DE3107657A1

DE3107657A1 - Reaktionsverfahren und reaktor zur kontinuierlichen veresterung, umesterung und herstellung von polymeren u.dgl.

Info

Publication number: DE3107657A1
Application number: DE19813107657
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 4330 Mülheim Kreutzer
Original assignee: Didier Engineering GmbH
Current assignee: Didier Engineering GmbH
Priority date: 1981-02-28
Filing date: 1981-02-28
Publication date: 1982-09-16
Also published as: JPS57158223A; DE3107657C2; KR830009149A

Description

Reaktionsverfahren und Reaktor zur kontinuier-
lichen Veresterung, Umesterung und Herstellung von Polymeren und dergleichen Die Erfindung betrifft ein Reaktionsverfahren und einen Reaktor zur kontinuierlichen Veresterung bzw. Umesterung und zur anschließenden Vorkondensation des niedermolekularen Vor- bzw. Umesterungsproduktes zu einem üblicherweise als "Prepolymer" bezeichneten höhermolekularen Zwischenprodukt.
Als Veresterung wird die chemische Reaktions eines AL-kylenalkohols, z.B. Athylenglykol, mit einer aromatischen Dicarbonsäure, z.B. Terephthalsäure, als Umesterung die chemische Reaktion eines Di-Esters einer Dicarbonsäure, z.B. Dimethylterephthalat mit einem Alkylenalkohol, z.B. Athylenglykol, bezeichnet. Das Produkt beider Reaktionen ist z.B. das niedermolekulare Bis-p-hydroxyäthylenterephthalat (BHET). Als Vorkondensation wird die chemische Reaktion bezeichnet, bei der aus z.B. BHET ein höhermolekulares "Prepolymer" entsteht.
Bei beiden Reaktionen ist ein hoher Wärmeaustausch bei hohen Reaktionstemperaturen, ein schneller Stoffaustausch sowie eine dauernde Erneuerung der "Reaktionsflächen" erforderlich.
Bei den bekannten Verfahren kommen Autoklaven mit Rührorganen und evtl. mit Einrichtungen zur Bildung von Fallstromfäden, -schichten und -schleiern zum Einsatz, um die Reaktionsmasse in dünner Schicht den Reaktionsbedingungen auszusetzen, und um für eine optimale Freisetzung der Spaltprodukte möglichst große Schichtoberflächen im Verhältnis zum Volumen zu erhalten. Bei allen bekannten Verfahren erfolgt die Reaktion Abspaltung und Verdampfung noch verhältnismäßig langsam, so daß die Reaktionsmasse meist vielmals den Reaktionsraum durchlaufen muß, die Verweilzeiten lang sind oder die Apparate entsprechend groß sind.
Die Erfindung schafft ein Verfahren sowie für dessen Durchführung eine Vorrichtung, die die oben erwähnten Erfordernisse optimal vereinigt, was zu einer wesentlich schnelleren Reaktionszeit, wenig Nebenreaktionen und einer gleichmäßigen Verweilzeit führt.
Die verfahrensmäßige Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierdurch wird die Reaktionsmasse nach der Eingabe in den Reaktor auf dem Boden des Reaktionsraumes zu einem Sumpf gesammelt und im Kreislauf aus diesem heraus durch die Zentrifugalkraft mit großer Geschwindigkeit als Nebel oder in fein versprühter Form, vorzugsweise in und durch einen Aufwärtsstrom des verdampften Reaktionsteilnehmers Alkohol gegen die Reaktorwand geschleudert und danach in den Sumpf zurückgeleitet.
Evtl. erfolgt vor dem Abschleudern in der Schleuder-und Sprühvorrichtung eine Scherung des Produktes mit dem Zweck, die Reaktionsflächen im Mikrobereich der Reaktionsmasse zu erneuern, also unreagierte Teilchen miteinander in Kontakt zu bringen.
Dieses Erneuern der Reaktionsflächen, das anschließende Versprühen, also Schaffung einer großen Oberfläche sowie die folgende intensive Wärmezufuhr durch Ablaufen einer dünnen Schicht an der beheizten Reaktorwand hat eine intensive Reaktion, also Versterungs- bzw. Umesterungsreaktion, zur Folge.
Die vorrichtungsgemäße Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen beheizbaren Reaktor nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 3 oder des Anspruchs 8 gelöst.
Beide Lösungen sind anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt.
Hierin zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen vertikalen Reaktor mit mehreren übereinander angeordneten Reaktionsräumen nach Anspruch 3; Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen vertikalen Reaktor mit mehreren übereinander angeordneten Reaktionsräumen nach Anspruch 8.
In dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besitzt der vertikale Reaktor 10 vier übereinander angeordnete Reaktionsräume 11, die durch zum Zentrum hin schräg abfallende Zwischenböden 12 unterteilt sind und in deren Zentrum eine einmal unterteilte, von endseitigen Motoren 26 antreibbare vertikale Rotorwelle 13 mit der geometrischen Drehachse A gelagert ist, die sich vom Reaktorboden 14 durch die unteren drei Reaktorräume 11 und durch die Zwischenböden 12 hindurch bis in den obersten Reaktorraum 11 über dessen Zwischenboden 12 erstreckt Auf diesen Zwischenböden 12 und dem Reaktorboden 14 sitzt jeweils das Statorgehäuse 15 einer Schleuder-bzw. Sprühvorrichtung 16, deren Sprühteller 17 als Rotor auf der Rotorwelle 13 fest angeordnet ist.
Das Statorgehäuse 15 ist mit einem dem Sprühteller 17 angepaßten Flansch ausgebildet. Zwischen den einander zugekehrten Flächen dieses Statorgehäuseflansches und des rotierbaren Sprühtellers 17 ist lediglich ein schmaler Spalt 17a gebildet, der nach außen gegen die Reaktorwand 10a gerichtet ist, und zwar so, daß die Richtung des angeschleuderten Produktes etwa waagerecht, besser leicht schräg nach oben gerichtet ist, um die beheizte Reaktorwandfläche als Kontaktfläche möglichst weitgehend auszunutzen.
Die Schleuder- bzw. Sprühvorrichtung 16 kann als Scherorgan ausgebildet sein zur intensiven, zwangsweisen Erneuerung der "Reaktionsflächen", und zwar können Rotor 17 und Stator 15 mit senkrecht zur Drehachse angeordneten Rippen oder mit parallel zur Drehachse angeordneten ineinandergreifenden Stiften 17b versehen sein.
Das Statorgehäuse 15 ummantelt im Unterbereich des Reaktionsraumes 11 die Rotorwelle 13 mit einem verhältnismäßig geringen Abstand, so daß ein Ringraum 18 gebildet ist, der mit dem Spalt 17a zwischen Sprühteller 17 und Statorgehäuse 15 durchgehend verbunden ist. Das so gebildete Rohrstück 15a des Statorgehäuses 15 dient als Ansaugstutzen und hat dicht über dem Zwischenboden 12 bzw. Reaktorboden 14 Eintrittsöffnungen 19 für die Reaktionsmasse 20, die sich auf den leicht konischen, zur Mitte hin abfallenden Zwischenböden 12 und dem entsprechend gestalteten Reaktorboden 14 in dem muldenartigen Sammelraum 24 als ein Sumpf ansammelt. Die Rotorwelle 13 weist innerhaLb des Statorgehäuses 15 eine in dessen Ringraum 18 nach oben bis zum Sprühteller 17 verlaufende Transportschnecke 18a auf, von der die Reaktionsmasse durch die Eintrittsöffnungen 19 angesaugt und nach oben in den Spalt 17a bis zum Erfassen durch den Sprühteller 17 transportiert wird.
In den Zwischenböden 12 ist jeweils eine Durchtrittsöffnung 21 mit einer die Höhe des anzusammelnden Reaktionsmassen-Sumpfes bestimmenden Aufkragung 21a angeordnet. über die Aufkragung 21a fließt die Reaktionsmasse bei übersteigen ihres Randes durch die Durchtrittsöffnung 21 hindurch nach unten in den darunterliegenden Reaktionsraum 11. Hiervon im Abstand ist weiter zur Reaktorwand 10a hin eine im Durchmesser erheblich größere Durchtrittsöffnung 22 mit einer Aufkragung 22a angeordnet, die mit ihrem Rand die Aufkragung 21a der Durchtrittsöffnung 21 ausreichend überragt, so daß die sich als Sumpf ansammelnde Reaktionsmasse nicht durch die letztgenannte Durchtrittsöffnung 22 hindurchtreten kann. Diese Durchtrittsöffnung 22 dient zum Abzug der abgespalteten Dampfprodukte und auch zum Durchtritt eines zusätzlichen Glykoldampfes, der im Unterbereich des Reaktors 10 durch eine Zuleitung 23, die sich von außen in den untersten Reaktorraum 11 erstreckt, eingeleitet wird und sämtliche Reaktorräume 11 in aufwärtiger Richtung durchströmt. Zur besseren Verteilung dieses Glykoldampfes sind in den Zwischenböden 12 noch weitere, mindestens diametral zu den erstgenannten Durchtrittsöffnungen 22 angeordnete gleiche Durchtrittsöffnungen 22 vorgesehen.
Der unterste Reaktionsraum 11 hat noch unterhalb des Ansaugstutzens 15a der dortigen Schleuder- bzw.
Sprühvorrichtung 16 einen Sammelraum 24 für das Reaktionsprodukt, das aus diesem Sammelraum 24 durch eine Abzugsleitung 25 kontinuierlich abgezogen wird.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht ein vertikaler Reaktor 10 aus vier übereinander angeordneten Reaktorräumen 11, durch die sich eine zentral angeordnete Rotorwelle 13 vertikal erstreckt. Auf dieser sitzen als Schleuder- bzw. Sprühvorrichtung 33 kegelstumpfförmige Rotoren aus vier verschiedenen breiten, gestaffelt angeordneten und miteinander verbundenen Sprühtrommeln 34, deren Verbindungselement 35 über einen Haltering 36 mit der Rotorwelle 13 verbunden ist.
Die jeweilige Mantelfläche der Sprühtrommel 34 ist am äußeren Rand 34a in Richtung zur Reaktorwand 10a abgewinkelt und dient zum gezielten Abschleudern und Absprühen der Reaktionsmasse gegen die Reaktorwand 10a. Die Sprühtrommeln 34 tauchen möglichst nahe der Rotorwelle 13 in den Reaktionsmassen-Sumpf zur Aufsaugung und Mitnahme der Reaktionsmasse mit Hilfe der Trommelflächen und Spalten zwischen den einzelnen Sprühtrommeln 34.
In beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 erfolgt die Beheizung der Reaktoren 10 durch ein Wärmeträgermedium, das über Rohrleitungen 40 den jedem Reaktorraum 11 zugeordneten Heizmänteln zugeführt wird. Selbstverständlich kann jede andere, bei derartigen Reaktoren übliche Beheizung angewendet werden.
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Claims

Reaktionsverfahren und Reaktor zur kontinuier-Lichen Veresterung, Umesterung und Herstellung von Polymeren und dergleichen Patentanspruche : 1. Reaktionsverfahren zur kontinuierlichen Veresterung oder Umesterung eines Alkylenalkohols, vorzugsweise Äthylenglykol, mit einer Dicarbonsäure bzw. mit einem Ester einer Dicarbonsäure, vorzugsweise Terephthalsäure bzw. Dimethylterephthalat, und zur anschließenden Vorkondensation des niedermolekularen Produktes zu einem üblicherweise als "Prepolymer" bezeichneten höhermolekularen Zwischenprodukt in einem beheizten ein- oder mehrräumigen Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmasse im Zentrum jedes Reaktionsraumes sich vermischend angesaugt, evtl. geschert, danach durch Zentrifuyalkraft in versprühter Form gegen die beheizte Außenwand des Reaktors geschleudert und in den Sumpf der Reaktionsmasse zurückgeleitet wird.
2. Reaktionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dampfförmiger Alkohol entgegen der Durchlaufrichtuny der Reaktionsprodukte durch den Reaktionsraum oder die Reaktionsräume geleitet wird.
3. Beheizbarer Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reaktionsräume (11) übereinander angeordnet und durch zum Zentrum hin schräg abfallende Zwischenböden (12) unterteilt sind, die aufgekragte Durchtrittsöffnungen (21, 22) aufweisen und im Zentrum einen Sammelraum bilden, in den der Ansaugstutzen (15a) einer Schleuder- bzw. Sprühvorrichtung (16) mit mindestens einem um seine Senkrechtachse rotierenden Sprühteller (17) hineinragt, dessen Sprühfläche und damit Austrittsrichtung des abgeschleuderten Produktes mit einer waagerechten Komponente gegen die Aunenwand (10a) des Reaktors (10) gerichtet ist (Fig. 1).
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleuder- bzw. Sprühvorrichtung 16) als Scherorgan ausgebildet ist, indem Rotor (17) und Stator (15) mit senkrecht zur Drehachse (A) angeordneten Rippen oder mit parallel zur Drehachse (A) angeordnetten ineinandergreifenden Stiften (17b) versehen sind.
5 Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenböden (12) mindestens eine Durchtrittsöffnung (21) für die Reaktionsprodukte und mindestens eine Durchtrittsöffnung (22) für das abzuleitende Spaltprodukt sowie ggf. für einen dampfförmigen Alkoholstrom aufweisen, und daß eine Aufkragung (22a) der letztgenannten Durchtrittsöffnung (22) eine Aufkragung (21a) der Durchtrittsöffnung (21) für den Durchtritt der Reaktionsprodukte überragt.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Reaktionsraum (11) unterhalb des Ansaugstutzens (15) seiner Schleuder-bzw. Sprühvorrichtung (16) einen Sammelraum (24) für das Reaktionsprodukt aufweist, aus dem sich eine Abzugsleitung (25) nach außen erstreckt, und daß sich oberhalb der Ansaugöffnung (19) der Schleuder- bzw. Sprühvorrichtung (16) eine Zuleitung (23) für den dampfförmigen Alkoholstrom in den Reaktionsraum (11) erstreckt.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (13), auf der die einzelnen Ansaug-. Schleuder- und Sprühvorrichtungen (16) angebracht sind, mindestens einmal zur Schaffung unterschiedlicher Drehzahlen unterteilt ist, so daß die Reaktionsbedingungen in jedem Reaktionsraum (11) an das sich verändernde Produkt anpaßbar sind.
8. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer zentral angeordneten Welle (13) kegelstumpfförmige Rotoren (33) aus mehreren, in verschiedenen Breiten gestaffelt angeordneten und miteinander verbundenen Sprühtrommeln (34) gelagert sind, deren Mantelflächen am äußeren Rand (34a) in Richtung zur Reaktorwand (10a) abgewinkelt sind.