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Verfahren zur Kondensation von Brüden
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kondensation von Brüden polymerisierbarer
Monomerer, die auch polymere Feststoffpartikel technischer Polymerisationen, wie
sie beispielsweise in dem Buch"Makromoleküle',' Hüthig und Wepf Verlag, Basel-Heidelberg,
auf Seite 486 ff beschrieben sind, Lösungsmittel, Fällmittel und Wasser als hauptsächliche
Bestandteile enthalten können. Diese Brüden fallen an, wenn technische Polymerisate,
wie sie beispielsweise durch Polymerisation in Masse, Polymerisation in Suspension,
Polymerisation in Lösungs- und Fällmitteln und Emulsionspolymerisation erhalten
werden, von nicht umgesetzten Monomeren und Comonomeren sowie Lösungsmitteln, Fällmitteln,
Wasser usw. destillativ befreit werden.
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Diese Destillation oder sogenannte Entgasung wird in einer Weise durchgeführt,
daß das Konzentrationsgleichgewicht zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase
des Stoffgemisches geändert wird. Mögliche Ausführungsvarianten sind bekannt und
unter anderem in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Band 1, Urban und
Schwarzberg Verlag, München-Berlin, Jahr 1951, auf Seiten 429 bis 470 beschrieben.
Vorzugsweise wird die Entgasung so durchgeführt,
daß das Gleichgewicht
des zu entgasenden Gemisches unter Vakuum mit oder ohne Zufuhr von Energie und/oder
Treibgas verändert wird.
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Ein solcher Entgasungsvorgang ist notwendig um beispielsweise aus
dem bei der Polymerisation entstehenden Polymerisat auch bei nahezu vollständigem
Monomerumsatz Restmonomere sowie gegebenenfalls Dimere und andere Verunreinigungen
zu entfernen, die die mechanischen Eigenschaften des erzeugten Polymerisates unter
anderem negativ beeinflussen können.
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Ferner kann auch bei nicht vollständigem Umsatz der Monomeren während
der Polymerisation das nicht umgesetzte Monomere nicht im Polymerisat verbleiben
sondern muß beispielsweise in bekannter Weise durch Wasserdampfdestillation entfernt
werden. Ebenso ist bei einem bestimmten angestrebten Monomerumsatz eine Beendigung
der Polymerisation durch ein schnelles Entgasen des Reaktionsmediums möglich. Die
durch den Entgasungsvorgang erhaltenen Brüden werden bisher unter Verwendung von
sogenannten Röhrenwärmeaustauschern kondensiert. Diese Röhrenwärmeaustauscher müssen
aus Reinigungsgründen so betrieben werden, daß die zu kondensierenden Brüden durch
die Rohre geleitet werden. Weiterhin darf aus gleichen Gründen ein bestimmter Rohrdurchmesser
nicht unterschritten und eine gewisse Länge nicht überschritten werden. Als Nachteile
ergeben sich hieraus kleine Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren, schnelle Verschmutzung,
schlechte Wärmeübertragungskoeffizienten, große Apparatevolumen, hohe Apparate-
und Reinigungskosten.
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Es besteht daher das Bedürfnis, diese Röhrenwärmeaustauscher durch
anders konstruierte Kondensationsgeräte zu
ersetzen.
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Plattenwärmetauscher sind im Prinzip in der Technik bekannt und finden
vorzugsweise bereits Anwendung in der Textilindustrie, Stahlindustrie, im Maschinenbau,
Schiffsbau und Lebensmittelindustrie. Sie bestehen wie in Chemieanlagen und Verfahren",
Heft 1 (1977), Seiten 80 bis 83 beschrieben wird, aus einem Gestell, in dem zwischen
der Stirn- und einer Andruckplatte in geringen Abständen Platten eingehängt sind.
Diese Platten sind an den gewünschten Übergangsstellen durchbrochen und durch Dichtungen
um die Durchlaßöffnungen und entlang der Plattenränder abgedichtet. Eine Doppeldichtung
formt Taschen, die zur Atmosphäre hin offen sind um ein Vermischen von Produkt und
Sekundärflüssigkeit zu verhindern, wenn eine Dichtung leck wird.
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Diese Plattenwärmetauscher sind bisher zur Kondensation der eingangs
geschilderten Brüden nicht eingesetzt worden, da dem Stand der Technik entsprechend
eine Verwendung eines Plattenwärmetauschers aus Dichtigkeitsgründen - besonders
im Unterdruckbereich - nicht angebracht war. Ganz besonders aber wird von dem Einsatz
des Plattenwärmetauschers abgeraten, wenn es sich um Medien mit Feststoffteilchen
oder mit flächiger sowie fasriger Form und um kristallisierende Medien handelt,
da in diesen Fällen eine Belegung und Verstopfung der Plattenwärmetauscher eintreten
kann. Bei der Entgasung von Polymerisationsansätzen ist häufig wegen mitgerissener
feinster Polymertropfen eine sehr starke Belegung der Wärmeaustauschflächen festzustellen.
Dies führt zu einer schnellen Verstopfung.
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Es wurde nun gefunden, daß durchaus im Unterdruckbereich Brüden eines
Polymerisationsansatzes mit Plattenwärmetauschern kondensiert werden können. Es
ist dabei darauf zu achten, daß der Plattenabstand zweier benachbarter Kühlplatten
eines Plattenwärmetauschers ,durch den die zu kondensierenden Brüden hindurchgeleitet
werden, so ausgewählt wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Turbulenz
der Brüden an den Kühlplatten so hoch wird, daß bei einem noch guten Wärmeübergang
eine nur minimale Schmutzablagerung auftreten kann. Die Abstände der Platten zwischen
denen das Kühlmedium strömt werden so gewählt, daß ein optimaler Wärmeübergang gegeben
ist.
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Ein so ausgelegter Kondensationsapparat weist beispielsweise folgende
Vorteile auf: kleiner Wärmeleitwiderstand der Platten durch eine geringe Blechdicke,
günstige Strömungsführung und damit geringe Verschmutzungsneigung, geringe Wärmeverluste,
großes Leistungsvolumen bei geringem Platzbedarf, leichte Montier- und Demontierbarkeit,
gute Reinigungsmöglichkeit, sehr geringe Reinigungskosten usw.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Kondensation
von Brüden polymerisierbarer Monomerer, die auch gegebenenfalls polymere Feststoffpartikel
technischer Polymerisationen, Lösungsmittel, Fällmittel und Wasser als hauptsächliche
Bestandteile enthalten können, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Kondensationsgerät
ein Plattenwärmetauscher eingesetzt wird.
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Ein solcher Kondensator ist in der beiliegenden Zeichnung 1 näher
erläutert. Er besteht aus einem Gestell (1) und
einer Druckplatte
(2) zwischen der die Platten (3) auf einem Spannrahmen (4) aufmontiert sind. Die
Ziffer (5) stellt die Anschlußflansche dar.
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Der Plattentauscher besitzt eine Austauschfläche von 1 bis 1000, bevorzugt
von 5 bis 500, besonders bevorzugt von 10 bis 100 m2. Auf der Produktseite ist ein
Unterdruck von 5 bis 750, vorzugsweise von 5 bis 500, insbesondere von 5 bis 300
Torr angelegt. Der Plattenabstand zweier benachbarter Kühlplatten,durch den die
zu kondensierenden Brüden hindurchgeleitet werden, beträgt 2 bis 30, vorzugsweise
2 bis 20, insbesondere 5 bis 15 mm.
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Der Polymer latex, der entgast wird,enthält die in der Polymerisationstechnik
üblichen Zusätze wie Stabilisatoren, Emulgatoren, Dispergiermittel, Initiatoren,
Kettenregler, Kettenabbrecher, Puffersubstanzen, Elektrolyte und Polymerisationsstoppmittel
sowie die nicht zu Polymerisaten umgesetzten Monomer- bzw. Copolymerbestandteile,
die üblicherweise polymerisierbare ungesättigte Verbindungen darstellen. Als Monomere
bzw. Copolymere seien beispielsweise angeführt: Äthylen, Propylen, Isobutylen, Butadien,
Chloropren, Styrol, Vinylchlorid, Tetrafluoräthylen, Vinylester, Vinyläther, Acrylsäureester,
Ithaconsäure bzw. -ester, Acrylnitril, Vinylpyrrolidon, Acrylsäure, -Methylstyrol,
Allylalkohol, Allylester, Allylchlorid, Stilben, Dichloräthylen, Maleinsäure, Trichlorstyrol,
Butylen-1, Isopren, Vinylfluorid, Methacrylsäure bzw. -ester, Vinyläther, Methacrylamid,
Acrylamid, N-Methylolacrylsäureamid, Acrylsäuremonoglykolester sowie Methacrylsäuremonoglykolester.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Aufzählung durch weitere Monomere, die dem Durchschnittsfachmann
bekannt und geläufig
sind, beliebig ergänzt werden kann. Als bevorzugt
sei Chloropren erwähnt, das beispielsweise nach dem Emulsionsverfahren in bekannter
Weise polymerisiert werden kann.
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Den Brüden, die durch Entgasung dieser Polymerlatices erhalten werden,
können bevor diese in den Plattenwärmetauscher geleitet wird, noch übliche dem Durchschnittsfachmann
bekannte Stabilisatoren zugesetzt werden)um auf diese Weise die Polymerisation der
Monomeren, die noch in der Brüde vorhanden sind, zu unterdrücken. Die Brüden besitzen
vor Eingang in den Plattenwärmeaustauscher annähernd die Siedetemperatur der Brüden
bei dem entsprechenden Druck der zu destillierenden Flüssigkeit. Temperatur des
entsprechenden Kondensates ist hierbei von der gewählten Kühltemperatur, dem Druck,
dem Wärmeübergangskoeffizienten, von der Kühlfläche sowie der Verweilzeit abhängig.
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Einer besseren Übersicht wegen wird in der Zeichnung 2 eine Gesamtübersicht
über den Entgasungsvorgang gegeben. In dieser Zeichnung bedeuten die Ziffern: 6
= zu entgasende Flüssigkeit 7 = Wärmeträgereintritt 8 = Wärmeaustauscher g = Wärmeträgeraustritt
10 = Treibgas 11 = Destillationsapparatur 12 = Wärmeträgereintritt 13 = Wärmeträgeraustritt
14 = Treibgas 15 = Ablauf 16 = Rührorgan 17 = Brüden
18 = Wärmeträger
Eintritt 19 = Plattenwärmeaustauscher 20 = Wärmeträger Austritt 21 = Kondensat Austritt
22 = Vakuumpumpe 23 = Abluft Die Entgasung der Flüssigkeit (6) findet in der Destillationsapparatur
(11) unter Vakuum (22) statt. Dies kann beispielsweise durch direkte und/oder indirekte
Zugabe von Energie (12,13) und/oder Treibgas (10,14) mit oder ohne Rühren (16) erfolgen.
Die entstandenen Brüden (17) werden in den Plattenwärmeaustauscher (19) mittels
Wärmeträger (18,20) kondensiert (21).
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dient folgendes Beispiel:
Ein Polymerlatex, der in bekannter Weise durch Polymerisation von Chloropren in
wäßriger Emulsion mit Hilfe radikalischer Initiatoren erhalten wird, wird durch
Einleiten von Wasserdampf entgast. Die erhaltenen Brüden werden sowohl in einem
Röhrenkühler (Vergleich) sowie in einem Plattenwärmeaustauscher kondensiert. Eine
Übersicht ergibt folgende Tabelle:
Tabelle
| Plattenwärmetauscher Röhrenwärmetauscher |
| Austauschfläche m² 30 50 50 |
| Durchsatz von zu entga- |
| sender Flüssigkeit m³/h 10,3 10,3 10,3 |
| Vakuum Torr 50 100 100 |
| Siedetemperatur °C 38 52 52 |
| Bründentemperatur |
| Eintritt °C 70 70 70 |
| Kühlwassertemperatur |
| Eintritt °C 15 15 15 |
| Kühlwassertemperatur |
| Austritt °C 24 45 18 |
| Kühlwassermenge m³/h 81 20 193 |
| Apparate-Inhalt m³ 0,2 0,3 0,7 |
| Aufkonzentrierung % 2 - - |
| Chloroprenmenge + % 60 100 100 |
| Reinigungszeiten 1 1,3 4 |
Diese Versuche zeigen, daß die Kondensation der Brüden mittels
eines Plattenwärmeaustauschers im Vergleich zu einem herkömmlichen Röhrenwärmetauscher
folgende Vorteile hat: 1. Kühlwassermengeeinsparung ca. 60 %; 2. Aufkonzentrierung
der zu entgasenden Flüssigkeit um ca. 2 %; 3. Verringerung der verbleibenden Restmonomeren
um ca. 40 %; 4. stark verringerte Reinigungsszeiten.
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