DE2951175A1

DE2951175A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen verfolgung von polymerisationsreaktionen

Info

Publication number: DE2951175A1
Application number: DE19792951175
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl Ing Docekal; Vaclav Jirimsky; Petr Dipl Ing Sladky; Josef Dipl Ing Zdrazil
Original assignee: VYZK USTAV CHEM ZARIZENI
Current assignee: VYZK USTAV CHEM ZARIZENI
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1980-07-17
Also published as: GB2038851A; GB2038851B

Description

Vyzkumny üstav chemickych zarlzenl Brno Brno-Kralovo Pole, CSSR

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung von Polymerisationsreaktionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung von Polymerisationen bzw. Copolymerisationen, insbesondere von Vinylchlorid und seinen Gemischen mit anderen Monomeren, die besonders die kontinuierliche Verfolgung lokaler Theologischer Änderungen sowie die Feststellung von Phasenänderungen des polymerisierenden Systems erlauben. Hierbei wird der vom Polymerisationssystem emittierte akustische Schall aufgenommen und ausgewertet.

Bei der technischen Herstellung von Polyvinylchlorid wird das Vinylchlorid bei 40 bis 80 ⁰C in einem mit einem Kühlmantel bzw. Doppelmantel ausgerüsteten Reaktor polymerisiert, der mit einem Rührer sowie einem Rückflußkühler versehen ist. Während der Polymerisation kommt es dabei zu

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Temperatur- und Druckänderungen sowie auch zur Veränderung Theologischer und anderer physikalisch-chemischer Eigenschaften. Dabei werden in den meisten Fällen lediglich die Temperatur- und Druckwerte des Polymerisationssystems einschließlich der Kühlwassertemperatur kontinuierlich gemessen und registriert. Diese Größen vermitteln jedoch eine nur unvollständige Information über den Verlauf des Polymerisationsprozesses, was im Hinblick auf die Gesamtbeurteilung des betreffenden Polymerisationsvorgangs und etwa bezüglich der möglichen Verwendung dieser Größen für die Prozeßsteuerung oder im Hinblick auf die Früherkennung von gravierenden Störfällen, beispielsweise des Zupolymerisierens von Rückflußkühlerröhren usw. nachteilig ist.

Zur Gewinnung umfassenderer Informationen über den Verlauf einer technischen Polymerisation von Vinylchlorid oder anderen Monomeren ist es daher erwünscht,

die Änderung der Theologischen Eigenschaften des Systems während des Polymerisationsprozesses kontinuierlich zu messen.

Bisher bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur kontinuierlichen Verfolgung technischer Polymerisationen, von beispielsweise Vinylchlorid sowie anderen Monomeren beruhen neben der Temperatur- und Druckmessung vorwiegend auf

- der Probenentnahme aus dem polymerisierenden Monomer oder Monomergemisch in verschiedenen Stadien der Polymerisation und nachfolgender Analyse der entnommenen Probe,

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- der Probenentnahme aus dem polymerisierenden Monomer oder Monomergemisch und nachfolgender Analyse in einem optisch geeigneten Raum durch optische Verfahren,

- der kontinuierlichen Messung der Absorption oder der Schallgeschwindigkeit im polymerisierenden Monomer bzw. Monomergemisch oder auf

- der kontinuierlichen Messung des reellen oder imaginären Anteils der dielektrischen Permeabilität des Monomers bzw. Monomergemischs während der Polymerisation.

Bei den beiden erstgenannten Verfahren, die auf der Entnahme von Proben aus dem polymerisierenden System beruhen, ist die diskontinuierliche Verfahrensweise besonders nachteilig, da hierzu in den meisten Fällen manuelle Bedienung erforderlich ist.

Die analytisch ermittelten Größen beziehen sich dabei grundsätzlich auf den Analysenzeitpunkt und brauchen daher nicht unbedingt mit den Größen in Relation zu stehen, die den Zustand des untersuchten Systems zur Zeit der Probenentnahme beschreiben.

Diese Nachteile entfallen zwar bei Verfahren und Vorrichtungen, die auf der kontinuierlichen Messung der Absorption oder der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im polymerisierenden System oder der kontinuierlichen Messung des Real- oder Imaginärteils der dielektrischen Permeabilität des Monomersystems im Verlauf der Polyreaktion beruhen, jedoch liegt auch bei diesen Verfahren ein wesentlicher Nachteil in der Notwendigkeit,

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akustische Signale oder elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, die in das polymer!sierende System geleitet und nach der Wechselwirkung mit dem System wieder einem entsprechenden Meßvorgang unterzogen werden. Bei einigen Polymerisationsverfahren ist ferner die Anwendung spezifischer Strahlung, insbesondere elektromagnetischer Strahlung, grundsätzlich ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung von Polyreaktionen anzugeben, bei denen das System keiner externen Schall- oder Strahlungseinwirkung unterliegt.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die vom polymerisierenden System ausgesandte akustische Emission aufgenommen und ausgewertet wird.

Eine akustische Emission, dh Schallwellen oder Schwingungen, entsteht im polymerisierenden System durch die dynamischen physikalisch-chemischen Makro- und Mikroprozesse, beispielsweise durch die Bewegung miteinander wechselwirkender Moleküle und die damit verbundene Reaktionswärme, Phasenübergänge, lokale Kavitationen und Siedevorgänge, nichtlineare Strömung des Systems usw. In physikalischer Hinsicht stehen die Größen, die die akustische Emission beschreiben, beispielsweise die Frequenz- und Amplitudenverteilung des emittierten akustischen Signals, in einer Wechsel-

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beziehung mit den im Verlauf der Polyreaktion stattfindenden molekularen Vorgängen. Die Mittelwerte dieser Größen lassen sich ferner in erster Näherung mit makroskopischen Theologischen Eigenschaften des polymerisierenden Systems korrelieren.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Verfolgung insbesondere lokaler Theologischer Änderungen sowie auch von Phasenänderungen während der Polyreaktion ermöglicht, ohne daß es hierzu erforderlich wäre, eine spezifische externe, von außen einwirkende Strahlung anzuwenden, wodurch somit auch jegliche Beeinflussung des Polymerisationsvorgangs durch Strahlung ausgeschlossen ist. Die aufgenommene Information kann nach Frequenz- und Amplitudenanalyse, Korrelation und anschließender Verarbeitung wieder zur Kontrolle des Polymerisationsprozesses oder etwa zur Signalisation drohender Betriebsstörungen herangezogen werden.

Der ausgesandte Schall wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie im wesentlichen aus einem zur Unterbringung im polymerisierenden System vorgesehenen Schallleiter besteht, der durch eine akustische Verbindung mit einem elektroakustischen Wandler verbunden ist. dessen Ausgänge an einen Spektral- bzw. Frequenz- und Amplitudenanalysator angeschlossen sind.

Der elektroakustische Wandler ist dabei vorteilhaft ein piezokeramisches Doppelelement, das auf einer Seite an einem Halter befestigt ist, der neben der Stütz-

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funktion gleichzeitig als Druck- und Isolationsmantel dient. Das piezokeramische DoppeIeleinent ist ferner über Distanzstücke akustisch mit einem Schalleiter verbunden, der die Form eines elastischen Hebels aufweist, der in einem Trägheits- und Reibungselement endet und mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist.

Der Umstand, daß erfindungsgemäß keine spezifische externe Strahlung angewandt werden muß, führt zu einem außerordentlich einfachen konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere hinsichtlich ihrer Uberschlagsicherheit und Druckbeständigkeit. Ferner entfällt hierbei auch das Risiko einer möglichen ungünstigen Beeinflussung der Polymerisation durch die Anwendung einer bestimmten Strahlung. Hinzu kommt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung keine manuelle Bedienung erfordert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Anwendung eines geeigneten hochschmelzenden Materials wie zB Rhodium für den Schalleiter bei Temperaturen bis zu etwa 2500 ⁰C eingesetzt werden kann.

Eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Vorrichtung besteht aus einem elektroakustischen Wandler, der aus einem piezokeramischen Doppelelement ]_ besteht, das mit elektrischen Ableitungen versehen und auf einer Seite mechanisch an einem Halter 2 befestigt ist. Der Halter 2 dient nicht nur zur Halterung des piezokeramischen Doppelelements ^, sondern auch als Druckmantel sowie zur elektrischen Isolation der elektrischen Ablei-

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tungen ^. Das piezokeramische Doppelelement _]_ ist ferner mit Distanzstücken £ akustisch mit dem Innenraum eines elastischen Hebels j> verbunden, der einen Schallleiter bildet und in einem Trägheits- und Reibungselement endet. Der Innenraum des elastischen Hebels _5 ist mit einem Dämpfungsmedium 1_ gefüllt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die Vorrichtung wird mit dem Halter _3 so im Innenraum eines Polymerisationsreaktors befestigt, daß der vom elastischen Hebel JS mit dem Trägheits- und Reibungselement 6^ gebildete Schalleiter in das polymerisierende Gemisch eintaucht, am besten an einer Stelle mit definier bar pulsierender Strömung, beispielsweise in der Nähe von Rührerschaufeln.

Das piezokeramische Doppelelement _1_ ist über die elektrischen Ableitungen 2. beispielsweise mit einem (nicht dargestellten) Vorverstärker und über diesen mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) selektiven Mikrovoltmeter oder etwa einem Synchrondetektor eines Dekremantaneters verbunden.

Durch die pulsierende Strömung des Polymerisationssystems innerhalb des Reaktors wird der Schalleiter zu gedämpften Schwingungen mit vorwiegend der Eigenfrequenz angeregt, wobei das logarithmische Dekrement der Schwingungen in einer Beziehung zur Änderung der Viskosität des Polymerisationssystems bzw. Polymerisationsprodukts steht.

Die Vorrichtung nimmt ferner auch die akustischen

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Signale auf, die durch Phasenübergänge im Verlauf der Polymerisation, durch lokale Kavitationsvorgänge, Schaumbildung oder etwa Siedevorgänge des polymerisierenden Produkts entstehen. Ferner wird der externe Schall aufgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand des Verlaufs einer Suspensionspolymerisation von Vinylchlorid in einem Rührreaktor näher erläutert.

Im Inneren des Polymerisationsreaktors wird ein mit einem elektroakustischen Wandler versehener Schallleiter so vorgesehen, daß der Schalleiter mit dem polymerisierenden Vinylchlorid bzw. Monomergemisch in akustischem Kontakt steht. Aufgrund der Schallemission und der Strömung des polymerisierenden Systems werden im Schallleiter akustische Schwingungen angeregt, die aufgenommen und mit dem elektroakustischen Wandler transformiert werden. Die elektrischen Ableitungen des Wandlers werden dabei an einen Frequenz- und Ampiitudenanalysator für die elektrischen Signale, im einfachsten Fall an ein selektives Nanovoltmeter, angeschlossen. Das aufgenommene und analysierte Signal wird mit Signalen, die infolge anderer als der oben genannten Ursachen entstanden sind, korreliert und beispielsweise in Abhängigkeit von der Polymerisationsdauer registriert bzw. zur Steuerung des Polymerisationsprozesses udgl weiterverarbeitet. Die Korrelation des aufgenommenen Signals wird beispielsweise durch Eichung der betreffenden Parameter durch Verfolgung einer Eichpolymerisation von Vinylchlorid vorgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die entsprechende

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Vorrichtung eignen sich nicht nur zur kontinuierlichen Verfolgung von Polymerisationsvorgängen in flüssiger oder gasförmiger Phase, beispielsweise zur Verfolgung von Polymerisations- oder Copolymerisationsreaktionen von Vinylchlorid , sondern

auch für die überwachung von Änderungen der Viskosität von Flüssigkeiten oder zur orientierenden Verfolgung von Änderungen in Flüssigkeitsströmungen, allgemein zur Abtastung von Schallemissionen im Verlauf physikalischer und/oder physikochemischer Prozesse und Reaktionen, insbesondere in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Energietechnik, und sind demgemäß außerordentlich breit anwendbar.

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, 4i:

Leerseite

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ Steinsdorfstr. 10 D-8000 München 22 Tatefon (009) 227201 - 227244 - 295910 Telex 522048 - Telegramm Allpatent München

.508P

PATENT/NWÄn E

Dipl.-Ing. R. BEETZ sen.

Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT

Dring. R. BEETZ jr.

RECHTSANWALT Dipl.-Phys Dr. jur. U. HEIDRICH

Dr.-Ing. W. TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer nat W SCHMITT-FUMIAN

19. Dez. 1979

A η s ρ r (1 c h e

j/. Verfahren zur kontinuierlichen Verfolgung des Ablaufs von Polyreaktionen, insbesondere der Polymerisation bzw. Copolymerisation von Vinylchlorid, dadurch gekennzeichnet, daß der vom polymerisierenden System ausgesandte Schall aufgenommen und ausgewertet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , gekonnzeichnet durch einen zur Unterbringung im zu untersuchenden System ausgebildeten Schalleiter (5), der akustisch mit einem elektroakusti- schen Wandler (1) verbunden ist, dessen Ableitungen (2) an einen Frequenz- und Amplitudenanalysator angeschlossen sind.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler ein piezokeramisches Doppel-

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ORIGINAL INSPECTID

element (1) ist, das auf einer Seite an einem Halter (3) befestigt ist, der als Stütze und gleichzeitig als Druck- und Isolationsmantel dient, und auf der anderen Seite über Distanzstücke (4) akustisch mit einem Schallleiter verbunden ist, der die Form eines elastischen Hebels (5) aufweist, der in einem Trägheits- und Reibungselement (6) endet und mit einem Dämpfungsmedium (7) gefüllt ist.

4. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 ^zur kontinuierlichen Verfolgung von Polymerisationsreaktionen.

5. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 kontinuierlichen Verfolgung der Polymerisation oder Copolymerisation von Vinylchlorid.

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