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Die Erfindung betrifft ein Rührelement
(oder Vormischelement) und eine mit dem Element ausgerüstete Mischvorrichtung,
zum Beispiel einen Reaktionsapparat. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung ein Rührelement,
das mehrere Stäbe
aufweist, und eine Mischvorrichtung, wie z. B. einen Polymerisationsapparat
mit einem solchen Element, auf das die vorliegende Erfindung nicht
ausschließlich beschränkt ist.
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Das Rührelement und die Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung sind sehr einfach konstruiert, und daraus abgeleitete
Rührwirkungen werden
durch Veränderung
eines Flüssigkeitsspiegels
innerhalb eines Behälters
nicht beeinflußt.
Ferner entstehen bei Verwendung der Mischvorrichtung zur Polymerisation
im wesentlichen keine Klumpen. Daher sind das Rührelement und die Mischvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung so vielseitig, daß sie
in großem
Umfang auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden können, beispielsweise
in verschiedenen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Polymerisationsverfahren.
Daher werden das Rührelement
und die Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung hauptsächlich
in Bezug auf ein Rührelement
und eine Mischvorrichtung erläutert,
die für
Polymerisationsverfahren eingesetzt werden können, aber es versteht sich,
daß die
vorliegende Erfindung nicht ausschließlich auf jene beschränkt ist,
die für
solche Verfahren eingesetzt werden.
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Bislang sind verschiedene Polymerisationsapparate
entwickelt worden, und insbesondere sind verschiedene in solchen
Apparaten eingesetzte Rührelemente
verbessert worden. Das Rührelement wird
im allgemeinen in die folgenden beiden Typen eingeteilt: einer ist
ein Radialströmungstyp,
wie z. B. ein Paddelrührer
und ein Turbinenrührer;
und der andere ist ein Axialströmungstyp,
wie z. B. ein Propellerrührer
(siehe z. B. "Kakuhan-Souchi
no Sekkei to Sousa (Konstruktion und Wirkungs weise von Rührvorrichtungen)", Bessatsu-Kagaku-Kogyo,
Kagaku-Kogyo-sha,
Bd. 14, Nr. 7, S. 4–11
(1970)).
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Wenn das Radialströmungs-Rührelement
in einem Mischbehälter
verwendet wird, entsteht eine starke Flüssigkeitsströmung in
Drehrichtung des Elements infolge eines Zentrifugal-Effekts durch die
Rotation des Rührelements.
Die starke Strömung
führt zu
einem horizontalen Wirbel, der den Flüssigkeitsspiegel in dem Gefäß absenkt
und Luft ins Innere der Flüssigkeit
mitreißt.
Da der Kernbereich des Wirbels in Form einer Säule rotiert, ist ein Mischungseffekt
in diesem Abschnitt nicht ausreichend. Um den Effekt zu verbessern,
werden Prallplatten im Mischbehälter angebracht.
Die Prallplatten beschleunigen das Mischen in Axialrichtung des
Elements und verbessern den Mischungseffekt, der mit dem Anstieg
des Energieverbrauchs durch das Element einhergeht. Die Prallplatten
sind jedoch für
Flüssigkeit
mit niedriger Viskosität
wirksam, und sie werfen ein anderes Problem auf, daß hinter
den Prallplatten stagnierende Abschnitte entstehen, wenn diese für eine hochviskose
Flüssigkeit
eingesetzt werden. Daher sind die Prallplatten nicht unbedingt wirksam.
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Wenn andererseits das Rührelement
mit Axialströmung
in einem Mischbehälter
verwendet wird, besteht die Neigung zur Bildung einer starken Flüssigkeitsströmung in
Richtung der rotierenden Welle des Elements. Besonders bei Verwendung
der Prallplatten fällt
eine solche Neigung auf, so daß die
Flüssigkeit
im Behälter
als deutlich umlaufende Strömung fließt. Im Vergleich
zu dem Rührelement
mit Radialströmung
fluidisiert das Rührelement
mit Axialströmung
die Flüssigkeit
in einem viel breiteren Bereich im Behälter, was zu der Möglichkeit
führt,
daß ein
relativ kleineres Rührelement
in einem Behälter
mit großem
Volumen verwendet werden kann. Ein solches Rührelement bietet diese Möglichkeit
jedoch effektiv nur für
eine Flüssigkeit
mit niedriger Viskosität.
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Das oben beschriebene Rührelement
wird im allgemeinen an einer rotierenden Welle in einer bestimmten
Position im Behälter
und daher bezüglich einer
vertikalen Position befestigt. Dies bedeutet, daß die Position des Rührelements
bezüg lich
des Oberflächenniveaus
der Flüssigkeit
im Behälter
den Mischungseffekt in hohem Maße
beeinflußt.
Wenn daher ein solches Rührelement
für ein
Polymerisationsverfahren verwendet wird, dann sind zum Beispiel
Eigenschaften des polymerisierten Produkts stark von der Position
des Elements abhängig.
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Ferner erfordert das obige Rührelement Prallplatten,
um den Mischungseffekt zu fördern. Wenn
der Mischbehälter
mit Prallplatten ausgestattet wird, verbessert sich der Mischungseffekt,
aber hinter den Prallplatten entstehen stagnierende Abschnitte. Wenn
zum Beispiel ein Polymerisationsverfahren unter Verwendung des Rührelements
zusammen mit den Prallplatten über
einen langen Zeitraum fortgesetzt wird, entstehen wahrscheinlich
Polymerklumpen und wachsen in den stagnierenden Abschnitten, und
derartige Klumpen können
den Polymerisationsvorgang unterbrechen.
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Zum Mischen einer hochviskosen Flüssigkeit wird
ein Schneckenrührer
oder ein Wendelrührer
eingesetzt. Beispielsweise offenbart die japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 14853/1986 einen an einem Ende fliegend angeordneten
Spiralrührer; die
japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 34444/1989 offenbart einen Rührer, der mehrere Doppelspiralblätter auf
einer rotierenden Welle aufweist; und die japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 51962/1983 verwendet an einer rotierenden Welle befestigte
Rührschaufeln
mit Abstreifern. Die japanische Patentveröffentlichung (Kokoku) Nr. 55269/1994)
offenbart einen Rührer
mit einem Paar ineinandergreifender Schnecken. Diese Rührelemente
sind jedoch sehr kompliziert aufgebaut und erfordern im allgemeinen
eine große
Leistung zum Rühren,
und ihre Anwendungen sind durch die Viskosität der Flüssigkeit begrenzt, auf die
sie angewandt werden.
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Eine Strömung, die durch jedes der Rührelemente
gemäß der obigen
Beschreibung erzeugt wird, ist hauptsächlich eine vertikal (d. h.
in Richtung einer rotierenden Welle) umlaufende Strömung. Wenn
ein solches Rührelement
in einem Mischbehälter
bei diskontinuierlicher Betriebsweise eingesetzt wird, hat jeder
Flüssigkeitsabschnitt
in dem Behälter
im wesentlichen die gleiche Verweildauer. Wenn jedoch ein solches
Rührelement
bei kontinuierlicher Betriebsweise (d. h. bei kontinuierlicher Zufuhr
und kontinuierlicher Entnahme aus dem Behälter) eingesetzt wird, haben verschiedene
Flüssigkeitsabschnitte
unterschiedliche Verweildauern (d. h. es besteht eine breite Verteilung
der Verweildauer). Wenn zum Beispiel eine Reaktion kontinuierlich
unter Verwendung des Rührelements
ausgeführt
wird, weisen verschiedene Flüssigkeitsabschnitte
aus mikroskopischer Sicht unterschiedliche Reaktionsumsätze auf.
Im Falle des Polymerisationsvorgangs unter Verwendung eines solchen
Rührelements
werden durch den kontinuierlichen Vorgang Polymerprodukte mit verschiedenen Polymerisationsgraden
erzeugt.
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Die japanische Patentveröffentlichung
(Kokoku) Nr. 3841/1983 offenbart einen Polymerisationsapparat, der
als sogenannter Apparat vom Kolbenströmungstyp vorgesehen ist, in
dem hochviskose Flüssigkeit
ohne Entstehung von stagnierenden Abschnitten eingesetzt wird. In
dem Apparat ist eine Mittelachse eines Behälters exzentrisch zu einer
rotierenden Welle für
ein Rührelement
angeordnet, und es sind poröse
Platten und Flügel
vorgesehen, wobei letztere als Abstreifer wirken, die an den Behälterwänden anhaftende
Polymere entfernen.
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Obwohl zu erwarten ist, daß der gerade
beschriebene Polymerisationsapparat einigermaßen seine eigenen Zwecke erfüllt (d.
h. die Bereitstellung des Apparats vom Kolbenströmungstyp), hat der Apparat
immer noch eine komplizierte Struktur, so daß die Anwendung des Apparats
im großtechnischen Maßstab sehr
schwierig ist.
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DE-83 24 853.6 U1 offenbart einen
zylinderförmigen
Mischer, in dem ein Mischelement mit zwei Stäben und einem Verbindungsglied
zwischen den Stäben
in Drehung versetzt wird.
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JP-A-55-52301 offenbart einen Massepolymerisationsreaktor,
in dem man eine Welle des Rührers
rotieren läßt, die
Flügelblätter trägt, die
an der Innenwand des Behälters
anhaftende Polymere abstreifen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Rührelement
und eine Mischvorrichtung (wie z. B. einen Po lymerisationsapparat)
bereitzustellen, die in diskontinuierlicher oder kontinuierlicher
Betriebsweise eingesetzt werden und einfach strukturiert sind, und
die weniger Klumpen, vorzugsweise im wesentlichen keine Klumpen
bilden, und die auf Flüssigkeit
mit einer Viskosität
innerhalb eines breiten Bereichs angewandt werden. Diese Aufgabe wird
durch ein Rührelement
und eine Mischvorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Die Erfinder haben festgestellt,
daß die
folgenden Lösungen
sehr wirksam sind.
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Nach einem ersten Aspekt betrifft
die vorliegende Erfindung ein Rührelement,
das mindestens zwei Stäbe
und mindestens ein Verbindungsglied aufweist, welches die Stäbe miteinander
verbindet, um das Rührelement
so zu formen, daß die
geometrischen Orte der Stäbe
nicht miteinander übereinstimmen,
wenn die Stäbe
um eine Achse des im wesentlichen zylinderförmigen Mischbehälters gedreht werden.
Die geometrischen Orte sind die Bahnen, auf denen sich die Stäbe bei ihrer
Drehung bewegen.
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Mit anderen Worten, die vorliegende
Erfindung betrifft ein Rührelement
mit mindestens zwei Stäben
und mindestens einem Verbindungsglied, das die Stäbe in einer
Richtung quer zu den Stäben und
vorzugsweise senkrecht zueinander verbindet, wobei mindestens eines
der Verbindungsglieder eine Verbindungsvorrichtung (wie z. B. eine
Kupplung) aufweist und über
die Verbindungsvorrichtung an einer rotierenden Welle zu befestigen
ist, die einer Achse eines im wesentlichen zylinderförmigen Mischbehälters entspricht,
wobei die Befestigung so ausgeführt
wird, daß die
Vorrichtung und die Achse in Flucht miteinander sind, wodurch die
geometrischen Orte der Stäbe
nicht miteinander identisch sind, wenn die Welle und damit die Stäbe um die
Achse des Mischbehälters
gedreht werden. Eine solche Befestigung bedeutet, daß das Rührelement
asymmetrisch zur rotierenden Welle des Mischbehälters ist.
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Nach einem zweiten Aspekt stellt
die vorliegende Erfindung eine Mischvorrichtung bereit, die einen
im wesentlichen zylinderförmigen
Mischbehälter und
das unter dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebene
Rührelement
aufweist, wobei in der Vorrichtung das Rührelement durch die Verbindungsvorrichtung
so an dem Mischbehälter montiert
ist, daß die
geometrischen Orte der Stäbe nicht
miteinander übereinstimmen,
wenn die Welle um die Achse des Mischbehälters gedreht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße Rührelement
zwei Stäbe
auf, die im wesentlichen parallel zur Achse des Mischbehälters und
an irgend zwei einander gegenüberliegenden
Positionen, vorzugsweise nahe oder an ihren beiden Enden, durch
zwei Verbindungsglieder miteinander verbunden sind.
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1 zeigt
schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,
die teilweise geschnitten dargestellt ist, so daß ein in einem Behälter angebrachtes
erfindungsgemäßes Rührelement sichtbar
ist;
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2 zeigt
schematisch eine Vorderansicht der Mischvorrichtung, die mit dem
in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Rührelement
ausgestattet ist, wobei der Behälter
im Schnitt dargestellt ist, so daß das Rührelement sichtbar ist;
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3 zeigt
schematisch eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Mischvorrichtung entlang einer
Linie A-A' in 2;
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4 zeigt
schematisch eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform
der mit einem erfindungsgemäßen Rührelement
ausgestatteten Mischvorrichtung, in der ein Behälter ähnlich wie in 2 im Schnitt dargestellt ist; und
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5 zeigt
schematisch eine Vorderansicht einer herkömmlichen Mischvorrichtung,
die als später
zu beschreibendes Vergleichsbeispiel benutzt wurde.
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Eines der Merkmale der vorliegenden
Erfindung liegt in der Verwendung von mindestens zwei Stäben. Der
Stab unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, vorausgesetzt, daß er eine
Länge (oder
Höhe) und
eine Breite (oder Dicke) aufweist, d. h. daß der Stab mindestens im wesentlichen
zweidimensional ist und daher Flüssigkeit
bewegen kann, wenn er sich in einer bestimmten Richtung durch die Flüssigkeit
bewegt. Der Stab kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Länge aufweisen,
die größer als
ein Durchmesser eines Mischbehälters
ist. Der oben beschriebene Stab kann irgendeine Form aufweisen,
vorzugsweise die Form einer Säule
oder eines Prismas, und stärker
bevorzugt die Form einer rechtwinkligen Säule oder eines rechtwinkligen
Prismas. Der Stab kann im Querschnitt senkrecht zu seiner Achse
eine beliebige Form aufweisen. Zum Beispiel kann der Querschnitt
ein Kreis, ein Oval, ein Vieleck wie z. B. ein Dreieck, ein Rechteck
und ein Sechseck usw. sein. Der Stab kann hohl oder massiv sein.
Wenn der Stab die Form einer Rundsäule hat, kann sein Durchmesser
vorzugsweise im Bereich zwischen 15% und 20%, stärker bevorzugt im Bereich zwischen
17% und 18% eines Innendurchmessers des Behälters liegen, auf den das Rührelement angewandt
wird. Wenn der Stab keinen runden Querschnitt aufweist, kann anstelle
des Durchmessers ein äquivalenter
Durchmesser benutzt werden. Der Stab kann ein Verhältnis seines
Durchmessers zu seiner Länge
vorzugsweise im Bereich zwischen 1/5 und 1/20 und stärker bevorzugt
im Bereich zwischen 1/9 und 1/18 aufweisen. Der Stab kann aus einem
beliebigen Material bestehen, vorausgesetzt, daß es eine ausreichende Festigkeit
zum wirksamen Mischen und eine ausreichende Beständigkeit gegen die zu mischende
Flüssigkeit
aufweist. Der Stab kann zum Beispiel aus einem Metall bestehen.
Jeder Stab hat gewöhnlich
die gleiche Länge.
Die Anzahl der Stäbe ist
gewöhnlich
zwei, kann aber wahlweise drei oder mehr betragen. Wenn mehr als
zwei Stäbe
verwendet werden, werden sie so miteinander verbunden, daß die Stabenden
in einer Linie liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Stäbe durch zwei
Verbindungsglieder parallel so miteinander verbunden, daß die Stabenden
an jedem der Verbindungsglieder bündig sind.
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Die Stäbe werden mit dem mindestens
einen Verbindungsglied senkrecht zueinander verbunden. Das Verbindungsglied
unterliegt keiner besonderen Einschränkung, und die obigen Merkmale
bezüglich des
Stabes sind allgemein gültig,
solange keine schädliche
Auswirkung auftritt. Die Position, in der das Verbindungsglied die
Stäbe miteinander
verbindet, unterliegt keiner Einschränkung. Im Prinzip sollten das
eine bzw. die mehreren Verbindungsglieder die Stäbe so verbinden, daß jede Ver bindung
zwischen ihnen eine optimale Festigkeit aufweist. Wenn beispielsweise
nur ein Verbindungsglied verwendet wird, verbindet es die Stäbe vorzugsweise
an ihren Mittelpunkten. Wenn, wie in den meisten Fällen üblich, zwei
Verbindungsglieder verwendet werden, dann werden die Stäbe vorzugsweise
an ihren beiden entgegengesetzten Enden (nämlich an den oberen und unteren
Enden der Stäbe)
durch die Verbindungsglieder verbunden. Bei diesem Rührelement werden
die Stäbe
vorzugsweise auch durch beide Enden jedes Verbindungsglieds miteinander
verbunden. Die Anzahl der Verbindungsglieder kann eins sein, ist
aber gewöhnlich
zwei, um sicherzustellen, daß in
dem Rührelement
keine besonders schwachen Abschnitte entstehen. Wenn die Anzahl
der Verbindungsglieder mehr als zwei beträgt, verbinden zwei von den
Gliedern die Stäbe
an ihren beiden Enden, und zwischen den beiden Gliedern verbinden die übrigen Glieder
die Stäbe
so, daß alle
Verbindungsglieder die Stäbe
in mehrere Stababschnitte von jeweils gleicher Länge unterteilen. Besonders wenn
die Stäbe
relativ lang sind, kann die Anzahl der Verbindungsglieder drei oder
vier oder mehr betragen. Mindestens eins der Verbindungsglieder
weist die Verbindungsvorrichtung auf, die ermöglicht, daß das Rührelement asymmetrisch zur
Achse des Mischbehälters
ist. Wenn ein einziges Verbindungsglied verwendet wird, das Stäbe an seinen
beiden Enden verbindet, ist die Verbindungsvorrichtung so angeordnet,
daß die
Vorrichtung vom Mittelpunkt des Glieds abweicht. Wenn mehr als ein
Verbindungsglied verwendet werden, welche die Stäbe an ihren beiden Enden verbinden,
dann weist mindestens eines der Glieder (gewöhnlich das oberste Glied) die abweichend
von seinem Mittelpunkt angeordnete Verbindungsvorrichtung auf.
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Folglich besteht das erfindungsgemäße Rührelement
aus mindestens zwei voneinander beabstandeten Stäben und mindestens einem Verbindungsglied,
das die Stäbe
in einer Richtung quer zu den Stäben
und vorzugsweise senkrecht zueinander verbindet, und mindestens
eines der Verbindungsglieder ist so konstruiert, daß es die
Verbindungsvorrichtung aufweist, die es ermöglicht, das Rührelement
so an der in der Mitte des runden Querschnitts des Mischbehälters rotierenden
Welle zu be festigen, daß die
von den Stäben
erzeugten geometrischen Orte nicht miteinander übereinstimmen.
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Mindestens einer der Stäbe kann
nicht parallel zur Achse des Mischbehälters sein, vorausgesetzt,
daß solche
nicht parallelen Stäbe
die Drehung des Rührelements
nicht unterbrechen. Jedoch ist zumindest der äußerste Stab (d. h. der Stab,
der von der Achse des Mischbehälters
aus am weitesten außen
angeordnet ist, oder der Stab, der so rotiert, daß er den
größten zylinderförmigen geometrischen
Ort erzeugt) vorzugsweise parallel zur Achse angeordnet, so daß beispielsweise
im Fall der Polymerisation der Stab verhindern kann, daß irgendein
Polymerprodukt an Wänden
des Behälters
anhaftet, oder als Abstreifer funktionieren kann, der gegebenenfalls
ein an Wänden
des Behälters
anhaftendes Polymerprodukt abstreift, wenn ein durch den Abstand
zwischen der Innenseite der Behälterwand
und einer äußeren Stabseite
definierter Zwischenraum hinreichend klein ist. Mit anderen Worten,
die erfindungsgemäße Mischvorrichtung
kann einen Selbstreinigungsmechanismus aufweisen.
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Eine Breite des oben definierten
Zwischenraums ist vom jeweils zu vermischenden System abhängig, liegt
aber vorzugsweise im Bereich von 0,1% bis 0,5%, stärker bevorzugt
im Bereich von 0,2% bis 0,4% eines Innendurchmessers des Mischbehälters. Je
kleiner der Zwischenraum, desto besser ist der Selbstreinigungseffekt
(d. h. die Verhinderung des Anhaftens einer Polymermasse und/oder
des Verklumpens einer Polymermasse). Der kleinere Zwischenraum führt jedoch
zum Anstieg einer Scherbeanspruchung in dem Zwischenraum, wodurch
sich der Energieverbrauch durch das Rührelement erhöht. Umgekehrt
nimmt bei größerem Zwischenraum der
Energieverbrauch ab, und der Selbstreinigungseffekt vermindert sich.
Die gerade gegebenen Erläuterungen
zum Zwischenraum gelten auch für
einen Zwischenraum zwischen dem Verbindungsglied und der inneren
Bodenfläche
des Behälters,
wenn das Verbindungsglied an den unteren Enden der Stäbe angeordnet
und die Bodenfläche
des Behälters
flach ist.
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Damit in einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung die geometrischen Orte der Stäbe bei der
Dre hung des Rührelements
um die Achse des Behälters
nicht miteinander übereinstimmen,
d. h. in ihren Formen, Größen und
Positionen nicht identisch sind, wird das Rührelement so an dem Behälter montiert,
daß die
Mittelachse zwischen den beiden Seitenstäben gegen die Achse des Behälters versetzt
ist (oder davon abweicht), und das Element wird an einer der Behälterachse
entsprechenden Welle befestigt, die durch einen Antriebsmechanismus
gedreht wird, der beispielsweise einen Motor aufweist. Bei der Erläuterung
bezüglich
eines Rührelements
mit zwei Stäben,
wie schematisch in 2 dargestellt,
ist ein Abstand [a] zwischen der Mitte des Behälters und der Mitte des äußersten
Stabes ungleich einem Abstand [b] zwischen der Behältermitte und
der Mitte des innersten Stabes.
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Um in ausreichendem Maße die Wirkungen der
vorliegenden Erfindung zu erzielen, liegt ein Abstand (a – b)/2,
welcher der halben Differenz zwischen dem innersten und dem äußersten
Abstand der mindestens zwei Stäbe
von der Achse des Mischbehälters
in einem zur Achse des Mischbehälters senkrechten
Querschnitt entspricht, im Bereich zwischen 6% und 12%, und vorzugsweise
im Bereich zwischen 8% und 10% des Innendurchmessers des Behälters, wodurch
die Mitte des Rührelements
effektiv von der Achse des Behälters
abweicht. Bei einer Kombination dieser Abweichung mit dem Außendurchmesser
des Stabes im Bereich zwischen 15 und 20% des Innendurchmessers
des Behälters
betragen die Flächen
der geometrischen Orte senkrecht zur Behälterachse, die durch die rotierenden Stäbe erzeugt
werden, insgesamt mehr als etwa 90% der Querschnittsfläche des
Behälters
senkrecht zur Achse, so daß ausreichende
Mischungswirkungen der Flüssigkeit
sichergestellt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Mischvorrichtung ferner einen Deckel auf, der auf einer
Oberkante des Mischbehälters
angeordnet ist, wobei der Deckel eine Düse aufweist, wie z. B. eine Düse, durch
die der aus der Flüssigkeit
im Behälter entweichende
Dampf in einen Kondensatorkühler eintritt,
eine Düse,
die bei anomaler Reaktion einen Polymerisationsinhibitor zuführt, und
so weiter. Damit beim Anhalten des Rührelements wegen eines bestimmten
Notfalls ein oberer Abschnitt des erfindungsgemäßen Rührelements die Funktion einer
solchen Düse
nicht stört
(beispielsweise um ein Verschließen der Düse durch den oberen Abschnitt
des Elements zu vermeiden), ist der obere Abschnitt des Rührelements
vorzugsweise 100 mm bis 1000 mm, stärker bevorzugt 300 bis 600
mm unterhalb der Oberkante des Mischbehälters angeordnet.
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Die Mischvorrichtung setzt sich im
wesentlichen aus dem Mischbehälter
und dem Rührelement zusammen,
und ein Verhältnis
(H/D) der Höhe
[H] des Behälters
(d. h. einer Länge
von der Unter- zur Oberkante des Behälters) zum Innendurchmesser [D]
des Behälters
kann praktisch 0,5 ≤ H/D ≤ 5,0 und vorzugsweise
1,0 ≤ H/D ≤ 3,5 sein.
Die Vorrichtung kann mit einem Verhältnis [L/D] einer Flüssigkeitshöhe [L] des
Behälters
(d. h. einer Länge
vom Boden des Behälters
bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche, wenn
eine Einsatzmenge der Flüssigkeit
in den Behälter
eingefüllt
wird) zum Innendurchmesser [D] des Behälters praktisch innerhalb 0,2 ≤ L/D ≤ 4,0 und vorzugsweise
innerhalb 0,5 ≤ L/D ≤ 2,0 betrieben
werden. Gewöhnlich
weist der Mischbehälter
eine äußere Ummantelung
auf, so daß Flüssigkeit
darin durch irgendein geeignetes Heiz- oder Kühlmittel erwärmt oder
abgekühlt
werden kann. Zur Sicherheit oder für die Zufuhr eines Polymerisationsinhibitors
kann auf der Mischvorrichtung wahlweise eine Berstscheibe angebracht
werden. Um die Bildung von Klumpen zu unterdrücken, die durch Monomerreaktion
in einem Bereich über
der Oberseite des Verbindungsglieds entsteht, ist in einer Höhe von vorzugsweise
10 bis 50 mm, stärker
bevorzugt von 20 bis 30 mm unter der Oberseite des Rührelements
eine Einlaßöffnung des Behälters für Flüssigkeit
vorgesehen, wie z. B. für eine
Monomerlösung.
Eine Auslaßöffnung aus
dem Behälter
für Flüssigkeit,
wie z. B. für
eine Lösung,
die das Polymerisationsprodukt enthält, ist gewöhnlich an der Bodenwand des
Behälters
vorgesehen. Um die Auslaßöffnung so
lange wie möglich
freizuhalten, ist die Auslaßöffnung so
weit außen
wie möglich
von der Behältermitte
vorgesehen. Um die Bildung eines unzureichend vermischten Flüssigkeitsabschnitts
im Behälter
zu verhindern, kann der Behälter
mit einem Verhältnis
[L/1] der Flüssigkeitshöhe [L] im
Behälter zu
einer Stablänge
[1] (einschließlich
der Dicke(n) des bzw. der Verbindungsglie der) vorzugsweise im Bereich
zwischen 0,10 und 0,95, stärker
bevorzugt zwischen 0,70 und 0,90 betrieben werden. Ein Verhältnis [1/H]
der Stablänge
[1] zur Höhe
[H] des Behälters
kann vorzugsweise im Bereich zwischen 0,70 und 0,95, stärker bevorzugt
im Bereich zwischen 0,80 und 0,90 liegen.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung ist allgemein
für jede
viskose Flüssigkeit
(einschließlich einer
hochviskosen Flüssigkeit)
verwendbar und besonders effektiv beim Vermischen einer Monomerlösung für eine Polymerisationsreaktion
und folglich für die
Lösungspolymerisation.
Grundsätzlich
kann in der vorliegenden Vorrichtung jedes Monomer eingesetzt werden.
Beispiele eines geeigneten Monomers, das unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
effektiv polymerisiert wird, sind unter anderem Vinylester, wie
z. B. Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinylbutyrat, Vinylversatat und
Vinylpivalat. Das Lösungsmittel,
welches das Monomer zur Herstellung der Monomerlösung löst, unterliegt keiner besonderen
Einschränkung.
Das Lösungsmittel enthält beispielsweise
Alkohole (wie z. B. Methanol, Ethanol und Propanol), Ester (wie
z. B. Ethylacetat und Methylacetat), organische Säuren (wie
z. B. Essigsäure),
Aceton, Benzol und Toluol. Die Viskosität der zu mischenden Flüssigkeit,
wie z. B. der Monomerlösung,
unterliegt keiner besonderen Einschränkung, aber die Flüssigkeit
weist vorzugsweise eine Viskosität
praktisch im Bereich zwischen 50 und 5000 Poise, stärker bevorzugt
zwischen 100 und 3000 Poise auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße Rührelement
auf jeder Höhe entlang
einer Achsenrichtung des Behälters
mit Ausnahme des Verbindungsglieds bzw. der Verbindungsglieder im
wesentlichen den gleichen horizontalen Querschnitt auf (siehe 3, in der das Verbindungsglied
und die Verbindungsvorrichtung durch gestrichelte Linien dargestellt
sind). Dies bedeutet, daß die
Mischungseffekte ungeachtet der Höhe der Flüssigkeitsabschnitte im Behälter im
wesentlichen die gleichen sind, wodurch jeder beliebige Durchsatz und/oder
jede beliebige Verarbeitungszeit, wie z. B. eine Reaktionszeit,
ausgewählt
werden können
und dabei die gleichen Mischungseffekte aufrechterhalten werden.
Da außerdem
die Mi schungseffekte auch bei niedrigem Flüssigkeitsspiegel konstant sind, zum
Beispiel bei Betriebsbeginn, wird der gleiche Mischungszustand erzielt,
bis ein Flüssigkeitsspiegel auf
einen vorher festgesetzten Flüssigkeitsspiegel angestiegen
ist, wodurch innerhalb einer kürzeren Zeit
ein stationärer
Betriebszustand erreicht werden kann.
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Da die erfindungsgemäße Mischvorrichtung keine
Prallplatte verwendet, bildet sich in dem Behälter im wesentlichen kein stagnierender
Abschnitt aus, so daß im
wesentlichen keine Klumpen entstehen. Wenn ferner der Zwischenraum
zwischen der Behälterwand
und dem äußersten
Stab so klein ist, daß der Selbstreinigungseffekt
verfügbar
ist, dann ist die Entstehung von Klumpen viel schwieriger.
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In der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung werden
die Mischungseffekte durch die Drehung der Stäbe erzeugt, durch die wiederum
eine rotierende Flüssigkeitsströmung entlang
einer im wesentlichen horizontalen Richtung entsteht, wodurch keine
so starke, vorzugsweise im wesentlichen keine vertikale Strömung entsteht
oder zumindest eine geringere Vermischung in vertikaler Richtung
auftritt. Daher ist der Energieverbrauch niedrig. Wenn Flüssigkeit
kontinuierlich dem Behälter
zugeführt
und daraus entnommen wird, fließt
die Flüssigkeit
im wesentlichen in einer sogenannten "Kolbenströmung" im Behälter. Dies bedeutet, daß die Verteilung
der Verweildauer der Flüssigkeit
im Behälter
sehr scharf (oder eng) ist, so daß man im Falle eines Reaktionsvorgangs
ein umgesetztes Produkt mit weitgehend einheitlichen Eigenschaften
erhält.
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Da die erfindungsgemäße Mischvorrichtung, wie
oben beschrieben, verschiedene vorteilhafte Merkmale aufweist, läßt sich
die maßstäbliche Vergrößerung der
Vorrichtung auf der Basis des Ähnlichkeitsprinzips
leicht ausführen.
Ferner sind die Mischungseffekte unabhängig vom Flüssigkeitsstand im Behälter, so
daß der
Mischvorgang bei jeder gewählten
Flüssigkeitstiefe
ausgeführt
werden kann. Daher ist die Mischvorrichtung nicht nur für den diskontinuierlichen,
sondern auch für
den kontinuierlichen Betrieb beispielsweise bei der Polymerisation sehr
gut verwendbar. Außerdem
wird die vorliegende Mischvorrichtung über einen langen Zeitraum sehr stabil
ohne Klumpenbildung betrieben, was vom industriellen Gesichtspunkt
aus wichtig ist. Insbesondere gewährleistet die vorliegende Mischvorrichtung wirtschaftlich
eine stabile Polymerisation.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand
von Beispielen unterer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Mischvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung, und 2 zeigt eine
Vorderansicht zu 1.
Wie aus 2 erkennbar,
weist die Mischvorrichtung 10 ein Rührelement 12 und einen
Mischbehälter 14 in
Form eines Zylinders auf. Das Rührelement 12 weist
zwei zueinander parallele Stäbe 16 und 17 auf,
die an ihren beiden oberen Enden und unteren Enden durch beide Enden von
Verbindungsgliedern 18 und 19 senkrecht zueinander
verbunden sind. Die Verbindungsglieder 18 und 19 verbinden
an ihren beiden Enden die Stäbe 16 und 17,
aber die Verbindungsglieder 18 und 19 können sich
ein wenig über
die oberen und unteren Enden des Stabes 16 hinaus erstrecken,
wie aus den 1 und 2 ersichtlich, da die Verlängerungen
des innersten Stabes den Selbstreinigungseffekt nicht beeinträchtigen.
Der Behälter 14 weist
eine rotierende Welle 20 auf, die durch die Mitte seines
Deckel 22 hindurchgeht und mit einem Antriebsmechanismus (nicht
dargestellt) verbunden werden kann, der die Welle 20 wie
eine Achse 42 des Behälters 14 dreht. Die
Welle 20 ist durch eine Verbindungsvorrichtung 28 mit
dem oberen Verbindungsglied 18 verbunden. Auf diese Weise
ist das obere Verbindungsglied 18 exzentrisch zum Mittelpunkt
des Glieds 18 mit der Welle 20 verbunden, wie
aus 1 oder 2 erkennbar. Das untere Verbindungsglied 19 ist
durch eine der Welle 20 gegenüberliegende Verbindungsvorrichtung 26 frei
drehbar mit der Bodenwand 24 in deren Mittelpunkt verbunden.
Die Verbindungsvorrichtung 26 ist nicht unbedingt erforderlich,
wenn die obere Vorrichtung zur Unterstützung des Rührelements ausreicht. Durch
diese oben beschriebenen Verbindungen werden bei einer Drehung der
Welle 20 die Stäbe 16 und 17 jeweils
so um die Welle 20 und damit um eine Achse 42 des Behälters gedreht,
daß der Stab 17 einen
größeren zylinderförmigen geometrischen
Ort 44 erzeugt und der Stab 16 in dem kleineren
geometrischen Ort 46 eine kleinere zylinderförmige geometrischen
Ortsfläche
erzeugt, wie in 3 dargestellt,
das heißt,
daß diese
beiden geometrischen Orte nicht miteinander übereinstimmen. Zu beachten
ist, daß die
Stäbe 16 und 17 parallel
zur Achse 42 des Behälters 14 sind,
so daß ein
Zwischenraum 34 (wegen seiner geringen Größe als Linie
dargestellt) zwischen der Innenseite des Behälters und der Außenseite
des Stabes 17 in Längsrichtung
des Stabes 17 im wesentlichen konstant gehalten wird. Der
Mischbehälter 14 kann
ferner eine Düse 48 aufweisen,
durch die zum Beispiel Dampf aus der Flüssigkeit im Behälter zu
einem (nicht dargestellten) Kondensator austritt oder ein Polymerisationsinhibitor
in die Flüssigkeit
eingeleitet wird.
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3 zeigt
eine Schnittansicht der Mischvorrichtung gemäß 1 oder 2.
Zum leichten Verständnis
sind durch gestrichelte Linien zwei geometrische Orte 44 und 46 dargestellt,
die durch die Mittellinien der rotierenden Stäbe 16 bzw. 17 erzeugt werden.
Natürlich
sind die durch die Stäbe
erzeugten geometrischen Orte Ringe mit kreisförmigen Querschnitt.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.
Diese Ausführungsform
ist derjenigen von 2 ähnlich, außer daß die Anzahl
der Stäbe
drei beträgt,
d. h. das Rührelement
weist einen zusätzlichen
Stab 16' zwischen
dem innersten Stab 16 und dem äußersten Stab 17 auf.
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Nachstehend wird die Verwendung der
erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
am Beispiel eines Polymerisationsverfahrens beschrieben.
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Zunächst wird die Luft im Inneren
der Mischvorrichtung 10 durch Stickstoff ausgetauscht,
eine Monomerlösung,
die im wesentlichen aus einem zu polymerisierenden Monomer und einer
vorgegebenen Menge Lösungsmittel
besteht, wird durch einen Einlaß 30 in
den Mischbehälter 14 bis
zu einem vorgegebenen Füllstand
eingefüllt,
und dann wird die Lösung
unter Rühren auf
eine vorgegebene Temperatur erwärmt,
während
die Bedingungen (besonders die Viskosität) der Lösung beobachtet werden. Das Erwärmen kann
mit einem den Behälter
umgebenden Mantel 36 unter Verwendung von Dampf oder Heißwasser
ausgeführt
werden, der (das) durch eine Einlaßöffnung 40 zugeführt und
durch eine Auslaßöffnung 38 abgeleitet
wird. Die Drehzahl des Rührelements
ist von den Bedingungen (besonders der Viskosität) der Lösung abhängig. Einerseits ist bei zu niedriger
Drehzahl die Durchmischung der Lösung nicht
ausreichend. Andererseits steigt bei zu hoher Drehzahl der Energieverbrauch
für das
Mischen schnell an. Die Drehzahl liegt gewöhnlich im Bereich zwischen
2 und 20 U/min, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 15 U/min.
Bei kontinuierlicher Ausführung
des Polymerisationsvorgangs wird die Monomerlösung kontinuierlich nachgefüllt, und
gleichzeitig beginnt die Entnahme der Lösung, nachdem in der Lösung im
Behälter
ein vorgegebener Polymerisationsgrad erreicht worden ist. Die Lösung wird
durch einen Auslaß 32 beispielsweise
mit Hilfe einer Zahnradpumpe (nicht dargestellt) abgesaugt. Wenn
notwendig, kann für
das Absaugen ein Durchflußmesser verwendet
werden, wie z. B. ein Ovalradzähler.
Der Flüssigkeitsspiegel
im Behälter
kann durch Regulieren einer Absaugmenge gesteuert werden. Zumindest
ein Teil der entnommenen Lösung
kann in den Behälter
zurückgeführt werden,
um den Flüssigkeitsspiegel
im Behälter
konstant zu halten. Um die Polymerisation absichtlich anzuhalten,
kann an der Mischvorrichtung eine Einrichtung zum Eintragen eines
Polymerisationsinhibitors in die Flüssigkeit vorgesehen werden.
Für den
Notfall kann außerdem eine
Sicherheitseinrichtung, wie z. B. eine Berstscheibe, vorgesehen
werden.
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Das Rührelement oder die Mischvorrichtung mit
dem erfindungsgemäßen Element
ist sehr einfach konstruiert, und eine ausreichende Durchmischung
wird ungeachtet des Flüssigkeitsspiegels
im Behälter
erreicht. Zum Beispiel führt
im Fall der Polymerisation die durch die vorliegende Erfindung erreichte
Durchmischung weder zum Anhaften von Polymer an den Behälterwänden noch
zur Klumpenbildung, so daß eine
stabile Polymerisation über
einen längeren
Zeitraum möglich
ist. Ferner ist die Flüssigkeitsströmung in
dem Behälter
im wesentlichen eine Kolbenströmung,
wodurch ein Polymer mit gleichmäßigen Eigenschaften
entsteht und eine maßstäbliche Vergrößerung der
Mischvorrichtung, die im diskontinuierlichen oder kontinuierlichen
Betrieb eingesetzt werden kann, leicht ausführbar ist.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Die Polymerisation von Vinylacetat
wurde unter Verwendung einer in 1 dargestellten
erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 10 mit
einem Rührelement 12 und
einem zylinderförmigen
Mischbehälter
ausgeführt.
Der Behälter
hatte einen Innendurchmesser von 2300 mm und eine Höhe (die
einer Länge
von der Bodenfläche
zur Oberkante des Behälters
entspricht) von 6000 mm. Das Element wies zwei vertikale Stäbe 16 und 17 auf,
die jeweils die Form einer Säule
mit einem kreisförmigen
Querschnitt hatten, dessen Außendurchmesser
400 mm betrug. Die Stäbe
waren an ihren beiden Enden durch zwei Verbindungsglieder 18 und 19 so
miteinander verbunden, daß eine
Länge jedes
Stabes einschließlich
der Dicken der Verbindungsglieder 18 und 19 (je
300 mm) an seinen beiden Enden insgesamt 5500 mm betrug. Das Rührelement
war so an dem Behälter
montiert, daß ein
Abstand [a] zwischen der Mitte des Behälters und der Mitte des äußersten
Stabes 17 943 mm betrug, während
ein Abstand (b] zwischen der Mitte des Behälters und der Mitte des innersten
Stabes 16 510 mm betrug.
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Die Luft im Inneren des Behälters wurde durch
Stickstoff ausgetauscht, eine Monomerlösung, die 83 Gew.-% Vinylacetat
und 17 Gew.-% Methanol sowie einen Spurenanteil eines Polymerisationsinitiators
enthielt, wurde in den Behälter
eingefüllt.
Die Monomerlösung
wurde beim Bereitstellen mit Hilfe eines Wärmetauschers und eines den
Behälter
umgebenden Heizmatels 36 erwärmt, durch den Heißwasser
umgewälzt
wurde. Die Polymerisation wurde kontinuierlich bei einer Temperatur
von 65°C
und einem Flüssigkeitsstand über dem
Behälterboden
von 4,2 m ausgeführt
(daher war das Verhältnis
der Flüssigkeitshöhe zum Innendurchmesser
des Behälters gleich
1,8/1). Die Drehzahl wurde auf 10 U/min eingestellt. Der Polymerisationsumsatz wurde
mit Hilfe einer zugesetzten Menge eines Polymerisationskatalysators
eingestellt, die auf der Basis der Zusammensetzung der Monomerlösung und
einer mittleren Verweildauer der Monomerlösung im Behälter usw. berechnet wird. Der
Polymerisationsvorgang wurde ein Jahr lang fortgesetzt, wobei der
Polymerisationsumsatz auf etwa 64% gehalten wurde; es entstanden keine
Klumpen, und es wurde ein Polyvinylacetatharz mit einem Polymerisationsgrad
von etwa 1700 erzeugt.
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Beispiel 2
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Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei
aber das Verhältnis
der Flüssigkeitshöhe zum Innendurchmesser
des Behälters
gleich 1,3/1 war. Während
der Polymerisationsvorgang ein Jahr lang mit einem Umsatz von etwa
64% fortgesetzt wurde, entstanden keine Klumpen, und es wurde Polyvinylacetatharz
mit einem Polymerisationsgrad von etwa 1700 erzeugt.
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Beispiel 3
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Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei
aber das Verhältnis
der Flüssigkeitshöhe zum Innendurchmesser
des Behälters
gleich 0,75/1 war und die Monomerlösung 16 Gew.-% Methanol enthielt.
Während der
Polymerisationsvorgang ein Jahr lang mit einem Umsatz von etwa 62%
fortgesetzt wurde, entstanden keine Klumpen, und es wurde Polyvinylacetatharz mit
einem Polymerisationsgrad von etwa 2000 erzeugt.
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Vergleichsbeispiel
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Es wurde eine Mischvorrichtung wie
die in 5 dargestellte
verwendet, die ein Rührelement 12 vom
Paddelrührer-Typ
und einen Mischbehälter 14 mit
einem Innendurchmesser von 2400 mm und einer Höhe von 3600 mm aufwies, und
der Behälter enthielt
Prallplatten 50. Die Betriebsbedingungen waren die gleichen
wie in Beispiel 1.
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Der Polymerisationsvorgang wurde
10 Tage lang fortgesetzt, und es entstanden viele Klumpen, die allmählich wuchsen,
so daß der
Energieverbrauch für
das Rühren
zunahm. Da außerdem
der Mischungseffekt von der Position eines Flüssigkeitsabschnitts bezüglich des
Rührelements
abhängt,
war es sehr schwierig, einen stabilen Dauerbetrieb aufrecht zu erhalten.