DE2448100C3

DE2448100C3 - Verfahren zur kontinuierlichen Caprolactampolymerisation

Info

Publication number: DE2448100C3
Application number: DE2448100A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. 5000 Köln Kaluza; Hans-Jürgen Dr. 4047 Dormagen Simon
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1985-06-20
Also published as: IE42018L; FR2287464B1; JPS5164598A; FR2287464A1; LU73537A1; ES441583A1; DE2448100A1; JPS5833245B2; DK453775A; IE42018B1; CA1064645A; DE2448100B2; NL7511814A; GB1523311A; CH625813A5; BE834311A; IT1043188B

Description

Es ist bekannt, die kontinuierliche Polymerisation von Caprolactam in Apparaten verschiedener Konstruktion durchzuführen. Im einfachsten Fall besteht ein solcher Reaktor aus einem einfachen, senkrechten Rohr, in welches z. B. das Caprolactam über Kopf eingefüllt und am Boden als Polymeres abgezogen wird, wobei am oberen Ende Wasser in Dampfform abgetrieben wird. Eine im Hinblick auf reaktionskinetische Überlegungen gezielte Abtreibuvig des Wassers hat zur Entwicklung mehrstufiger Rohre geführt, wobei die Stufen auch ineinandergeschachtelt sein können. Im letzteren Fall erhält man auf- und absteigende Schmelzeströme.

Weitere Vorrichtungen am und im Reaktor haben die Aufgabe, dem polymerisierenden Caprolactam ein gewünschtes Temperaturprofil aufzuprägen. Das geschieht durch einfaches Beheizen der Reaktorwand oder durch Einbau von Wärmetauschern, z. B. in Rohrbünde!- oder Plattenform, die parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, in der Anfangsphase der Reaktion bei Temperaturen oberhalb 250° C und in der Endphase unterhalb 250° C zu fahren, d. h. man führt im Kopf eines VK-Rohres Wärme zu und in der Endzone durch einen geeigneten Wärmetauscher Wärme ab. Dabei ist es wichtig, daß das Kühlen erst dann einsetzt, wenn der Caprolactamumsatz, der bekanntlich als Polyaddition abläuft, im wesentlichen stattgefunden hat.

Weitere Verfahrensentwicklungen beschäftigen sich damit, das polymensieiendc Caprolactam mehr oder weniger intensiv zu durchmischen, sei es, um in der Anfangsphase Additive einzurühren, sei es, daß man eine möglichst homogene Schmelze anstrebt. Die zu diesem Zweck vielfach eingesetzten mechanischen Rührer verschiedenster Konstruktion konnten nicht befriedigen, da sie einerseits störanfällig sind durch Antriebs- und Dichtungsprobleme und da sie ande

rerseits nicht zur Ausbildung einer erstrebenswerten Pfropfenströmung beitragen. Deshalb wurden u. a. zur Lösung dieses Problems Rührkesselkaskaden vorgeschlagen, die um so mehr den Forderungen einer Pfropfenströmung nahe kommen, je größer die Zahl der hintereinandergeschachtelten Rührkesse' ist. Dadurch entstanden aber sehr komplizierte und daher störanfällige Systeme, die einem absolut konstant verlaufenden Reaktionsprozeß, wie er für hohe Qualitätsansprüche notwendig ist, abträglich sind.

Es ist auch bekannt (DD-PS 49346, GB-PS 1041440), die Strömung in einem VK-Rohr dadurch zu beeinflussen, daß man das Rohrinnere mit Einbauten verschiedenster Art versieht, z. B. mit dachförmigen oder gelochten Blechen, mit konischen Hohlkörpern oder mit parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden konzentrisch angeordneten Ringflächen, die als Bremsflächen das Strömungsverhalten der Schmelze verbessern sollen, ohne daß sie bisher voll befriedigen konnten.

Eine Kombination mischender und strömungsbeeinflusEender Eigenschaften stellen die in letzter Zeit unter der Bezeichnung »statische Mischer« bekanntgewordenen Vorrichtungen dar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Verfahren der kontinuierlichen Polymerisation von c-Caprolactam derart zu verbessern, daß man nicht nur eine gut gemischte pfropfenförmig fließende Schmelze erhält, sondern daß man auch eine um mindestens 20% höhere Durchsatzleistung erzielt, als dieses nach dem bekannten Stand der Technik möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Caprolactampolymerisation in einem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Reaktor verwendet, dessen erste 60% des Rsaktorvolumens als statische Einbauten einen mehrere kammartige Plattenpaare aufweisenden Mischeinsatz enthalten, wobei die Platten jeweils in zwei Reihen angeordnet sind, in dem Stege zweier Lagen der einen Reihe jeweils die Stege mindestens einer Lage der anderen Reihe kreuzen.

Einbauten geeigneter Art werden als Vorrichtungen zum statischen Mischen von strömenden Medien in der deutschen Patentanmeldung P 2328795.8 beschrieben.

Der ankommende Gutstrom wird zeitlich und örtlich versetzt in Teilströme aufgespalten. Da die Aufteilung der Teilströme zeitlich und örtlich versetzt erfolgt, entsteht auch eine Homogenisierung in Strömungsrichtung, die gleichzeitig von radialen Strömungskomponenten überlagert ist. Die erzielbare Quervermischung ermöglicht eine gute Annäherung an das Profil der sog. Pfropfenströmung, so daß ein für die Caprolactampolymerisation günstiges enges Verweilzeitspektrum erreicht werden kann. Die Neigung der Plattenpaare zur Anstromrichtung bzw. zur Rohrwandung kann auch mehrdimensional sein. Dadurch werden weitete Mihchellektc bewirkt.

Vorzugsweise sind die Platten jeder Reihe parallel zueinander angeordnet. Diese Maßnahme verschlechtert den Mischeffekt nicht, ermöglicht aber eine rationelle Herstellung der Platten.

Nach einer besonders günstigen Ausführungsform sind mehrere Mischeinsätze vorgesehen, und die Kämme der Plattenpaare der Mischeinsätze sind zu-

einander winkelversetzt. Die Winkelversetzung beträgt beispielsweise 90°. Wählt man eine Winkelversetzung von 90°, so ergibt sich eine besonders kurze Baulänge, weil dann die Platten der Platteispaare bzw. die Platten der äußeren Plattenpaare benachbarter Mischeinsätze ziemlich weit in die Lücken zwischen den Plattenpaaren des benachbarten Einsatzes hineingeschoben werden können. Die Winkelversetzung der aneinandergereihten Mischeinsätze führt ?ur räumlichen Aufteilung der durch die Stege verursachten Teilströme. Bei dieser Ausführungsform ergeben sich schon beim Hintereinanderschalten *'on nur wenigen MischeinsätzeE hohe Mischeffekte.

Die Platten sind kammartig gestaltet und weisen elliptische Umfangsformen auf, wobei zur Strömungsverbesserung in den Randzonen die Stegyerbindung von der Rohrwand zur Rohrmitte hin verschoben angebracht ist, was nach einem rationellen Fertigungsverfahren durch Ausstanzen möglich wird. Es versteht sich, daß sich auch andere Herstellungsverfahren zur Herstellung der Mischeinsätze eignen, wie beispielsweise geschweißte Konstruktionen für Mischeinsätze größerer Abmessungen.

Die verschiedenen möglichen Varianten der erfindungsgemäß benutzten statischen Einbauten bieten dem Konstrukteur einen weiten Spielraum, die Vorrichtung zu optimieren. Insbesondere lassen sich die Mischeinsätze aus verschiedenen gestalteten Platten aufbauen, oder verschieden gestaltete Mischeinsätze mit gleichartigen Kämmen lassen sich hintereinander in entsprechend günstiger Reihenfolge anordnen. Auf diese Weise ist es möglich, die Mischeinsätze speziell auf die Strömungsgeschwindigkeit, die Viskosität und auf die Verweilzeit in entsprechenden Abschnitten abzustimmen.

In einer Zeichnung sind die erfindungsgemäß benutzten statischen Einbauten in verschiedenen Ausführungsformen rein schematisch dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele der Einbauten mit unterschiedlichen Anordnungsbeispielen der Mischeinsätze bzw. Platten,

Fig. 6 bis 9 schematische Reaktionsrohre.

In den Fig. 1 bis 5 sind für gleiche Teile die gleichen Einerzahlen verwendet worden, denen die Figurenzahl vorangesetzt ist.

In Fig. 1 sind im Rohr 11 mehrere Mischeinsätze 12 jeweils um 90' versetzt hintereinander angeordnet. Die Mischeinsätze werden durch kammartig ineinandergreifende Platten gebildet.

In Fig. 2 sind im Rohr 21 Mischeinsätze 22 angeordnet. Jeder Mischeinsatz besteht aus fünf Paar Platten 23, 23'. Die Mischeinsätze 22 sind um 90° winkelversetzt. Die Platten 23, 23' besitzen die Ausführungsform nach Fig. 1.

Die im Rohr 31 gemäß Fig. 3 angeordneten Mischeinsätze 32 sind in der gleichen Weise aufgebaut wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, jedoch sind hier die schrägen Stege zusätzlich um ihre Längsachse geneigt angeordnet.

Fig. 4 zeigt ein Rohr 41 mit Mischeinsätzen 42, die ineinander übergehen, indem die Platten 43, 43' jeweils durch mehrere kreuzende Platten hindurchreichen. Es sind jeweils zwei Platten 43, 43' in engem Abstand parallel angeordnet, während die nächstfolgenden beiden Platten in etwa doppeltem Abstand angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind im Rohr 51 Mischeinsätze 52 vorgesehen, deren Platten 53, 53', ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, auch die Platten der benachbarten Mischein-

sätze 52 durchkreuzen, so daß der einzelne Mischeinsatz nicht exakt definierbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist darauf Wert gelegt, daß die Kreuzungslinien außerhalb der Mittelachse des Rohres 51 liegen. Fig. 6 bis 9 zeigen schematisch Reaktionsrohre zur

in Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für gleiche Teile sind wieder gleiche Einerzahlen verwendet worden, denen die Figurenzahl vorangesetzt ist.

61,71,81 und 91 kennzeichnen die Lactamzufuhr.

62, 72, 82 und 92 symbolisiert einen Kondensator. Die Reaktionsrohre 63, 73, 83 und 93 sind mit statischen Einbauten 64,74, 84 und 94 ausgerüstet. Fig. 8 zeigt ein Reaktionsrohr mit vorgeschalteter Hydrolisierstufe 87, versehen mit einem Rührer 85. In Fig. 7 befindet sich der Rührer 75 im Reaktionsrohr. Das Lactam wird hier in 76 vorgeheizt.

Naturgemäß wird eine erfindungsgemäße Anwendung der bisher geschilderten Einbauten nur dort möglich sein, wo nicht Rührer oder Wärmetauscher das Reaktorvolumen beanspruchen. Selbstverständlich ist es möglich und in vielen Fällen zweckmäßig, im Interesse einer homogenen und pfropfenförmig fließenden Schmelze, auch die letzten 40% des Reaktorvolumens mit statischen Einbauten zu versehen.

Jedoch ist das für den Zweck dieser Erfindung nicht notwendig. Andererseits wäre es erfindungsgemäß völlig unzureichend, nur diese letzten 40% des Reaktorvolumens mit diesen Einbauten auszustatten.
Statische Mischer, die zur Erzielung eines guten

Mischeffektes große Längen benötigen, wie beispielsweise eine bekannte Ausführungsform, bestehend aus der Kombination abwechselnd links und rechts gerichteter wendeiförmiger Elemente, sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht anwendbar.

Die Auswirkung der vorliegenden Erfindung verdeutlicht die Gegenüberstellung von Extraktwerten von Polycaprolactam, das im Beispiel A mit einem Polymerisationsrohr üblicher Bauart erhalten wurde und im Beispiel B mit einem absolut identischen Rohr, das jedoch zusätzlich und erfindungsgemäß mit Einbauten ausgestattet war. Kettenregler- und Wasserzusätze sowie die Reaktortempeiaturen waren ebenfalls gleich. Der Lactamdurchsatz des Reaktors A betrug 11,0 tato, der des Reaktors B 12,1 tato. Die Extrawerte wurden nach der Methanolmethode erhalten.

Polymerisationsrohr A
11,0 tato Durchsatz
11,95% Extrakt
12,01% Extrakt
12,28% Extrakt
12,00% Extrakt
11,90% Extrakt
11,92% Extrakt
12,21% Extrakt

Polymerisationsrohr B
12,1 tato Durchsatz

9.54% Extrakt

9,84% Extrakt

9,11% Extrakt
9,85% Extrakt
9,78% Extrakt
9,99% Extrakt
9,23% Extrakt

Aus kinetischen Gründen sind bei der hydrolytischen Caprolactampolymerisation Caprolactamumsätze von 90% und mehr erreichbar. Man erkennt deutlich, daß das erfindungsgemäß betriebene Reaktionrrohr B diesen Umsatz leicht erreicht, wohingegen der Umsatz des normalen Reaktors bei 88 % liegt, obgleich der Caprolactamdurchsatz um 10% niedriger ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Caprolactampolymerisation in einem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Reaktorrohr verwendet, dessen erste 60% des Reaktorvolumens als statische Einbauten einen mehrere kammartige Plattenpaare aufweisenden Mischeinsatz enthalten, wobei die Platten jeweils in zwei. Reihen angeordnet sind, in dem die Stege zweier Lagen der einen Reihe jeweils die Stege mindestens einer Lage der anderen Reihe kreuzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Reaktorrohr verwendet, dessen erste 60% des Reaktorvolumens als statische Einbauten einen Mischeinsatz enthalten, in dem die Platten jeder Reihe parallel zueinander angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Reaktorrohr verwendet, dessen erste 60% des Reaktorvolumens als statische Einbauten einen Mischeinsatz, bestehend aus Hohlprofil-Stegen, die von einem Heizmedium durchströmt werden, enthalten, in dem die Stege zweier Lagen der einen Reihe jeweils die Stege mindestens einer Lage der anderen Reihe kreuzen.