DE3047474C2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Polyestern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von PolyesternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von
Polyestern durch Veresterung von Terephthalsäure mit Äthylenglykol zu einem niedermolekularen Bis-/?-hydroxyäihylterephthalat,
Vorkondensation unter reduziertem Druck in ein höhermolekulares Äthylenterephthalat
und Polykondensation zu einem hochmolekularen, weiterverarbeitungsfähigen Polyäthylenterephthalat,
wobei eine Mischung dieser Ausgangsprodukte von dem Rotor einer Rotor-Stator-Anordnung axial angesaugt
und durch deren Stator hindurch radkl ausgesto-Ben wird.
Die kontinuierliche Herstellung von Polyestern wird üblicherweise in drei Prozeßstufen durchgeführt Diese
sind dem Fachmann unter den Bezeichnungen Veresterung bzw. Umesterung, Vorkondensation und Polykon-
'5 densation bekannL Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Prozeßstufe der Veresterung.
Als Veresterung (Direktveresterung) wird die chemische Reaktion von Alkylenalkohol, insbesondere Äthylenglykol
(EG) mit einer aromatischen Dicarbonsäure,
z. B. Terephthalsäure (TPA), als Umesterung die chemische Reaktion eines Di-Esters einer Dicarbonsäure,
z. B. Dimethylterephthalat mit einem Alkylenalkohol, insbesondere mit Äthylenglykol, bezeichnet Das Endprodukt
beider Reaktionen ist das niedermolekulare Bis-/Miydroxyäthylterephthalat (BHET).
Dieses wird in der Praxis bei einem Veresterungsgrad von ca. 95% in der Vorkondensationsstufe unter
reduziertem Druck in ein höhermolekulares Produkt überführt und schließlich in der Polykondensationsstufe
unter weiter reduziertem Druck schließlich zu hochmolekularem, weiterverarbeitungsfähigemPolyäthylenterephthalat
(Polyester) polykondensiert.
Während in der Vergangenheit die Herstellung von Polyester überwiegend von Dimethylterephthalat und
Äthylenglykol ausging, wird heutzutage überwiegend Terephthalsäure eingesetzt. Bei der Direktveresterung
treten in der Praxis allerdings Probleme auf, die hauptsächlich darin begründet sind, daß sich die
Terephthalsäure zwar in Bis-Zi-liydroxyathylterephtha-
lat (BHET), kaum aber in Äthylenglykol löst, was eine
Behinderung der Veresterungsgeschwindigkeit zur Folge hat. Verstärkt wird dieser negative Effekt durch
die vergleichsweise geringe Reaktivität der Terephthalsäure mit Äthylenglykol. Hieraus ergeben sich unerwünscht
lange Reaktionszeiten, welche nicht nur den apparativen Aufwand erhöhen und dadurch die
Wirtschaftlichkeit des Prozesses mindern, sondern auch die Produktqualität beeinträchtigen. Man hat versucht,
diesen Nachteil der Direktveresterung zu kompensieren, indem man die Reaktionszeit über die Prozeßparameter,
ζ. Β. Erhöhen der Prozeßtemperatur, verkürzte. Solchen Maßnahmen sind jedoch Grenzen gesetzt, die
durch die Produktqualität bestimmt werden. So nehmen beispielsweise u. a. mit zunehmender Temperatur die
Nebenreaktionen zu, welche unter anderem zu Diäthylenglykol (DEG) führen und die Produktqualität in
unerwünschter Weise mindern.
In der DD-PS 1 18 659 wird ein Verfahren unter Verwendung eines zweiteiligen Mischwerkzeuges mit
einem Kreiselmischer vorgeschlagen, der mit weichen Mischbewegungen das Mischgut spiralförmig bewegt
und eine kombinierte horizontale und vertikale Strömung erzeugt. Mit diesem Vorschlag kann lediglich
das ihm zugrunde gelegte Ziel erreicht werden, die Einsatzstoffe ohne besondere Anforderungen an das
Kornspeklrum der Terephthalsäure zu einer fließfähigen Paste zu vermischen. Eine Erhöhung der Reaktivitäi
der Einsatzstoffe sowie eine hierfür geeignete wirt-
schaftliche Reaktoranui djiung kann nut diesem Vorschlag
nicht erreicht werden,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Reaktoranordnung zu schaffen mit
dem Ziel, die Reaktivität der Terephthalsäure und damit die Reaktionsgeschwindigkeit der Veresterung bei
mindestens gleichbleibender Produktqualität zu erhöhen und die Reaktoranordnung wirtschaftlicher zu
machen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Ausgangsprodukte
dem Misch- und Seher-Prozeß von ringförmig an Rotor und Stator angeordneten Zahn- bzw.
Lochreihen, die zwischen sich einen Scherspalt bilden, aussetzt und danach das Gemisch durch einen
nachgeschalteten Dünnschichtverdampfer leitet
Die Erfindung macht sich zunächst einmal die Erkenntnis zunutze, daß die Reaktivität der Terephthalsäure
gegenüber Äthylenglykol und damit die Reaktionsgeschwindigkeit, bei sonst gleichen Parametern,
durch die Verringerung der Teilchengröße der Terephthalsäure, d. h, durch Erhöhen der aktiven Oberfläche,
beschleunigt wird. Sie gibt hierfür eine einfache Lösung, die überraschende Wirkungen und Vorteile bietet,
indem die Ausgangsstoffe einem hochfrequenten Misch- und Scherprozeß und danach einer Dünnschichtverdampfung
ausgesetzt werden.
Das Arbeitsprinzip bzw. die Wirkung der von P. Willems entdeckten und bisher nur auf anderen
Gebieten wie der Nahrungsmittelindustrie, Papierindustrie oder Futtermittelindustrie eingesetzten Rotor-Stator-Anordnung,
welche aus einer oder mehreren Stufen bestehen kann, ähnelt dem einer Radialturbine. Dabei
wird axial der Flüssigkeitsstrom von einem Rotor angesaugt und radial durch einen Stator ausgestoßen,
wobei den Turbulenzkräften im Scherspalt der ringförmig angeordneten Zahn- oder Lochreihen an Rotor und
Stator ein endscheidender Einfluß zukommt. Durch das Auftreten von dreidimensionalen örtlichen und zeitlichen
Geschwindigkeitsschwankungen, welche mit hochfrequenten D'uckschwankungen gekoppelt sind, wird
bei dem vorliegenden Anwendungsfall eine Feinzerkleinerung der TPA-Partikel bis in den molekulardispersen
Bereich erzielt und somit die aktive Oberfläche wirksam erhöht. Ein Teil der im Scherspalt konzentrierten hohen
Leistungsdichte wird darüber hinaus in potentieller Oberflächenonergie gespeichert, was zu einer überraschenden
Steigerung der Aktivität der Terephthalsäure gegenüber Äthylenglykol führt.
In diesem Zusammenhang kommt der Veresterungsreaktion ein weiterer Voir^il der Rotor-Stator-Anordnung
zugute. Dieser besteht darin, daß die der Rotor-Stator-Anordnung z'jgeführte elektrische Leistung
zu einem Teil in Wärme dissipiert wird und eine Temperaturerhöhung des Reaktionsproduktes beim
Durchtritt durch die Rotor-Stator-Anordnung bewirkt, was wiederum zu einer Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit
der Veresterungsreaktion beim Eintritt des Reaktionsproduktes in den nachgeschalteten
Dünnschichtverdampfer führt.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rotor-Stator-Anordnung nächgeschältete Dünnschichtverdampfer,
welcher beispielsweise als Rohrreaktor ausgebildet sein kann, sorgt für einen hohen Wärmeaustausch
des Reaktionsproduktes mit den Heizflächen des Verdampfers, für einen schnellen Stoffaustausch des
Reaktionsproduktes (um die reaktionsbedingten Spalt-Drodukte aus dem Reakt-rnsgemisch zu entfernen) als
auch for kurze Diffusionswege innerhalb des Reaktionsproduktes.
Trotz der Temperaturerhöhung des Reaktionsproduktes in eier Rotor-Stator-Anordnung ist nicht mit
einer verstärkten Bildung von Nebenreaktionen zu rechnen, da während des Herabfließens des Reaktionsproduktes
an der Wand des Dünnschichtverdampfers durch die Verdampfungswärme alsbald eine adäquate
Temperaturerniedrigung stattfindet
Die vorstehende Aufgabe wird hinsichtlieh der Vorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung
einer ein- oder mehrstufigen Rotor-Stator-Anordnung, deren Rotor und Stator sich gegenüberliegende
ringförmig angeordnete Zahn- und Lochreihen aufweisen, zwischen denen ein Scherspalt gebildet ist, und
durch die Nachschaltung eines als Rohrreaktor ausgebildeten Dünnschichtverdampfers, dessen Zuleitungsrohr beheizbar ist. Hierbei bildet die Rotor-Stator-Anordnung
einen entscheidenden Vorteil bei der Betriebs-Wirksamkeit der Direktveresterung, was die Homogenisierung
der Reaktionspartner anbetrifft Es ist insbesondere dann schwierig, die Terephthalsäure mit der
Äthylenglykolmenge zu dispergieren, wenn mit einem niedrigen Anteil von Äthylenglykol im Verhältnis zur
Terephthalsäure gearbeitet werden soll, was die eigentliche Voraussetzung für ein wirtschaftliches
Verfahren darstellt Aufgrund der Wirkungsweise der Rotor-Stator-Anordnung erfolgt beim Einleiten der
Veresterungsreaktion eine einwandfreie und betriebssichere Homogenisierung der Reaktionopartner noch bei
extrem Fest-/Flüssiganteilen.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der vorbeschriebenen
Vorrichtung wird somit eine Erhöhung der Veresterungsgeschwindigkeit erreicht und damit insgesamt eine
wirtschaftliche Herstellung von Polyester durch die Verminderung der apparativen Kosten sowie durch die
Reduzierung der einzusetzenden Rohstoffe.
Aus der DE-OS 24 58 862 ist bereits eine Rotor-Stator-Vorrichtung bekannt, die jedoch mit einem eine
Einzugsschnecke und einem verrippten Mantel aufweisenden Mischrotor ausgerüstet ist, der in einem
aufgerauhten oder ebenfalls verrippten Stator umläuft. Mit diesem Mischer werden hohe Schlag- und
Prallwirkungen vermieden (S. 7, Z. 1), der somit für die aufgabengemäß angestrebte Erhöhung άτ Reak.'ivität
der Einsatzsstoffe nicht geeignet ist. Auch sind Dünnschichtverdampfer an sich bekannt (z. B. US-PS
29 73 341), jedoch nicht in Verbindung mit der vorstehenden Aufgabe und dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen enthalten. Weitere
Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer den Erfindungsgedanken verwirklichenden Vorrichtung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Reaktionsdruckes in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur
beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren;
F i g. 3 eine graphische Darstellung des Veresterungsgrades in Abhängigkeit von der Reaktionszeit bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren; und
Fig.4 eine Schnittdarstellung der Rotor-Stator-An-
Ordnung der F i g. I in größerem Maßstab.
Gemäß der Schemadarstellung nach F i g. I werden die homogen vermischten Rohstoffe über eine Leitung 1
kontinuierlich in den Fußbereich eines Rohrreaktors 2 eingespeist, welcher aus einem Dünnschichtverdampfer
mit oder ohne Einbauten besteht. Auf der Unterseite des Rohrreaktors 2 wird das Rohstoffgemisch gegebenenfalls
mit dem bereits vorhandenen Reaktionsgemisch abgezogen und einer in Fig.4 dargestellten mehrstufigen
Rotor-Stator-Anordnung 3 zugeleitet. Deren Rotor 10 und Stator 11 weisen sich gegenüberliegende
ringförmig angeordnete Zahn- und Lochreihen auf, zwischen denen ein Scherspalt gebildet ist und wo die
Rohstoffe eine Reaktionsbeschleunigung erfahren. Die Rotor-Stttor-Anordnung 3 besteht in der dargestellten
Ausführung aus einem gezahnten Rotor 10 und einem im Bereich der umlaufenden Zähne durch Wandperforation
gelochten Stator 11 (F i g. 4).
Das Reaktionsgemisch wird durch die Pumpenwirkung der über den perforierten Wandfiäehen umlaufenden
Zähne des Rotors 10 der Rotor-Stator-Anordnung 3 durch eine beheizte Rohrleitung 4 zum Kopf des
Rohrreaktors 2 geführt. Die Erwärmung des Reaktiongsgemisches kann entweder vor Eintritt in den
Rohrreaktor 2 in einer Wärmequelle 5 oder aber im Kopf- oder Fußbereich des Rohrreaktors 2 mit einer
dort installierten Wärmequelle 5 erfolgen.
Die Verteilung des Reaktiongsgemisches im Kopfbereich
des Rohrreaktors 2 erfolgt durch eine statische oder dynamische Verteilereinrichtung 6 in Filme oder
Strömungsfäden. Das Reaktionsgemisch fließt so vom Kopfbereich in den Sumpfbereich des Rohrreaktors 2,
wobei die entstehenden Spaltprodukte den Rohrreaktor 2 über eine vom Kopfbereich des Rohrreaktors 2
abzweigende Leitung 7 verlassen und gegebenenfalls rektifiziert über eine Leitung 8 dem Reaktionsgemisch
in dem Rohrreaktor 2 wieder zugeführt werden. Über einen Produktverteiler 9 in der Leitung 4 wird das
Reaktionsgemisch entweder direkt oder als Seitenstrom in den nächsten Reaktor gleicher oder anderer
Ausführung geleitet.
Bei einer Erprobung gemäß der beiden nachstehend erläuterten Beispiele bestand das Reaktionsgefäß aus
einem vertikalen Rohrreaktor ohne Einbauten mit einer an der Reaktorunterseite angeflanschten Maschine mit
eingebauter, einstufiger Rotor-Stator-Anordnung, welche lus einem gezahnten Rotor und einem gelochten
Stator (Bohrungsdurchmesser 1,2 mm) bestand. Von dieser Maschine führte eine beheizte Rohrleitung zum
Oberteil des Reaktorgefäßes. Im Betriebszustand wurde ein Gemisch aus Terephthalsäure und Äthylenglykol
durch die Pumpwirkung der Rotor-Stator-Maschine während der gesamten Versuchszeit aus dem Sumpf des
Rohrreaktors abgezogen und zurück in das Oberteil des Reaktorgefäßes gepumpt, wo es an der beheizten Wand
herab und zurück in den Sumpf floß. Die Temperatur des Reaktionsproduktes wurde sowohl an der Saug- als
auch an der Druckseite der Rotor-Stator-Anordnung registriert Die während der Reaktion entstandenen
Spaltproduktdämpfe wurden über ein Überströmventil abgeblasen und in einem nachgeschalteten Kühler
kondensiert Zur Überprüfung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Reaktion
unter sonst gleichen Bedingungen in einem Rührkesselautoklaven durchgeführt Der Prozentgehalt an DEG
wurde wie folgt bestimmt: In dem Versuchsprodukt wurden DEG und Äthylenglykol in der durch Hydrazinolyse aufgeschlossenen Probe gaschromatographisch
bestimmt. Der Gehalt an DF.G wurde in Mol-% DEG. bezogen auf die Gesamtmenge DEG und Äthylenglykol
ausgedrückt. Der Veresterungsgrad wurde durch Bestimmung von Säurezahl und Verseifungszahl in
■> bekannter Weise errechnet. Zur Bestimmung der Verseifungszahl wurde das Versuchsprodukt am Rückfluß
mit 2 N alkoholischer Kalilauge gekocht, danach mit I N Salzsäure potentiometrisch zurücktitriert. Zur
Bestimmung der Säurezahl wurde das Versuchsprodukt in in Dimethylsulfoxid/Wasser gelöst und mit 0,1 N
Salzsäure potentiometrisch titriert.
Es wurde eine Aufschlämmung hergestellt aus 4,3 kg
π Terephthalsäure und 3,2 kg Äthvlenglykol. Als Katalysator
wurden der Suspension 2 ■ IO~4 Mol Lithiumacetat
und als Stabilisator 2 · 10-4 Mol Triphenylphosphat zugegeben. Das Gemisch wurde in das Reaktionsgefäß
gefüllt und auf eine Temperatur von 240°C aufgeheizt.
J" unter einem zugelassenen autogener! Druck vun
maximal 4 bar wurde das Reaktionsgemisch insgesamt 50 Minuten umgesetzt.
Der durch die Reaktion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entstandene Druckanstieg ist in F i g. 2 in
:> Abhängigkeit von der mittleren Temperatur des
Reaktionsproduktes im Vergleich zu dem Druckanstieg bei der Reaktion in einem Rührkessel graphisch
aufgetragen. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird anschaulich dadurch demonstriert, daß nach dem
in erfindungsgemäßen Verfahren sowohl der Anfangsdruck höher liegt als auch der Solldruck eher erreicht
wird als bei der Reaktion im Rührkessel. Daß die Reaktion tatsächlich schneller verläuft, wird durch die
Analysen der Proben belegt, weiche nach 50 Minuten den beiden Reaktionsapparaturen entnommen wurden.
Während der Veresterungsgrad bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 84% betrug, lag er nach
der Reaktion im Rührkessel lediglich bei 50%. Im DEG-Gehalt wurden keine Unterschiede gefunden.
Dieser lag bei beiden Proben bei 1,6 Mol-%.
Es wurde eine Aufschlämmung hergestellt aus 4,3 kg Terephthalsäure und 3,2 kg Äthylenglykol. Als Katalysator
wurden der Suspension 2 - 10~4 Mol Lithiumacetat und als Stabilisator 2 · 10~4 Mol Triphenylphosphat
zugegeben. Das Gemisch wurde in das Reaktionsgefäß gefüllt und auf eine Temperatur von 27O0C aufgeheizt.
Unter einem zugelassenen, autogenen Druck von
;o maximal 9 bar wurde das Reaktionsgemisch 30 Minuten
umgesetzt. In das auf diese Weise entstandene BHET •wurde eine Aufschlämmung aus Terephthalsäure und
Äthylenglykol kontinuierlich zudosiert, dessen Zusammensetzung mit dem ursprünglich eingefüllten Gemisch
identisch war. Die zudosierte Menge entsprach der gewünschten mittleren Verweilzeit in der Apparatur,
nach der Beziehung Volumen: Durchsatz. Eine der
zudosierten adäquaten Menge wurde dem Reaktionsgefäß kontinuierlich entzogen. Es ergab sich, wie bereits
beschrieben, durch das Arbeitsprinzip der Rotor-Stator-Anordnung eine Temperaturdifferenz von 7° C, was
aufgrund der apparativen Anordnung zu einer Temperatur am Eintritt des Reaktionsgefäßes von 2700C bzw.
durch die Verdampfungswärme zu einer Sumpftempe ratur von 263° C führte.
Der auf diese Weise erhaltene Veresterungsgrad ist in ,
Fig.3 in Abhängigkeit von der Verweilzeit im Vergleich zu dem Veresterungsgrad bei der Reaktion in :
7 8
einem Rührkessel graphisch aufgetragen. Ks ist deutlich Reaktionsproduktes nach dem erfindungsgemäßen
erkennbar, daß die Reaktion nach dem erfindungsgemä- Verfahren nicht eintrat.
Ben Verfahren bedeutend schneller verläuft als in einem Somit wird eindeutig die Überlegenheit des erfin-
Rührkessel. Ai/s den Werten für den DEG-Gehalt, dungsgemäßen Verfahrens gegenüber konventionellen
welcher in beiden Fällen 1,5 Mol-% betrug, kann ί Verfahren be'egt.
geschlossen werden, daß eine Qualitätsminderung des
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
- Patentansprüche:t, Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Polyestern durch Veresterung von Terephthalsäure mit Äthylenglykol zu einem niedermolekularen Bis-^-hydroxyäthylterephthalat, Vorkondensation unter reduziertem Druck in ein höhermolekulares Äthylenterephthalat und Polykondensation zu einem hochmolekularen, weiterverarbeitungsfähigen Polyäthylenterephthalat, wobei eine Mischung dieser Ausgangsprodukte von dem Rotor einer Rotor-Stator-Anordnung axial angesaugt und durch deren Stator hindurch radial ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausgangsprodukte dem Misch- und Scherprozeß von ringförmig an Rotor und Stator angeordnete Zahn- bzw. Lochreihen, die zwischen sich einen Scherspalt bilden, aussetzt und danach das Gemisch durch einen nachgeschalteten Dünnschichtverdampfer leitci.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dünnschichtverdampfer als Rohrreaktor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsprodukte in den Fußbereich des Rohrreaktors (2) eingespeist werden, aus welchem sie gegebenenfalls zusammen mit dem dort bereits angefallenen Reaktionsgemisch abgezogen und der Rotor-Stator-Anordnung (3) zugeführt werden.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch von der Rotor-Stütor-Anordnung (3) dem Kopfbereich des Rohrreaktors (2) aufgegeben wird.
- 4. Verfahren na^h Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daC das Reaktionsgemisch vor Eintritt in den Rohrreaktor ,2) oder im Kopf- oder Fußbereich des Rohrreaktors (2) erwärmt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Rohrreaktor (2) entstehenden dampfförmigen Spaltprodukte aus dem Kopfbereich des Rohrreaktors (2) abgezogen und nach Rektifikation gegebenenfalls dem Reaktionsgemisch in dem Rohrreaktor (2) wieder zugeführt werden.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch wenigstens teilweise einem weiteren Rohrreaktor (2) gleicher oder anderer Ausführung zugeleitet wird.
- 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer ein- oder mehrstufigen Rotor-Stator-Anordnung (3), deren Rotor (10) und Stator (11) sich gegenüberliegende ringförmig angeordnete Zahn- und Lochreihen aufweisen, zwischen denen ein Scherspalt gebildet ist, und durch die Nachschaltung eines als Rohrreaktor (2) ausgebildeten Dünnschichtverdampfers, dessen Zuleitungsrohr (4) beheizbar ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine statische oder dynamische Verteilereinrichtung (6) im Kopfbereich des Rohrreaktors (2) für das aufgegebene Reaktionsgemisch.
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