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Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Polyamiden und zum
anschließenden Auspressen der Polyamide Es ist bekannt, Polyamide t,us den Ausgangsstoffen
in stehenden, gewöhnlich rohrförmigen Gefäßen durch Polymerisation oder Polykondensation
herzustellen und die geschmolzenen Polyamide vom unteren Ende des Gefäßes unmittelbar
Organen zuzuführen, die die Schmelze in Form von Fäden, Drähten, Bändern oder Folien
auspressen. Bei der Herstellung von Kunstfasern kann man das geschmolzene Polyamid
gleich auf eine Reihe von Spinnköpfen verteilen.
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Da die Polymerisation mitunter eine verhältnismäßig lange Verweilzeit
im Reaktionsraum erfordert, so ergeben sich für Reaktionsapparaturen erhebliche
Bauhöhen bzw. Volumina. Auch ist bei solchen Apparaturen das Problem der Abführung
der in der Reaktionsschmelze frei werdenden Dämpfe, wie z. B. Wasser und bzw. oder
Monomeres, nicht immer befriedigend gelöst. Man hat z. B. im Falle der Polymerisation
von Caprolactam unterhalb des Reaktionsgefäßes eine gesonderte Kammer eingebaut,
in der die praktisch fertigpolymerisierte Schmelze über eine möglichst große Oberfläche
geführt wird, um ihr dabei mit Hilfe eines vorbeigeleiteten Inertgases oder durch
Druckverminderung die flüchtigen Anteile zu entziehen.
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Schließlich ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der die zu polymerisierende
Schmelze mittels
einer Hochdruckpumpe von unten in eine senkrechte
Rohrschlange gepreßt und nach Beendigung der Polymerisation am oberen Ende der Rohrschlange
entspannt wird und in ein an der Achse der Rohrschlange angeordnetes, senkrechtes,
unter Druck gehaltenes Rohr übergeführt wird, in dem das Polymerisat nach unten
fließt und einer Spinnpumpe zugeleitet wird. Alle diese Apparaturen sind verhältnismäßig
kompliziert gebaut und im Betrieb keineswegs einfach.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Herstellung von Polyamiden durch Polymerisieren von Lactamen sowie zum anschließenden
Auspressen der Polyamide, die sich durch besonders einfache und übersichtliche Bauweise
auszeichnet und im Betrieb- bei einfacher Wartung unbedingt zuverlässig arbeitet.
Zum Verständnis der nachfolgenden Beschreibung wird auf die Zeichnungen, Fig. i
bis q., Bezug genommen.
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Die wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung sind ein stehendes,
mit einem Heizmantel versehenes, zylindrisches, inneres Polymerisationsgefäß A,
das oben verschlossen und mit Zuleitungen für Ausgangsstoffe und Schutzgas sowie
Ableitungen für die sich aus der Schmelze entwickelnden Dämpfe ausgestattet ist
und das sich an seinem unteren Ende in ein äußeres, koaxiales, ebenfalls mit einem
Heizmantel umgebenes Gefäß B von größerem Durchmesser fortsetzt, das an seiner Oberseite
ebenfalls mit Zuleitungen für Schutzgas und Ableitungen für sich entwickelnde Dämpfe
ausgestattet ist und von dessen äußerer Seitenwand ein oder mehrere Ableitungen
C ausgehen, die mit je einer Spinnstelle (bestehend aus Spinnpumpe, Filter und Spinndüse)
in Verbindung stehen.
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Das Gefäß A und das dieses ringförmig umgebende Gefäß B bilden zusammen
ein System kommunizierender Rohre. Die durch die Zuleitung i an der Oberseite des
Gefäßes A zugeführten Ausgangsstoffe, die aus geschmolzenen Monomeren oder aus einem
geschmolzenen Gemisch von Monomeren und Niedrigpolymeren, gegebenenfalls unter stetigem
oder intermittierendem Zusatz von wiederaufzuschmelzenden stückigen Polymeren, bestehen
können, treten in das Reaktionsgefäß A unter alleiniger Wirkung der Schwerkraft
ein, und die sich in diesem Gefäß bildende gleichmäßige Schmelze, in der sich fortlaufend
die Polymerisation vollzieht, steigt, sobald sie um die unteren Kanten der Wandung
des Gefäßes A herumkommt, in dem rohrförmigen, äußeren Gefäß B so weit hoch, bis
der Schmelzspiegel in den Gefäßen A und B die gleiche Höhe erreicht hat. Der gesamte
Transport der Polymerisationsschmelze durch die beiden Reaktionsgefäße wird also
ohne jede Zuhilfenahme irgendwelcher mechanischer Transportaggregate bewerkstelligt.
Ein weiterer erheblicher Vorteil der beschriebenen Vorrichtung liegt darin, daß
infolge der konzentrischen Anordnung der beiden Gefäße A und B der
Heizmantel des Gefäßes A mit seiner Innenseite dieses, mit seiner Außenseite das
äußere Ringgefäß B beheizt, das außerdem seinerseits noch durch einen eigenen äußeren
Heizmantel beheizt wird. Hieraus ergibt sich eine besonders hohe Ausnutzung des
Wärmeinhalts des Beheizungsmittels.
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Die beiden Heizmäntel der Gefäße A und B
können, beispielsweise
durch die Rohrleitungen 17
und 18, miteinander zu einem einzigen Kreislauf
von Heizmittel verbunden werden, so daß in diesen Heizmänteln die gleiche Temperatur
herrscht. Es ist aber auch möglich, für jeden der beiden Heizmäntel einen gesonderten
Heizmittelkreislauf vorzusehen, so daß der Verlauf der Polymerisation, der sich
auf einer U-förmigen Bahn vom Schmelzspiegel im inneren Gefäß A bis zum Schmelzspiegel
im äußeren Gefäß B vollzieht, durch abgestufte Beheizung beeinflußt werden kann,
in dem entweder der Heizmittelkreislauf für das Gefäß A oder derjenige für
das Gefäß B auf eine höhere Temperatur als dar jeweils andere gebracht wird.
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Das Reaktionsgefäß A hat an seiner Oberseite neben der Zuleitung für
die Ausgangsstoffe noch eine Zuleitung für das Schutzgas 5, um in an sich bekannter
Weise den Schmelzspiegel im Gefäß A unter Schutzgas zu halten.
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Da sich aus der Schmelze im Verlauf der Reaktion Dämpfe von Wasser
und Monomeren entwickeln, ist das Gefäß A an seiner Oberseite noch mit einer Ableitung
16 ausgestattet, durch die mit Wasser und monomeren Dämpfen beladenes Schutzgas
entweicht, das zu einem oder mehreren Kondensationsgefäßen 3 dringt, worauf die
Dämpfe entweder von selbst öder unter Zuhilfenahme eines Kühlaggregates 8 kondensiert
und gesammelt werden. Das von den Dämpfen befreite Schutzgas wird durch eine nur
'schematisch angedeutete Rohrleitung, in die Gebläse und Wiederaufheizungsaggregate
(in der Zeichnung nicht dargestellt) eingeschaltet sind, zu der Rückführleitung
7 geführt, durch die es in den über dem Schmelzspiegel des äußeren Ringgefäßes B
befindlichen Raum bzw. Gasdom gelangt, da ja auch der Schmelzspiegel des äußeren
Ringgefäßes B zweckmäßig unter Schutzgas gehalten wird. Da sich auch aus diesem
Schmelzspiegel im Verlauf der Polymerisationsreaktion Dämpfe von Niedrigpolymeren
entwickeln können, sind an der Oberseite des äußeren Ringgefäßes B eine oder mehrere
Ableitungen 6 vorgesehen, die insbesondere zu den bereits erwähnten Kondensationsgefäßen
3 führen, in denen die niedrig polymeren Anteile gesammelt werden, während das als
Träger dieser Dämpfe dienende Schutzgas nach der Abtrennung der Dämpfe ebenfalls
wieder der Rückführleitung 7 zugeführt wird. Zur Vermeidung von Spiegelschwankungen
ist ein Druckausgleich für die Gasdome über den beiden Flüssigkeitsspiegeln durch
eine Verbindungsleitung 2o vorgesehen.
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In Fig. a ist ein Schnitt durch die konzentrischen Gefäße
A und Bin Höhe des in Fig. i dargestellten Schmelzspiegels gezeigt.
9 und io sind die Wandungen des inneren Reaktionsgefäßes A und des äußeren Reaktionsgefäßes
B. 1q. und 13 sind die zugehörigen inneren bzw. äußeren Heizmäntel. Der
Flüssigkeitsspiegel
2 steht innerhalb der Wandung g, der Flüssigkeitsspiegel 4 ringförmig zwischen dem
äußeren Umfang des Heizmantels 14 und dem inneren Umfang des Heizmantels 13, wobei
beide Flüssigkeitsspiegel, da es sich um kommunizierende Röhren handelt, ungefähr
die gleiche Höhe einnehmen. Der Heizmantel 13 des äußeren Rohres ist in an
sich bekannter Weise mit einer Isolierschicht bedeckt. Bei i9 ist in einem Bleiklotz
mit Öffnung in Richtung auf das Innere des Rohrsystems ein radioaktives Präparat
eingebettet, während ihm gegenüber in gleicher Höhe sich ein Geigerzählerrohr 15
befindet. Beide Organe liegen auf den Schnittpunkten einer durch das äußere Reaktionsgefäß
verlaufenden Sekante mit der größeren Umfanglinie des Rohrsystems. Das Geigerzählerrohr
15 wird von dem Radiumpräparat ig mit einer bestimmten Stärke angesprochen, solange
der Schmelzspiegel die Ebene, in der die beiden genannten Geräte liegen, nicht übersteigt.
Es wird schwächer beeinflußt, wenn der Schmelzspiegel höher steigt und infolgedessen
den Durchtritt der radioaktiven Strahlen durch den Reaktionsraum hindert. In einer
bevorzugten Ausführungsform wird das Geigerzählerrohr in regelmäßigen kurzen Abständen
durch eine Schaltwalze auf den zugehörigen Verstärker geschaltet, so daß das Geigerrohr
nur in regelmäßigen kurzen Intervallen anzeigt, ob und in welcher Stärke es rädiöaktive
Strahlen durch den Reaktionsraum hindurch aufnimmt. Dadurch erreicht man, daß man
für mehrere dieser Anordnungen nur einen Verstärker verwenden muß.- Das Geigerrohr
ist in an sich bekannter Weise mit einem Relais verbunden, das die Zufuhr von Ausgangsstoffen
zur Oberseite. des inneren Gefäßes A drosselt, sobald die vom Geigerrohr aufgenommenen
Impulse schwach sind oder verschwinden, und das die Zufuhr von Ausgangsstoffen steigert,
sobald das Geigerrohr starke Impulse empfängt.
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Gegebenenfalls können im Innern des Reaktionsgefäßes A noch in den
Abbildungen nicht dargestellte Zwischenböden angeordnet werden, die den Durchgang
der Schmelze von oben nach unten nicht stören, aber den sich in der Schmelze bildenden
Blasen von Dämpfen von Wasser und Monomeren Gelegenheit geben, zusammen und leichter
durch die Schmelze in den oberen Raum des Gefäßes A aufzusteigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird im Innern
des äußeren Ringgefäßes B eine in Fig. 3 erkenntliche konzentrische überlaufringwand
D angeordnet, die am unteren Ende durch eine zweckmäßig kegelstumpfmantelförmige
Auskragung fest mit dem Wandumfang des äußeren Gefäßes B verbunden ist, während
die Wandung des Gefäßes B in der Nähe dieser Auskragung eine ringförmige Erweiterung
i i erhält, die an ihrer Unterseite mit den zu den Spinnköpfen führenden-Ableitungen
C versehen ist. Durch diese Überlaufringwand wird erreicht, daß die von unten im
Ringgefäß B aufsteigende Schmelze nur zwischen der Überlaufringwand und dem Heizmantel
14 emporsteigen kann und an der Oberkante der Ringwand radial nach außen überläuft
und nochmals zwischen der Außenseite der Ringwand D und der Außeninnenwand des Ringgefäßes
B in dünner Schicht nach abwärts rieselt und in dem- Ringraum i i einen neuen (nicht
kommunizierenden) Sumpf bildet. Der Ringraum i i stellt also einen kleinen Vorratsraum
für die fertig auspolymerisierte Schmelze dar, die infolge des dünnschichtigen Überganges
über die Ringwand D auch noch weitgehend monomerenfrei gemacht werden kann.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform rnuß die Ablesung des Schmelzspiegelstandes
in die Ebene des Schmelzspiegels im Ringraum i i verlegt werden. Spiegelhöhenmessung
in der weiter oben, beschriebenen höheren Ebene kommt nicht mehr in Frage, weil
diese Spiegel durch die Anordnung der Überlaufringwand unveränderlich festgelegt
sind, weil der Spiegel niemals höher steigen kann, als der Oberlaufkante der Ringwand
D entspricht.
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Auch die Überlaufringwand kann innen hohl ausgebildet und mit einem
Heizmittelkreislauf verbunden werden, um auf einer inneren und äußeren Fläche der
Schmelze noch Wärme zuzuführen. Fig.4 zeigt in vergrößertem Maßstab die Gegend des
durch. einen Kreisbogen Z angedeuteten Ausschnittes aus der Vorrichtung von Fig.
3. D ist ein Teil der zur Durchleitung eines Heizmittels hohl ausgebildeten Überlaufringwand,
deren- Inneres durch einen oder mehrere Durchbrüche mit den! Innern des Heizmantels
13 des äußeren Ringgefäßes B in Verbindung steht. Die äußere Wandung des Ringgefäßes
B, das, wie oben erwähnt, sich zu einer ringförmigen Erweiterung ausbreitet, ist
an der Stelle, wo die genannte Wandung sich ausweitet, in Form einer verhältnismäßig
kurzen zylindrischen Ringwand i2 verlängert. Diese Verlängerung ist so bemessen,
daß ihre untere Kante kurz oberhalb des vorgesehenen Schmelzspiegelstandes verläuft.
Auf diese Weise wird der Ringraum i i in zwei Räume unterteilt, die miteinander
nur durch den geringen Zwischenraum in Verbindung stehen, der zwischen der unteren
Kante des Zylinderringes 12 und der-'normalen Spiegelhöhe der im Raum i i sich ansammelnden
Schmelze gegeben ist. Auf der Oberseite des Ringraumes i i sind eine oder mehrere
Zuleitungen 21 für ein Sicherheits- oder Spülgas vorgesehen, durch welche Spülgas
in den Ringraum i i gedrückt werden kann, das einerseits den Schmelzspiegel in diesem
Raum gegen oxydierende Einflüsse abschirmt und andererseits um die Unterkante der
Zylinderringwand i2 herum nach oben entlang der Überlaufringwand D in den oberhalb
von deren Oberkante befindlichen Dampfdom strömt und wegen der großen Oberfläche
der Schmelze an der Überlaufringwand dampfförmige Monomere und Niedrigpolymere mitnimmt.
Bei einem festgelegten und gleichbleibenden Abstand des Schmelzspiegels im Ringraum
i i von der Unterkante der Zylinderringwand 12 ergibt sich dabei ein bestimmter
konstanter Durchgangswiderstand, der von dem zugeführten
Strom
an Sicherheits- bzw. Spülgas zu überwinden ist. Sinkt der Schmelzspiegel im Ringraum
i i unter die vorgesehene Höhe ab, so verringert sich der normale Strömungswiderstand
des Schutzgases, steigt er über die vorgesehene Höhe an, so erhöht sich dieser Strömungswiderstand.
Diese Schwankungen im Strömungswiderstand des. Schutzgases können in an sich bekannter
Weise benutzt werden, um eine Warnvorrichtung zu betätigen.