DE2539103C2

DE2539103C2 - Verfahren zur Wärmeabfuhr bei der Homo- oder Mischpolymerisation von Äthylen in der Gasphase

Info

Publication number: DE2539103C2
Application number: DE19752539103
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Dr. 6702 Bad Dürkheim Frielingsdorf; Erich Dipl.-Chem. Dr. Kolk; Jürgen 5039 Meschenich Schwind; Dieter Dipl.-Chem. Dr. 5047 Wesseling Volmer
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1985-06-05
Also published as: JPS5232092A; FR2322882A1; IT1075025B; BE845833A; NL7609785A; ATA651776A; FR2322882B1; GB1552438A; DE2539103A1; AT347120B

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Wärmeabfuhr bei der Polymerisation von Äthylen in der Gasphase bei dem Äthylen in einem Rührbett polymerisiert wird.

Es ist bekannt die Polymerisation von äthylenisch ungesättigten Monomeren aus der Gasphase des Monomeren selbst durchzuführen. Dabei kann entweder in einer Wirbelschicht (DE-OS 17 95 109) oder in einer gerührten Feststoffschicht der Polymerisatteilchen (DE-OS 20 49 622 / DE-PS 10 13 870) polymerisiert werden. Gemeinsames Kennzeichen der beiden Ausführungsarten isit die Abfuhr der Polymerisationswärme nach dem Prinzip der inneren Kühlung durch das Monomere selbst wobei je nach dem verwendeten Monomeren und den Zustandsbedingungen verschieden große Enthalpiedifferenzen des in den Reaktor eintretenden und ihn wieder verlassenden Monomeren bzw. Monomerengemisches ausgenutzt werden. Die Zustandsbedingungen und die thermodynamischen Eigenschaften des Monomeren bestimmen die spezifische Menge (kg Monomeres/kg Polymeres) des benötigten Kreisgases.

Die Polymerisation in einem gerührten Feststoffbett kann mit Hilfe geometrisch verschiedener Rührer durchgeführt werden. Es kann z. B. ein asymmetrischer Ankerrührer (DE-PS 15 57 042) oder ein eingängiger Wendelrührer (DE-PS 12 18 265) verwendet werden. Die Teilchenströme des Rührgutes sind dabei für Anker- und Wendelrührer entgegengesetzt gerichtet Dadurch weist die Oberfläche des Rührbettes beim asymmetrischen Ankerrührer in der Mitte eine kleine Erhebung, beim Wendelrührer eine deutliche Vertiefung, d.h. eine 1 <>mbe, auf.

Es ist bei Reaktoren mit großen Abmessungen, d. h. bei Reaktoren im Produktionsmaßstab, von technischer und wirtschaftlicher Bedeutung, die homogene Verteilung des am Boden des Reaktors zugeführten, für die Abfuhr der Polymerisationswärme benützten Monomeren, im Kührbett sicherzustellen. Eine ungleichmäßige Verteilung des monomeren Wärmeträgers hat eine unvollkommene thermische Ausnutzung und damit erhöhten Verbrauch desselben zur Folge. Durch den erhöhten Verbrauch können infolge der erhöhten Lineargeschwindigkeiten des monomeren Wärmeträgers nach Verlassen des Rührbettes im Gasraum des Reaktors störende Polymerisataustrageffekte auftreten, die zur Belegung der abführenden Leitungen und nachgeschalteter Treni;apparate (Filter, Zyklone) durch Nachpolymerisation Anlaß geben.

Man hat bislang beim Polymerisieren von Äthyien in der Gasphase in einem Rührbett sowohl bei Verwendung asymmetrischer Ankerrührer als auch bei der Verwendung von Wendelrührern das Äthyien am Rande des Rührbettes eingetragen, um eine gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Es hat sich dabei gezeigt, daß die obengenannten Schwierigkeiten aufgetreten sind und noch nicht eine befriedigende Verteilung des Monomeren in dem feinteiligen Polyäthylen erreicht werden konnte.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein verbessertes Verfahren zur Wärmeabfuhr bei der Polymerisation von Äthyien, allen oder zusammen mit anderen copolymerisierbaren Verbindungen, in der Gasphase zu schaffen, bei dem man Äthyien in ein Rührbett aus feinteiligem Polyäthylen einbringt und teilweise polymerisiert und das nicht-polymerisierte Äthylen aus dem Rührbett austrägt abkühlt und gegebenenfalls mit frischem Äthylen am Boden des Rührbettes wieder einbringt wobei das Polyäthylen im äußeren Bereich des Rührbettes nach oben und im zentralen Bereich nach unten bewegt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß man im Rührbett eine Froude-Zahl von 0,5 bis 5,0 erreicht und man Äthylen am Boden des Rührbettes in einem Bereich einbringt, der vom Zentrum des Rührbettes bis zu 1/4 seines Radius reicht.
Eine weitere Aufgabenstellung der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die aus einem Reaktor mit einem freitragenden Wendelrührer, der mit einer durch Reaktorboden hindurchgeführten Antriebswelle verbunden ist, besteht

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen um die Antriebswelle vorgesehenen Ringspalt mit 1,5 bis 2 mm Breite zur Einführung des Äthylens.

Das Verfahren eignet sich sowohl zum Polymerisieren von monomerem Äthyjen als auch zur Herstellung

so von Copolymerisation aus Äthylen mit anderen copolymerisierbaren Verbindungen. Als solche kommen beispielsweise in Frage: Buten-1; Hexen-1; Propen.

Weiterhin kann man nach dem Verfahren vorteilhaft Äthylen in Gegenwart von Wasserstoff polymerisieren.

Die Polymerisation des bzw. der Monomeren erfolgt zweckmäßig in einem Temperaturbereich von 50 bis 120° C. Man hält zweckmäßig Drücke zwischen 10 bis 60 bar, vorzugsweise zwischen 35 und 50 bar, ein. Als Katalysatoren werden zweckmäßig die bekannten Initiatoren vom Ziegler-Typ verwendet die aus Titanhalogeniden und Aluminiumalkylverbindungen bestehen, man kann auch solche Katalysatoren verwenden die Oxide des 6-wertigen Chroms auf Trägern enthalten. Die Bedingung der Polymerisation bzw. die Verwendung bestimmter Katalysatoren sind jedoch nicht Gegenstand der Erfindung, sondern allgemein bekannt.

Das Rührbett wird in der Polymerisationszone ausgebildet durch Rühren eines Feststoffbettes, das aus fein-

teiligen Äthylenpolymerisatteilchen entsteht, wie sie durch Polymerisation des Äthylens in der Gasphase anfallen. Die Teilchendurchmesser liegen im allgemeinen zwischen 0,1 und 6 mm. Die Teilchen liegen also in der Gasphase in loser Schüttung vor und werden lediglich s aufgrund der mechanischen Einwirkung eines Rührers bewegt Die fein teiligen Äthylenpolymerisate werden in der Polymerisationszone mit Hilfe dieses Rührers im wesentlichen derart bewegt, daß die Teilchen im äußeren Bereich des Rührbettes nach oben und im zentralen Bereich nach unten bewegt werden. Derartige Bedingungen werden am zweckmäßigsten mittels eines Wendelrflhrers erreicht, der in der Polymerisationszone angeordnet ist Zweckmäßig arbeitet man mit einem Wendelrührer, der durch den Boden des Reaktors mit einer Antriebswelle verbunden ist Rührradius, Schwe^ebeschleunigung und Winkelgeschwind'gkeit des Rührers werden dabei in einem Bereich gehalten, so daß sich eine Froude-Zahl von 04 bis 5 einstellt Die Froude-Zahl errechnet sich nach folgender Formel:

Fr =

R =

w =

g =

Froude-Zahl (dimensionslos)
Rührradius in Metern
Winkelgeschwindigkeitin see-'
Schwerebeschleunigung in m/sec*

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Eine Erläuterung dieser Kennzahl auf Mischprobleme von Pulvern findet man in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik« 39, Jahrgang 1967 auf den Seiten 851 bis 858 in der Arbeit über Untersuchungen zur Pulvermischung von Professor Dr. W. Müller. Die Froude-Zahl wurde im Beispiel aus der obengenannten Gleichung berechnet, wobei sich die Winkelgeschwindigkeit des Rührers aus der Umdrehungszahl pro Minute (u/ min = n) w = η ■ π: 30 berechnet wird. Arbeitet man außerhalb des Bereiches der Froude-Zahl, werden die Vorteile des erfinudungsgemäßen Verfahrens nicht erreicht

Das monomere Äthylen soll in die Polymerisationszone in einem Bereich eingetragen werden, der vom Zentrum des Rührbetts bis zu ¹A des Radius des Rührbetts reicht. Der Ort der Eintragung soll am Reaktorboden also am unteren Ende der Polymerisationszone liegen. Die Einspeisungsvorrichtung kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Vorteilhaft ist sie jedoch in Form eines Ringspaltes ausgestaltet, der konzentrisch zur Rührerantriebswelle angeordnet ist

Beispiel 1

einer Austragsvorrichtung quasi kontinuierlich ausgetragen werden. Das Äthylen, das durch den Ringspalt eingeführt wird, hat eine Temperatur von 22,6° C und einen Druck von 100 bar. Es wird in das Reaktionsgefäß entspannt, in dem ein Druck von 37 bar herrscht Unter diesen Bedingungen wird zur Abfuhr der Polymerisationswärme 93 kg Äthylen pro kg Polymeres benötigt

Arbeitet man in dem Reaktor unter gleichen Bedingungen, wobei der ÄthyleneinlaS als Ringspalt mit einem Radius von 287,5 mm mit einer Breite von 2 mm am Boden des Reaktors angeordnet ist, so benötigt man zur Aufrechterhaltung der Polymerisationstemperatur 15,6 kg Äthylen pro kg Polymerisat

Beispiel 2

Nach einer Arbeitsweise, wie sie in Beispiel 1 beschrieben ist, wird ein Gemisch aus 883 VoL-% Äthylen und 11,7 VoL-% Wasserstoff durch einen Ringspalt, der am Boden des Reaktors angeordnet ist und einen Radius von IO24 mm hat in den Reaktor eingebracht Das Gemisch hat eine Temperatur von 27,0⁰C und einen Druck von 100 bar. Die Reaktionstemperatur beträgt 893° C Zur Aufrechterhaltung dieser Polymerisationstemperatur werden 103 Nm³ des Äthylenwasserstoffgemisches pro kg Polymeres benötigt

Arbeitet man vergleichsweise mit einer ringförmigen Einspeisevorrichtung eines Durchmessers von 2874 mm, so benötigt man zur Aufrechterhaltung dieser Polymerisationstemperatur 15,9 Nm³ des Äthylenwasserstoffgemisches pro kg Polymeres.

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Ein zylindrisch geformter Gasphasenreaktor mit einem Gesamtvolumen von 3 m³ hat einen Innendurchmesser von 1228 mm. Der Reaktor ist mit einem Wendelrührer versehen, der mit einer Antriebswelle verbunden ist, die durch den Boden des Reaktors führt Am Boden des Reaktors ist mit einem Radius von 102,5 mm ein Ringspalt angeordnet, dessen Breite 2 mm beträgt ω Der Rührradius beträgt 0,555 m, der Rührer wird mit 66 U/min betrieben, woraus sich eine Winkelgeschwindigkeit von 6,6 see-' errechnet. Der Reaktor ist mit feinteiligem Polyäthylen gefüllt. Es errechnet sich eine Froude-Zahl von 2,46. In den Reaktor wird durch den Ringspalt Äthylen eingeleitet, die Polymer^;äationstemperatur beträgt 105⁰C.

Pro Stunde entstehen 245 kg Polyäthylen, die mittels

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmeabfuhr bei der Polymerisation von Äthylen, allein oder zusammen mit anderen copolymerisierbaren Verbindungen, in der Gasphase, bei dem man Äthylen in Rührbett aus feinteiligem Polyäthylen einbringt und teilweise polymerisiert und das Richt-polymerisierte Äthylen aus dem Rührbett austrägt abkühlt und gegebenenfalls mit frischem Äthylen am Boden des Rührbettes wieder einbringt, wobei des Polyäthylen im äußeren Bereich des Rührbettes nach oben und im zentralen Bereich nach unten bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Rührbett eine Froude-Zahl von 0,5 bis 5,0 erreicht wird und man Äthylen am Boden des Rührbetts in einem Bereich einbringt, der vom Zentrum des Rührbettes bis zu 1/4 seines Radius reicht

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bestehend aus einem Reaktor mit einem freitragenden Wendelrührer, der mit einer durch den Reaktorboden hindurchgeführten Antriebswelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß um die Antriebswelle ein Ringspalt mit 0,1 bis 5 mm Breite zum Einführen des Äthylens vorgesehen ist