DE2400879A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von celluloseglykolat - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von celluloseglykolatInfo
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Description
2A00879
K 2292 FP-Dr.P.-is 7. Januar 1974
Beschreibung
zur Anmeldung von
zur Anmeldung von
KALLE AKTIENGESELLSCHAFT Wiesbaden-Biebrich
für ein Patent auf
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Cel.l uloseglykolat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung von CeI1uloseglykolat.
Bei der kontinuierlichen Herstellung von CeI1uloseglykolat
macht es Schwierigkeiten, auch schon bei kurzen Reaktionszeiten ein Produkt von hoher Qualität, insbesondere von
sehr gleichmäßigem Substitutionsgrad zu erhalten. Es ist ·
bekannt, daß man das Verätherungsgemisch während des Verätherungsvorgangs
kräftig durchknetet oder zusammenpreßt, um mit Hilfe der dabei auftretenden Scherkräfte das Verätherungsmittel
mit der Alkalicellulose innig zu vermischen.
Doch wird auch durch die Anwendung von intensiver Misch-,
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Knet- oder Preßarbeit ein Verätherungsprodukt erhalten,
das insbesondere hinsichtlich seiner Löslichkeitseigenschaften
noch nicht zufriedenstellend ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierlich durchführbares Verfahren zum Herstellen von Natriumcarboxymethylcel1ulose
zur Verfügung zu stellen, das bei verhältnismäßig kurzer Reaktionszeit zu einem Endprodukt
mit verbesserten Löslichkeitseigenschaften führt. Bei der
Lösung der Aufgabe wird von dem bekannten Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von CeI1uloseglykolat ausgegangen,
bei welchem man ein Veratherungsgemis.cn» das anfänglich
aus fein zerkleinertem Zellstoff und Natronlauge gebildete Alkalicellulose, chloressigsaures Natrium und Wasser
enthält, bei wenigstens in allen Teilabschnitten des Reaktionsraumes
konstant gehaltenen Temperaturen von mindestens 60° C derart durch einen Reaktionsraum fördert, daß die
Verweilzeit des Verätherungsgemisches in dem Reaktionsraum ausreicht, um das darin anfänglich enthaltene chloressigsaure
Natrium umzusetzen, und bei welchem man außerdem das Verätherungsgemisch
unter Anwendung von Scherkräften durchmischt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist jedoch dadurch gekennzeichnet,
daß man ein Verätherungsgemisch durch den Reaktionsraum fördert, das anfänglich auf
1 Gew.-Teil Zellstoff
0,2 bis 0,6 Gew.-Teile Natriumhydroxid,
0,5 bis 1,75 Gew.-Teile monochloressigsaures Natrium,
7 bis 22 Gew.-Teile Isopropylalkohol (100%ig)
und soviel Wasser
enthält, daß es höchstens 50 und mindestens 20 % vom Gewicht
des Isopropylalkohols ausmacht, daß man die konstanten Temperaturen
des Verätherungsgemisches im Reaktionsraum im Gebiet
von 60 bis 90° C, vorzugsweise von 70 bis 85° C, hält, daß man die Scherkräfte auf das Verätherungsgemisch vor seinem
Eintritt in den Reaktionsraum und bei einer unter 30° C gelegenen Temperatur zur Einwirkung bringt, indem man mittels
eines Homogenisators homogenisiert, daß die Verwei1zeit
des Verätherungsgemisches in der Homogenisierungszone weniger
als 1/10 seiner Verweilzeit in dem Reaktionsraum beträgt und daß man nach beendeter Verätherung die flüssigen Bestandteile
des Verätherungsgemisches mehr oder weniger vollständig von seinen festen Bestandteilen auf mechanischem Wege abtrennt,
Da die Güte der erhaltenen Produkte umso besser ist, je intensiver die Homogenisierung des Verätherungsgemisches ist,
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die es vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum erfährt, ist es zweckmäßig, das Verätherungsgemisch mehrmals ini
Kreislauf durch den Homogenisator laufen zu lassen, zweckmäßigerweise im Durchschnitt mindestens lOmal. Dementsprechend
läßt man zweckmäßigerweise das Verätherungsgemisch durch den Homogenisator mit einer Geschwindigkeit
laufen, die mindestens das 10-fache der Geschwindigkeit ist, mit der es durch den Reaktionsraum gefördert wird, wobei
der Überschuß des durch den Homogenisator laufenden Verätherungsgemisches
im Kreislauf umgewälzt wird. Größere Sicherheit, daß die Homogenisierung des Verätherungsgemisches
weitgehend vollkommen erfolgt, ist gegeben, wenn man das Verätherungsgemisch vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum
durch zwei aufeinander folgende Homogenisatoren mit Einschluß der Umwälzbewegung laufen läßt, und man verfährt vorteilhaft
in dieser Weise.
Das Verfahren weist einige ungewöhnliche Eigenarten auf.
Die oben angegebene anfängliche Zusammensetzung der Verätherungsgemische
mag zwar Teilbereiche aufweisen, die an sich bekannt sind. Doch handelt es sich dann um bekannte
Verfahren, bei denen keine Scherkräfte auf das Verätherungsgemisch zur Anwendung kommen. Es ist eine der ungewöhnlichen
Eigenarten des Verfahrens gemäß der Erfindung, daß es ein
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durch verhältnismäßig viel Verdünnungsmittel (Isopropanol)
verdünntes Verätherungsgemisch verwendet, obwohl Scherkräfte zur intensiven Einwirkung gebracht werden sollen. Alle bisher
bekannten Verfahren, bei denen durch die Einwirkung von mechanischen Kräften eine Verbesserung des Produkts angestrebt
wurde, haben aus naheliegenden Gründen verhältnismäßig
wenig Flüssigkeitsmengen in ihren Verätherungsgemischen vorgesehen. Eine' andere ungewöhnliche Eigenart des Verfahrens
ist es, daß die Scherkräfte vor der Verätherungsreaktion zur Einwirkung gebracht werden. Das steht im Gegensatz zu der
bisherigen Ansicht, daß man sie während der Verätherungsreaktion einwirken lassen müsse. Eine weitere Eigenart des
Verfahrens ist es, daß die Verweilzeit des Verätherungsgemisches in der Homogenisierungszone auf eine im Verhältnis
zu seiner Verweilzeit im Reaktionsraum kurze Zeit beschränkt ist.
Unter der Verweilzeit in der Homogenisierungszone ist im Vorliegenden die Zeit.zu verstehen, während der das Verätherungsgemisch
bei seinen Durchgängen durch den oder dite Homogenisatoren
in den von den Homogenisierungswerkzeugen einge-' nommenen Räumen insgesamt verweilt. Homogenisierungswerkzeuge
sind beispielsweise Loch-, Stift- oder Zahnscheiben von Homogenisierungsmühlen.
Die Verweilzeit in der Homogenisierungs-
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zone ist umso geringer, je kleiner das Arbeitsvolumen der
Homogenisatoren ist. Die gestellte Forderung nach kurzer Verweilzeit in der Homogenisierungszone ist daher leicht
zu erfüllen. Zweckmäßigerweise wählt man Homogenisatoren mit möglichst kleinem Arbeitsvolumen, sofern dies ohne
Minderung ihrer Homogenisierungsleistung möglich ist.
Die oben angegebene anfängliche Zusammensetzung gibt selbstverständlich
nur die Summe der darin nachweisbaren Bestandteile an. So sind beispielsweise der Zellstoff und ein
wesentlicher Teil des Natriumhydroxids sebstverständlich
als Alkalicellulose anwesend, und so kann beispielsweise
bei der Herstellung des Verätherungsgemisches statt monochloressigsaurem
Natrium Chloressigsäure und eine entsprechende Menge Natriumhydroxid verwendet worden sein. Zur
Herstellung des Verätherungsgemisches verwendet man Natronlauge von mindestens 24 6ew.-% Konzentration. Vorzugsweise
verwendet man aber etwa 50gew,-%ige Natronlauge, obwohl auch noch höher konzentrierte, zum Beispiel 60gew.-%ige zweckdienlich
sein kann. Der Isopropylalkohol kann als 100%iger
angewendet werden. Zweckmäßigerweise verwendet man jedoch die technische Qualität mit etwa 13 Gew.-% Wasser. In letzterem
Fall ist es empfehlenswert, die Natronlauge in wenigstens etwa 50gew.-%ig. Konzentration anzuwenden. Die Mono-
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chioressigsäure-Komponente wird meist als Natriumsalz angewendet.
Das Salz kann dann in trockener Form zur Zubereitung des Verätherungsgemisches dienen. Verwendet man Monochloressigsäure
und ein entsprechendes Mehr an Natronlauge, dann wird erstere zwecknäßigerweise als etwa 80gew.-%ige wässrige
Lösung verwendet.
Es ist einer der Vorteile des Verfahrens, daß die Wiedergewinnung und Wiederverwendung des angewendeten Isopropylalkohols
sich besonders einfach gestaltet. Die nach beendeter Veretherung auf mechanischem Wege, das heißt durch Filtrieren,
Dekantieren oder Abschleudern von seinen festen Bestandteilen abgetrennten flüssigen Bestandteile des Verätherungsgemisches
bestehen aus wässrigem Isopropylalkohol von derartigem
Wassergehalt, daß sie unmittelbar, das heißt ohäie
Zwischenbehandlung, also ohne Destillation oder andere nicht
rein mechanische Reinigung) zur Herstellung von anfänglichem
Verätherungsgemi sch· verwendbar sind. Zweo'-unäßigerweise macht
man von dieser Möglichkeit Gebrauch.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigegebene Abbildung, die eine Anlage zur Durchführung
des Verfahrens in schematischer Weise wiedergibt, weiter
erläutert.
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Der Zellstoff wird von einer Vorratsrolle 1 abgenommen
und gelangt in eine Mühle 2, wo er auf eine mittlere Faserlänge von weniger als 1 mm, vorzugsweise von weniger als
0,4 mm, zerkleinert wird. Der zerkleinerte Zellstoff wird pneumatisch gefördert, in einem Zyklon 3 abgeschieden und
gelangt von dort über eine Zellenradschleuse 4 mittels einer
Dosierbandwaage 5 in den Al kaiisierungsmischer 6, wo er
mit mittels einer Dosierpumpe 7 zugelieferter Natronlauge ν e rm i s c h t w i r d.
Die alkalisierte Cellulose durchläuft auf Förderbändern 8
eine Reifekammer 9, in der die CeI1ulosemoleküle auf den
gewünschten durchschnittlichen .Polymerisationsgrad abgebaut
werden. Die gereifte Alkalicellulose gelangt dann in
ein Rührgefäß 10, in dem sie mittels eines vertikalen Schraubenspindel rührers 11 intensiv gerührt und durchmischt
wird. Gleichzeitig wird in das Rührgefäß 10 mittels einer Dosierpumpe 12 Isopropanol (87%ig) zudosiert. Am Fuße des
Rührgefäßes 10 befindet sich eine Homogenisiervorrichtung
Durch diese gelangt der Alkalieel 1ulose-Brei in die Umwälzleitung
14 des Rührgefäßes, wird 10 bis lOQmal umgepumpt und dabei intensiv durchmischt.
Ein Teil (1/10 oder weniger) des Al kaiieellulose-Breis wird
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aus der llmwäl zl ei tung 14 abgezweigt und mittels einer
Dosierpumpe 15 in ein zweites Rührgefäß 10a gefördert, das ebenfalls mit einem Schrauben-Spindelrührer 11a, einer
Homogenisiervorrichtung 13a und einer Umwälzleitung 14a ausgerüstet
ist. In das zweite Rührgefäß 10a wird mittels einer Dosierbandwaage 16 gepulvertes monochloressigsaures Natrium
oder etwa 80gew.-%ige Monochloressigsäure in geeigneter Weise
zudosiert.
Aus der Umwälzleitung 14a des zweiten Rührgefäßes wird ein
Teil des durchgepumpten Verätherungsgemisches abgezweigt
und mittels einer Dosierpumpe 15a in ein drittes Rührgefaß
-Sir gefördert, das mit einem Schraubenspindel rührer 11b,
einer Homogenisiervorrichtung 13b und einer Umwälzleitung 14b
ausgestattet ist. Aus der Umwälzleitung 14b wird ein Teilstrom
mittels einer Dosierpumpe 15b in einen aus drei Rohren 17a, 17b und 17c gebildeten Reaktionsraum 17 gefördert,
durch den es mittels Förderwendeln 18, 18a und 18b gefördert wird. Zwecks Zerkleinerung durchläuft das aus
dem letzten Reaktionsrohr 17c kommende Reaktionsgemisch mehrmals ein Aufschlaggefäß 19 mit einer Homogenisiervorrichtung
20 und einer Umwälzleitung 21, Ein Teil des Reaktionsgemisches
wird aus der Umwälzleitung 21 abgezweigt,
mittels einer Dosierpumpe 22 in eine Trennvorrichtung,
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beispielsweise eine Zentrifuge 23, gefördert, wo das Rohprodukt von wässrigem Isopropanol befreit wird. Das abgeschleuderte
Isopropanol kann unmittelbar zur Wiederverwendung der Dosierpumpe 12 zugeführt werden.
Die weitere Reinigung des Rohproduktes erfolgt nach herkömmlichem Verfahren.
Das Verätherungsgemisch soll möglichst schnell auf die
gewünschte Verätherungsgemperatur gebracht werden. Vorzugsweise ist schon auf dem Wege zum Reaktionsrohr 17a eine
Heizung 24 vorgesehen. Die Reaktion wird bei konstanten Verätherungstemperaturen von 60 - 90° C, vorzugsweise von
70 - 85° C, ausgeführt. Die Verätherungstemperatur braucht in dem Verätherungsraum nicht gleichbleibend konstant zu
sein. Es ist manchmal vorteilhaft, den Reaktionsraum in Teilabschnitte unterschiedlicher Temperatur zu unterteilen.
In jedem der Teilabschnitte des Reaktionsraumes wird jedoch
die jeweilige Temperatur konstant gehalten. Als Reaktionsraum gilt im Vorliegenden die Summe aller Räume, in denen
in dem Verätherungsgemisch bei einer Temperatur von 60 bis 90° C die Verätherungsreaktion geschieht.
Die Verweilzeit des Verätherungsgemisches in den Reaktions-
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rohren kann durch die Drehzahl der entsprechenden Wendeln
einreguliert werden, Die Wendeln können mit bestimmten Einbauten, wie z.B. Hubschaufeln o.a. ausgerüstet werden,
um einen verbesserten Mischeffekt zu erreichen. Im gleichen Sinne- wird die Steigung der Wendeln und die Ganghöhe den
speziellen Bedürfnissen entsprechend angepaßt.
Um ein Auslaufen des Verätherungsgemisches aus den Reaktionsrohren zu verhindern, ist am Ende jedes Reaktionsrohres ein
geeignetes Wehr 25, 25a bzw. 25b angebracht. Das Verätherungsgemisch
wird durch die Wendeln über die Wehre, die etwa bis zur Rohrmitte hochgeführt sind, gefördert. Es fällt im
freien Fall in das folgende Reaktionsrohr, oder, wenn das letzte Rohr durchlaufen ist, in das Aufschlaggefäß. Doch
kann man die Reaktionsrohre mit der Reaktionsmischung auch ganz ausfüllen. Man versieht dann die Rohre zweckmaßigerweise
mit einem Dampfdom (26), um aus dem Verätherungsgemisch verdampfendes
Isopropanol-Wasser-Gemisch aufzufangen und durch
Rückflußkühlung in das Rohr zurückzugeben,
Der Reaktionsraum kann selbstverständlich auch anders gestaltet
sein; beispielsweise kann er aus nur einem Rohr bestehen.
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Die Herstellung des Verätherungsgemisches kann durch Zuführen
aller Reaktionspartner in ein Mischgefäß erfolgen. Es kann aber auch, wie vorher beschrieben, zunächst die
Alkalisierung durchgeführt und das Verätherungsmittel in
einem zweiten Rührgefäß zugegeben werden. Eine Voralkalisierung ohne Lö'sungsmi ttel zusatz in einem üblichen kontinuierlich
betriebenen Mischer mit anschließendem Aufschlagen im Maischgefäß wie oben beschrieben ist ebenfalls möglich.
Alle Verfahren lassen sich kontinuierlich betreiben.
Falls es gewünscht wird, kann in dem ersten Reaktionsrohr neben der Verätherungsreaktion ein Abbau des Zellstoffgemisches
auf niedrigere Polymerisationsgrade, beispielsweise
durch Verwendung oxydativer Mittel, durchgeführt werden. Ebenso kann in dem dritten Rohr ein solcher Abbau erfolgen,
gegebenenfalls nachdem die Veretherung im zweiten Reaktionsrohr
bereits vollendet ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist ein im Vergleich zu bekannten Verfahren schneller ablaufendes und ergibt zudem
einen CeI1uloseäther von besserer Qualität.
In den nachstehenden Beispielen bedeutet GT Gewichtsteile und beziehen sich %-Angaben auf Gewichtsprozente.
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Stündlich werden 15 GT gemahlener Buchen-Sulfit-Zellstoff
mit einer.durchschnittlichen Faserlänge von unter 0,4 mm,
30,9 GT 2-3,8% ige wässerige Natronlauge, 20,3 GT monochloressigsaures
Natrium und 180 GT Isopropanol kontinuierlich dem ersten der dre.i Maischgefäße 10, 10a und 10b zugeführt.
Die mittlere Verweilzeit der Reaktionsmischung in jedem Maischgefäß beträgt etwa 40 Min. Davon entfallen auf den
Aufenthalt zwischen den in den Homogenisatoren 13, 13a und 13b befindlichen Homogenisierungswerkzeugen der Bruchteil
einer Sekunde bei jedem Durchgang, Die Anzahl der Durchgänge beträgt etwa 100 bis 150. Aus dem letzten Maischgefäß 10b
wird kontinuierlich abgezogen und in das Reaktionsrohr 17a
gefördert, wo das Verätherungsgemisch sofort auf 80° C
aufgeheizt wird und die Verätherung bei konstanter Temperatur vor sich geht. Die mittlere Verweilzeit in jedem Reaktionsrohr
beträgt etwa 20 Min. Die Roh-CMC-Suspension wird kontinuierlich ausgetragen, in einem Aufschlaggefäß aufgeschlagen
und der Feststoff beispielsweise in einer Siebschneckenschleuder
oder in einem Dekanter von der Flüssigkeit abgetrennt.
Nach Reinigung hat die so erhaltene CMC einen DS-Wert
(Substitutionsgrad) von 1,22, eine Viskosität (2 % in Wasser bei 20° C, Höppler-Viskosimeter) von 365 cP. Die wässerige
Lösung des Produktes war klar, der unlösliche Anteil betrug 0,8 % (Zentrifugen-Methode), Die Wirksamkeit des monochloressigsauren
Natriums (MCENa) beträgt 61 %,
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15 GT gemahlener Fichten-Sulfit-ZelΊstoff, 15,25 GT
48%ige Natronlauge, 20,3 GT Monochloracetat und 181 GT 87%iges wässeriges Isopropanol (azeotrop siedendes Gemisch)
wurden stündlich in das Maischgefäß dosiert. Die weitere Verarbeitung erfolgte wie im Beispiel 1 angegeben. Das
erhaltene CMC-Produkt hatte nach der Reinigung einen DS-Wert von 1,20, die Viskosität betrug 4,620 cP, die Rückstandswerte lagen unter 1 %, die wässerige Lösung war klar. Die
MCENa-Wirksamkeit ist 60 %.
15 GT Buchen-Sulfit-Zellstoff, 13,25 GT 33%ige Natronlauge,
10,65 GT Monochloracetat und 172 GT 85%iges wässeriges Isopropanol wurden, wie in den vorhergehenden Beispielen,
stündlich umgesetzt. Die erhaltene Rein-CMC hatte einen DS-Wert von 0,79, die Viskosität betrug 680 cP. Die Rückstände
lagen unter 1 %, die wässerige Lösung war klar. MCENa-Wirksamkeit = 75,2 %.
Die Voralkalisierung nach dem "Trockenverfahren" in geeigneten
Mischern wird bevorzugt, wenn eine Reife der Alkalicellulose für niederviskose CMC-Typen erforderlich wird.
S09828/0751
Die Reaktionsrohre können mit Heiz- bzw. Kühlmänteln so eingerichtet werden, daß es möglich ist, jedes Rohr
in zwei Hälften mit verschiedenen Temperaturen zu heizen
oder zu kühlen. Bei Kaskadenanordnung von zwei oder drei Rohren kann beispielsweise das letzte Rohr ganz oder
teilweise (zur Hälfte) zur Kühlung des Reaktionsgutes Verwendung finden. Für die Aufarbeitung des Rohproduktes
kann dies von Vorteil sein.
Die Wirksamkeiten des Verätherungsmittels (MCENa) sind,
je nach DS, mit 60 - 75 % ausgezeichnet.
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Claims (4)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von
CeI1uloseglykolat, bei welchem man ein Verätherungsgemisch,
das anfänglich aus fein zerkleinertem Zellstoff und Natronlauge gebildete Alkalicellulose, chloressigsaures Natrium
und Wasser enthält, bei wenigstens in allen Teilabschnitten
des Reaktionsraumes konstant gehaltenen Temperaturen von mindestens 60° C derart durch einen Reaktionsraum fördert,
daß die Verweilzeit des Verätherungsgemisches in dem Reaktionsraum
ausreicht, um das darin anfänglich enthaltene chloressigsaure Natrium umzusetzen, und bei welchem man außerdem
das Verätherungsgemisch unter Anwendung von Scherkräften durchmischt, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Verätherungsgemisch
durch den Reaktionsraum fördert, das anfänglich auf
1 Gew.-Teil Zellstoff 0,2 bis 0*6 Gew.-TeiIe Natriumhydroxid
0,5 bis 1,75 Gew.-Teile monochloressigsaures Natrium, 7 bis 22 Gew.-Teile Isopropylalkohol (100%ig)
und soviel Wasser
enthält, daß es höchstens 50 und mindestens 20 % vom Gewicht des Isopropylalkohols ausmacht, daß man die konstanten Temperaturen
des Verätherungsgemisches im Reaktionsraum im Gebiet von 60 bis 90° C, vorzugsweise von 70 bis 85° C, hält, daß
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man die Scherkräfte auf das Verätherungsgemisch vor seinem
Eintritt in den Reaktionsraum und bei einer unter 30 C gelegenen Temperatur zur Einwirkung bringt, indem man mittels
eines Homogenisators homogenisiert, daß die Verweilzeit des Verätherungsgemisches in der Homogeni sierungszon'e weniger
als 1/10 seiner Verweilzeit in dem Reaktionsraum beträgt und daß man nach beendeter Veretherung die flüssigen
Bestandteile des Verätherungsgemisches mehr oder weniger vollständig von seinen festen Bestandteilen auf mechanischem
Wege abtrennt.
2. ' Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verätherungsgemisch durch den Homogenisator mit
einer Geschwindigkeit laufen läßt, die mindestens das
10-fache der Geschwindigkeit ist, mit der es durch den
Reaktionsraum gefördert wird, wobei der Überschuß des durch den Homogenisator laufenden Verätherungsgemisches im Kreislauf
umgewälzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Verätherungsgemisch vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum durch zwei aufeinanderfolgende Homogenisatoren
unter Einschluß der Umwälzbewegungen laufen läßt.
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4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die nach beendeter Verätherung auf mechanischem
Wege abgetrennten flüssigen Bestandteile des
Verätherungsgemisches unmittelbar zur Herstellung von anfänglichem Verätherungsgemisch verwendet.
Verätherungsgemisches unmittelbar zur Herstellung von anfänglichem Verätherungsgemisch verwendet.
509828/0751
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