhaubc de-s Rohrbündelwärmetauschers, und es sammelt sich
dort Kondensat und mit Äthylen gesättigtes (am Wärmetauscherkopf zugeführtes) Vinylacetat an. Die
Kühlwirkung hört auf. Wenn sich genügend Flüssigkeit angesammelt hat, läuft sie in das Rohr hinein,
das für die aufsteigenden Dämpfe vorgesehen ist, so daß sich die beiden Stoffströme gegenseitig behindern.
Die Flüssigkeit gelangt nur teilweise in den Reaktor, was sich durch wiederbeginnende geringfügige Kühlleistung
erkennen läljt. Die Temperatur des RoakUii inhalts
steigt jedoch weiterhin an, so daß die Temperaturregelung nur immer größere (Kondensations-)
Leistung des Wärmetauschers bewirkt. Dadurch füllt sieh der Wärmetauscher ebenfalls mit Kondensat.
Nach einer weiteren Stunde ist alles im Reaktor vorliegende Monomere verbraucht, die Temperatur ist
bis etwa 80° C angestiegen und beginnt wieder zu sinken. Es muß kein Äthylen mehr naehgepreßt werden,
um den Druck auf 41 Bar zu halten. Es besteht die Gefahr, daß die Verstopfung sich löst, so daß große
Mengen Monomere nmischung in die Reaktionszone gelangen können, was zu einem Durchgehen des Reaktors
führen würde.
Der Versuch wird abgebrochen und das Rücklaufrohr so schnell wie möglich (nach Entspannen) demontiert.
Man sieht in der Ablauföffnung der unteren Vertcilcrhaube des Rohrbündelwärmetauscher den
gesinnten Querschnitt durch Eis verstopft. Das Eis hat die Kcisistenz und das Aussehen schwach gepreßten
Schnees. Es enthält Äthylen okkludiert. Das Innere ■· des Rücklaufrohres ist weiter unten mit einem derartigen
Belag etwa 10 mm stark belegt. Der Querschnitt des für die aufsteigenden Dämpfe vorgesehenen Rohres
ist halbkreisförmig auf die Hälfte reduziert.
n, Vcrglcichsbcispiel B
Wie Vcrgleichsbeispiel A, jedoch wird das Vinylacetat nicht durch den Wärmetauscher, sondern dem
Reaktor direkt zugeführt. Die Polymerisation verläuft etwa 1 Stunde lang in der gleichen Art, wie im Beispiel
i-> beschrieben, dann ähnlich wie in Vergleichsbeispiel
A. Die Situation ist lediglich dadurch verschärft, daß die Vinylacetatzufuhr in die reagierende Mischung
nicht behindert ist und dah»?r deren Temperatur viel schneller ansteigt. Der Versuch wird nach wei-
'" teren 20 Minuten abgebrochen.
Vergleichsbcispiel C
Wie Vergleichsbcispiel B. jedoch wurde vorher das Rücklaufrohr für das Kondensat demontiert und das
.·■> Rohr für die aufsteigenden Dämpfe auf den Gesamtquerschnitt
des Rohrbündelwärmetauschers erweitert, so &λ3 Dämpfe und Kondensat einander nicht
merklich behinderten.
Die Polymerisation verläuft etwa 2 Stunden lang
in in der gleichen Art, wie im Beispiel beschrieben. Danach
ist das Verbindungsrohr zwischen Wärmetauscher und Reaktor so stark in seinem Querschnitt
durch Ablagerungen verengt, daß der weitere Ablauf wie im Vergleichsbcispiel B ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von Copolymerisaten des Äthylens mit 60 bis 95 Gewichtsprozent an üblichen Comonomeren durch Polymerisation der Monomeren in wäßriger Dispersion, wobei mindestens ein Teil der Polymerisationswärme abgeführt wird durch Verdampfen des Äthylens, Abkühlen der Dämpfe unter Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium in einer oberhalb des Polymerisationsgefäßes angeordneten, mit diesem in offener Verbindung stehenden Kühlzone und Rückführen in das Polymerisationsgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende der Kühlzone die Dämpfe eingeführt und Comonorriere in flüssiger Form im Verlauf der Polymerisation kontinuierlich oder absatzweise zugegeben werden, ujwj die Abkühlung am absteigenden Dampfstrom erfolgt.
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