DE2543657C3 - Verfahren zur Herstellung von Copolymeren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von CopolymerenInfo
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Description
Im allgemeinen enden diskontinuierlich betriebene heterogene Polymerisationsprozesse mit einem unter
Druck stehenden Restgasvolumen, das aus nicht umgesetzten Reaktionsgasen zusammengesetzt ist.
Dieses Restgasvolumen ist entweder durch die bei Polymerisationsprnzessen zu beobachtende Volumenkontraktion
der angesetzten Reaktionsmasse entstanden oder aus Gründen der Rekatorsicherhiet notwendig,
beispielsweise bei Polymerisationsprozessen, die mit wechselnden Volumina verlaufen. Dieses Volumenverhalten ist beispielsweise bei Copolymerisationen von
bei den Reaktionsbedingungen flüssigen und gasförmigen Komponenten zu beobachten, bei denen die
gasförmige Komponente im Maße des Verbrauches nachgeliefert wird. Im 1. Fall wird manchmal die
Ausbildung des Gaspolsters durch Nachdrücken von Flüssigkeit verhindert, eine solche Maßnahme ist jedoch
im 2. Fall nicht möglich, da hier neben der zeitweisen
unter Volumenkontraktion verlaufenden Polymerisation auch Phasen der Volumenexpansion zu verzeichnen
tinJ.
Das nach Beendigung der Polymerisation über der Reaktionsflüssigkeit noch unter Druck stehende Restgas
geht entweder beim Entspannen des Reaktors verloren bzw. muß über eine Wiedergewinnungsanlage
einer sinnvollen Verwendung zugeführt Werden.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur diskontinuierlichen Herstellung von Copolymeren zu
finden, das bei def Polymerisation genügend Reaktorsicherheit durch ein Gaspolster bietet, bei dem jedoch
andererseits das Restgas nicht verlorengeht bzw. über Rückgewinnungsanlagen rückverdichtet werden muß,
sondern im komprimierten Zustand zu Ende der Polymerisation für die darauffolgende Charge erhalten
wird.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren gelöst
Gegenstand der Erfindung ist daher das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Durch dieses Verfahren wird es erstmals möglich, das bei diskontinuierlich betriebenen heterogenen Copolymerisationen
verbleibende Restgas ohne weitere Rückgewinnungsrnaßnahmen unter Druck der nächsten
Polymerisationscharge zuzuführen. Weiterhin ist dieses Verfahren universell einsetzbar, beispielsweise auch bei
Copolymerisationen, die unter wechselnder Volumenbeanspruchung verlaufen.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft bei Copolymerisationen anwendbar, bei denen mindestens eine
Monomerkomponente Äthylen oder Propylen ist, insbesondere in Mengen von 5 — 50 Gev,'.-% der
2G Gesamtpolymermasse.
Als mit diesen bei den Polymerisationsbedingungen gasförmigen Monomeren copolymerisierbare flüssige
Monomere kommen beispielsweise Vinylester der Ameisensäure oder Fettsäuren mit 1 — 12 Kohlenstoff atomen
im Alkylrest, wie beispielsweise Vinylacetat, o'efinisch ungesättigte Carbonsäuren mit 1 — 12 Kohlenstoffatomen,
wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malein-, Fumarsäure; Estev dieser Säuren mit aliphatischen
geradkettigen bzw. cyclischen Alkoholen, wie beispiels-
weise Methylacrylat, Methylmethacrylat, Äthylacrylat, Butylacrylat, Äthylhexylacrylat sowie Malein- bzw.
Fumarsäure-Halb- bzw. Vollester mit aliphatischen Alkoholen mit 1-12 Kohlenstoffatomen; Amide dieser
Säuren, wie beispielsweise Acrylamid, N-Methyiolacrylamid;
Nitrile solcher Säuren, wie Acrylnitril oder Methacrylnitril; ferner Vinylhalogenide, wie beispielsweise
Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylidenfluorid oder beispielsweise Vinyläthyiketon, Vinysulfonsäure,
Hydroxyalkylacrylate und bifunktionelle Acrylester und Vinylverbindungen sowie Gemiscb ·: dieser Monomeren
in Frage. Vorzugsweise Vinylchlorid und Vinylacetat verwendet.
Die Polymerisation wird in beispielsweise wäßriger Dispersion im Druckautoklaven durchgeführt. Der
Druckautoklav ist mittels einer ein Absperrventil enthaltenden Verbindungsleitung mit einem ebenfalls
drucl.festen Ausgleichsgefäß verbunden. Die wäßrige Dispergierphase kann die bekannten Emulgier- bzw.
Disperigierhilfsmittel, wie z. B. ionische oder nichtionisehe
Emulgatoren und Schutzkolloide enthalten, wie sie beispielsweise auch in Houben-Weyl »Methoden der
organischen Cht-mie«, Band XIV/I, »Makromolekulare
•Stoffe«, Georg Tliieme Verlag, Stuttgart, 1961. auf den
Seiten 192 bis 208 und 411 bis 420 ausführlich
beschrieben sind.
AK wasserlösliche, radikalbildende Polymerisationskatalysatoren
kommen vor allem Persulfate, wie Kalium-. Natrium und Ammoniumpersulfat. Wasser
Stoffperoxid, tert. Butylhydroperoxid; Azoverbindungen.
wie A/oisobuttersäurenitril sowie Perborate und
übliche Redoxkatalysatorsysteme, wie z. B. Kaliumpersulfal/Wasserstoff/Palladmmsoi/Eisenammoniumsulfat
oder Ammoniumpersulfat/Natriümforrnaldehydsulföxylat
in Frage. Ferner können übliche Regler und Puffersysteme zugesetzt werden.
Das Verfahren eignet sich auch zur Polymerisation Von in organischen Medien emulgierten Monomeren in
Gegenwart von darin löslichen Radikalbildnern und
geeigneten Dispergierhilfsmitteln, wie in der DE-OS
21 40 727, Seite 6,7 und 8, beschrieben.
Die Polymerisation wird im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 20 und 85° C durchgeführt. Der Druck
richtet sich nach der Menge des gasförmigen Partners, im folgenden beispielsweise Äthylen, das einpolymerisiert
werden soll. Bei der Herstellung von Copolymerisaten mit niedrigem Äthylengehalt genügen 10 Bar; will
man dagegen höhere Äthytengehalte einstellen, so kann es notwendig werden, bei Drücken von 50 Bar oder
darüber zu arbeiten. Man geht im allgemeinen so vor, daß man den Äthylendruck konstant hält, so daß im
Verleuf der Polymerisation laufend Äthylen in dem Maß, in dem es polymerisiert, nachgeliefert wird. Das
Äthylen löst sich in den in der Dispersion enthaltenen Comonomeren. Auch diese können semikontinuierlich
im Verlauf der Polymerisation zugegeben werden.
Die durch die Reaktion freiwerdende Wärme wird durch die bekannten Möglichkeiten des Wärmeaustausches
so abgeführt, daß zu jeder Zeit der Reaktion sich die gewünschte Reaktionstemperatur einstellt
Dabei ist kennzeichnend für die Füllung des Reaktionsapparates, daß immer ein gewisse · Rauinanteil
über der wässerigen Phase als reiner Gasraum vorliegt, dem mehrere Aufgaben zukommen, wie z. B.
die Verschiebungen der Mischungsverhältnisse der gasförmigen und flüssigen Monomeren durch Aufnahme
bzw. Abgabe des gasförmigen Comonomeren oder den Ausgleich der durch Reaktion und/oder Zugabe von
Reaktionspartnern entstehenden Volumenänderungen jo und — was mit höheren Drucken an Gewicht gewinnt
— die Erhaltung der Sicherheit des Reaktionsraumes bei Verschiebung der Reaktionsbedingungen. Diese
können gewollt oder ungewollt eintreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die schematische Abbildung veranschaulicht:
In dem Polymensationsgefäß 1 befindet sich die
wässerige Disersion 2. Das gasförmige Comonomere, z. B. Äthylen wird über die Leitung 3 zugeführt.
Oberhalb des Polymerisationsgefäßes ist der Gaspuffer 4 ange·- rdnet. Dieser steht während der gesamten
Polymerisation über die Gasleitung 5 ständig mit dem Autoklaven 1 in Verbindung.
So erfüllt der extern angeordnete Puffer 4 alle die o. g. Aufgaben eines Gasraumes über den flüssigen Reaktionspartnern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die am Ende einer Polymerisation nichtumgesetzten
gasförmigen Comonomeren, die noch unter Druck stehen, von den flüssig vorliegenden Fertigprodukten
durch das Schießen der Absperrung 6 in der Verbindungsleitung 5 so abzutrennen, daß der Druck
erhalten bleibt und die gesamte nichtumgesetzte Menge
des eingeschlossenen Comonomeren bei der darauffolgenden Reaktion wieder eingesetzt werden oder
anderweitiger Verwendung zugeführt werden kann.
Alle zur Polymerisation eingesetzten Substanzen werden so bemessen, daß am Ende der Polymerisation
die Trennfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas in die Nähe dei Absperrvorrichtung Uc- Druckgefäßes
zum Autoklaven hin zu liegen kommt.
Die Vorteile dieser Arbeitsweise liegen auf der Hand:
— maximale Raumleistung des Autoklaven
— wirtschaftlich sinnvolle Beendigung der heterogehen
Copolymerisation ohne Aufgabe des nichtumgesetzten
gasförmigen Comonomeren
Hierzu Ϊ Blatt Zeichnungen
— Sicherheit der Reaktion ohne die bisherige Einbuße an Leistung und den späteren Verlust an Comonomeren
— Erfassung des nichtumgesetzten Comonomeren rnd
gefahrlose Wiederverwendung anstatt Freigabe in die Atmosphäre.
Beispiele
A. Apparatur ohne externen Gaspuffer
A. Apparatur ohne externen Gaspuffer
In einem Druckbehälter aus Edelstahl, der mit einem Rührer und einem Kühlmantel und/oder anderen
Kühleinrichtungen versehen ist und einen Nutzinhalt von 6 m3 bei einem Nenndruck von 64 Bar aufweist, wird
eine Emulsionscopolymerisation durchgeführt.
Hierzu wird der Autoklav mit 24401 einer wäßrigen Lösung von Emulgatoren und Schutzkolloiden einer
geringen Menge Reduktionsmittel sowie 490 I Vinylacetat beschickt, evakuiert und das Vakuum mit Äthylen
gebrochen. Während mit Hilfe des Heizkühlkreislaufs bei laufendem Rührer eine Innentemperatur von 45° C
eingestellt wird, drückt man gleichartig Äthylen bis zu einem Druck von 40 Bar auf.
Außerhalb des Reaktors wird eine 3%ige wäßrige Lösung von Kaliumpersulfat bereitet und zum Starten
der Reaktion 15 1 davon der Emulsion zugepumpt. Gleichzeitig wird damit begonnen, 1875 kg Vinylacetat
innerhalb von 6 Stunden gleichmäßig dazuzudosieren und das durch die Polymerisation verbrauchte Äthylen
luafend zu ergänzen. C'ie Reaktion wird durch weitere Zugabe der Persulfatlösung in Gang gehalten, wobei die
Temperatur mittels Kühlwasser auf 45C C gehalten wird. Nach Reaktionsende wird die entstehende Polymerdispersion
in einen größeren Rührbehälter abgelassen und dabei das noch im Gasraum sowie in Lösung enthaltene
Äthylen über einen Kamin an die Atmosphäre abgegeben.
Nach anschließendem Evakuieren werden 5440 kg einer stabilen Dispersion erhalten, die ca. 50% eines
Copolymeren enthält, das aus 18Gew.-% Äthylen und 82% Vinylacetat besteht. Von der eingesetzten Menge
vcn 585 kg Äthylen sind 500 einpolymerisiert, 85 kg verloren.
Wird die Gesamteinlagemenge an Lösung und Vinylacetat um 2% erhöht, so treten in der Endphase
der Polymerisation Druckanstiege auf, die ein unerwünschtes Abblasen von Äthylen und mitgerissener
Dispersion erfordern.
B. Apparatur mit externem Gaspuffer
Die Apparatur des Beispiels A wird durch ein Druckgefäß aus Edelstahl (externer Gaspuffer) ergänzt,
das einen Nutzinhalt von 0.75 mJ (Nenndruck 64 Dar) besitzt und über eine absperrbare Rohrleitung mit dem
Autoklaven in Verbindung steht
Es wird wie in Beispiel Λ verfahren, jedocn wi.-d die
Gesamteinlage an Lösung und Vinmylacetat um 9% erhöht.
Die Reaktion verläuft ohne Schwierigkeiten wie in Beispiel A. Vor c'2m Ablassen der Dispersion wird das
0.75 m'-Druckgefäß abgesperrt. Es werden 5925 kg
einer mit Beispiel A vergleichbaren Dispersion erhalten. Von der eingesetzen Menge von 630 kg Äthylen sind
545 kg einpolymerisiert, 35 kg verloren und 50 kg im Puffergefäß verblieben. Dieses Äthylen wird bei der
nächsten Charge durch Öffnen des Absperrventils vor
der Äthvlenvolrlage wieder eingesetzt.
Claims (4)
1. Verfahren zur diskontinuierlichen Herstellung von Copolymeren in Gegenwart von Radikalbildnern
in einem flüssigen Hilfsmediam aus mindestens einem bei den Polymerisationsbedingungen flüssigen
und einem bei den Polymerisationsbedingungen gasförmigen copolymerisierbaren Monomeren, d a durch
gekennzeichnet, daß die gasförmige Komponente in einem mit dem Autoklaven über eine durch ein Ventil absperrbare Gasleitung
verbundenen Ausgleichsdruckgefäß zur Verfugung steht, daß die Gaskomponente nach Beendigung der
Polymerisation durch Absperren des Ausgleichsdruckgefäßes vom Autoklaven zur Wiederverwendung
zurückgehalten wird und daß die Polymerisation so geführt wird, daß zum Polymerisationsende
das Flüssigkeitsniveau das gesamte Gaspolster aus dem Reaktor verdrängt hat und in der Höhe des
Absperrventils zwischen Autoklaven und Ausgleiehsdrucfegefäß
zu liegen kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Reaktionspartner
Äthylen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Reaktionspartner Vinylacetat
und/oder Vinylchlorid ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Copolymerisate des Äthylens mit
50 — 95 Gew.-% an Comonomeren hergestellt werden.
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