EP1558375A1 - Taylorreaktor f r stoffumwandlungen - Google Patents

Taylorreaktor f r stoffumwandlungen

Info

Publication number
EP1558375A1
EP1558375A1 EP03775153A EP03775153A EP1558375A1 EP 1558375 A1 EP1558375 A1 EP 1558375A1 EP 03775153 A EP03775153 A EP 03775153A EP 03775153 A EP03775153 A EP 03775153A EP 1558375 A1 EP1558375 A1 EP 1558375A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
reactor
taylor
outlet
reaction volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03775153A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Edeltraud Hagemeister
Werner-Alfons Jung
Heinz-Peter Rink
Hans-Ulrich Moritz
Iris Conrad
Tsung-Chieh Cheng
Thomas Vens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF Coatings GmbH
Original Assignee
BASF Coatings GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF Coatings GmbH filed Critical BASF Coatings GmbH
Publication of EP1558375A1 publication Critical patent/EP1558375A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B01J19/1806—Stationary reactors having moving elements inside resulting in a turbulent flow of the reactants, such as in centrifugal-type reactors, or having a high Reynolds-number
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/50—Pipe mixers, i.e. mixers wherein the materials to be mixed flow continuously through pipes, e.g. column mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/94—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with rotary cylinders or cones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B01J2219/00094—Jackets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00162—Controlling or regulating processes controlling the pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00168—Controlling or regulating processes controlling the viscosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/18—Details relating to the spatial orientation of the reactor
    • B01J2219/182—Details relating to the spatial orientation of the reactor horizontal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/18—Details relating to the spatial orientation of the reactor
    • B01J2219/185—Details relating to the spatial orientation of the reactor vertical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/18—Details relating to the spatial orientation of the reactor
    • B01J2219/187—Details relating to the spatial orientation of the reactor inclined at an angle to the horizontal or to the vertical plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1943—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped cylindrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1946—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped conical

Definitions

  • the present invention relates to a Taylor reactor for physical and / or chemical material conversions, in the course of which an increase in the viscosity of the reaction medium occurs.
  • the present invention relates to a new process for converting substances using the Taylor reactor and to the use of the substances produced by the new process.
  • Taylor reactors which are used to convert substances under the conditions of the Taylor vortex flow, have long been known. In their original embodiment, they consist of two coaxial, concentrically arranged cylinders, the outer of which is fixed and the inner rotates. The volume that is formed between the inner peripheral surface of the outer cylinder and the outer peripheral surface of the inner cylinder serves as the reaction space. With increasing angular velocity of the inner cylinder, a number of different forms of flow occur, which are characterized by a dimensionless characteristic number, the so-called Taylor number Ta.
  • the Taylor number is also dependent on the kinematic viscosity of the fluid in the reaction volume and on the geometric parameters, the outer radius of the inner cylinder R, and the inner radius of the outer cylinder, according to the following formula:
  • Rotation speed of the inner cylinder increased further, kick above a critical value, alternately rotating (contrarotating) vortices with axes along the circumferential direction.
  • Taylor vortices are rotationally symmetrical, have the geometric shape of a To (Taylor vortex rings) and have a diameter that is approximately as large as the gap width.
  • Two adjacent vertebrae form a pair of vertebrae or a vertebral cell.
  • This behavior is based on the fact that when the inner cylinder rotates with the outer cylinder at rest, the fluid particles near the inner cylinder are subjected to a stronger centrifugal force than those which are further away from the inner cylinder. This difference in the acting centrifugal forces pushes the fluid particles from the inner to the outer cylinder. The centrifugal force counteracts the viscosity force, since the friction has to be overcome when the fluid particles move. If the speed of rotation increases, then the centrifugal force also increases. The Taylor vortices arise when the centrifugal force becomes greater than the stabilizing viscosity force.
  • Taylor reactor If the Taylor reactor is equipped with an inlet and outlet and operated continuously, a Taylor vortex flow with a low axial flow results.
  • Each pair of vertebrae moves through the gap, with only a small mass exchange between adjacent pairs of vertebrae.
  • the mixing within such vortex pairs is very high, whereas the axial mixing beyond the pair boundaries is only very small.
  • a pair of vortices can therefore be regarded as a well-mixed stirred kettle.
  • the flow system thus behaves like an ideal flow tube in that the vortex pairs move through the gap with a constant dwell time like ideal stirred tanks.
  • the known Taylor reactor is able to essentially solve the problem of maintaining the Taylor flow with a strong increase in the kinematic viscosity v in the reaction medium.
  • the reaction volume in the form of an annular gap is defined by the concentrically arranged rotor, the reactor base and the reactor cover.
  • the product outlet must be arranged on the side of the Taylor reactor or in the reactor cover and cannot be designed without edges. With this configuration, a trouble-free product outlet can only be implemented with difficulty.
  • the known Taylor reactor is not yet capable of all safety and process engineering . Solving problems that occur in bulk polymerization and, on the other hand, it is not yet possible to increase the conversion of the monomers to such an extent that extensive freedom from monomers and a narrow molecular weight distribution and non-uniformity in the molecular weight of the polymers is achieved.
  • a Taylor reactor is known from US Pat. No. 4,174,097, in which the rotor is rotatably mounted in the inlet region of the starting materials.
  • the rotor is not supported at its other end, but essentially ends in front of the outlet area, which has the same diameter as the outer reactor wall at its widest point.
  • the outlet area narrows in a funnel shape to form an outlet pipe.
  • the well-known Taylor reactor is used to mix liquids of different viscosities and electrical conductivity. It can also be used to react polysocyanates with polyols. The extent to which it can be used in bulk for the polymerization of olefinically unsaturated monomers is not apparent from the American patent.
  • the drive shaft is passed through the reactor floor and the connection to the rotor in the inlet area of the starting materials.
  • the ring-shaped reaction volume does not widen in the direction of flow.
  • the concentric portions may have configurations other than cylindrical, for example essentially spherical or conical, which configurations are particularly advantageous for bulk polymerization, but will not taught.
  • Short-circuit current is thus to be understood as a current inside the reactor in the direction of flow of the reaction media, partially bypassing the mixing process and thus reducing the residence time in the reactor, which leads to lower degrees of polymerization.
  • Tests have shown that the Taylor reactor according to the invention is surprisingly suitable for all substance conversions in which. the kinematic viscosity v of the reaction medium changed significantly in the direction of flow.
  • the Taylor reactor according to the invention and the process according to the invention allow radical, anionic and cationic (co) polymerization, graft copolymerization and block copolymerization (collectively called “polymerization”) of olefinically unsaturated monomers in bulk with conversions> 70 mol%. It is even more surprising that conversions> 98 mol% can be achieved without problems, without it occurring in the Taylor reactor according to the invention for the formation of disruptive gas bubbles and / or the deposit and of (co) polymers, graft copolymers and block copolymers
  • the Taylor reactor according to the invention and the method according to the invention permit particularly reliable reaction control of the polymerization in bulk, which is why the polymers can be prepared very safely, reliably and reproducibly. Due to the very low monomer content of the polymers, they can be used for a wide variety of purposes without further purification, without the occurrence of safety-related, process-related toxicological and ecological problems and unpleasant odors.
  • the Taylor reactor according to the invention preferably comprises a reaction volume in the form of an annular gap, which preferably has a circular circumference.
  • the ring- gap-shaped reaction volume is defined by or is formed by an outer reactor wall and a rotor arranged concentrically therein, which is arranged rotatably about the axis of rotation.
  • the outer reactor wall and the rotor have a circular circumference over the entire length of the reaction volume, as seen in cross section.
  • the term "circular” is to be understood as strictly circular, oval, elliptical or polygonal with rounded corners.
  • a strictly circular circumference is advantageous for reasons of simplicity of manufacture, simple construction and significantly easier maintenance of constant conditions over the entire length of the annular gap-shaped reaction volume.
  • the inner wall of the outer reactor wall and / or the surface of the rotor can be smooth or rough, i.e. the surfaces in question can have a low or high surface roughness. Additionally or alternatively, the inner wall of the outer reactor wall and / or the surface of the rotor can have a relief-like radial and / or axial, preferably radial, surface profile, as described, for example, in US Pat. No. 4,174,907 A or British Pat. GB 1,358,157 becomes. Is a. radial surface profile available, it is advantageously approximately or exactly dimensioned like the Taylor swirl rings.
  • the Taylor reactor according to the invention is - viewed in the longitudinal direction - mounted vertically, horizontally or in a position between these two directions. Vertical storage is an advantage. If the Taylor reactor according to the invention is not mounted horizontally, the reaction medium can flow from bottom to top against the force of gravity or from top to bottom with the force of gravity. According to the invention, it is advantageous if the reaction medium 1 is moved against gravity.
  • the viscosity development of the reaction medium can be influenced by influencing the flow rate of the reaction medium through the reactor by varying the inflow rate to the inlet.
  • the reactor can therefore be used for various reaction mixtures.
  • the increase in the cross section of the reaction volume in the flow direction takes place continuously or discontinuously, in particular continuously, according to suitable mathematical functions.
  • suitable mathematical functions are straight lines, at least two straight lines that meet at an obtuse angle, parables, hyperbolas, e-functions or combinations of these functions that merge continuously or discontinuously, in particular continuously.
  • the mathematical functions are preferably straight lines, that is to say that the preferably annular-shaped cross section of the reaction volume widens more and more constantly in the flow direction in a first section than in a second section in which the cross section increases less, preferably is constant.
  • the extent of the increase depends on the expected increase in the viscosity of the reaction medium in the flow direction and can vary from Experts can be estimated using Taylor formula I and / or determined using simple preliminary tests.
  • the outer reactor wall can be cylindrical and the rotor can be conical, the rotor having the largest diameter on the inlet side.
  • the outer reaction wall may be tapered and the rotor cylindrical, i.e. that its cross-section is constant over the entire rotor length. It is advantageous according to the invention if the outer reactor wall is conical in a first region on the inlet side and cylindrical in a second region and the rotor is cylindrical.
  • the outlet arranged axially, i.e. If it opens into the reaction volume in the direction of the axis of rotation of the rotor, the feed of the educts and / or the process substances causes the flow in the reaction volume in the direction of the outlet and through the outlet.
  • the flow around the axis of rotation is also used as a driving force for removing the reaction products, in which the outlet opens into the volume of rotation at a radial distance from the axis of rotation.
  • the junction can be at any angle between the axis of rotation and the outlet line defined by the outlet. However, it is preferred if the outlet line and the axis of rotation form an angle between 0 ° and 90 °, i.e. the outlet opens into the volume of rotation transversely to the axis of rotation.
  • the outlet is approximately perpendicular to the axis of rotation in the confluence area, the proportion of the flow is around the Maximum axis of rotation on the driving force for removing the reaction products. It is then advantageous to design the end adjacent to the outlet in the manner of a pump rotor in order to generate as strong a current as possible about the axis of rotation in this area.
  • the inlet for the starting materials, in particular for the olefinically unsaturated monomers, and for suitable process materials, such as catalysts and initiators, above the reactor base.
  • the inlet can be arranged on the side or go through the reactor floor.
  • the starting materials can be fed to the feed using customary and known methods and devices, such as metering pumps.
  • the devices can be equipped with the aid of customary and known mechanical, hydraulic, optical and electronic measuring and control devices.
  • one of the mixing devices as described, for example, in German patent application DE 199 60 389 A1, column 4, line 55, to column 5, line 34, can be connected upstream of the feed.
  • an outlet area is provided which tapers in the flow direction towards a product outlet.
  • the front end of the rotor facing the outlet is designed such that the reaction volume opens into the production process at least substantially free of dead volume.
  • the outlet area and the product outlet are defined by the outer reactor wall.
  • the tapering of the outlet area can be described by the mathematical functions listed above, with straight lines being preferred. Accordingly, the outlet area preferably tapers conically.
  • the front end of the rotor is then preferably conical in order to achieve — as is preferred — that the cross section of the outlet region is essentially constant in the direction of the axis. This has the effect that dead volumes are avoided, but at the same time there is no disadvantageous back pressure.
  • the reactor wall in the inlet area, in the area of the annular gap-shaped reaction volume and in the outlet area as well as the inlet or the inlets and the product outlet can be equipped with a heating or cooling jacket, so that they can be heated or cooled in cocurrent or in countercurrent.
  • the Taylor reactor according to the invention is customary and known mechanical, hydraulic, optical and electronic measuring and control devices, such as temperature sensors, pressure meters, flow meters, optical or electronic sensors and devices for measuring substance concentrations, viscosities and other physico-chemical variables, which forward their measured values to a data processing system that controls the entire process.
  • the Taylor reactor according to the invention is preferably designed to be pressure-tight, so that the reaction medium can preferably be under a pressure of 1 to 100 bar.
  • the Taylor reactor according to the invention can consist of a wide variety of materials, as long as these are not attacked by the starting materials and the reaction products and can withstand higher pressures.
  • Metals preferably steel, in particular stainless steel, are preferably used.
  • the Taylor reactor according to the invention can be used for a wide variety of purposes. It is preferably used for material conversions in which the kinematic viscosity v in the reaction medium increases in the direction of flow.
  • Examples of substance conversions that can be carried out in the Taylor reactor according to the invention with particular advantages are the build-up or breakdown of oligomeric and high-molecular substances, such as. B. the polymerization of monomers in bulk, solution, emulsion or suspension or by precipitation polymerization.
  • polymer-analogous reactions such as the esterification, amidation or urethanization of polymers which contain side groups which are suitable for such reactions, the preparation of olefinically unsaturated materials which are curable with electron beams or ultraviolet light, the production of polyurethane resins and modified polyurethane resins such as acrylated polyurethanes, the production of (polyJureas or modified (poly) ureas, - the molecular weight build-up of compounds which are associated with
  • the process according to the invention is used with very particular advantage for the polymerization of olefinically unsaturated monomers in bulk, because the particular advantages of the Taylor reactor according to the invention are particularly open.
  • the Taylor reactor according to the invention is particularly preferably used for the production of chemically uniformly composed polymers and copolymers.
  • the more rapidly polymerizing comonomer or the more rapidly polymerizing comonomers can be metered in via feeds arranged one behind the other in the axial direction, so that the comonomer ratio can be kept constant over the entire length of the reactor.
  • the Taylor reactor is also used with particular advantage for the graft copolymerization.
  • the so-called backbone polymer can be prepared separately and metered into the Taylor reactor according to the invention via a separate feed or in a mixture with at least one monomer.
  • the backbone polymer can, however, also be produced in a first section of the Taylor reactor according to the invention, after which at least one monomer which forms the graft branches is metered in via at least one further feed which is offset in the axial direction.
  • the monomer or the comonomers can then be grafted onto the backbone polymer in at least one further section of the Taylor reactor according to the invention. If several comonomers are used, they can be metered in individually via one feed or as a mixture through one feed or several feeds. If at least two comonomers are metered in individually and in succession through at least two feeds, it is even possible to produce graft branches, which are block copolymers in their own right, in a particularly simple and elegant manner.
  • the production of core-shell latices can be realized particularly simply and elegantly with the help of the Taylor reactor according to the invention.
  • the core is first prepared by polymerizing at least one monomer. At least one further comonomer is metered in via at least one further feed and the shell is polymerized onto the core in at least one further section. In this way, several shells can be applied to the core.
  • Polymer dispersions can also be prepared with the aid of the Tylor reactor according to the invention.
  • at least one monomer in the homogeneous phase, in particular in solution is polymerized in a first section of the Taylor reactor (co) according to the invention, after which a precipitant is metered in via at least one further device, resulting in the polymer dispersion.
  • the Taylor reactor according to the invention has the particular advantage of a large specific cooling surface, which allows a particularly reliable reaction to be carried out.
  • the Taylor reactor according to the invention is very particularly preferred for the continuous production of (co) polymers, block copolymers and graft copolymers by free radical, anionic or cationic, in particular free radical, (co) polymerization, block mixed polymerization or
  • Graft copolymerization of at least one olefinically unsaturated monomer used in bulk by the process according to the invention.
  • Suitable monomers which are suitable for the process according to the invention are acyclic and cyclic, optionally functionalized monoolefins and diolefins, vinylaromatic compounds, vinyl ethers, vinyl esters, vinyl amides, vinyl halides, allyl ethers and allyl esters, acrylic acid, and methacrylic acid and their esters, amides and nitriles and maleic acid, Fumaric acid and itaconic acid and their esters, amides, imides and anhydrides.
  • maonoolefins examples include ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene, cyclobutene, cyclopentene, dicyclopentene and cyclohexene.
  • diolefins examples include butadiene, isoprene, cyclopentadiene and cyclohexadiene.
  • vinyl aromatic compounds examples include styrene, alpha-methyl styrene, 2-, 3- and 4-chloro, methyl, ethyl, propyl and butyl and tert-butyl styrene and alpha-methyl styrene.
  • An example of a suitable vinyl compound or a functionalized olefin is vinylcyclohexanediol.
  • Suitable vinyl ethers are methyl, ethyl, propyl, butyl and pentyl vinyl ether, allyl monopropoxylate and trimethylolpropane mono, di and triallyl ether.
  • Suitable vinyl esters are vinyl acetate and propionate and the vinyl esters of versatic acid and other quaternary acids.
  • Suitable vinylamides are N-methyl-, N, N-dimethyl-, N-ethyl-, N-propyl-, N-butyl-, N-amyl-, N-cyclopentyl- and N-cyclohexylvinylamide as well as N-vinylpyrrolidone and - epsilon-caprolactam.
  • Suitable vinyl halides are vinyl fluoride and chloride.
  • suitable vinylidene halides are vinylidene fluoride and vinyl chloride.
  • Suitable allyl ethers are methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, phenyl and glycidyl monoallyl ethers.
  • Suitable allyl esters are allyl acetate and propionate.
  • esters of acrylic acid and methacrylic acid are methyl, ethyl, propyl, n-butyl, isobutyl, n-pentyl, n-hexyl, 2-ethyl-hexyl, isodecyl, decyl and cyclohexyl , t-Butylcyclohexyl, norbonyl, isobornyl, 2- and 3-hydroxypropyl, 4-hydroxybutyl,
  • Trimethylolpropane mono-, pentaerythritol mono- and glycidyl (meth) acrylate Trimethylolpropane mono-, pentaerythritol mono- and glycidyl (meth) acrylate.
  • di-, tri- and tetra (meth) acrylates of ethylene glycol, di-, tri- and tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, butylene glycol, dibutylene glycol, glycerol,
  • Trimethylolpropane and pentaerythritol into consideration. However, they are not used alone, but always in minor amounts together with the monofunctional monomers.
  • Suitable amides of acrylic acid methacrylic acid are (meth) acrylic acid amide and (meth) acrylic acid-N-methyl-, -N, N-dimethyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N -amyl-, -N-cyclopentyl- and -N-cyclohexylamide.
  • Suitable nitriles are acrylonitrile and methacrylonitrile.
  • Maleic acid, fumaric acid and itaconic acid are maleic acid, fumaric acid and itaconic acid dimethyl, diethyl, dipropyl and dibutyl esters, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid diamide, Maleic acid, fumaric acid and itaconic acid-N, N 'dimethyl, N, N, N', N ⁇ - tetamethyl-, -N N 'diethyl, N, N', dipropyl, -N , N ' -dibutyl-, -N, N'-diamyl-, - N, N'-dicyclopentyl- and -N, N ' -dicyclohexylamide, maleic, fumaric and itaconic amide and maleic, fumaric and itaconic acid N -methyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl
  • the monomers described above can be polymerized by radical, cationic or anionic polymerization. They are advantageously polymerized by free radicals.
  • the usual and known inorganic radical initiators or initiators such as
  • butyl hydroperoxide e.g. B. tert-butyl perbenzoate, tert.
  • 2-ethylhexanoate 2-ethylhexanoate
  • Bisazo compounds such as azobisisobutyronitrile
  • C-C starters such as 2,3-dimethyl-2,3-diphenyl-butane or hexane
  • styrene can also be used, which initiates polymerization thermally even without a radical initiator.
  • At least one of the monomers described above is metered in via a lateral inlet into the inlet region of the Taylor reactor according to the invention.
  • At least one of the radical initiators or initiators described above is preferably metered in together with at least one monomer via a further side feed.
  • the monomer or monomers are at least partially polymerized in the reaction volume under the conditions of the Taylor flow.
  • the resulting liquid polymer is conveyed from the reaction volume in the form of an annular gap into the outlet area and from there into the product outlet and discharged via the pressure-maintaining valve.
  • the conditions for the Taylor flow are preferably met in part of the annular gap-shaped reaction volume or in the entire annular gap-shaped reaction volume, in particular in the entire annular gap-shaped reaction volume.
  • the temperature of the reaction medium can vary widely in the process according to the invention and depends in particular on the monomer with the lowest decomposition temperature, on the temperature at which the depolymerization begins, and on the reactivity of the monomer or monomers and the initiators.
  • the polymerization is preferably carried out at temperatures from 100 to 200, preferably 130 to 180 and in particular 150 to 180 ° C.
  • the polymerization can be carried out under pressure.
  • the pressure is preferably 1 to 100, preferably 1 to 25 and in particular 1 to 15 bar.
  • the throughput time can vary widely and depends in particular on the reactivity of the monomers and the size, in particular the length, of the Taylor reactor according to the invention.
  • the throughput time is preferably 15 minutes to 2 hours, in particular 20 minutes to 1 hour.
  • conversions> 80, preferably> 90, particularly preferably> 95, very particularly preferably> 98 and in particular> 98.5 mol% can be achieved without problems.
  • the kinematic viscosity v can increase at least tenfold, in particular at least a hundredfold.
  • the molecular weight of the polymers prepared using the process according to the invention can vary widely and is essentially limited only by the maximum kinematic viscosity v at which the Taylor reactor according to the invention can maintain the conditions of the Taylor flow.
  • the number average molecular weights of the polymers prepared in the process according to the invention are preferably 800 to 50,000, preferably 1,000 to 25,000 and in particular 1,000 to 10,000 Daltons.
  • the non-uniformity of the molecular weight is preferably ⁇ 10, in particular ⁇ 8.
  • Fig. 1 schematically - an embodiment of a Taylor reactor according to the invention according to the first alternative of the invention in longitudinal section;
  • Fig. 2 shows another embodiment of an inventive Taylor reactor according to the first alternative of the invention in one
  • FIG. 1 corresponding representation
  • 3 shows an embodiment of a Taylor reactor according to the invention in accordance with the second alternative of the invention in a view corresponding to FIG. 1;
  • Fig. 4 shows an embodiment of a Taylor reactor according to the invention, in which both alternatives of the invention are implemented, in a view corresponding to Fig. 1 and 2.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a Taylor reactor according to the invention according to the third alternative of the invention in a view corresponding to Fig. 1 and
  • FIG. 6 shows a section along section line VI - VI in FIG. 5
  • the Taylor reactor designated 100 as a whole in FIG. 1 comprises a reactor housing 103, the lower region of which, as shown in FIG. 1, which corresponds to the normal operating position of the Taylor reactor 100, is designed as an application region 108.
  • the part 103.2 of the reactor housing 103 adjoining the inlet region 108 is designed to widen conically up to the point 103.3, so that the cross section of the reaction volume 102 increases in the part 103.2.
  • a cylindrical part 103.4 of the reactor housing 103 which extends beyond the upper end face 104.2 of the rotor 104.
  • the cylindrical part 103.4 is followed by a funnel-shaped outlet area 109 which opens into an outlet 110 which serves to discharge the reaction products.
  • the outlet 110 is a
  • Pressure-maintaining valve 111 is connected downstream, with which the reaction media in the reaction volume can be kept under a predeterminable pressure.
  • the rotor 104 is mounted rotatably about an axis A on the inlet-side end wall 105 shown in FIG. 1 below.
  • a drive shaft 107 which is passed through the end wall 105 and is connected to a rotary drive (not shown in the drawing), for example an electric motor, is used to introduce a torque causing the rotation into the rotor 104.
  • the sealing of the reaction volume 102 in the area of the passage of the drive shaft 107 through the end wall 105 is provided by a mechanical seal 106 which is arranged between the end 104. 1 of the rotor 104 shown in the drawing below and the end wall 105.
  • one or more inlets can be equipped with mixing devices 112.
  • the design of the reactor housing 103 and the rotor 104 has the effect that the cross section of the reaction volume in the reactor housing part 103.2, seen from the inlet to the outlet, initially increases, but the increase from the point 103.3, however, in the exemplary embodiment illustrated to the Value 0 - decreases to the outlet in the cylindrical housing part 103.4.
  • FIG. 2 The exemplary embodiment shown in FIG. 2 is largely identical in its technical configuration with that according to FIG. 1 match. In order to avoid repetitions, only the differences will be explained below. Components corresponding to the exemplary embodiment from FIG. 1 are provided with reference numerals increased by 100.
  • the reactor housing 203 is designed to widen conically up to the outlet region 209.
  • the rotor 204 which is cylindrical in the lower region according to FIG. 2, has a point 204.3 from which it merges into a region 204.4 which widens conically towards the outlet region 209.
  • the taper corresponds to that of the reactor housing 203, so that the cross section of the reaction volume remains constant from the point 204 to the upper end of the rotor.
  • the reactor housing 303 of the Taylor reactor 301 is designed to widen conically from the inlet region 308 to the outlet region 309.
  • the rotor 304 has a cylindrical shape which merges into a cone 313 at the point 304.3.
  • the cone angle d is selected such that the cone surface 314 runs parallel to the wall 303.4 of the reactor housing 303 delimiting the outlet region 309. In this way it is achieved that the reaction volume. opens into the outlet 310 at least substantially free of dead volume. This will take effect avoided that 304 parts of the reaction medium are deposited above the rotor, which would lead to an undesired further polymerization by extending the residence time in the reactor.
  • Fig. 4 shows a particularly preferred embodiment of a Taylor reactor according to the invention, in which both alternatives of the invention are realized.
  • the Taylor reactor now designated 401, comprises a reactor housing 403 which corresponds to that shown in FIG. 1.
  • the rotor 404 - like that in FIG. 3 - is provided with a cone 413 at its upper end.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)
  • Polymerisation Methods In General (AREA)

Abstract

Bei dem Taylorreaktor sind gemäß einer ersten Alternative der Erfindung das Reaktorgehäuse (401) und/oder der Rotor (404) derart ausgestaltet, dass der Querschnitt des Reaktionsvolumens vom Einlass zum Auslass zumindest zunächst ansteigt, der Anstieg in Richtung des Auslasses zumindest über einen Teil der Länge des Rotors abnimmt. Gemäß einer zweiten Alternative der Erfindung, die auch zusätzlich zu der ersten Anwendung finden kann, ist das stirnseitige Ende des Rotors derart ausgebildet, dass das Reaktionsvolumen zumindest im wesentlichen totvolumenfrei in den Auslass mündet.

Description

Taylorreaktor für Stoffumwandlungen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Taylorreaktor für physikalische und/oder chemische Stoffumwandlungen, in deren Verlauf eine Erhöhung der Viskosität des Reaktionsmediums eintritt. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Stoffumwandlung mittels des Taylorreaktors sowie die Verwendung der nach dem neuen Verfahren hergestellten Stoffe.
Taylorreaktoren, die der Umwandlung von Stoffen unter den Bedingungen der Taylor-Wirbelströmung dienen, sind seit langem bekannt. Sie bestehen in ihrer ursprünglichen Ausführungsform aus zwei koaxialen, konzentrisch angeordneten Zylindern, von denen der äußere feststehend ist und der innere rotiert. Als Reaktionsraum dient das Volumen, das zwischen der inneren Umfangsfläche des äußeren Zylinders und der äußeren Umfangsfläche des inneren Zylinders gebildet wird. Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit des inneren Zylinders treten eine Reihe unterschiedlicher Strömungsformen auf, die durch eine dimensionslose Kennzahl, die sogenannte Taylor-Zahl Ta, charakterisiert sind. Die Taylor-Zahl ist zusätzlich zur Winkelgeschwindigkeit des den Rotor bildenden inneren Zylinders auch noch abhängig von der kinematischen Viskosität des Fluids im Reaktionsvolumen und von den geometrischen Parametern, dem äußeren Radius des Innenzylinders R,, dem inneren Radius des Außenzylinders, gemäß der folgenden Formel:
mit d = ra - n.
Bei niedriger Winkelgeschwindigkeit bildet sich die laminare Couette- Strömung, eine einfache Scherströmung, aus. Wird die
Rotationsgeschwindigkeit des Innenzylinders weiter erhöht, treten oberhalb eines kritischen Werts abwechselnd entgegengesetzt rotierende (kontrarotierende) Wirbel mit Achsen längs der Umfangsrichtung auf. Diese sogenannten Taylor-Wirbel sind rotationssymmetrisch, besitzen die geometrische Form eines To s (Taylor-Wirbeiringe) und haben einen Durchmesser, der annähernd so groß ist wie die Spaltbreite. Zwei benachbarte Wirbel bilden ein Wirbelpaar oder eine Wirbelzelle.
Dieses Verhalten beruht darauf, dass bei der Rotation des Innenzylinders mit ruhendem Außenzylinder die Fluidpartikel nahe des Innenzylinders einer stärkeren Zentrifugalkraft ausgesetzt sind als diejenigen, die weiter vom inneren Zylinder entfernt sind. Dieser Unterschied der wirkenden Zentrifugalkräfte drängt die Fluidpartikel vom Innen- zum Außenzylinder. Der Zentrifugalkraft wirkt die Viskositätskraft entgegen, da bei der Bewegung der Fluidpartikel die Reibung überwunden werden muß. Nimmt die Rotationsgeschwindigkeit zu, dann nimmt auch die Zentrifugalkraft zu. Die Taylor-Wirbel entstehen, wenn die Zentrifugalkraft größer als die stabilisierende Viskositätskraft wird.
Wird der Taylorreaktor mit einem Zu- und Ablauf versehen und kontinuierlich betrieben, resultiert eine Taylor-Wirbelströmung mit einem geringen axialen Strom. Dabei wandert jedes Wirbelpaar durch den Spalt, wobei nur ein geringer Stoffaustausch zwischen benachbarten Wirbelpaaren auftritt. Die Vermischung innerhalb solcher Wirbelpaare ist sehr hoch, wogegen die axiale Vermischung über die Paargrenzen hinaus nur sehr gering ist. Ein Wirbelpaar kann daher als gut durchmischter Rührkessel betrachtet werden. Das Strömungssystem verhält sich somit wie ein ideales Strömungsrohr, indem die Wirbelpaare mit konstanter Verweilzeit wie ideale Rührkessel durch den Spalt wandern. Ändert sich aber die Viskosität v des Fluids mit fortschreitender Umwandlung in axialer Durchflussrichtung so stark, wie dies bei der Polymerisation in Masse der Fall ist, verschwinden die Taylor-Wirbel oder bleiben ganz aus. Im Ringspalt ist dann noch die Couette- Strömung, eine konzentrische, laminare Schichtenströmung, zu beobachten. Hier kommt es zu einer unerwünschten Veränderung der Durchmischungs- und Strömungsverhältnisse im Taylorreaktor. Er weist in diesem Betriebszustand Strömungscharakteristika auf, die denen des laminar durchströmten Rohres ^vergleichbar sind, was ein erheblicher Nachteil ist. So kommt es beispielsweise bei der Polymerisation in Masse zu einer unerwünscht breiten Molmassenverteilung und chemischen Uneinheitlichkeit der Polymerisate. Außerdem können aufgrund der schlechten Reaktionsführung erhebliche Mengen an Restmonomeren resultieren, welche dann aus dem Taylorreaktor ausgetragen werden müssen. Es kann aber auch zur Koagulation und Ablagerung von Polymerisaten kommen, was unter Umständen sogar zum Verstopfen des Reaktors oder des Produktauslasses führen kann. Insgesamt können nicht mehr die gewünschten Produkte, wie etwa Polymerisate mit vergleichsweise enger Molmassenverteilung, erhalten werden, sondern nur solche, die in Ihrem Eigenschaftsprofil den Anforderungen nicht entsprechen.
Aus der DE 198 28 742 A1 ist ein Taylorreaktor bekannt, bei dem zur Lösung dieser Probleme
a) eine äußere Reaktorwand und ein. hierin befindlicher konzentrisch angeordneter Rotor, ein Reaktorboden und ein Reaktordeckel, welche zusammen das ringspaltförmige Reaktionsvoiumen definieren,
b) mindestens eine Vorrichtung zur Zudosierung von Edukten sowie c) eine Vorrichtung für den Produktablauf
vorgesehen sind, wobei sich das ringspaltförmige Reaktionsvolumen in Durchflussrichtung verbreitert, insbesondere konisch verbreitert/Dadurch vermag der bekannte Taylorreaktor das Problem der Aufrechterhaltung der Taylorströmung bei starker Erhöhung der kinematischen Viskosität v im Reaktionsmedium im wesentlichen zu lösen.
Bei diesem bekannten Taylorreaktor wird das ringspaltförmige Reaktionsvolumen durch den konzentrisch angeordneten Rotor, den Reaktorboden und den Reaktordeckel definiert. Dies bedingt, dass der Produktauslass seitlich am Taylorreaktor oder im Reaktordeckel angeordnet werden muss und nicht kantenlos gestaltet werden kann. Mit dieser Konfiguration kann aber ein störungsfreier Produktauslass nur schlecht realisiert werden.
Wegen des nachteiligen Zusammenwirkens von Strömung und geometrischer Konfiguration vermag der bekannte Taylorreaktor zum einen noch nicht alle sicherheitstechnischen und verfahrenstechnischen . Probleme, die bei der Polymerisation in Masse auftreten, zu lösen und zum anderen ist es noch nicht möglich, den Umsatz der Monomeren so weit zu erhöhen, dass eine weitgehende Monomerfreiheit und eine enge Molekulargewichtverteilung und Uneinheitlichkeit des Molekulargewichts der Polymerisate erzielt wird.
Das Problem einer nicht ausreichenden Durchmischung der Edukte kann zwar bis zu einem gewissen Umfang durch die Vorschaltung eines
Mischaggregats vor den Zulauf der Edukte gelöst werden, wie dies in der deutschen Patentanmeldung DE 199 60 389 A1 beschrieben wird, indes treten die vorstehend geschilderten Probleme bei der Polymerisation in Masse nach wie vor auf.
Aus dem amerikanischen Patent US 4,174,097 ist ein Taylorreaktor bekannt, bei dem der Rotor im Einlassbereich der Edukte drehbar gelagert ist. Der Rotor ist an seinem anderen Ende nicht gelagert, sondern endet im wesentlichen vor dem Auslassbereich, der an seiner breitesten Stelle denselben Durchmesser wie die äußere Reaktorwand hat. Der Auslassbereich verengt sich trichterförmig zu einem Auslassrohr. Der bekannte Taylorreaktor dient dem Durchmischen von Flüssigkeiten von unterschiedlicher Viskosität und elektrischer Leitfähigkeit. Ausserdem kann er der Umsetzung von Polysocyanaten mit Polyolen dienen. Inwieweit er für die Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere in Masse eingesetzt werden kann, geht aus dem amerikanischen Patent nicht hervor.
Bei dem bekannten Taylorreaktor erfolgen die Durchführung der Antriebswelle durch den Reaktorboden und die Verbindung mit dem Rotor im Einlassbereich der Edukte. Allerdings verbreitert sich das ringspaltförmige Reaktionsvolumen nicht in Durchflussrichtung. Zwar wird in dem amerikanischen Patent in Spalte 10, Zeilen 29 bis 33, angegeben, dass die konzentrischen Teile auch andere Konfigurationen als zylindrische haben können, beispielsweise im wesentlichen sphärische oder konische, welche Konfigurationen für die Polymerisation in Masse von besonderem Vorteil sind, wird aber nicht gelehrt.
Zwar gelang es mit den ein sich in Durchflussrichtung verbreiterndes
Reaktionsvolumen aufweisenden Taylorreaktoren, die monomeren
Umsätze zu erhöhen und die Bildung von Gelteilchen zu reduzieren, bei der Herstellung von Polyacryiatharzen zeigten sich Polydispersitäten >3. Umsätze >99 % konnten nur realisiert werden, wenn ein gewisser Gehalt an Acrylatmonomeren enthalten war.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, die Polydispersitäten bei gleichzeitiger Erhöhung . der Umsätze zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1, 10 und 13 wiedergegebenen Taylorreaktoren gelöst. Wenn im folgenden von "Taylorreaktor" die Rede ist, so soll damit zum Ausdruck gebracht werden, dass in Richtung der Rotationsachse des Rotors gesehen - mit anderen Worten: in Durchflussrichtung des Reaktionsmediums - zumindest über einen Teilbereich des Reaktionsvolumens Taylorwirbel während des Betriebes des Reaktors entstehen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit einem Taylorreaktor, bei dem das Reaktorgehäuse und/oder der Rotor derart ausgestaltet sind, dass der Querschnitt des Reaktionsvölumens vom Einlass zum Auslass zumindest zunächst ansteigt, der Anstieg in Richtung des Auslasses - d.h. in Durchflussrichtung des Reaktionsmediums - zumindest über einen Teil der Länge des Rotors jedoch abnimmt, die Polydispersitäten deutlich reduziert werden können. Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt ist die Reduzierung oder sogar Vermeidung von Kurzschlußströmungen an den das Reaktionsvolumen begrenzenden Rändern, die entstehen können, wenn die Taylorwirbel sich nicht bis zu den Rändern erstrecken. Unter "Kurzschlußstrom" ist somit ein Strom innerhalb des Reaktors in Durchflußrichtung der Reaktionsmedien unter teilweiser Umgehung des Mischprozesses und somit Reduzierung der Verweildauer im Reaktor, die zu geringeren Polymerisationsgraden führt, zu verstehen. Versuche haben gezeigt, dass der erfindungsgemäß Taylorreaktor überraschenderweise für alle Stoffumwandlungen geeignet ist, bei denen sich . die kinematische Viskosität v des Reaktionsmediums in Durchflussrichtung stark änderte.
Vor allem ist es überraschend, dass der erfindungsgemäße Taylorreaktor und das erfindungsgemäße Verfahren die radikalische, anionische und kationische (Co)Polymerisation, Pfropfmischpolymerisation und Blockmischpolymerisation (zusammenfassend » Polymerisation « genannt) von olefinisch ungesättigten Monomeren in Masse mit Umsätzen >70 Mol% gestattet. Noch mehr überrascht, dass Umsätze >98 Mol% problemlos erzielt werden können, ohne dass es in dem erfindungsgemäßen Taylorreaktor zur Bildung von störenden Gasblasen und/oder der Ablagerung und von (Co)Polymerisaten, Pfropfmischpolymerisaten und Blockmischpolymerisaten
(zusammenfassend » Polymerisate « genannt) kommt.
Des weiteren überrascht, dass der er indungsgemäße Taylorreaktor und das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders sichere Reaktionsführung der Polymerisation in Masse gestattet, weswegen die Polymerisate sehr sicher, zuverlässig und reproduzierbar hergestellt werden können. Aufgrund der sehr niedrigen Monomergehalte der Polymerisate können sie ohne weitere Reinigung den unterschiedlichsten Anwendungszwecken zugeführt werden, ohne dass dabei sicherheitstechnische, verfahrenstechnische toxikologische und ökologische Probleme und Geruchsbelästigungen auftreten.
Der erfindungsgemäße Taylorreaktor umfasst vorzugsweise ein ringspaltförmiges Reaktionsvolumen, das vorzugsweise einen kreisförmigen Umfang hat. Das ring- spaltförmige Reaktionsvolumen ist definiert durch bzw. wird gebildet von einer äußeren Reaktorwand sowie einem hierin konzentrisch angeordneten Rotor, der um die Rotationsachse rotierbar angeordnet ist.
Die äußere Reaktorwand und der Rotor weisen über die gesamte Länge des Reaktionsvolumens hinweg - im Querschnitt gesehen - einen kreisförmigen Umfang auf. Unter dem Begriff » kreisförmig « ist streng kreisförmig, oval, elliptisch oder mehr-eckig mit abgerundeten Ecken zu verstehen. Aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit, des einfachen Aufbaus und der bedeutend einfacheren Aufrechterhaltung konstanter Bedingungen über die gesamte Länge des ringspaltförmigen Reaktionsvolumens hinweg ist ein streng kreisförmiger Umfang von Vorteil.
Die Innenwand der äußeren Reaktorwand und/oder die Oberfläche des Rotors kann glatt oder rauh sein, d.h. die betreffenden Flächen können eine geringe oder hohe Oberflächenrauhigkeit haben. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Innenwand der äußeren Reaktorwand und/oder die Oberfläche des Rotors ein reliefartiges radiales und/oder axiales, vorzugsweise radiales, Oberflächenprofil aufweisen, wie es beispielsweise in dem amerikanischen Patent US 4,174,907 A oder dem britischen Patent GB 1 358 157 beschrieben wird. Ist ein. radiales Oberflächenprofil vorhanden, ist es vorteilhafterweise in etwa oder genau so dimensioniert wie die Taylor-Wirbelringe.
Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Innenwand der äußeren Reaktorwand und die Oberfläche des Rotors glatt und profillos sind, um tote Winkel, in denen sich Gasblasen oder Edukte, Prozessstoffe und Produkte absetzen könnten, zu vermeiden. Der er indungsgemäße Taylorreaktor ist - in Längsrichtung gesehen - vertikal, horizontal oder in einer Lage zwischen diesen beiden Richtungen gelagert. Von Vorteil ist die vertikale Lagerung. Wenn der erfindungsgemäße Taylorreaktor nicht horizontal gelagert ist, kann ihn das Reaktionsmedium entgegen der Schwerkraft von unten nach oben oder mit der Schwerkraft von oben nach unten durchströmen. Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn das Reaktionsmedium l entgegen der Schwerkraft bewegt wird.
Durch Beeinflussung der Durchtrittsgeschwindigkeit des Reaktionsmediums durch den Reaktor durch Variation der Zuflussrate zum Einlass ist die Viskositätsentwicklung des Reaktionsmediums beeinflussbar. Der Reaktor ist daher für verschiedene Reaktionsgemische einsetzbar.
Erfindungsgemäß erfolgt die Abnahme des Anstiegs des Querschnitts des Reaktionsvolumens in Durchflussrichtüng kontinuierlich oder diskontinuierlich, insbesondere kontinuierlich, nach geeigneten mathematischen Funktionen. Beispiele geeigneter mathematischer Funktionen sind Geraden, mindestens zwei Geraden, die unter einem stumpfen Winkel aufeinander stoßen, Parablen, Hyperbeln, e-Funktionen oder Kombinationen dieser Funktionen, die kontinuierlich oder diskontinuierlich, insbesondere kontinuierlich, ineinander übergehen. Vorzugsweise sind die mathematischen Funktionen Geraden, d.h. dass sich der vorzugsweise ringspaltförmige Querschnitt des Reaktionsvolumens in Durchflussrichtung in einem ersten Abschnitt stärker konstant verbreitert als in einem zweiten Abschnitt, in dem der Querschnitt sich weniger vergrößert, vorzugsweise konstant ist. Das Ausmaß der Vergrößerung richtet sich nach dem erwarteten Anstieg der Viskosität des Reaktionsmediums in Durchflussrichtüng und kann vom Fachmann anhand der Taylorformel I abgeschätzt und/oder anhand einfacher Vorversuche ermittelt werden.
Bei der Vergrößerung des Querschnitts des ringspaltförmigen Reaktionsvolumens können die äußere Reaktorwand zylinderförmig und der Rotor konisch geformt sein, wobei der Rotor einlassseitig den größten Durchmesser hat. Alternativ können die äußere Reaktionswand konisch geformt und der Rotor zylinderförmig sein, d.h. dass sein Querschnitt über die gesamte Rotorlänge hinweg konstant ist. Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn die äußere Reaktorwand in einem ersten einlassseitigen Bereich konisch und in einem zweiten Bereich zylindrisch geformt und der Rotor zylinderförmig ist.
Ist der Auslass axial angeordnet, d.h. mündet er in das Reaktionsvolumen in Richtung der Drehachse des Rotors, so bewirkt die Zufuhr der Edukte und/oder der Prozessstoffe die Strömung in dem Reaktionsvolumen in Richtung des Auslasses und durch den Auslass.
Bei einer weiteren konstruktiven Gestaltung eines Taylorreaktors wird auch die Strömung um die Drehachse als Triebkraft zur Abfuhr für die Reaktionsprodukte genutzt, in dem der Auslass radial beabstandet von der Drehachse in das Rotationsvolumen mündet.
Die Einmündung kann in beliebigen Winkeln zwischen der Drehachse und der durch den Auslass definierten Auslasslinie erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn Auslasslinie und Drehachse einen Winkel zwischen 0° und 90° bilden, d.h. der Auslass quer zur Drehachse in das Rotationsvolumen einmündet.
Insbesondere dann, wenn der Auslass etwa senkrecht zur Drehachse im Einmündungsbereich verläuft, wird der Anteil der Strömung um die Drehachse an der Treibkraft zur Abfuhr der Reaktionsprodukte maximal. Es ist dann von Vorteil, das dem Auslass benachbarte Ende nach der Art eines Pumpenrotors auszubilden, um einen möglichst starken Strom um die Drehachse in diesen Bereich zu erzeugen.
Dies ist ohne negative Auswirkungen auf den Reaktionsvorgang in den Reaktor möglich, da hier aufgrund der hohen Viskosität und des bereits erzielten Stoffumsatzes von ca. 99 % Taylorwirbel bzw. Reaktionsvorgänge nicht mehr erforderlich sind.
Im engsten Bereich des ringspaltförmigen Reaktionsvolumens befindet sich oberhalb des Reaktorbodens mindestens ein Zulauf für die Edukte, insbesondere für die olefinisch ungesättigten Monomere, sowie für geeignete Prozessstoffe, wie Katalysatoren und Initiatoren. Der Zulauf kann seitlich angeordnet oder durch den Reaktorboden gehen. Vorzugsweise sind mindestens zwei Zuläufe vorhanden, die seitlich angeordnet sind und/oder durch den Reaktorboden gehen. Gegebenenfalls können in Durchflussrichtung weitere Zuläufe vorgesehen sein, durch die weitere Edukte, Katalysatoren oder Initiatoren zudosiert werden können, so dass die Stoff-umwandlungen, insbesondere die Polymerisation, mehrstufig durchgeführt werden können.
Die Edukte können dem Zulauf mit Hilfe üblicher und bekannter Verfahren und Vorrichtungen, wie Dosierpumpen, zugeführt werden. Die Vorrichtungen können mit Hilfe üblicher und bekannter mechanischer, hydraulischer, optischer und elektronischer Mess- und Regelvorrichtungen ausgestattet sein. Außerdem kann dem Zulauf eine der Mischvorrichtungen, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 199 60 389 A1 , Spalte 4, Zeile 55, bis Spalte 5, Zeile 34, beschrieben werden, vorgeschaltet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Taylorreaktor gemäß Anspruch 10 ist ein Auslassbereich vorgesehen, der sich in Durchflussrichtung zu einem Produktablauf hin verjüngt.
Das stirnseitige, dem Auslass zugewandte Ende des Rotors ist derart ausgebildet, dass das Reaktionsvolumen zumindest im wesentlichen totvolumenfrei in dem Produktionsablauf mündet.
Der Auslassbereich und der Produktablauf sind durch die äußere Reaktorwand definiert.
Die Verjüngung des Auslassbereichs kann durch die vorstehend aufgeführten mathematischen Funktionen beschrieben werden, wobei Geraden bevorzugt sind. Demgemäß verjüngt sich der Auslassbereich vorzugsweise konisch. Dann ist das stirnseitige Ende des Rotors vorzugsweise kegelförmig ausgebildet, um - wie bevorzugt - zu erreichen, dass in Richtung der Achse der Querschnitt des Auslassbereichs im wesentlichen konstant ist. Hierdurch wird bewirkt, dass Totvolumina vermieden werden, gleichzeitig aber kein nachteiliger Staudruck entsteht.
Die Reaktorwand im Einlassbereich, im Bereich des ringspaltförmigen Reaktionsvolumens und im Auslassbereich sowie der Zulauf oder die Zuläufe und der Produktablauf können mit einem Heiz- oder Kühlmantel ausgerüstet sein, so dass sie im Gleich- oder im Gegenstrom geheizt oder gekühlt werden können. Des weiteren kann der erfindungsgemäß Taylorreaktor übliche und bekannte mechanische, hydraulische, optische und elektronische Mess- und Regelvorrichtungen, wie Temperaturfühler, Druckmesser, Durchflussmesser, optische oder elektronische Sensoren und Vorrichtungen zur Messung von Stoffkonzentrationen, Viskositäten und anderen physikalisch chemischen Größen enthalten, die ihre Messwerte an eine Datenverarbeitungsanlage weiterleiten, die den gesamten Verfahrensablauf steuert.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Taylorreaktor druckdicht ausgelegt, so dass das Reaktionsmedium vorzugsweise unter einem Druck von 1 bis 100 bar stehen kann. Der erfindungsgemäße Taylorreaktor kann aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen, solange diese von den Edukten und den Reaktionsprodukten nicht angegriffen werden und höherem Druck standhalten. Vorzugsweise werden Metalle, vorzugsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, verwendet.
Der erfindungsgemäße Taylorreaktor kann den unterschiedlichsten Verwendungszwecken zugeführt werden. Vorzugsweise wird er für Stoffumwandlungen verwendet, bei denen sich die kinematische Viskosität v im Reaktionsmedium in Durchflussrichtung erhöht.
Beispiele für Stoffumwandlungen, die in dem erfindungsgemäßen Taylorreaktor mit besonderen Vorteilen durchgeführt werden können, sind der Aufbau oder Abbau oligomerer und hochmolekularer Stoffe, wie z. B. die Polymerisation von Monomeren in Masse, Lösung, Emulsion oder Suspension oder durch Fällungspolymerisation.
Weitere Beispiele für solche Stoffumwandlungen sind
polymeranaloge Reaktionen, wie die Veresterung, Amidierung oder Uretha- nisierung von Polymeren, welche Seitengruppen enthalten, die für solche Reaktionen geeignet sind, die Herstellung olefinisch ungesättigter, mit Elektronenstrahlen oder ultraviolettem Licht härtbaren Materialien, die Herstellung von Polyurethanharzen und modifizierten Polyurethanharzen wie acrylierten Polyurethanen, die Herstellung von (PolyJHarnstoffen oder modifizierten (Poly)Hamstoffen, - der Molekulargewichtsaufbau von Verbindungen, welche mit
Isocyanatgruppen terminiert sind, oder Reaktionen, welche zur Bildung von Mesosphasen führen, wie sie beispielsweise von Antonietti und Göltner in dem Artikel "Überstruktur funktioneller Kolloide: eine Chemie im Nanometerbereich" in Angewandte Chemie, Band 109, 1997,
Seiten 944 bis 964, oder von Ober und Wengner in dem Artikel "Polyelectrolyte-Surfactant Complexes in the Solid State: Facile Building Blocks for Self-Organizing Materials" in Advanced Materials, Band 9, Heft 1 , 1997, Seiten 17 bis 31, beschrieben werden.
Mit ganz besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren für die Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren in Masse angewandt, weil hierbei die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Taylorreaktors besonders offen zu Tage treten.
So wird der erfindungsgemäße Taylorreaktor besonders bevorzugt für die Herstellung von chemisch einheitlich zusammengesetzten Polymerisaten und Copolymerisaten verwendet. Bei der Copolymerisation kann das schneller polymerisierende Comonomere oder können die schneller polymerisierenden Comonomeren über in axialer Richtung hintereinander angeordnete Zuläufen zudosiert werden, so dass das Comonomerenverhältnis über die gesamte Länge des Reaktors hinweg konstant gehalten werden kann. Auch für die Pfropfmischpolymerisation wird der Taylorreaktor mit besonderem Vorteil verwendet.
Hierbei kann das sogenannte Backbone-Polymerisat separat hergestellt und über einen separaten Zulauf oder im Gemisch mit mindestens einem Monomeren in den erfindungsgemäßen Taylorreaktor eindosiert werden.
Das Backbone-Polymerisat kann aber auch in einem ersten Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors hergestellt werden, wonach über mindestens einen weiteren, in axialer Richtung versetzten Zulauf mindestens ein Monomer, welches die Pfropfäste bildet, zudosiert wird. Das Monomer kann oder die Comonomeren können dann in mindestens einem weiteren Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors auf das Backbone-Polymerisat aufgepfropft werden. Sofern mehrere Comonomere verwendet werden, können sie einzeln über jeweils einen Zulauf oder als Gemisch durch einen Zulauf oder mehrere Zuläufe zudosiert werden. Werden mindestens zwei Comonomere einzeln und nacheinander durch mindestens zwei Zuläufe zudosiert, gelingt sogar die Herstellung von Pfropfästen, welche für sich selbst gesehen Blockmischpolymerisate sind, in besonders einfacher und eleganter Weise.
Selbstverständlich kann dieses vorstehend beschriebene Konzept auch der Herstellung von Blockmischpolymerisaten als solchen dienen.
In analoger Weise kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Taylorreaktors die Herstellung von Kern-Schale-Latices besonders einfach und elegant verwirklicht werden. So wird zunächst im ersten Teilstück des erfindungsgemäßen Tylorreaktors der Kern durch Polymerisation mindestens eines Monomeren hergestellt. Über mindestens einen weiteren Zulauf wird mindestens ein weiteres Comonomer zudosiert und die Schale in mindestens einem weiteren Teilstück auf den Kern aufpolymerisiert. In dieser Weise können mehrere Schalen auf den Kern aufgebracht werden.
Auch die Herstellung von Polymerdispersionen kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Tylorreaktors erfolgen. Beispielsweise wird mindestens ein Monomer in homogener Phase, insbesondere in Lösung, in einem ersten Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors (co)polymerisiert, wonach über mindestens eine weitere Vorrichtung ein Fällungsmittel zudosiert wird, wodurch die Polymerdispersion resultiert.
Bei allen Anwendungen weist der erfindungsgemäße Taylorreaktor den besonderen Vorteil einer großen spezifischen Kühlfläche auf, die eine besonders sichere Reaktionsführung gestattet.
Ganz besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Taylorreaktor für die kontinuierliche Herstellung von (Co)Polymerisaten, Blockmischpolymerisaten und Pfropfmischpolymerisaten durch die radikalische, anionische oder kationische, insbesondere radikalische, (Co)Polymerisation, Blockmischpolymerisation oder
Pfropfmischpolymerisation (Polymerisation) mindestens eines olefinisch ungesättigten Monomeren in Masse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet.
Beispiele geeigneter Monomeren, welche für das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht kommen, sind acyclische under cyclische, gegebenenfalls funktionalisierte Monoolefine und Diolefine, vinylaromatische Verbindungen, Vinylether, Vinylester, Vinylamide, Vinylhalogenide, Allylether und Allylester, Acrylsäure, und Methacrylsäure und deren Ester, Amide und Nitrile und Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure und deren Ester, Amide, Imide und Anhydride.
Beispiele geeigneter Maonoolefine sind Ethylen, Propylen, 1 -Buten, 1- Penten, 1 -Hexen, 1-Hepten, 1-Octen, Cyclobuten, Cyclopenten, Dicyclopenten und.Cyclohexen.
Beispiele geeigneter Diolefine sind Butadien, Isopren, Cyclopentadien und Cyclohexadien.
Beispiele geeigneter vinylaromatischer Verbindungen sind Styrol, alpha- Methylstyrol, 2-, 3- und 4-Chlor-, -Methyl-, -Ethyl-, -Propyl- und -Butyl- und tert.-Butylstyrol und -alpha-methylstyrol.
Ein Beispiel einer geeigneten Vinylverbindung bzw. eines funktionalisierten Olefins ist Vinylcyclohexandiol.
Beispiele geeigneter Vinylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- und Pentylvinylether, Allylmonopropoxylat sowie Trimethylolpropan-mono, - di- und -triallylether.
Beispiele geeigneter Vinylester sind Vinylacetat und -propionat sowie die Vinylester der Versatiesäure und anderer quartärer Säuren.
Beispiele geeigneter Vinylamide sind N-Methyl-, N,N-Dimethyl-, N-Ethyl-, N-Propyl-, N-Butyl-, N-Amyl-, N-Cyclopentyl- und N-Cyclohexylvinylamid sowie N-Vinylpyrrolidon und -epsilon-caprolactam.
Beispiele geeigneter Vinylhalogenide sind Vinylfluorid und -Chlorid. Beispiele geeigneter Vinylidenhalogenide sind Vinylidenfluorid und - chlorid.
Beispiele geeigneter Allylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Phenyl- und Glycidylmonoallylether.
Beispiele geeigneter Allylester sind Allylacetat und -propionat.
Beispiele geeigneter Ester der Acrylsäure und Methacrylsäure sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, n-Butyl-, Isobutyl-, n-Pentyl-, n-Hexyl-, 2-Ethyl- hexyl-, Isodecyl-, Decyl-, Cyclohexyl-, t-Butylcyclohexyl-, Norbonyl-, Isobornyl-, 2- und 3-Hydroxypropyl-, 4-Hydroxybutyl-,
Trimethylolpropanmono-, Pentaerythritmono- und Glycidyl(meth)- acrylat. Ausserdem kommen noch die Di-, Tri- und Tetra(meth)acrylate von Ethylenglykol, Di-, Tri- und Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Dipropylenglykol, Butylenglykol, Dibutylenglykol, Glycerin,
Trimethylolpropan und Pentaerythrit in Betracht. Allerdings werden sie nicht allein, sondern immer in untergeordneten Mengen gemeinsam mit den monofunktionellen Monomeren verwendet.
Beispiele geeigneter Amide der Acrylsäure Methacrylsäure sind (Meth)Acrylsäureamid sowie (Meth)Acrylsäure-N-methyl-, -N,N-dimethyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N-amyl-, -N-cyclopentyl- und -N- cyclohexylamid.
Beispiele geeigneter Nitrile sind Acrylnitril und Methacrylnitril.
Beispiele geeigneter Ester, Amide, Imide und Anhydride der
Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure sind Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäuredimethyl-, -diethyl-, -dipropyl- und - dibutylester, Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäurediamid, Maleinsäure-, Fumarsäure- und ltaconsäure-N,N'-dimethyl-, -N,N,N',NΛ- tetamethyl-, -N,N '-diethyl-, -N,N '-dipropyl-, -N,N'-dibutyl-, -N,N'-diamyl-, - N,N'-dicyclopentyl- und -N,N'-dicyclohexylamid, Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäureamid und Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäure-N-methyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N-amyl-, -N- cyclopentyl- und -N-cyclohexylimid sowie Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäureanhydrid.
Die vorstehend beschriebenen Monomeren können radikalisch, kationisch oder anionisch polymerisiert werden. Vorteilhafterweise werden sie radikalisch polymerisiert. Hierzu können die üblichen und bekannten anorganischen Radikalstarter oder Initiatoren wie
Wasserstoffperoxid oder Kaliumperoxodisulfat oder die üblichen und bekannten organischen Radikalstarter oder Initiatoren wie Dialkylperoxide, z. B. Di-tert.-Butylperoxid, Di-tert.-Amylperoxid und
Dicumylperoxid; Hydroperoxide, z. B. Cumolhydroperoxid und tert.-
Butylhydroperoxid; Perester, z. B. tert.-Butylperben-zoat, tert-
,Butylperpivalat, tert.-Butylper-3,5,5-trimethylhexanoat und tert.-Butylper-
2-ethylhexanoat; Bisazoverbindungen wie Azobisisobutyronitril; oder C- C-Starter wie 2,3-DimethyI-2,3-diphenyl-butan oder -hexan verwendet werden. Es kommt indes auch Styrol in Betracht, das Polymerisation auch ohne Radikalstarter thermisch initiiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens eines der vorstehend beschriebenen Monomere über einen seitlichen Zulauf in den Einlassbereich des erfindungsgemäßen Taylorreaktors dosiert. Vorzugsweise werden mindestens einer der vorstehend beschriebenen Radikalstarter oder Initiatioren vorzugsweise zusammen mit mindestens einem Monomeren über einen weiteren seitlichen Zulauf zudosiert. Das Monomer oder die Monomeren werden in dem Reaktionsvolumen zumindest teilweise unter den Bedingungen der Taylorströmung polymerisiert. Das resultierende flüssige Polymerisat wird aus dem ringspaltförmigen Reaktionsvolumen in den Auslassbereich und von da aus in den Produktablauf gefördert und über das Druckhalteventil ausgetragen.
Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Teil des ring- spaltförmigen Reaktionsvolumens oder im ganzen ringspaltförmigen Reaktionsvolumen, insbesondere im ganzen ringspaltförmigen Reaktionsvolumen, die Bedingungen für die Taylorströmung erfüllt.
Die Temperatur des Reaktionsmediums kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren breit variieren und richtet sich insbesondere nach dem Monomeren mit der niedrigsten Zersetzungstemperatur, nach der Temperatur, bei der die Depolymerisation einsetzt, sowie nach der Reaktivität des oder der Monomeren und der Initiatoren. Vorzugsweise die Polymerisation bei Temperaturen von 100 bis 200, bevorzugt 130 bis 180 und insbesondere 150 bis 180 °C durchgeführt.
Die Polymerisation kann unter Druck durchgeführt werden. Vorzugsweise liegt der Druck bei 1 bis 100, bevorzugt 1 bis 25 und insbesondere 1 bis 15 bar.
Die Durchlaufzeit kann breit variieren und richtet sich insbesondere nach der Reaktivität der Monomeren und der Größe, insbesondere der Länge, des erfindungsgemäßen Taylorreaktors. Vorzugsweise liegt die Durchlaufzeit bei 15 Minuten bis 2 Stunden, insbesondere 20 Minuten bis 1 Stunde. Es ist ein ganz besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Taylorreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass der Umsatz der Monomeren >70 Mol% ist. Überraschenderweise können Umsätze >80, bevorzugt >90, besonders bevorzugt >95, ganz besonders bevorzugt >98 und insbesondere >98,5 Mol% problemlos erzielt werden. Dabei kann sich, wie dies bei der Polymerisation in Masse üblich ist, die kinematische Viskosität v mindestens verzehnfachen, insbesondere mindestens verhundertfachen.
Das Molekulargewicht der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Polymerisate kann breit variieren und ist im wesentlichen nur durch die maximale kinematische Viskosität v bei der der erfindungsgemäße Taylorreaktor die Bedingungen der Taylorströmung aufrechterhalten kann, begrenzt. Vorzugsweise liegen die zahlenmittleren Molekulargewichte der in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Polymerisate bei 800 bis 50.000, bevorzugt 1.000 bis 25.000 und insbesondere 1.000 bis 10.000 Dalton. Vorzugsweise ist die Uneinheitlichkeit des Molekulargewichts <10, insbesondere <8.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 - schematisch - ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors gemäß der ersten Alternative der Erfindung im Längsschnitt;
Fig. 2 ein weiteres Aüsführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors gemäß der ersten Alternative der Erfindung in einer
Fig. 1 entsprechenden Darstellung; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors gemäß der zweiten Alternative der Erfindung in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors, bei dem beide Alternativen der Erfindung verwirklicht sind, in einer Fig. 1 und 2 entsprechenden Ansicht.
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors gemäß der dritten Alternative der Erfindung in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht sowie
Fig. 6 einen Schnitt entlang Schnittlinie VI - VI in Fig. 5
Der in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Taylorreaktor umfasst ein Reaktorgehäuse 103, dessen gemäß der Darstellung in Fig. 1 , die der normalen Betriebsstellung des Taylorreaktors 100 entspricht, unterer Bereich als Einsatzbereich 108 ausgebildet ist. In diesen münden zwei seitlich einander gegenüberliegende Einlasse 108.1, durch die Edukte und/oder Prozessstoffe dem Reaktionsvolumen 102 zugeführt werden können, das zwischen der äußeren Umfangsfläche 104.3 eines zylinderförmigen Rotors 104 und der inneren Umfangsfläche 103.1 des Reaktorgehäuses 103 gebildet ist.
Der sich an den Einlassbereich 108 anschließende Teil 103.2 des Reaktorgehäuses 103 ist bis zur Stelle 103.3 sich nach oben hin konisch erweiternd ausgestaltet, so dass der Querschnitt des Reaktionsvolumens 102 in dem Teil 103.2 ansteigt. An die Stelle 103.3 schließt sich nach oben ein zylindrischer Teil 103.4 des Reaktorgehäuses 103 an, der sich bis über die obere Stirnseite 104.2 des Rotors 104 hinaus erstreckt. An dem zylindrischen Teil 103.4 schließt sich ein trichterförmig zulaufender Auslassbereich 109 an, der in einen Auslass 110 mündet, der dem Austrag der Reaktionsprodukte dient. Dem Auslass 110 ist ein
Druckhalteventil 111 nachgeschaltet, mit dem die Reaktionsmedien im Reaktionsvolumen unter einem vorbestimmbaren Druck gehalten werden können.
Der Rotor 104 ist an der in Fig. 1 unten dargestellten, einlassseitigen Stimwandung 105 um eine Achse A rotierbar gelagert. Zur Einleitung eines die Rotation bewirkenden Drehmoments in den Rotor 104 dient eine durch die Stirnwandung 105 hindurchgeleitete Antriebswelle 107, die mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Drehantrieb - beispielsweise einem Elektromotor - verbunden ist. Der Abdichtung des Reaktionsvolumens 102 im Bereich des Durchtritts der Antriebswelle 107 durch die Stirnwandung 105 dient eine Gleitringdichtung 106, die zwischen den in der Zeichnung unten dargestellten Ende 104.1 des Rotors 104 und der Stirnwandung 105 angeordnet ist.
Zwecks Vormischung der dem Reaktionsvolumen zugeführten Edukte und/oder Prozessstoffe können ein oder mehrere Einlasse mit Mischvorrichtungen 112 ausgestattet sein.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, bewirkt die Gestaltung des Reaktorgehäuses 103 und des Rotors 104, dass der Querschnitt des Reaktionsvolumens vom Einlass zum Auslass gesehen in dem Reaktorgehäuseteil 103.2 zunächst ansteigt, der Anstieg ab der Stelle 103.3 jedoch - in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Wert 0 - zum Auslass in dem zylindrischen Gehäuseteil 103.4 abnimmt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt in seiner technischen Ausgestaltung in weiten Teilen mit denjenigen gemäß Fig. 1 überein. Um Wiederholungen zu vermeiden, sollen im folgenden lediglich die Unterschiede erläutert werden. Dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 entsprechende Bauteile sind mit um 100 erhöhte Bezugsziffern versehen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Reaktorgehäuse 203 bis zum Auslassbereich 209 sich konisch erweiternd ausgebildet. Um die erfindungsgemäße Abnahme des Anstiegs des Querschnitts des Reaktionsvolumens des Auslasses zu bewirken, weist der in seinem gemäß Fig. 2 unteren Bereich zylindrisch ausgebildete Rotor 204 eine Stelle 204.3 auf, ab der er in einen sich zum Auslassbereich 209 konisch erweiternden Bereich 204.4 übergeht. Die Konizität entspricht derjenigen des Reaktorgehäuses 203, so dass der Querschnitt des Reaktionsvolumens ab der Stelle 204 bis zum oberen Ende des Rotors konstant bleibt.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten, als Ganzes mit 301 bezeichneten Taylorreaktor, der ein Ausführungsbeispiel gemäß der zweiten Alternative der Erfindung ist, sei wiederum nur auf die Unterschiede zu dem Taylorreaktor gemäß Fig. 1 eingegangen. Es sei erneut auf die Beschreibung zu Fig. 1 hingewiesen, wobei die entsprechende Bauteile in Fig. 3 mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind.
Das Reaktorgehäuse 303 des Taylorreaktors 301 ist vom Einlassbereich 308 bis zum Auslassbereich 309 sich konisch erweiternd ausgebildet. Der Rotor 304 weist eine zylindrische Gestalt auf, die an der Stelle 304.3 in einen Kegel 313 übergeht. Der Kegelwinkel d ist so gewählt, dass die Kegelfläche 314 parallel zu der den Auslassbereich 309 begrenzenden Wandung 303.4 des Reaktorgehäuses 303 verläuft. Auf diese Weise wird erzielt, dass das Reaktionsvolumen . zumindest im wesentlichen totvolumenfrei in den Auslass 310 mündet. Hierdurch wird wirksam vermieden, dass sich oberhalb des Rotors 304 Teile des Reaktionsmediums ablagern, was zu einer unerwünschten, weiteren Polymerisierung durch Verlängerung der Verweildauer im Reaktor führen würde.
Fig. 4 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Taylorreaktors, bei dem beide Alternativen der Erfindung verwirklicht sind. Der nun mit 401 bezeichnete Taylorreaktor umfasst ein Reaktorgehäuse 403, das demjenigen in Fig. 1 dargestellten entspricht. Der Rotor 404 ist - wie auch derjenige in Fig. 3 - an seinem oberen Ende mit einem Kegel 413 versehen.
Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform werden somit einerseits Kurzschlussströme in dem Reaktionsvolumen 402, als auch die Ausbildung von Toträumen im Auslassbereich 409 vermieden.

Claims

Ansprüche:
1. Taylorreaktor (101 , 201, 301, 401), mit einem Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403), mit einem in dem von dem Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403) umschlossenen Volumen angeordneten, um eine Achse rotierbaren Rotor (104, 204, 304, 404), mit einem zwischen der inneren Umfangsfläche des Reaktorgehäuses (103, 203, 303, 403) und der Aussenumfangsfläche (104.3, 204.3, 304.3, 404.3) des Rotors (104, 204, 304, 404) gebildeten Reaktionsvolumen (102, 202, 302,
402), mit mindestens einem Einlass (108.1 , 208.1 , 308.1 , 408.1) für die Edukte und/oder Prozessstoffe, und mit mindestens einem Auslass (110, 210, 310, 410) für die Reaktionsprodukte, der in Richtung der Achse (A) von dem Einlass (108.1, 208.1 , 308.1 ,
408.1) beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403) und/oder der Rotor (104, 204, 304, 404) derart ausgestattet sind, dass der Querschnitt des Reaktionsvolumens (102, 202, 302, 402) von dem Einlass (108.1 , 208.1, 308.1 , 408.1) zum Auslass (110, 210, 310,
410) zunächst ansteigt, der Querschnittsanstieg zumindest über einen Teil der Länge des Rotors (104, 204, 304, 404) nicht zunimmt.
2. Taylorreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (104, 204, 304, 404) konzentrisch in dem Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403) angeordnet ist.
3. Taylorreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsvolumen (102, 202, 302, 402) ringspaltförmig ausgebildet ist.
4. Taylorreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsvolumen (102, 202, 302, 402) einen kreisförmigen
Umfang hat.
5. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Anstiegs des Querschnitts des Reaktionsvolumens (102, 202, 302, 402) kontinuierlich erfolgt.
6. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Anstiegs des Querschnitts des Reaktionsvolumens (102, 202, 302, 402) diskontinuierlich erfolgt.
7. Taylorreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403) und/oder der Rotor (104, 204, 304, 404) in Richtung der Achse (A) zumindest zwei
Abschnitte aufweisen, deren innere Umfangsfläche und/oder äußere Umfangsfläche zur Achse (A) verschiedene Winkel bilden.
8. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Radius des
Reaktorgehäuses (ra) zum Radius des Rotors (η) zumindest für einen Teil der Länge des Reaktionsvolumens (102, 202, 302, 402) <1 ,4 ist.
9. Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (104, 204, 304, 404) zylinderförmig ist.
10. Taylorreaktor, mit einem Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403), mit einem in dem von dem Reaktorgehäuse (103, 203, 303, 403) umschlossenen Volumen um eine Achse (A) rotierbar angeordneten Rotor (104, 204, 304, 404), mit einem zwischen der inneren Umfangsfläche (103.1 , 203.1 , 303.1 , 403.1) des Reaktorgehäuses (103, 203, 303, 403) und der äußeren Umfangsfläche (104.3, 204.3, 304.3, 404.3) des Rotors (104, 204, 304, 404) gebildeten Reaktionsvolumen (102, 202, 302, 402), mit mindestens einem Einlass (108.1. 208.1 , 308.1 , 408.1) für die Edukte und/oder Prozessstoffe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einen Auslass (110, 210, 310, 410) mündender Auslassbereich (109, 209, 309, 409) vorgesehen ist, der sich in dem Reaktorgehäuse
(103, 203, 303, 403) an einem stirnseitigen Ende des Rotors (104, 204, 304, 404) an das Reaktionsvolumen (102, 202, 302, 402) anschließt und zu einem Auslass (110; 210, 310, 410) verengt, und dass das stirnseitige Ende des Rotors (104, 204, 304, 404) derart ausgebildet ist, dass das Reaktionsvolumen (102, 202, 302,
402) zumindest im wesentlichen totvolumenfrei in den Auslass (110, 210, 310, 410) mündet.
11. Taylorreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das stirnseitige ende des Rotors (104, 204, 304, 404) derart ausgebildet ist, dass in Richtung der Achse (A) der Querschnitt des Auslassbereichs (109, 209, '309, 409) zumindest im wesentlichen konstant ist.
12. Taylorreaktor nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorgehäuse (1093, 203, 303, 403) derart ausgestaltet ist, dass der Auslassbereich (109, 209, 309,
409) trichterförmig und das stirnseitige Ende des Rotors (104, 204,
304, 404) kegelförmig ausgebildet sind.
13. Taylorreaktor, mit einem Reaktorgehäuse (503), mit einem in dem von dem Reaktorgehäuse (503) umschlossenen . Volumen um eine Achse (A) rotierbar angeordneten Rotor (504), mit einem zwischen der inneren Umfangsfläche (503.1) des Reaktorgehäuses (503) und der äußeren Umfangsfläche (504.3) des Rotors (504) gebildeten Reaktionsvolumen (502), mit mindestens einem Einlass (508.1) für die Edukte und/oder Prozessstoffe und mit mindestens einem Auslass (510) für die Reaktionsprodukte, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (510) radial beabstandet von der Achse (A) in das Reaktionsvolumen (502) mündet.
14. Taylorreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (510) quer, vorzugsweise senkrecht zur Achse (A) in das Reaktionsvolumen (502) mündet.
15. Taylorreaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Auslass (510) benachbarte Bereich (B) des Rotors (504) Mittel zur Erzeugung einer Kreisströmung um die Achse (A) umfasst.
16. Taylorreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Auslass (510) benachbarte Bereich (B) des Rotors (504) nach der Art eines Kreiselpumpenrotors ausgebildet ist.
17. Verfahren zur Umwandlung von Stoffen, bei dem die kinematische Viskosität v des Reaktionsmediums sich in Durchflussrichtüng des Reaktors erhöht, dadurch gekennzeichnet, dass hierfür ein Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16 verwendet wird.
18. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 17 für die Herstellung von Polymerisaten, Copolymerisaten, Blockpolymerisaten, Pfropfmischpolymerisaten, Polykondensations- und Polyadditionsprodukten, Kern-Schale-
Latices, Polymerdispersionen, von Produkten durch polymeranaloge Reaktion, wie Veresterung, Aniierung oder Urethanisierung von Polymeren, welche Seitengruppen enthalten, die für solche Reaktionen geeignet sind, von olefinisch ungesättigten, mit Elektronenstrahlen oder ultraviolettem Licht härtbaren Materialien oder von Mesosphasen.
19. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 17 hergestellten Stoffe als Komponenten von Formteilen, Folien, Beschichtungsstoffen, insbesondere Lacken, Klebstoffen und
Dichtungsmassen.
EP03775153A 2002-10-30 2003-09-16 Taylorreaktor f r stoffumwandlungen Withdrawn EP1558375A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10250420A DE10250420A1 (de) 2002-10-30 2002-10-30 Taylorreaktor für Stoffumwandlungen
DE10250420 2002-10-30
PCT/EP2003/010278 WO2004039491A1 (de) 2002-10-30 2003-09-16 Taylorreaktor für stoffumwandlungen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1558375A1 true EP1558375A1 (de) 2005-08-03

Family

ID=32185284

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP03775153A Withdrawn EP1558375A1 (de) 2002-10-30 2003-09-16 Taylorreaktor f r stoffumwandlungen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20060062702A1 (de)
EP (1) EP1558375A1 (de)
JP (1) JP4718185B2 (de)
AU (1) AU2003283244A1 (de)
DE (1) DE10250420A1 (de)
WO (1) WO2004039491A1 (de)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10149015B4 (de) * 2001-10-04 2005-04-14 Basf Coatings Ag Verfahren zur kontinuierlichen Polymerisation in Masse und Taylorreaktor für seine Durchführung
BRPI0508379A (pt) 2004-03-01 2007-07-31 Bridgestone Corp reator de polimerização contìnua
DE102007021012A1 (de) 2007-05-04 2008-11-06 Basf Coatings Ag Kontinuierliches Polymerisationsverfahren zur Erzeugung von Polymeren mit enger Molmassenverteilung und Taylor-Couette-Reaktor für seine Durchführung
DE102007050284A1 (de) * 2007-10-18 2009-04-23 Evonik Röhm Gmbh Verfahren zur Amidierung von Nitrilen in Gegenwart von Schwefelsäure
JP2012502116A (ja) * 2008-08-08 2012-01-26 コンストラクション リサーチ アンド テクノロジー ゲーエムベーハー シリル化ポリウレタン及び／又はポリ尿素の製造
US7964301B2 (en) * 2009-06-26 2011-06-21 Global Energy Science, LLC (California) Dynamic accelerated reaction batteries utilizing Taylor Vortex Flows
JP5131871B2 (ja) * 2010-05-10 2013-01-30 丸井 智敬 被プロセス材および微小気泡を混相流としてプロセスを行う装置
US8158277B1 (en) * 2010-09-30 2012-04-17 Global Energy Science, LLC (California) Cross-flow electrochemical batteries
CN103945934B (zh) * 2012-02-01 2015-05-27 株式会社Lg化学 制备锂复合过渡金属氧化物的前体的反应器以及制备前体的方法
KR101424610B1 (ko) 2013-06-14 2014-08-04 (주) 라미나 코어-쉘 입자 제조장치 및 이를 이용한 코어-쉘 입자 제조방법
KR20150109757A (ko) * 2014-03-20 2015-10-02 고려대학교 산학협력단 금속 분말의 제조 방법 및 이를 구현하는 금속 분말의 제조 장치
WO2018001474A1 (de) 2016-06-29 2018-01-04 Wacker Chemie Ag Verfahren zur herstellung von vinylacetat-ethylen-copolymerisaten mittels emulsionspolymerisation
KR102097584B1 (ko) * 2018-05-04 2020-04-06 재단법인 차세대융합기술연구원 지속적으로 테일러 유동을 유지 가능한 테일러 반응기
KR102176625B1 (ko) * 2018-11-30 2020-11-09 (주)포스코케미칼 선속도 및 유체의 진행 방향이 가변적인 반응기

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB615425A (en) * 1945-07-30 1949-01-06 James George Fife Improvements in method of contacting fluids one with another
US3926654A (en) * 1970-04-03 1975-12-16 Agfa Gevaert Method of preparing a polyphase system
US4174907A (en) * 1975-06-09 1979-11-20 Massachusetts Institute Of Technology Fluid mixing apparatus
JPS5926129A (ja) * 1982-08-05 1984-02-10 Konishiroku Photo Ind Co Ltd 分散液滴の製造装置
JP3142926B2 (ja) * 1991-11-01 2001-03-07 関西化学機械製作株式会社 液液接触塔
JPH11513909A (ja) * 1995-10-23 1999-11-30 ヘマシユア・インコーポレーテツド 管腔外横断流の血漿分離交換装置
DE19828742A1 (de) * 1998-06-27 1999-12-30 Basf Coatings Ag Taylorreaktor für Stoffumwandlungen, bei deren Verlauf einer Änderung der Viskosität v des Reaktionsmediums eintritt
DE19960389B4 (de) * 1999-12-15 2009-01-15 Basf Coatings Ag Verfahren zur Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere mittels eines Taylorreaktors
AUPR391401A0 (en) * 2001-03-22 2001-04-12 Ceramic Fuel Cells Limited Liquid phase reactor
DE10149015B4 (de) * 2001-10-04 2005-04-14 Basf Coatings Ag Verfahren zur kontinuierlichen Polymerisation in Masse und Taylorreaktor für seine Durchführung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004039491A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006504513A (ja) 2006-02-09
DE10250420A1 (de) 2004-09-16
US20060062702A1 (en) 2006-03-23
JP4718185B2 (ja) 2011-07-06
WO2004039491A1 (de) 2004-05-13
AU2003283244A1 (en) 2004-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2274339B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen herstellung von polymerisaten durch radikalische polymerisation
DE19828742A1 (de) Taylorreaktor für Stoffumwandlungen, bei deren Verlauf einer Änderung der Viskosität v des Reaktionsmediums eintritt
EP1558375A1 (de) Taylorreaktor f r stoffumwandlungen
EP2496611B1 (de) Verfahren zur herstellung von wässrigen polyacrylsäurelösungen
DE19711022A1 (de) Verwendung eines Mehrstufenrührers zur Herstellung von Polymerisaten
EP1599279B1 (de) Segmentierter rührreaktor und verfahren
DE69812638T2 (de) Verfahren zur herstellung von makromeren
EP0477671B1 (de) Verfahren zur Herstellung von ABS-Formmassen
DE19960389B4 (de) Verfahren zur Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere mittels eines Taylorreaktors
DE10149015B4 (de) Verfahren zur kontinuierlichen Polymerisation in Masse und Taylorreaktor für seine Durchführung
DE60215352T2 (de) Verbesserungen im zusammenhang mit polymerisationsreaktionen
DE102007021012A1 (de) Kontinuierliches Polymerisationsverfahren zur Erzeugung von Polymeren mit enger Molmassenverteilung und Taylor-Couette-Reaktor für seine Durchführung
DE19711019A1 (de) Rührer mit variabel einstellbaren Rührorganen für Polymerisationsreaktoren
DE102004001599A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Schmelzpolymerisaten im Rohrreaktor
EP0220603B1 (de) Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymerisaten
DE19750159A1 (de) Miniemulsionspolymerisation
EP1137528A1 (de) Verfahren zur koagulation von kunststoffdispersionen unter verwendung einer vorrichtung mit scherelementen
WO1995033780A1 (de) Verfahren zur herstellung niedermolekularer polyacrylsäuren mit enger molekulargewichtsverteilung im rohrreaktor
EP1439905A1 (de) Verfahren zur herstellung von (co)polymerisaten von olefinisch ungesättigten monomeren
DE19809220A1 (de) Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Polymerdispersionen durch wässrige Emulsionspolymerisation
WO2004085054A1 (de) Verfahren zur herstellung von pulverlacken und vorrichtung für seine durchführung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20050119

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20081028

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: BASF COATINGS GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20120403