DE69826344T2 - Reaktor mit ineinandergreifenden grossflächigen Profilen - Google Patents

Reaktor mit ineinandergreifenden grossflächigen Profilen Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1) Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität in eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Reaktor, der besonders für Polykondensationsreaktionen geeignet ist, bei denen eine flüchtige Komponente entfernt und ein Polymermaterial mit hoher Viskosität erzeugt wird, das im Reaktor im flüssigen Zustand bleibt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen von Polykondensation zur Herstellung von Polyestern oder Polyamiden wie Polyethylenterephthalat oder Nylon.
  • 2) Stand der Technik
  • Die kommerzielle Herstellung der meisten Linearkondensationspolymere, wie Polyester oder Polyamide, umfaßt das Erwärmen von Monomerausgangsmaterialien, um eine progressive Kondensation mit Verlust von flüchtigem Material mit geringem Molekulargewicht zu bewirken, bis das gewünschte Molekulargewichtsniveau erreicht ist. Beispielsweise wird Polyethylenterepthalat üblicherweise durch eine Reaktion von Ethylenglykol und entweder Terepthalsäure oder deren Ester-Äquivalent – Dimethylterephthalat hergestellt: beide Reaktionen bilden das Monomer bis-2-Hydroxyethyl-Terephthalat. Durch Erwärmen des Monomers auf geeignete Temperaturen, generell mit zunehmend geringeren Drücken, polymerisiert das Monomer unter Entwicklung von Ethylenglykol, bis die gewünschte Faser- oder Filmbildungsviskosität erreicht ist. Der Vorgang wird üblicherweise in zwei oder mehr Stufen mit zwischenzeitlicher Bildung einer Polymerflüssigkeit mit geringem Molekulargewicht und geringer Viskosität durchgeführt, wobei die Flüssigkeit durch Behälter geleitet wird, die auf geeigneten Temperaturen und niedrigen Drücken gehalten werden, um die Viskosität zu erhöhen. Diese Behälter sind allgemein als "Polymer-Finishers" bekannt, die zum Umwandeln des Polymerflüssigkeitsmaterials mit niedriger Viskosität in ein Flüssigkeitsmaterial mit relativ hoher Viskosität ausgebildet sind. Viele dieser Behälter sind "gewischte" Reaktoren, was bedeutet, daß zumindest einige der Innenflächen des Reaktors "gewischt" werden, und zwar nicht durch direkten Kontakt, sondern durch Wischen der Flüssigkeit an der Innenfläche zu einem dünnen Film. Eine derartige Vorrichtung und ein derartiger Vorgang sind aus den folgenden US-Patenten bekannt: 3 057 702; 3 248 180; 3 440 019; 3 591 344; 4 801 433 und 5 055 273.
  • EP 0 715 881 A2 offenbart einen selbstreinigenden Mischer/Reaktor, der die Verwendung ineinandergreifender Zahnräder (die Guillotinen ähneln) und Knetstangen offenbart. Unter kinematischem Reinigen versteht man die größtmögliche Annäherung der Teile des Mischers während der Drehung, ohne daß diese blockieren. In diesem Reaktor kratzen die Flächen der Rühreinrichtungen einander, um gereinigt zu werden.
  • Es besteht ein Bedarf an einem Reaktor, der die Merkmale eines hohen Durchsatzes, einer großen Dünnschichtoberfläche, einer geringen Scherung kombiniert und im wesentlichen frei von Bereichen ist, in denen Polymer gebildet werden kann.
  • Mit dem Fortschritt der Polymertechnologie fordert die Industrie Polymere mit spezifischeren Eigenschaften. Beispielsweise fordert die Industrie verbesserte Garne mit größerer Zähigkeit, was bedeutet, daß es erforderlich ist, die relative Viskosität des Polymers zu erhöhen. Herkömmliche Reaktoren haben mehrere Nachteile dahingehend, daß bei Polymeren mit höherer Viskosität diese Reaktoren übermäßig groß sein müssen, um die gewünschte IV zu erreichen und sind daher unpraktisch. Primär haben herkömmliche Reaktoren mehrere Nachteile dahingehend, daß sie weniger effizient sind als die erfindungsgemäße Vorrichtung. Beispielsweise haben herkömmliche Reaktoren eine mittlere Welle, welche die Dampfströmung des flüchtigen Materials zum Unterdruckauslaß einschränkt, da sich Polymer auf der Oberfläche der Welle sammelt, wodurch der effektive Dampfweg verringert wird. Die Polymeransammlung erzeugt ferner Stagnationsbereiche, die schließlich eine kohlenstoffhaltige Verunreinigung im Polymermaterial verursachen. Gleichermaßen kann eine Polymeransammlung in anderen Stagnationsbereichen im Behälter auftreten, insbesondere in den Bereichen des Behälters, die von einem Rührwerk nicht zufriedenstellend gewischt werden. Es ist daher erforderlich, ein großes Flächen-Volumen-Verhältnis der Polymerschmelze zu wählen und einen derartigen Reaktor derart unter verringertem Druck zu betreiben, daß der Dampfweg nicht blockiert wird und daß eine Polymeransammlung beispielsweise durch fortschreitendes Wischen sämtlicher Innenflächen des Reaktors verhindert wird.
  • Es besteht daher ein Bedarf an einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Polykondensation von Schmelzen, wobei das Verhältnis der Oberfläche zum Reaktorvolumen maximiert ist, jedoch der Dampfströmungsweg nicht blockiert ist und die Kriterien des Wischens sämtlicher Innenflächen des Reaktors erfüllt werden.
  • Diese und andere Aufgaben werden durch einen Polykondensationsreaktor gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Überblick über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Polykondensieren von Polymerschmelzen, welche einen erwärmbaren, zylindrischen, horizontalen oder annähernd horizontalen Reaktor mit einem Einlaß an einem Ende, wenigstens einem Auslaß für die Polymerschmelze am anderen Ende und einem Dampfauslaß aufweist. Der Reaktor enthält Rührer für die flüssige Polymerschmelze, welche an die Form des Reaktors angepaßt sind und die Polymerschmelze rühren sowie sämtliche Innenflächen des Reaktors wischen. Der Raum zwischen jedem Rührer und zwischen der Kante jedes Rührers und der Wand des Reaktors ist sehr klein, wird aber dennoch durch die Strömungsmechanik des Polymers gewischt. Reaktoren mit gewischten Wänden gemäß der vorliegenden Offenbarung "wischen" daher eine Oberfläche nicht so wie ein Scheibenwischer eine Windschutzscheibe wischt, d.h. mit Kontakt, sondern die Rührer oder Wischer verteilen das Polymer zu einem dünnen Film, so daß die flüchtigen Komponenten sich schneller verflüchtigen und den Reaktor durch den Dampfauslaß verlassen. Das Wischen verhindert das Ansammeln von Polymerflüssigkeit, welche wie in herkömmlichen Reaktoren beim Stagnieren zu einem kohlenstoffhaltigen Material wird. Darüber hinaus erreicht der erfindungsgemäße Reaktor ein hohes Verhältnis von Oberfläche und Reaktorvolumen, wodurch die flüssige Polymerschmelze in mehrere dünne Filme verteilt wird, wodurch das flüchtige Material sich noch schneller verflüchtigen kann. Die Anordnung der Rührer und die Ausbildung des erfindungsgemäßen Reaktors sind derart, daß der Dampfströmungsweg nicht blockiert wird.
  • Erfindungsgemäß sind zwei parallele Wellen mit mehreren Rührern an jeder Welle voneinander durch Abstandhalter derart beabstandet angeordnet, daß die Rührer einer Welle in die Rührer der parallelen Welle mit einem Abstand eingreifen, daß die Rührer die jeweiligen Polymerschmelzenkontaktflächen wischen. Darüber hinaus wischen die Rührer die Innenflächen der Umfangswand des Reaktors. Die erfindungsgemäßen Rührer maximieren das Verhältnis von Oberfläche zu Reaktorvolumen ohne den Dampfweg zu blockieren und ohne das Stagnieren der Polymerschmelze zu verhindern, wodurch ein qualitativ hochwertiges IV-Polymer (IV bedeutet intrinsische Viskosität) mit relativ wenig oder ohne darin enthaltenem kohlenstoffhaltigem Material gebildet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und aus der Bezugnahme auf die Zeichnungen, welche zeigen:
  • 1 eine teilweise perspektivische Explosionsdarstellung der Anordnung der Rührer und Abstandhalter in einem Reaktor;
  • 2 eine Stirnansicht eines Rührers mit Zykloidprofil und eines entsprechenden Abstandhalters;
  • 3 eine Stirnansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Rührers mit Involutenprofil;
  • 4 eine Stirnansicht zweier um 45° versetzter Rührer;
  • 5 eine Endansicht eines Abstandhalters, der bei um 45° versetzten Rührern verwendet wird;
  • 6 eine geschnitene Endansicht der Rührer mit Involuten- und mit Zykloidform, die zum Vergleich der Profilformen überlappt sind;
  • 7 eine perspektivische Darstellung einer Welle mit mehreren daran angebrachten Rührern und Abstandhaltern, bei der die Rührer um 90° zueinander versetzt sind;
  • 8 mehrere Rührer, die in verschiedenen Drehwinkeln der parallelen Wellen ineinandergreifen;
  • 9 eine geschnittene Endansicht der Mitte des Reaktors, wobei die zwei parallelen Wellen und der Profile der Rührer sowie der Polymerpegel und der Dampfweg deutlich gezeigt sind;
  • 10 eine perspektivische Darstellung der Endabdeckungen des erfindungsgemäßen Reaktors; und
  • 11 eine perspektivische Ansicht des Reaktorgehäuses zur Darstellung der zum Auslassen des Polymers aus dem Reaktor erforderlichen Abweichung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt das Innenprofil 10 (d.h. die innere benetzte Fläche) eines (nicht dargestellten) Reaktors sowie eine Explosionsdarstellung der Rührer 12 und der Abstandhalter 14. Die Rührer 12 und die entsprechenden Abstandhalter 14 sind in zwei parallelen Gruppen dargestellt, wobei jede Gruppe auf einer (nicht dargestellten Welle) montiert ist. Die beiden parallelen Gruppen von Rührern und Abstandhaltern rotieren vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen in das und aus dem Polymer, wodurch sie dünne Polymerfilme auf jedem Rührer und durch den Wischvorgang auf der Innenwand des Reaktors bilden, wodurch die flüchtige Komponente sich schneller verflüchtigen kann. Es ist nicht nur die Bewegung der Rührer und Abstandhalter, welche die Flüssigkeit im Reaktor zu einem dünnen Film wischt, sondern es ist auch die Fluidmechanik des Fluids im Reaktor. Anders ausgedrückt: die Viskosität der Flüssigkeit unterstützt das Wischen der verschiedenen Innenflächen des Reaktors, indem sie bewirkt, daß jegliches Fluid im Bereich einer sich bewegenden Fläche sich mit dieser Fläche bewegt. Zwar zeigt die Explosionsdarstellung von 1 die verschiedenen Teile voneinander beabstandet, jedoch sind sämtliche Rührer 12 und Abstandhalter 14 in einer Gruppe tatsächlich eng beieinander auf einer sich drehenden Welle montiert (siehe 7).
  • Wie in den 2 und 3 dargestellt, sind die beiden geometrischen Profile der erfindungsgemäßen Rührer das Zykloidprofil von 2 und das Involutenprofil der 3. Beide Rührerprofile weisen den charakteristischen engen Abstand entlang den Umfängen ineinandergreifender Rührerelemente beim Drehen auf, wie in 8 dargestellt. Der Umfangsabstand der Rührer wischt die Innenfläche 10 des Reaktorgehäuses sowie die freiliegende Fläche jedes Rührers. Das Reaktorgehäuse wird vom äußersten Umfangsrand 16 der sich drehenden Rührer gewischt und die Fläche 18 jedes Rührers 12 wird von der Fläche 18 der benachbarten Rührer 12 gewischt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Endrührer an jedem Ende des Reaktors von den Endplatten in einem Abstand angeordnet sind, der ungefähr dem Abstand zwischen jedem der Rührer entspricht.
  • Bei den in den 2 und 3 dargestellten Rührern hat jeder Rührer 12 zwei Flächen 18, wobei der Außenumfangsrand 16 in eng beabstandetem Verhältnis zum Umfangsrand 16 eines benachbarten Rührers vorgesehen ist, wie in 1 dargestellt. Jede Rührerfläche 18 kann aus einem massiven Bahnmaterial oder einem mit kleinen Öffnungen versehenen Teil bestehen. Die Rührerfläche kann beispielsweise aus Metall, Kunststoff oder Verbundmaterialien bestehen, die in der Lage sind, der Reaktortemperatur und der physikalischen Belastung durch die Flüssigkeit an den drehenden Rührern zu widerstehen, und die gegenüber der Flüssigkeit inert sind. Wenn die Fläche 18 aus einem Öffnungen aufweisenden Material, beispielsweise einem Metallsieb, besteht, müssen die Öffnungen ausreichend klein sein, um das Durchdringen der Öffnungen durch die Flüssigkeit zu ermöglichen und zu unterstützen, so daß ein Flüssigkeitsfilm auf jeder Rührerfläche 18 gebildet wird, wenn diese sich aus der Polymerflüssigkeit herausdreht.
  • Jedem Rührer 12 ist ein Abstandhalter 14 zugeordnet, um die Rührer voneinander beabstandet zu halten. Die Abstandhalter 14 bestehen aus einem massiven Material und sind eng an jedem der Rührer 12 anliegend angeordnet, wodurch ein Fließen von Flüssigkeit zwischen den jeweiligen Abstandhalter und den Rührer verhindert wird. Nur die Rührerfläche 18 und deren Umfangsrand 16 sowie der Umfangsrand 20 jedes Abstandhalters 14 und die Innenfläche 10 des Reaktors 22 sind der Flüssigkeit ausgesetzt.
  • Mittig in jedem Abstandhalter 14 und jedem Rührer 12 ist eine Öffnung 24 angeordnet, über welche eine Welle 26 (siehe 7) die Rührer 12 und die Abstandhalter 14 dreht.
  • 2 zeigt die Form eines Rührers 12 mit Zykloidprofil. 3 zeigt die Form eines Rührers 12 mit Involutenprofil. Es sei darauf hingewiesen, daß der Abstandhalter (in 2 und 3) ein vierseitiges Teil ist, dessen Ränder jeweils identisch ausgebildet sind. Die Dicke des Rührers 12 hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie die Last des Polymers im Reaktor, die Drehgeschwin digkeit des Rührers, die Temperatur im Reaktor etc., ab. Die Dicke jedes Abstandhalters 14 hängt von der Fluidmechanik der Flüssigkeit sowie der strukturellen Festigkeit des Rührers 12 ab. Wenn die Rührer 12 strukturell ausreichend fest sind, um sich unter Betriebsbedingungen nicht zu biegen, hängt die Dicke der Abstandhalter nur von der Fluidmechanik der Flüssigkeit im Reaktor ab, so daß ein Wischen erreicht wird.
  • Obwohl die in den 2 und 3 dargestellten Abstandhalter allgemein rechtwinklig geformt sind, hängt die tatsächliche Form von der Winkelposition jedes Rührers 12 auf der selben Welle ab. 4 zeigt zwei Rührer 12, die um jeweils 45° zueinander versetzt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die Abstandhalter 14 sich nicht in Bezug zu anderen Rührern 12 und Abstandhaltern 14 auf der selben Welle 26 drehen, und die Form des Abstandhalters ist daher die Form des Überlappungsbereichs zweier benachbarter Rührer 12, wie in 5 dargestellt. Der in den 4 und 5 dargestellte Abstandhalter 14 ist somit nicht vierseitig, da die benachbarten Rührer 12 nicht um 90° zueinander versetzt sind, wie dies bei dem Abstandhalter und dem Rührer in den 13 der Fall ist.
  • Beim Vergleich des geometrischen Profils der Rührer 12 der 2 und 3 und im Hinblick auf die Tatsache, daß eines der Ziele der Erfindung das Maximieren der Oberfläche der Teile des Reaktors, die in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, ist, ist deutlich, daß das Zykloidprofil eine größere Oberfläche hat als der Eveolventenrührer 12, wie in 6 gezeigt. Der Zykloidrührer 12 weist 18% mehr Oberfläche auf, die in Kontakt mit der Flüssigkeit steht, als ein entsprechender Involutenrührer. Dies ist hauptsächlich auf das Abstandhalterprofil des Zykloidabstandhalters im Vergleich mit dem Involutenabstandhalter zurückzuführen. Die Fläche 18 des Rührers 12 in 2 ist länger als die Fläche 18 des Rührers 12 in 3, da der Abstandhalter 14 in 2 keine so große Fläche abdeckt wie in 3. dies ist ebenfalls in 6 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die entsprechende Größe des Zykloidrührers 12 gegenüber dem Involutenrührer von 6 bedeutet, daß jeder in einen Reaktor 22 und insbesondere innerhalb der inneren Kontaktfläche passen muß.
  • Wie in 7 dargestellt, sind mehrere Rührer und Abstandhalter Zum Drehen an einer Welle 26 montiert. Jeder Reaktor hat zwei Wellen 26. Jede Welle 26 kann vorzugsweise in dem Bereich 28 im Reaktor, in dem die Rührer und Abstandhalter montiert sind, im Querschnitt vierseitig sein, während der Bereich 30 der Welle, der sich durch den Reaktor und außerhalb desselben erstreckt, vorzugsweise eine andere Form haben kann, wie beispielsweise zylindrisch, so daß sie leicht herkömmliche Dichtungen (die nicht dargestellt sind und kein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung bilden) aufnehmen kann. Die in 7 dargestellten Rührer 12 zeigen einen Versatz um 90°. Jeder Rührer weist einen Abstandhalter 14 auf und jeder Abstandhalter 14 liegt fest an den jeweiligen Rührern 12 an, mit Ausnahme des Abstandhalters an jedem Ende der Welle 26. der Abstandhalter 14 an jedem Ende des Reaktors kann von den übrigen Abstandhaltern verschieden sein, insbesondere, da die Fluidmechanik der Flüssigkeit zwischen dem drehenden Rührer und dem drehenden Abstandhalter anders ist als zwischen zwei rotierenden Rührern.
  • Der Versatz der Zykloidrührer 12 um 90° ist deutlicher in der Querschnittsdarstellung in 8 erkennbar. Der Reaktor 22 besteht eigentlich aus zwei einander schneidenden Zylindern 32 und 34. die innere Kontaktfläche 10 jedes Zylinders 32, 34 des Reaktors 22 hat einen Durchmesser, der geringfügig größer als die Länge des Rührers 12 ist.
  • 8 zeigt ferner die Bewegung zweier Rührer 12, von denen jeweils einer in einem Reaktorzylinder 32, 34 angeordnet ist, während der fortschreitenden Drehung der Wellen 26 bei 0°, 20°, 40°, 60° und 80°. Es sei darauf hingewiesen, daß die Drehung der Wellen in der 0° Position mit der gleichen Drehzahl in entgegengesetzter Richtung verläuft, wodurch die Rührer 12 am Boden des Reaktors 22 aufeinander zu laufen. Zwar ist es möglich, die Wellen derart entgegengesetzt zu drehen, daß die Rührer am oberen Ende des Reaktors aufeinander zu laufen, oder die Wellen in der gleichen Richtung entweder im oder entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, jedoch wird die zuvor erwähnte Richtung, die in den 8 und 9 dargestellt ist, bevorzugt.
  • Wie in der 8 dargestellt, bietet die Bewegung der Rührer über eine beliebige Gradzahl der Wellendrehung zahlreiche offene Räume für das Strömen von Dampf. Ferner "wischt" ein Umfangsrand 16 eines Rührers den Umfangsrand 16 eines benachbarten Rührers. Aufgrund der Fluidmechanik wird die gesamte innere Kontaktfläche 10 des Reaktors 22 sowie sämtliche freiliegnden Flächen der Rührer 12 und der Abstandhalter 14 derart gewischt, daß nur ein dünner Flüssigkeitsfilm verbleibt.
  • In 9 ist der Polymerpoolpegel 36 dargestellt. Die Drehung jeder Welle 26 ist durch die Pfeile 38 und 40 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Mittelbereich des Polymerpools 36 tatsächlich höher als andere Bereiche ist, was durch die Drehung der Welle 26 und das Anheben des Polymers durch die mehreren Rührer 12 bewirkt wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß beim Drehen der jeweiligen Rührer 12 aus der Position nach 9 in die durch die Pfeile 38 und 40 angegebenen Richtungen ein dünner Polymerfilm 42 im mittigsten Bereich des Reaktors 22 über dem Polymerpool 36 erzeugt wird. Dieser Polymerfilm 42 vergrößert die benetzte Fläche des Reaktors, wodurch die Fläche des Reaktors maximiert wird. 9 zeigt ferner verschiedene Dampfströmungswege 44, die das Eliminieren oder Entfernen des flüchtigen Dampfs aus dem Reaktor 22 ermöglichen. Da die innere Kontaktfläche 10 des Reaktors 22 bei jeder Drehung der Wellen 26 (mit den Rührern 12) gewischt wird, weisen diese Dampfwege keine Polymeransammlungen auf, um den Dampfweg in irgendeiner bedeutsamen Weise zu blockieren.
  • 10 zeigt die Reaktorendplatten 46 und 48. Jede Endplatte 46 und 48 weist einen Dampfablaß oder einen Dampfauslaß 50 auf. Beim Vergleich der 9 und 10 ist ersichtlich, daß einer der Dampfauslässe 50 an der oberen linken Seite des Reaktors 22 und der andere Dampfauslaß 50 auf der rechten Seite des Reaktors angeordnet ist. Zwar können die Dampfauslässe 50 an beliebiger Stelle im obersten Bereich des Reaktors angeordnet sein, jedoch ist das Vorsehen der Auslässe in den Endplatten 46, 48 aus Gründen der Herstellung des Reaktors vorteilhaft. Zusätzlich zu den beiden Dampfauslässen 50 weist die Endplatte 46 eine Einlaßöffnung 52 auf, und die Reaktorendplatte 48 weist einen Polymerauslaß 54 auf. Der vorliegende Reaktor, der primär für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt ist, kann auch chargenweise betrieben werden. Das Polymer mit niedriger IV kommt am Einlaß 52 an und tritt durch den Auslaß 54 als Polymer mit hoher IV aus.
  • 11 zeigt die sich schneidenden Zylinder 32, 34 des Reaktors 22 und zeigt deutlich eine geringe Abweichung 56, welche die einzige Fläche im Reaktor 22 ist, die nicht in dem gleichen Maß gewischt wird, wie das restliche Polymer im Reaktor. Diese Abweichung 56 befindet sich nur am Auslaßende des Reaktors und ermöglicht das Ablassen des Reaktors 22 von beiden Seiten und vom tiefsten Punkt jedes Zylinders, wie aus 11 klar ersichtlich. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, die in 11 dargestellte Abweichung 56 entfallen zu lassen und statt dessen zwei Polymerauslässe in der Endplatte 48 vorzusehen, die in der Lage sind, selbst den tiefstgelegenen Teil jedes der beiden Zylinder 32, 34 des Reaktors 22 zu entleeren.
  • Im Betrieb wird Polymer in den Reaktor 22 durch den Polymereinlaß 52 eingeleitet und die Menge an Polymer, die durch den Auslaß 54 austritt, ist derart geregelt, daß ein Polymerpool 36 entsteht. Vorzugsweise wird jede Welle 26 in der durch die Pfeile 38 und 40 in 9 gezeigten Richtung gedreht. Auf diese Weise dreht jeder Rührer in der gleichen Richtung, mit der gleichen Drehzahl, wie die Welle, auf der er befestigt ist, und wischt die innere benetzte Fläche 10 des Reaktors 22, die dem flüssigen Polymer ausgesetzt ist. Darüber hinaus berühren die drehenden Rührer das Polymer und ziehen es nach oben aus dem Flüssigkeitspool 36 zu einem Dünnfilm auf der Fläche 18 jedes Rührers sowie auf der inneren Kontaktfläche 10 des Reaktors 22. der Polymerdünnfilm ermöglicht ein leichtes, schnelles Entweichen der flüchtigen Komponente (im allgemeinen Ethylenglykol, wenn beispielsweise Polyethylenterephthalat das Polymer ist) aus dem Polymer, insbesondere wenn der Reaktor eine hohe Temperatur aufweist (ausreichend hoch, um das Polymer flüssig zu halten und nicht so hoch, daß das flüssige Polymer verschmort, verbrennt oder anderweitig beeinträchtigt wird). Gleichermaßen kann es vorzuziehen sein, ein Vakuum durch den Dampfauslaß 50 aufzubringen, um das Entfernen der flüchtigen Komponente weiter zu erhöhen. Mit dem Wegbewegen jedes Rührers von seinem entsprechenden Rührer wird eine zusätzliche dünne Polymerfläche gebildet, die bei 42 in 9 dargestellt ist. Dies erhöht das Verhältnis zwischen der Fläche und dem Reaktorvolumen weiter. Jedoch ist dieser Polymefilm erheblich reduziert, wenn die Wellen 26 und die Rührer 12 mit einer sehr geringen Geschwindigkeit oder in anderen Kombinationen von Drehrichtungen gedreht werden. Wenn im Gegensatz dazu die Wellen und die Rührer mit einer zu hohen Drehzahl gedreht werden, wird das Polymer durch den gesamten Reaktor geschleudert und blöckiert den Dampfströmungsweg 44 vollständig, wodurch die Fähigkeit des Reaktors zum Entfernen der flüchtigen Komponente zunichte gemacht wird und so die Fähigkeit des Reaktors zum Erhöhen der IV verlorengeht. Die optimale Drehzahl der Wellen muß auf der Basis des verwendeten Polymers, der IV des Polymers beim Einleiten in den Reaktor sowie der IV des Polymers beim Verlassen des Reaktors, der Temperatur des Reaktors, etc. bestimmt werden. Im allgemeinen liegt die Drehzahl zwischen 2–10 U/min (Umdrehungen pro Minute) und vorzugsweise bei ungefähr 3–5 U/min.
  • Obwohl der Abstand zwischen dem Umfangsrand 16 der Rührer und der Innenfläche 10 des Reaktors je nach den Betriebsbedingungen des Reaktors, dem verwendeten Polymer, der Fluidmechanik des Polymers bei Betriebsbedingungen (beispielsweise die IV) etc. variieren kann, wird allgemein davon ausgegangen, daß der Abstand zwischen 1–10 mm, vorzugsweise 2–3 mm betragen kann. Auch der Abstand zwischen den Umfangsrändern 16 benachbarter Rührer auf verschiedenen Wellen liegt in diesem Bereich. Schließlich liegt auch die Dicke der Abstandhalter und die Dicke der Rührer in dem genannten Bereich. Sämtliche Abstände sind wiederum von den genannten Umständen abhängig.
  • Es ist somit ersichtlich, daß bei entgegengesetzter Drehung der Wellen mit gleicher Drehzahl der Umfangsrand 16 jedes Rührers 12 einen Bereich der in neren Kontaktfläche 10 des Reaktors 22 wischt, wobei er einen Bereich beläßt, der von diesem jeweiligen Umfangsrand nicht gewischt wird. Jedoch wischt die Fluidmechanik des Polymers die verbleibende innere Kontaktfläche 10, die nicht von einem Rührer 12 gewischt wird. Die Flächen 18 jedes Rührers 12 werden von benachbarten Rührern auf der benachbarten Welle gewischt und die Abstandhalterränder 20 werden ebenfalls durch die Fluidmechanik des Polymers an dem Umfangsrand 16 eines benachbarten Rührers auf der benachbarten Welle gewischt. Während die Flächen 18 der Rührer den Polymerpool 36 durchlaufen, dient der Widerstand des Polymers an den Flächen ebenfalls dem Wischen der Flächen. Die Abweichung 56 schließlich wird durch das aus dem Reaktor 22 durch den Auslaß 54 fließende Polymer gewischt. Somit werden sämtliche inneren "benetzten" Flächen des Reaktors, die dem flüssigen Polymer ausgesetzt sind, bei jeder Umdrehung jeder Welle gewischt. Die Wellen sind zum Drehen mit der gleichen Geschwindigkeit, jedoch in entgegengesetzte Richtungen ausgelegt.
  • Das Verhältnis von benetzter Fläche zum Reaktorvolumen wird durch die vorliegende Erfindung maximiert, da die Abstandhalterdicke so dünn wie möglich ist und dennoch ermöglicht, daß das Polymer adäquat jede Fläche 18 der Rührer 12 benetzt, wobei auch die Rührerdicke so dünn wie unter Berücksichtigung der Reaktorbetriebsbedingungen strukturell möglich hergestellt ist. Durch das Erzeugen zahlreicher Polymerdünnfilme auf sämtlichen Innenflächen des Reaktors, verdampft oder verpufft die flüchtige Komponente so schnell wie unter den Betriebsbedingungen des Reaktors möglich. Der erfindungsgemäße Reaktor maximiert somit die Fläche und das Reaktorvolumen im Vergleich mit bekannten Reaktoren vom Typ mit gewischten Wänden, wodurch die höchste Effizienz beim Umwandeln von Flüssigkeit mit niedriger IV in Flüssigkeit mit relativ hoher IV erreicht wird. Beispielsweise kann in den Reaktor 22 eintretendes PET eine IV zwischen ungefähr 0,40 und 0,65 haben und den Reaktor mit einer IV von 0,90–1,15 verlassen, je nach den Betriebsbedingungen des Reaktors und dem verwendeten Polymer.
  • Es ist somit ersichtlich, daß die Erfindung einen Reaktor schafft, der die vorgenannten Aufgaben, Ziele und Vorteile realisiert. Zwar wurde die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben, jedoch ist es offensichtlich, daß zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Varianten für den Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar sind, wie beispielsweise in 11 dargestellt, oder das Wickeln des Reaktors in einen Mantel, um ihn zu erwärmen, wie allgemein bekannt, oder das hohle Ausbilden jeder Welle 26, so daß ein Heizmedium zum Erwärmen der Welle, der Rührer und der Abstandhalter durchgeleitet werden kann, und andere dem Fachmann auf diesem Gebiet nach der Lektüre der vorangehenden Beschreibung ersichtliche Möglichkeiten. Die Erfindung soll daher diese Alternativen, Modifikationen und Varianten, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen, einschießen.

Claims (12)

  1. Polykondensationsreaktor mit: a) einem Reaktor (22) mit einer sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Innenkammer für die Polykondensation eines Polymers; b) einem Einlaß (52) an einem Ende des Reaktors (22) zum Einbringen eines Polymers mit niedriger intrinsischer Viskosität in die Innenkammer; c) wenigstens einem dem Einlaß gegenüberliegenden Auslaß (54) für den Reaktor zum Extrahieren eines Polymers mit hoher intrinsischer Viskosität aus der Innenkammer; d) einem Auslaß (50) in dem Reaktor, der mit der Innenkammer zum Ablassen von Dampf in Verbindung steht; e) mindestens zwei drehbaren Wellen (26), die im wesentlichen horizontal angebracht sind und sich über die Länge des Reaktors (22) durch die Innenkammer erstrecken; f) mehreren Rührern (12), die an jeder der Wellen angebracht sind; g) mehreren Abstandhaltern (14) zum beabstandeten Anordnen jedes Rührers auf jeder der mindestens zwei Wellen (26), so daß die Rührer (12) auf einer Welle mit dem Rührer (12) auf einer anderen Welle kämmen; wobei die Rührer (12) so geformt sind, daß sie die Oberfläche (10) der Innenkammer kontinuierlich wischen, und daß der Rand (16) eines kämmenden Rührers auf einer Welle den Rand eines benachbarten Rührers auf einer anderen Welle wischt, und daß die kämmenden Rührer (12) zwischen Flächen (18) eines hinter und eines vor den benachbarten Rührern angeordneten Rührers wischt.
  2. Reaktor (22) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Rührer (12) als Zykloide geformt sind.
  3. Reaktor (22) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Rührer (12) als Involute geformt sind.
  4. Reaktor (22) nach Anspruch 1, bei dem die Innenkammer (35) aus wenigstens zwei überlappenden zylindrischen Kammern (32, 34) besteht.
  5. Reaktor (22) nach Anspruch 1, bei dem jeder der mehreren Rührer (12) zwei Kontaktflächen aufweist, die jeweils eine Vorder- und eine Rückseite haben.
  6. Reaktor (22) nach Anspruch 5, bei dem jeder der Rührer um 90° gegenüber den auf der selben Welle davor und dahinter angeordneten Rührern versetzt ist.
  7. Reaktor (22) nach Anspruch 6, bei dem jeder der Abstandhalter (14) die gleiche Querschnittsform hat wie zwei überlappende Rührer.
  8. Reaktor (22) nach Anspruch 5, bei dem jeder der Rührer um 45° gegenüber den auf der selben Welle davor und dahinter angeordneten Rührern versetzt ist.
  9. Reaktor (22) nach Anspruch 5, bei dem die Rührer auf jeder Welle in der gleichen Weise ausgerichtet sind.
  10. Reaktor (22) nach Anspruch 5, bei dem die beiden drehbaren Wellen (26) in entgegengesetzte Richtungen drehen.
  11. Reaktor (22) nach Anspruch 10, bei dem die beiden Wellen in dem Reaktor derart angeordnet sind, daß sich die Rührer überlappen, so daß sie die Vorder- und die Rückseite jeder Kontaktfläche wischen.
  12. Reaktor (22) nach Anspruch 11, bei dem die Wellen derart drehen, daß ein Dünnfilm aus Polymer gebildet wird, wenn sich die Rühreinrichtungen voneinander weg drehen.
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