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Verfahren und VcrrlchtunS zur Messung einer Veränaerung der Viskosität
einer in Bewegung gehaltenen Masse Die Erfindung bezieht sich auf industrielle Verfahren,
wie die Polymerisation, in deren Verlauf eine plötzliche Änderung der Viskosität
der in Bewegung gehaltenen Masse auftritt. Die BestsoellunO des Augenblicks, in
welchem diese Viskositätsänderung eintritt, ist besonders dann sehr wichtig, wenn
das Auftreten dieser Brschei nung zum'Auslösen einer Folge von Verfahrensschritten
in dem Zeitpunkt verwendet werden soll, der im Hinblick auf die Optimierung der
technischen Anwendungsbedingungen günstig ist.
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Die Polymerisation von Styrol in Gegenwart von Kautschuk stellt ein
Beispiel für ein Verfahren dar, bei dem die genaue Erkennung des Augenblicks, in
welchem die Viskositätsänderung stattfindet, von hoher Wichtigkeit ist. Ein derartiges
Verfahren wird.gewöhnlich in zwei Phasen durchgeführt. Das erste Stadium der sogenannten
Vorpolymerisation besteht darin, daß in einem Gefäß eine flüssige Styrol enthaltende
Masse unter Erhitzen gerührt wird, die gelösten Kautschuk enthält. Am Anfang liegt
eine homogene kontinuierliche Kautschukphase vor. Wenn die Polymerisation des Styrols
beginnt, treten Polystyrol-Kügelehen auf. Das käutschukartlge Polymere, beispielsweise
Polybutadien, und das Polystyrol sind untereinander unverträglich; es tritt daher
eine Entmischung ein, die zum Auftreten eines heterogenen Mediums führt, welches
dann aus einer Polystyrolphase besteht, die in Tröpfchenform in einer kontinuierlichen
Kautschukphase dispergiert ist. Während des weiteren
Verlaufs der
Polymerisation wächst die Polystyrolphase an und man beobachtet dann die Erscheinung
der sogenannten Phasentrennung, d. h. die Polystyrolphase bildet die kontinuierliche
Phase, in welcher Kautschukkügelchen in dispergierter Form vorliegen.
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Im Augenblick des Auftretens der Erscheinung der Phasentronnung nimmt
das Produkt die endgültige Morphologie des Endprodukts an, dessen Eigenschaften
im wesentlichen von dem Grad abhängen, bis zu dem die Dispersion der Kautschukphase
während der Vorpolymerisation erfolgt ist.
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Das zweite Stadium des Verfahrens kann darin bestehen, daß die Polymerisation
in Masse oder in Suspension vollendet wird, indem das vorpolymerisierte Produkt
in einen mit wässriger Sustension gefüllten Reaktor übergeführt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Augenblick sehr
genau zu bestimmen, in welchem eine Phasenumkehrung im Verlauf der Herstellung von
Polymeren, insbesondere im Verlauf der Herstellung von schlagfestem Polystyrol durch
Pfropfpolymerisation von Styrol auf Eautschuk, stattfindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines einfachen Verfahrens
und einer einfachen Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Viskosität gelöst.
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Die Anwendung von Viskosimetern, wie beispielsweise von Kapillarviskosimetern,
Kugelfall- oder Drehzylinderviskosimetern, wGhrend grotechnischer Verfahren führt
zu Nachteilen, wel sie die periodische Entnahme von Material erforderlich macht
und nicht ermöglicht, die Veränderung der Viskosität kontinuierlich zu verfolgen.
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Drehzylinder-Viskosimeter, die auf der Messung des Gegeninoments beruhen,
könnten gegebenenfalls permanent in dem Reaktor vorgesehen werden; einesteils würde
jedoch die Genauigkeit der Messung durch Verschmutzungen beeinträchtigt, die sogar
bis zu der Äu-erbetriebnabnje führen können, andererseits können durch ihre Einführung
in den Reaktionskessel die Bedingungen eines technischen Verfahrens gestört werden.
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Es ist bekannt, daß ein nicht bewegter Körper, der in eine in Bewegung
befindliche Flüssigkeit eingebracht wird, dieser Flüssigkeit einen Widerstand bietet,
und die Kraft F, die auf einen solchen Körper ausgeübt wird, wird durch folgende
Formel dargestellt: Gv2 F=K Z 2g in der G das spezifische Gewicht der Flüssigkeit,
g die Erdbeschleunigung, v die Geschwindigkeit der bewegten Flüssigkeit, Z das Nullmoment
(maitre couple) des unbeweglichen Körpers bedeuten und K einen Koeffizienten darstellt,
der unter anderem von der geometrischen Form des Körpers, der das Hindernis bildet,
und der Reynolds'schen Zahl abhängt, welche die Art der Strömung der Flüssigkeit
kennzeichnet, Die Veränderung des Werts K als Funktion der Reynolds'schen Zahl Re
wird durch die nachstehende Tabelle dargestellt: Re K 0,1 59,0 0,5 22,5 1,0 10,0
5,0 4,5 10,0 2,65 510 1,65 102 1,00 5.102 1,20 1,00 104 1,05 105 1,25 2^105 1,20
Fortsetzung
Tabelle: 5.105 0,60 6.105 0,32 8.105 0,32 106 0,35 Es ist außerdem festzustellen,
daß gemäß der Formel für die Reyolds'sche Zahl Re = vd/u wobei d den Durchmesser
der leitung und u den Wert der Viskosität der F]ussigkeit bedeutet, die Reynolds?sche
Zahl umgekehrt proportional der Viskosität u ist.
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Man stellt daher fest, daß im laminaren Bereich, der einer eynolds'schen
Zahl von weniger als 50 entspricht, der Flüssigkeit durch den das Hindernis darstellenden
Körper ein hoher Widerstand entgegengesetzt wird und daß das Maß dieser Kraft den
erhöhten Wert der Viskosität anzeigt. Im turbulenten Bereich, bei Werten der Reynolds'schen
Zahl von mehr als 50, wird die Viskosität, sowie der angegebene Widerstand, geringer.
Durch Bestimmung der Veränderung des Widerstands wird daher eine Möglichkeit gegeben,
den Übergang der Flüssigkeit aus dem laminaren Strömungsbereich in den turbulenten
Bereich festzustellen, der der Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit entspricht.
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Das erfindungsgemäß angewendete Prinzip beruht auf der Messung des
Widerstands, der einer bewegten Flüssigkeit durch einen Körper entgegengesetzt wird,
der in diese Flüssigkeit eintaucht, und insbesondere auf der Messung der Biegebeanspruchung,
welcher ein fester Vorrichtungsteil unter der Einwirkung der Kräfte, welche die
bewegte Flüssigkeit direkt oder indirekt auf diesen festen Teil der Vorrichtung
ausübt, unterworfen wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Feststellen einer
Veränderung der Viskosität einer bewegten flüssigen Masse,
die ein
Gefäß füllt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Biegebeanspruchung mißt,
der ein fester Teil der Vorrichtung unterworfen ist, auf den die Kraft direkt oder
indirekt einwirkt, die dem Strömungswiderstand entspricht, der auf die Flüssigkeit
durch einen in die Flüssigkeit eintauchenden nicht bewegten Körper ausgeübt wird.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens zum Feststellen einer Veränderung der Viskosität eines flüssigen
Reaktionsmediums, welches ein mit Rührer versehenes Gefäß anfüllt, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß sie eine Meßzone aufweist, die aus einem feststehenden Teil der Vorrichtung
besteht, der der Biegung unterliegt und mit Belastungsmeßgeräten versehen ist, die
in Wheatstone-Brückenschaltung verbunden sind, wobei Einrichtungen zrnn kontinuierlichen
Dessen und Anzeigen bzw. Registrieren der augenblicklichen Werte der Belastung vorgesehen
sind.
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Der spezielle Wert des Erfindungsgegenstandes liegt in seiner leichten
Anwendbarkeit auf großtechnische Verfahren, insbesondere durch die Tatsache, daß
keinerlei Eichung der Vorrichtung erforderlich ist. Es wird tatsächlich nur die
Veränderung der Amplitude der festgestellten Spannungsbeanspruchung in Betracht
gezogen, während der Absolutwert dieser Spannungsbeanspruchung nicht von Interesse
ist.
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Die nachstehend gegebene Beschreibung von Ausführungsbeispielen für
die Erfindung dient zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
als fester Teil der Vorrichtung, auf welchen der Druck der in Bewegung befindlichen
Flüssigkeit einwirkt, und der einer Biegebeanspruchung unterliegt, eine mit dem
Deckel verbundene Stange verwendet, die in das Innere des Reaktionsgefäßes oder
Kessels eintaucht, wobei am Ende der Stange eine Platte angeordnet ist, deren Oberfläche
so orientiert ist, daß der einwirkende Flüssigkeitsdruck
ausreichend
stark ist, daß eine meßbare Biegewirkung auf die Stange ausgeübt wird. Mit dem oberen
Teil der Stange sind zwei Paare von Belastungsmeßgeräten befestigt, die in Wheatstone
-Brückenschaltung verbunden sind, damit die erzielte Deformation in elektrischen
Einheiten gemessen werden kann.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der feste Vorrichtungsteil,
welcher dem Druck der bewegten Flüssigkeit ausgesetzt ist und welcher einer Biegebelastung
unterliegt, eine mit Schaufeln versehene Welle, die im Inneren des Gefäßes angeordnet
ist und mit dem Rührer zusammenwirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als fester
Vorrichtungsteil, welcher der Biegebeanspruchung unterliegt, ein Stab verwendet,
auf welchen ein Arm, der mit dem Gehäuse des Reduktionsgetriebes verbunden ist,
welches den Rührer antreibt und frei um die Achse des Rührers oszilliert, eine Kraft
überträgt, die proportional dem Flüssigkeitswiderstand der durch die Drehung des
Rührers bewegten Flüssigkeit ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Polymerisationsreaktor zur Herstellung
von Kunststoffen, der einen mit Rührer versehenen Behälter oder Kessel umfaßt und
eine Zone zur Meßung der Biegebeanspruchung aufweist, der einer der festen Teile
des Reaktors unterliegt, wobei die Meßzone Belastungsmeßgeräte, die in Form einer
Wheatstone-Brücke verbunden sind, und Einrichtungen zur kontinuierlichen Messung
und Aúfzeichnung der Belastungswerte aufweist.
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Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele für Meßvorrichtungen
werden zur Veranschaulichung gegeben, ohne daß die Erfin dung auf sie beschränkt
sein soll.
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In Figur 1 ist eine vollständige Vorrichtung gezeigt, die aus einem
Reaktionsgefäß 1 besteht, welches mit einem Deckel und mit einem Rührer 2 versehen
ist, der mit Hilfe eines Motors 3 in Drehbewegung versetzt wird. In das Innere des
Gefäßes ragt ein an dem
Deckel befestigter Stab 4, der mit einer
Platte 5 versehen ist, die so orientiert ist, daß sie einer geeigneten Schubbeanspruchung
unterliegt, wenn die in dem Gefäß vorliegende Flüssigkeit gerührt wird. Am oberen
Teil des Stabes sind. zwei Paare von Beanspruchungsmeßgeräten (jauges de contrainte)
6 angebracht, die in heatstone-Brückenschaltung geschaltet sind und mit einem Gehäuse
7 verbunden sind, welches die Gleichstromquelle umfaßt. Die am Austritt des Gehäuses
erzeugte elektrische Spannung wird einem Verstärker 8 zugeführt. Dieser Spannungsverstärker
ist mit einem Registriergerät 9 verbunden.
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Die elektrische Schaltung ist in Figur 2 gezeigt, in der die Bezugsziffer
7 eine Gleichstromquelle bedeutet.
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Figur 3 zeibt ein Gefäß 1, in welchem ein durch einen Motor 3 angetriebener
Rührer 2 angeordnet ist. Eine Welle 4, deren Schaufeln 5 den Stoßdruck der bewegten
Flüssigkeit auffangen, ist in der Nähe des Rührers angeordnet. Im oberen Teil dieser
Welle4 sind zwei Paare von Belastungsmeßgeräten 6 angeordnet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform, die in den Figuren 4a und 4b
dargestellt ist, ist der Reaktor mit einem Rührer 2 versehen, der mit Hilfe eines
Motors 3 angetrieben wird, dessen Energie mit Hilfe eines Reduktionsgetriebes auf
den Rührer übertragen wird.
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Das Gehäuse 5 dieses Reduktionsgetriebes, das durch die Auflagefläche
4 getragen wird, kann frei um die Rührerwelle schwingen.
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Dieses Gehäuse 5 ist fest verbunden mit einem Arm 8, dessen Ende einesteils
auf einen Anschlag 10 auftrifft, der seine Verschiebung begrenzt, und andererseits
auf das Auflager eines Stabes 9 trifft, dessen eines Ende an dem Deckel des Gefäßes
1 befestigt ist. Der Stab 9 trägt zwei Paare von Belastungsmeßgeräten, die in Wheatstone-Brückenschaltung
geschaltet sind. Der kontinuierliche Meßvorgang der Biegebeanspruchung, welcher
der Stab 9 unterliegt, erfolgt in der nachstehend erläuterten Weise. Wenn das Reaktionsgefäß
leer ist, ist der Widerstand, welcher der Rotation des Rührers entgegen gesetzt
wird, gleich null und der Arm 8 befindet sich in der Ruhelage, gestützt auf den
Anschlag 10. Wenn das Ge-
Gefäß ein Material enthält, dessen Viskositätsänderung
untersucht werden soll, so verursacht der Widerstand, welcher der Rotation des Rührers
entgegen gesetzt wird und der der Viskosität proportional ist, eine Einwirkung auf
das Gehäuse 5 des Reduktionsgetriebes, insbesondere das Auftreten eines Gegenmoments,
welches auf das Gehäuse 5 des Reduktionsgetriebes einwirkt und in umgekehrter Richtung
wie die Rotation der Rührerwelle orientiert ist.
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Diese Einwirkung wird dann durch den Arm 8 auf den Stab 9 iibertragen
und die auf den Stab einwirkende resultierende Biegebeanspruchung wird mit Hilfe
der Belastungsmeßgeräte 6 gemessen.
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Während der Durchführung der Polymerisation von Styrol in Gegenwart
von Kautschuk in einem Reaktionsgefäß, in welchem sich der Rührer mit praktisch
konstanter Geschwindigkeit dreht, hat die Aufzeichnung der am Austritt der Wheatstone-Brücke
erhaltenen Spannungen als Funktion der Zeit das in der oberen Kurve in Figur 5 gezeigte
Aussehen. Die Frequenz dieser Kurve entspricht der Rotationsgeschwindigkeit des
Rührers. Die in unteren Teil der Figur 5 dargestellte Kurve zeigt die Veränderung
der Viskosität während des gleichen Zeitraums. Zu Beginn des Vorgangs wird die Flüssigkeit
in laminarer Bewegung gehalten, entsprechend einer niederen Viskosität. Der dieser
Bewegung entgegen gesetzte Widerstand ist relativ groß und die Werte der Biegekraft,
der die Meßzone unterliegt, sind hoch, woraus'erhöhte Spannungswerte resultieren,
die in dem Zeitabschnitt vor tl erhalten werden.
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Wenn die Flüssigkeit sich in einer Bewegung mit turbulenter Strcmung
befindet, entsprechend einer erhöhten Viskosität, so ist die Geschwindigkeit der
Strömungsfäden (Flüssigkeitæfäden) gering. Der dieser Bewegung entgegen gesetzte
Widerstand ist niedrig, und die Biegebeanspruchung,welcher die Meßzone unterliegt,
ist ebenfalls gering. Die Aufzeichnung, welche dem Zeitabschnitt von t1 bis t3 entspricht,
gibt diese Erscheinung durch eine Kurve mit geringer Amplitude wieder. In dem Zeitabschnitt
nach t3 zeigt das Aussehen der Kurve die Rückkehr zu der laminaren Strömung, was
auf. die Erhöhung der Viskosität zurückzuführen ist. Der Augenblickswert t2 entspricht
der Phasenumkehr, die während der Polymerisation von Styrol in Gegenwart von Kautschuk
auftritt. In entsprechender Weise
ermöglicht es der Verlauf der
Kurve, den Augenblick festzustellen, in welchem eine Ausfällung stattfindet, die
von einer Ausflockung oder irgendeiner beliebigen physikalischen Abscheidung begleitet
ist. Das bequeme Erfassen dieser Information mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht es, dieses Ereignis als Steuerungswert zu verwenden, um chemische Vorrichtungen
zu optimieren oder zu automatisieren.