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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Acetylcellulose Zur
Herstellung von Acetylcellulose läßt man bekanntlich Essigsäureanhydrid auf Cellulose
in Form von Baumwolle, Holzfaser, Stroh usw. einwirken. Die Ceilulose kann gegebenenfalls
zuvor, z. B. durch eine Behandlung mit Alkali oder Säure, gereinigt, gebleicht oder
hydrolysiert werden. Als Katalysator verwendet man am besten Mineralsäuren, gewisse
organische Säuren, Metallhalogenide usw. Man arbeitet gewöhnlich in Gegenwart von
einem die Acetylcellulose lösenden Verdünnungsmittel, am besten Eisessig.
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Diese acetylierenden Mischungen können auf einmal oder nach und nach
zugesetzt werden; man kann auch erst das Verdünnungsmittel und darauf die eigentlichen
Acetylierungsstoffe zusetzen. Die Temperatur kann sehr verschieden gewählt werden;
gewöhnlich fängt man bei niedriger Temperatur an und endigt in der Wärme. Während
der Behandlung müß auf alle Fälle kräftig gerührt werden.
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Bei allen diesen Verfahren, gleichgültig, welche Arbeitsweise man
wählt, ändern sich Konsistenz und Struktur der Reaktionsmasse im Laufe des Vorganges
beständig in tief eingreifender Weise. Im Anfang werden die Fasern nur oberflächlich
benetzt, nach und nach schwellen sie und bilden eine äußerst zähe Masse; noch später
lösen sich die Fasern nach und nach, und die Masse fließt etwas leichter; zum. Schlusse
hat man eine durchscheinende, mehr oder weniger dickflüssige Lösung.
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Die Schwierigkeit bei der Ausführung dieser Verfahren liegt nun darin,
eine Rührvorrichtung ausfindig zu machen, die im gewerblichen Maßstabe sowohl die
unveränderten, nur benetzten Fasern als auch die zähe Masse und schließlich die
flüssigere Lösung zu bemeistern vermag.
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Gewöhnlich verwendet man sehr kräftige Knetvorrichtungen, die die
Masse geradezu zerdrücken. Diese Vorrichtungen müssen überaus widerstandsfähig gebaut
sein, da zu Anfang die unveränderte, nur benetzte Faser stark dazu neigt, die Arme
des Rührwerkes zu sperren. Während der zweiten Phase, wenn die Masse steif geworden
ist, ist ein großer Kraftaufwand zum gehörigen Durchrühren nötig, während gegen
das Ende der Reaktion, wenn die Masse flüssig wird, die Knetvorrichtung als Rührvorrichtung
geradezu angebracht ist.
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Erfinderin hat gefunden, daß es zweckmäßiger ist, die Acetylierung
in einer Vorrichtung mit verschiedenartigen, der Konsistenz der verschiedenen Phasen
angepaßten Rührern auszuführen. Gemäß vorliegender Erfindung läßt man die Reaktionsmasse
eine Vorrichtung durchlaufen, in der sie nach und
nach die verschiedenen
für die jeweilige Konsistenz geeigneten Rührer antrifft. Man erzielt so gleichzeitig
einen fortlaufenden Acetylierungsbetrieb; die Faser und die Acetylierungsflüssigkeiten
werden am einen Ende eingebracht, und die fertige Lösung fließt <3m anderen Ende
heraus. Die faserige Masse der ersten Phase wird mit Nadeln, Haken oder Gabeln von
geringer Oberfläche bearbeitet, die di.e Fasern mitreißen, ohne sie zu kneten oder
zu quetschen. Der Rührvorgang geschieht hier ohne großen Kraftaufwand, ein Sperren
des Rührwerkes ist nicht zu befürchten. Für die Pliase der steifen Masse wählt man
kräftig gebaute Rührer, die das Kneten besorgen.
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Die Schlußphase wird mit Schaufeln oder ruderförmigen Armen bearbeitet.
Die Reaktionsmasse ändert den Zustand ihrer Konsistenz im übrigen nicht plötzlich,
sondern allmählich; das Rührwerk wird aus diesem Grunde Üb rgangsformen der Rührorgane
aufweisen.
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In der Zeichnung ist die Vorrichtung in einer Ausführungsform dargestellt.
Man kann der Acetylierungsvorrichtung beispielsweise die Form einer senkrechten
Röhre oder einer Kolonne i geben, die mit einer zentralen drehbaren Achse 2 versehen
ist. Diese Achse 2 trägt die Rührvorrichtungen 3, 4, 5, 6, 8, 9, i o, i i, 12, 13"
deren Umdrehungen in diesem Falle in horizontaler Ebene erfolgen. Die Cellulosefaser
und die Acetylierungsfiüssigkeit werden oben in die Kolonne durch das Rohr 14 eingeführt,
und die fertige Lösung wird unten durch das Rohr 15 fortlaufend abgezogen.
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Die sich drehende Achse trägt oben spitzige Arme und Haken 3, 4, 5,
6 zum Umrühren der benetzten Fasern; im. mittleren Teil der Kolonne ist die Achse
mit sehr kräftigen Armen T, 8, 9 versehen, und unten sind die Rührarme
10, 11, 12, 13 mehr oder weniger lang und haben Schaufel- oder Ruderformen.
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Die von oben nach unten fortschreitende Reaktionsmasse wird also nach
Maßgabe ihrer Konsistenzänderung von entsprechenden Rührwerken erfaßt und bearbeitet.
An denjenigen Stellen, wo die Masse Neigung haben könnte, sich einfach mit dem Rührwerk
zu drehen, anstatt durchgeführt zu werden, bringt man an der Rohrwand festsitzende
Arme oder Widerstände 16, 17,18,19,20,21, 22, 23, 24, 25, 26 an.
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Die Temperatur der die Kolonne durchschreitenden Masse ist leicht
zu regeln. Man kann z. B. heißes oder kaltes Wasser oder auch abgekühlte Salzlösung
über den Mantel der Kolonne rieseln lassen. Dieses Wasser fließt durch Berieselungsleitungen
27, 28, 29 zu und wird aufgefangen durch Rinnen 3o, 3 i, 32, aus denen es
durch Rohre 33, 34 35 abgeführt wird. Man kann die Erwärmung oder Abkühlung der
Vorrichtung auch in der Weise ausführen, daß man Flüssigkeiten von geeigneter Temperatur
'zwischen doppelten Wänden, die die Kolonne umgeben, oder in Rohren bzw. Leitungen,
die in die Wandung eingebaut sind, umgehen läßt.
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Man kann so einen bestimmten Teil der Kolonne beliebig erwärmen oder
abkühlen und für jede Phase der Reaktion die gewünschte konstante Tempexatur einhalten.
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Der Durchmesser der Kolonne braucht im übrigen nicht überall der gleiche
zu sein. Da, wo die Masse langsam fortschreiten soll, kann der Durchmesser erweitert
werden, während er dort verengt werden kann, wo die Masse rasch weitergehen soll
und wo man rasch oder auf kurze Zeit erwärmen oder abkühlen will.
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Die Kolonne kann auch, anstatt aus einem Stück zu bestehen, aus mehreren
Teilen gebaut sein, die Masse fließt dann aus einem Teil in den anderen über.
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Für gewisse Zwecke kann es nützlich erscheinen, nicht das ganze Acetylierungsgemisch
auf einmal oben einzugeben, sondern gewisse Teile des Gemisches in einer beliebigen
Höhe der Kolonne einfließen zu lassen. Um eine gute Verteilung zu erhalten, läßt
man das Gemisch durch mehrere in gleicher Höhe, gegebenenfalls in einem kreisförmig
gebogenen Rohr angebrachte öffnungen einfließen. Man kann so Acetylierungsverfahren
benutzen, bei denen erst der Eisessig und erst später das Anhydrid auf einmal oder
nach und nach in Teilmengen zugegeben wird.
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Die Vorrichtung besitzt vor allen bis jetzt bekannten große Vorteile;
sie gestattet, die Reaktion unter genau bestimmten Bedingungen, was Temperatur und
Rühren. anbetrifft, für jede besondere Phase durchzuführen.
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Man erhält so sicher und nach Wunsch Acetate von ganz bestimmten Eigenschaften
(Viskosität und Klarheit der Lösungen, Löslichkeit usw.).
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Der Umfang der Vorrichtung ist auf ein Minimum reduziert, da die Vorrichtung
während des Ganges immer gefüllt bleibt und keinerlei leere unbenutzte Räume aufweist.
Der fortlaufende Betrieb läßt jeden Zeitverlust für Fülleu und Leeren wegfallen.
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Vom rein mechanischen Gesichtspunkt aus hat die neue Anordnung den
unschätzbaren Vorteil., daß sie während des ganzen Vorganges immer genau den gleichen
Kraftaufwand beansprucht, da ja alle Phasen dieser Reaktion, die so verschiedene
Konsistenzen mit sich bringt, immer gleichzeitig vorhanden sind.
Es
ist bereits ein sogenanntes kontinuierliches Verfahren zur Darstellung organischer
Celluloseester bekannt geworden, bei dem die Esterifizierung unter Zirkulation der
organischen Esterifizierungsflüssigkeiten in geeigneten Batterien von Gefäßen vorgenommen
wird. Das flüssige Esterifizierungsgemisch wird hierbei durch die zu esterifizierende
Cellulose hindurch bewegt. Das Acetylierungsprodukt darf sich also in der Flüssigkeit
nicht auflösen.
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Demgegenüber geht das neue Verfahren von der allgemein üblichen Acetylierung
in einer das Endprodukt lösenden Flüssigkeit aus, die demgemäß, je weiter die Acetylierung
fortschreitet, an Viskosität zunimmt. Anderseits muß anfangs die ganze ungelöste
Cellulosemasse durchgerührt werden, um eine gleichmäßige Einwirkung zu erhalten.
Hieraus geht hervor, daß die verschiedenen Stadien der Reaktion gänzlich verschiedene
mechanische Behandlung erfordern. Diesem Umstand wird - bei dem neuen Verfahren
Rechnung getragen, indem verschieden gestaltete Rührorgane die verschiedenen, an
allen Stellen der Vorrichtung vorhandenen Widerstände bewältigen.
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Bei dem älteren Verfahren wird dagegen jede Cellulosemasse von Anfang
bis zu Ende in demselben Behälter, also mit demselben Rührwerk, bearbeitet; es wird
also keinerlei Rücksicht auf die je nach dem Reaktionsstadium sehr verschiedenartige
Konsistenz genommen. Ferner ist auch die Kontinuität bei dem älteren Verfahren nur
eine sehr relative. -Sobald in einem der Reaktionsbehälter der organische Celluloseester
fertig gebildet ist, muß dieser Behälter ausgeschaltet, entleert und neu beschickt
werden; auch die Temperatur jedes Gefäßes muß je nach dem Fortgang der Reaktion
anders geregelt werden.
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Dagegen wird bei dem neuen Verfahren kontinuierlich beschickt und
kontinuierlich entleert. jede Abteilung der Vorrichtung kann durchgehend auf der
gleichen Temperatur gehalten werden.