DE2400879A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von celluloseglykolat - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von celluloseglykolat

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Description

2A00879
K 2292 FP-Dr.P.-is 7. Januar 1974
Beschreibung
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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Beispiel 1
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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2Ä00879
Beispiel 2
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 %.
Beispiel 3
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.
509028/0751

Claims (4)

2Ä00879 Patentansprüche
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.
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