DE4106320C2 - Polymerisationsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kontinuierlich arbeitende Polymerisationsvorrichtung mit einem Eingang für Monomere und ggf. Polymerisationshilfsmittel und einem Ausgang für die gebildeten Polymere.

Es sind verschiedene Polymerisationsverfahren bekannt, durch die wenigstens ein stabiles Monomer zur Polymerisation angeregt wird. In allen Fällen ist eine Polymerisations­ vorrichtung erforderlich, in der das Monomer mit einem Zusatzstoff, z. B. einem Initiator, intensiv vermischt wird. In bekannten Reaktoren finden sich daher Rührer, die als Blattrührer ausgebildet sind und in ihrer Nähe hohe Turbulenzen erzeugen, die zu einer starken Durchmischung führen. Nachteilig an diesen Rührreaktoren ist, daß die Turbulenzen schon in geringer Entfernung von den Rührblättern stark abklingen, so daß nur das Produkt in unmittelbarer Nähe der Rührblätter vermischt wird. Es ist ferner bekannt, beispielsweise für die Emulsionspolymerisation eines Styrol- Butadien-Kautschuks mehrere Rührreaktoren hintereinander zu schalten. Hierbei wechseln sich Rührphasen und Umpumpphasen für das Produkt ab. Aufgrund des intermittierenden Rührens und Transports unterliegt das Produkt ständig wechselnden Ein­ flüssen, wodurch es zu unregelmäßigen Polymerisationsgraden und zu unerwünschten Nebenreaktionen kommt.

Durch US 4 975 486 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Styrol-Butadien-Elastomeren bekannt. Dabei werden zunächst zwei Polymerlösungen in je einem Reaktor her­ gestellt und kontinuierlich nach Erreichen eines Umsetzungs­ grades von 65% in einen weiteren Reaktor eingespeist, wo die Lösungen unter Anwendung hoher Scherkräfte gemischt werden. Danach gelangt die Mischung in einen weiteren Reaktor, wo sie geringeren Scherkräften ausgesetzt wird. In einem nächsten Reaktor wird die nahezu vollständige Auspolymerisierung durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Polymeri­ sationsvorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß das Auftreten unregelmäßiger Polymerisationsgrade und unerwünschter Nebenreaktionen zumindest vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Polymerisations­ vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Polymerisationsvorrichtung aus wenigstens zwei Schlaufen­ reaktoren mit unterschiedlich eingestellten Mischbedingungen besteht, in denen das umgewälzte Produkt nach einer Vielzahl von Umwälzungen zu einer Ausgangsöffnung gelangt und daß eine Eingangsöffnung eines nachfolgenden Schlaufenreaktors mit der Ausgangsöffnung des vorhergehenden Schlaufenreaktors verbunden ist.

Mit derartigen Schlaufenreaktoren, wie sie aus der Misch­ technik beispielsweise durch die DE 39 19 828 A1 bekannt sind, läßt sich die kontinuierliche Polymerisation in mehreren Stufen realisieren, wobei erfindungsgemäß unterschiedlich ausgebildete oder eingestellte Schlaufenreaktoren hinter­ einander geschaltet sind. Das Produkt wird in einem Schlaufen­ reaktor mit definierten Polymerisationsparametern, insbesondere definierten Scherbeanspruchungen geführt, wobei jeweils ein Bruchteil des in dem Schlaufenreaktor umgewälzten Produktes nach einer Vielzahl von Umwälzungen den Schlaufen­ reaktor verläßt und in den nachfolgenden Schlaufenreaktor gelangt. Am Ausgang des letzten Schlaufenreaktors fällt kontinuierlich das produzierte Polymer an.

Obwohl ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt wird, in dem das Produkt somit ständig in Bewegung ist und totraumfrei transportiert wird, können in den Schlaufenreaktoren, dem Polymerisationsfortgang entsprechend, geeignete Polymeri­ sationsbedingungen, beispielsweise auch kontrollierte Temperaturen oder Drücke eingestellt werden.

Die Schlaufenreaktoren weisen vorzugsweise Schereinrichtungen auf, durch die das Produkt, beispielsweise mit Förderschnecken transportiert wird. Die Schereinrichtung kann für verschiedene Schlaufenreaktoren unterschiedlich ausgebildet sein, um die unterschiedlichen Scherbeanspruchungen zu realisieren.

Zur Herstellung eines Emulsionspolymerisats ist es zweckmäßig, wenn in dem ersten Schlaufenreaktor die Mischung der Emulsion mit einer niedrigen Temperatur und in wenigstens einem nachfolgenden Schlaufenreaktor der Transport bei einer Reaktionstemperatur für die Polymerisation vorgenommen wird. Vorzugsweise sind dabei wenigstens zwei nachfolgende Schlaufenreaktoren vorgesehen, die auf vorzugsweise unter­ schiedliche Reaktionstemperaturen eingestellt sind.

Die Scherbeanspruchungen und Temperaturen in den Schlaufen­ reaktoren werden vorzugsweise so eingestellt, daß am Ausgang jedes Schlaufenreaktors Polymerisationsprodukte mit definierten Polymerisationsgraden entstehen.

Die Schlaufenreaktoren sind vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und im wesentlichen rotationssymmetrisch mit einer zentrischen Eingangsöffnung in einer Stirnwand aufgebaut. Sie weisen bevorzugt zentrisch angeordnete Förderschnecken auf und sind im Anschluß an die Förderschnecken mit einer Umlenkung des Produktes nach außen versehen. Dabei kann am stromabwärts gelegenen Ende der Förderschnecke eine Scheranordnung vorgesehen sein, durch die das Produkt bei der Umlenkung hindurchtritt. Die Scheranordnung kann aus einem Stator und einem Rotor gebildet sein, die mit Schlitzen versehen sind, die miteinander fluchten können, wobei der Rotor mit der Förderschnecke angetrieben sein oder einen eigenen Antrieb aufweisen kann. Das durch einen Schlitz des Rotors hindurchtretende Produkt wird durch die Rotation relativ zum Stator einer Scherbeanspruchung unterworfen, bis das Produkt aus einem Schlitz des Stators austreten kann. Auf diese Weise sind definierte Scherbeanspruchungen durch die Anzahl der Schlitze, die Schlitzbreite, den Abstand von Rotor und Stator zueinander usw. einstellbar.

Zur Einstellung einer vorbestimmten Temperatur im Schlaufenreaktor werden dessen Wände vorzugsweise gekühlt, wobei die Kühlung durch einen Temperatursensor gesteuert sein kann.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der Zeichnung sind drei hintereinandergeschaltete Schlaufen­ reaktoren 1, 2, 3 schematisch dargestellt. Die Schlaufenreaktoren 1, 2, 3 sind zylindrisch ausgebildet und weisen eine zentrische Eingangsöffnung 4 in einer Stirnwand auf. Ebenfalls zentrisch angeordnet ist jeweils eine Förderschnecke 5, die innerhalb eines durch eine zylindrische Wandung 6 begrenzten zentrischen Kanals 7 rotiert und von einem Motor M angetrieben wird. Mantelwände 8 der Schlaufenreaktoren 1, 2, 3 sind doppelwandig ausgebildet und können daher mit Kühlwasser o. ä. gekühlt werden. Das durch die Eingangs­ öffnung 4 in die Schlaufenreaktoren 1, 2, 3 eintretende Produkt wird mittels der jeweiligen Förderschnecke 5 zur gegenüber­ liegenden Stirnseite transportiert und dort in den ringförmigen Außenkanal 9 zwischen der zylindrischen Wandung 6 und der Mantelwand 8 umgelenkt und durch den Druck des nachfolgenden Produktes in Richtung auf die mit der Eingangsöffnung 4 versehene Stirnseite zurücktransportiert. Durch entsprechende Umlenkungs­ mittel gelangt der durch den ringförmigen Kanal 9 transportierte Produktstrom wieder in den zentrischen Kanal 7.

In der Zeichnung sind zwei Dosierpumpen 10, 11 mit zugehörigen Dosierventilen 12, 13 dargestellt, durch den ein Monomer und die Emulgatorlösung mit dem Initiator zusammengemischt und in die Eingangsöffnung 4 des ersten Schlaufenreaktors 1 gepumpt werden. Der erste Schlaufenreaktor 1 ist dabei im wesentlichen zur Herstellung der Emulsion vorgesehen und weist am Ende der Förder­ schnecke 5 eine Schereinrichtung 14 auf, deren Rotor 15 beidseitig von dem zugehörigen Stator 16 rotiert, so daß das Produkt beim Durchtritt durch die Schlitze der beiden Rotorwände und des Stators zweimal geschert wird. Die Schlaufenreaktoren 1, 2, 3 sind so ausgebildet, daß nur ein geringer Teil des in den Schlaufenreaktoren umgewälzten Produktstromes, im allgemeinen hinter der der Eingangsöffnung 4 abgewandten Umlenkung in eine Sammelkammer eintritt, an die eine Ausgangsöffnung mit einer Ausgangsleitung 17 angeschlossen ist.

Das aus der Produktschleife des ersten Schlaufenreaktors 1 aus­ tretende Produkt gelangt in die Eingangsöffnung 4 des zweiten Schlaufenreaktors 2 und wird dort ebenfalls in einer Schleife transportiert. Die Zeichnung läßt schematisch erkennen, daß der zweite Schlaufenreaktor 2 eine Schereinrichtung 14′ aufweist, die für eine geringere Scherbeanspruchung ausgelegt ist und beispielsweise einen Rotor 15′ mit nur einer Rotorwand aufweist.

An den zweiten Schlaufenreaktor können sich weitere Schlaufenreaktoren anschließen. In dem dargestellten Ausführungs­ beispiel ist ein dritter Schlaufenreaktor 3 vorgesehen, der keine gesonderte Schereinrichtung 14, 14′ aufweist und somit nur eine geringe Scherbeanspruchung des Produktes verursacht. In der Aus­ gangsleitung 17 des dritten Schlaufenreaktors 3 werden die fertigen Polymere herausgeführt.

Die Zeichnung läßt noch erkennen, daß in dem ersten Schlaufenreaktor 1 Temperatur T und Druck P kontrolliert werden, wobei zur Herstellung der Emulsion nur eine niedrige Temperatur eingestellt wird. Im zweiten Schlaufenreaktor 2 wird eine höhere Temperatur eingestellt, die eine Reaktionstemperatur für die Polymerisationsreaktion ist. Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, im dritten Schlaufenreaktor 3 ebenfalls eine definierte, wenn auch unterschiedliche Reaktionstemperatur einzustellen.

Die dargestellte Anordnung läßt erkennen, daß die kontinuierliche Herstellung eines Polymers über mehrere, durch die Schlaufen­ reaktoren 1, 2, 3 gebildete Stufen vorgenommen wird.

Claims (7)

1. Kontinuierlich arbeitende Polymerisationsvorrich­ tung mit einem Eingang für Monomere und ggfs. Polymeri­ sationshilfsmittel und einem Ausgang für die gebil­ deten Polymere, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisationsvorrichtung aus wenigstens zwei Schlaufenreaktoren (1, 2, 3) mit unterschiedlich ein­ gestellten Mischbedingungen besteht, in denen das umgewälzte Produkt nach einer Vielzahl von Um­ wälzungen zu einer Ausgangsöffnung (17) gelangt und daß eine Eingangsöffnung (4) eines nachfolgenden Schlaufenreaktors (2, 3) mit der Ausgangsöffnung (17) des vorhergehenden Schlaufenreaktors (1, 2) verbunden ist.

2. Polymerisationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufenreaktoren (1, 2, 3) zylindrisch ausgebildet und im wesentlichen rotationssymmetrisch mit einer zentrischen Eingangs­ öffnung (4) in einer Stirnwand aufgebaut sind.

3. Polymerisationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufenreaktoren (1, 2, 3) zentrisch angeordnete Förderschnecken (5) aufweisen und daß im Anschluß an die Förderschnecken (5) eine Umlenkung des Produkts nach außen vorgesehen ist.

4. Polymerisationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärts gelegenen Ende der Förderschnecke (5) eine Scheranordnung (14, 14′) vorgesehen ist, durch die das Produkt bei der Umlenkung hindurchtritt.

5. Polymerisationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelwände (8) der Schlaufenreaktoren (1, 2, 3) zur Aufrecht­ erhaltung einer vorbestimmten Temperatur (T) im Schlaufenreaktor (1, 2, 3) gekühlt sind.

6. Polymerisationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schlaufen­ reaktor (1) eine Scheranordnung (14) für eine hohe Scherbeanspruchung und in einem nachfolgenden Schlaufenreaktor (2, 3) eine Scheranordnung (14′) für eine geringere Scherbeanspruchung vorgesehen ist.

7. Polymerisationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Heiz-/ Kühlvorrichtung in wenigstens einem Schlaufenreaktor (2) die Reaktionstemperatur für die Polymerisation einge­ stellt ist, und daß in einem vorhergehenden Schlaufen­ reaktor (1) mit Hilfe einer Heiz-/Kühlvorrichtung eine darunterliegende Temperatur eingestellt ist.