FR2877947A1 - Procede et appareillage pour fabriquer un polymere du styrene dans un reacteur agite mecaniquement - Google Patents

Procede et appareillage pour fabriquer un polymere du styrene dans un reacteur agite mecaniquement Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un appareillage et un procédé de polymérisation du styrène par mise en oeuvre d'un milieu liquide réactionnel de polymérisation dans un réacteur de forme cylindrique, d'axe (A) vertical et muni d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant un arbre central mis en rotation dans un sens (S) par un moteur, au moins un mobile d'agitation fixé à l'arbre et au moins une chicane. Plus particulièrement, la chicane est décollée de la paroi latérale du réacteur et a la forme d'un cylindre d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes : (i) une première forme comprenant un losange ayant une petite (d) et une grande (D) diagonale de rapport (d/D) allant de 0,1/1 à 0,9/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) ou selon une direction faisant un angle supérieur à 0° et inférieur ou égal à 45° par rapport à ladite direction radiale, (ii) une seconde forme identique à la première, excepté que les deux angles aigus sont remplacés par des arcs de cercle de centre situé sur la grande diagonale et de rayon (r) tel que le rapport (2r/d) a une valeur allant de 0,1/1 à 0,8/1, ou une troisième forme identique à la seconde, excepté que seul l'angle aigu disposé face au sens opposé au sens (S) de rotation de l'arbre est remplacé par l'arc de cercle. Le procédé convient pour une polymérisation du styrène en masse, en solution, en suspension ou en émulsion aqueuse. L'invention concerne aussi l'appareillage notamment avec ce dispositif d'agitation mécanique. (Figure 1)

Description

La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour
fabriquer un polymère du styrène dans un réacteur agité mécaniquement.
Il est connu de fabriquer divers polymères du styrène, notamment des homoou des co-polymères du styrène, en particulier: un polystyrène standard (ou PS standard) qui est généralement un homo-polystyrène amorphe, de structure atactique et d'aspect brillant, rigide et transparent, souvent appelé PS cristal à cause de sa limpidité, et qui a généralement une masse moléculaire moyenne en poids, Mw, allant de 150 000 à 400 000 daltons, un polystyrène à haute résistance au choc, souvent appelé PS choc (en anglais high impact polystyrene ou HIPS ), résistant aux chocs, d'aspect opaque et qui est un polystyrène modifié par greffage sur un caoutchouc ou élastomère, naturel ou synthétique, comme un polybutadiène, plus précisément un co-polymère polybutadiène/styrène, un co-polymère à blocs styrène/butadiène (ou SB) (en anglais clear impact polystyrene ou CLIPS ), riche en styrène, résistant aux chocs et d'aspect transparent, et un polystyrène expansible (ou PSE) sous forme de perles, contenant un agent gonflant, et destiné à fabriquer un polystyrène expansé et moulé, de structure 20 alvéolaire, rigide et peu dense.
Ces polymères du styrène résultent d'une réaction de polymérisation exothermique du styrène et sont généralement fabriqués par des procédés de polymérisation en masse, en solution, en suspension aqueuse ou en émulsion aqueuse.
Ces procédés peuvent être réalisés en continu ou en discontinu, dans un ou plusieurs 25 réacteurs de polymérisation agités mécaniquement.
Dans un procédé de polymérisation du styrène en masse ou en solution, le milieu liquide réactionnel de polymérisation devient de plus en plus visqueux au fur et à mesure que la réaction de polymérisation progresse. L'agitation de ce milieu est un élément important pour contrôler à la fois l'échange de chaleur et la qualité du polymère. L'un des objectifs de la présente invention est donc de fournir un dispositif d'agitation qui convient notamment à ce procédé.
Dans le cas d'un procédé de fabrication d'un polystyrène à haute résistance au choc (ou HIPS ), on réalise généralement au moins une étape de pré-polymérisation par mise en contact du styrène avec un caoutchouc dans des conditions qui permettent à la fois de polymériser le styrène et de greffer le polymère de styrène sur le caoutchouc. Au cours de cette étape, il se produit ce qu'on appelle généralement une inversion de phase: le polymère de styrène qui est d'abord insoluble dans une phase continue comprenant le styrène et le caoutchouc, devient une phase continue dans laquelle apparaît une nouvelle phase discontinue, constituée essentiellement de nodules de caoutchouc. Au cours de l'inversion de phase, le milieu liquide de polymérisation subit de fortes variations de viscosité. L'agitation du milieu liquide est là aussi un élément important pour contrôler la qualité du polymère, et notamment la taille et la distribution des tailles des nodules de caoutchouc inclus dans la matrice de polystyrène. L'un des objectifs de la présente invention est de pouvoir fournir un dispositif d'agitation qui convient notamment à ce procédé, en particulier dans le but de contrôler l'étape d'inversion de phase, la taille et la distribution des tailles des nodules de caoutchouc, indépendamment de la présence d'additifs connus notamment pour influencer la taille des nodules. L'un des objectifs est donc de pouvoir fournir un dispositif d'agitation destiné à préparer un polystyrène à haute résistance au choc, modifié notamment par greffage sur un caoutchouc, et dans lequel les nodules de caoutchouc ont une taille relativement élevée, par exemple allant de 6 à 12 m, en particulier de 8 à 12 m, avec une distribution des tailles relativement étroite.
Dans le cas d'un procédé de polymérisation du styrène en suspension aqueuse, notamment destiné à fabriquer des perles de polystyrène expansible, l'agitation de la suspension est aussi un élément important qui permet de maintenir en suspension les perles de polymère en cours de formation, et également de contrôler la taille et la distribution des tailles des perles, indépendamment notamment de la présence d'agent de stabilisation de suspension. L'un des objectifs de la présente invention est donc de pouvoir fournir un dispositif d'agitation qui convient notamment à ce procédé.
Il est connu que ces procédés peuvent être réalisés dans un réacteur de polymérisation agité mécaniquement, sous forme notamment d'une cuve cylindrique verticale, munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant un arbre central de rotation et un ou plusieurs mobiles d'agitation fixés à l'arbre. Urt système d'entraînement relié à l'arbre central et comprenant un moteur permet la mise en rotation de l'arbre et des mobiles d'agitation. On peut choisir divers mobiles d'agitation suivant le mouvement désiré du milieu liquide de polymérisation, engendré par la rotation de l'arbre et des mobiles. Le régime hydrodynamique ainsi créé dans la cuve dépend généralement du type de mobile d'agitation, de facteurs géométriques de la cuve, tels que la forme et la dimension de la cuve, et de la présence ou non de chicanes fixées à la cuve. On a notamment observé que si la cuve n'est pas munie de chicane et si l'axe d'agitation est confondu avec l'axe de la cuve, le milieu liquide de polymérisation est mis en mouvement avec des composantes verticales de vitesse qui peuvent être très faibles. Il peut se former un vortex, avec comme inconvénient une limitation de la puissance dissipée du moteur d'agitation et un manque d'homogénéisation du milieu liquide de polymérisation. Dans un tel réacteur, on peut implanter au moins une chicane soit collée à la paroi de la cuve, soit décollée de celle-ci. Une chicane décollée de la paroi consiste généralement en une barre verticale ayant la forme d'un cylindre vertical de révolution. On a cependant trouvé qu'une chicane ainsi utilisée dans l'un de ces procédés de polymérisation provoque généralement un encrassement de la chicane, notamment un dépôt de produits hétérogènes sur la face de la chicane opposée à la face exposée au mouvement du milieu liquide de polymérisation. La viscosité particulièrement élevée du milieu liquide et les éventuelles variations de cette viscosité au cours du temps peuvent provoquer un détachement (ou arrachement) de ce dépôt qui se disperse ensuite difficilement dans le milieu liquide et vient perturber le déroulement de la réaction de polymérisation. Il en résulte alors que la qualité du polymère est sérieusement affectée. L'un des objectifs de la présente invention est donc de fournir un dispositif d'agitation comprenant notamment au moins une chicane, permettant de réduire ou même d'éviter l'encrassement de la chicane, et de fabriquer un (co-)polymère du styrène de qualité satisfaisante et stable au cours du temps.
Dans le cas d'un procédé de polymérisation du styrène en suspension aqueuse, on a également observé que selon le mobile d'agitation et la présence éventuelle d'une chicane, la vitesse radiale (notamment la vitesse tangentielle ou périphérique) du milieu liquide de polymérisation peut devenir excessive et entraîner une perte ou une déstabilisation de la suspension, malgré la présence d'agent de stabilisation de suspension. Il peut aussi résulter une agitation du milieu liquide de polymérisation avec une vitesse axiale élevée, de sorte qu'on peut voir apparaître un phénomène d'aspiration au cours duquel une partie de la phase gazeuse surnageant la phase liquide est aspirée dans la suspension, et finalement une perte ou une déstabilisation de la suspension. L'un des objectifs de la présente invention est donc de fournir un dispositif d'agitation permettant de maintenir stable le milieu liquide de polymérisation pendant une polymérisation en suspension aqueuse du styrène.
Il a été trouvé une solution permettant de résoudre l'ensemble de ces problèmes et faisant l'objet de la présente invention. La solution consiste essentiellement à mettre en oeuvre un dispositif d'agitation mécanique comprenant au moins une chicane dans un réacteur destiné à mettre en oeuvre l'un des procédés de polymérisation du styrène tels que décrits précédemment.
La présente invention concerne tout d'abord un procédé de (co-) polymérisation du styrène réalisé par mise en oeuvre d'un milieu liquide réactionnel de polymérisation comprenant le styrène, dans un réacteur agité mécaniquement sous forme d'une cuve comprenant une paroi latérale ayant la forme d'un cylindre de révolution et d'axe vertical (A), un fond et un couvercle jointifs avec la paroi latérale, la cuve étant munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant (i) un arbre central d'axe vertical et confondu avec l'axe (A), relié à un système d'entraînement comprenant un moteur permettant la rotation de l'arbre central, (ii) au moins un mobile d'agitation fixé à l'arbre central et (iii) au moins une chicane fixée à la cuve, procédé caractérisé en ce que la chicane est décollée de la paroi latérale de la cuve et se présente sous la forme d'un cylindre d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes: - une première forme comprenant un losange possédant une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,9/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) ou selon une direction faisant un angle (a) supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 par rapport à ladite direction radiale, - une seconde forme comprenant un losange identique à celui de la première forme, excepté que chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale est remplacé par un arc de cercle identique ou différent, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,8/1, et deux extrémités jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu, ou - une troisième forme comprenant un losange identique à celui de la seconde forme, excepté que seul l'angle aigu situé à l'extrémité de la grande diagonale et disposé face au sens opposé de rotation de l'arbre central, est remplacé par l'arc de cercle.
La Figure 1 représente schématiquement un réacteur agité mécaniquement, utilisé notamment dans un procédé de (co-)polymérisation du styrène en masse ou en solution. Le réacteur a la forme d'une cuve munie d'un dispositif d'agitation mécanique selon l'invention, comprenant un arbre central, un mobile d'agitation à débit axial ou essentiellement axial ayant la forme d'un ruban hélicoïdal double, et quatre chicanes.
La Figure 2 est une vue schématique verticale par le haut selon une coupe transversale BB' du réacteur représenté à la Figure 1.
Les Figures 3, 4 et 5 représentent schématiquement la section transversale d'une chicane selon l'invention, ayant respectivement l'une des trois formes décrites précédemment.
La Figure 6 représente schématiquement un réacteur agité mécaniquement, utilisé notamment dans un procédé de (co-)polymérisation du styrène en suspension aqueuse. Le réacteur a la forme d'une cuve munie d'un dispositif d'agitation mécanique selon l'invention, comprenant un arbre central, deux mobiles d'agitation à débit axial ou essentiellement axial ayant la forme d'une turbine à quatre pales inclinées, et quatre chicanes comprenant une structure interne de type double enveloppe.
La Figure 7 est une vue schématique verticale par le haut selon une coupe transversale CC' du réacteur représenté à la Figure 6.
La Figure 8 est une vue schématique verticale par le haut selon une coupe transversale DD' d'une des chicanes à structure interne de type double enveloppe, telles 5 que représentées à la Figure 6.
La Figure 9 est une vue schématique développée longitudinale de la structure interne de type double enveloppe de la chicane telle que représentée aux Figures 6 et 8.
La cuve du réacteur comprend une paroi latérale ayant la forme d'un cylindre de révolution d'axe vertical (A) et de diamètre (A). Par cylindre de révolution d'axe vertical, on entend généralement l'enveloppe engendrée par un segment de droite qui se déplace verticalement et parallèlement à lui-même en s'appuyant sur un cercle. La paroi latérale de la cuve est notamment jointive avec un fond et un couvercle, de telle sorte que la cuve peut avoir une hauteur totale (H) et un diamètre (A) tels que le rapport (H/A) peut aller de 0,5/1 à 5/1, de préférence de 1/1 à 4/1, notamment de 1,5/1 à 3/1. Le milieu liquide réactionnel de polymérisation peut occuper une partie de la cuve sur une hauteur (h) de telle sorte que le rapport (h/A) peut être choisi dans une gamme allant de 0,25/1 à 3/1, de préférence de 0,5/1 à 2,5/1.
La paroi latérale de la cuve est notamment jointive par ses bases circulaires inférieure et supérieure respectivement avec un fond et un couvercle. Le fond et le couvercle peuvent avoir une forme identique ou différente, choisie notamment parmi une surface circulaire plane, hémisphérique ou sensiblement hémisphérique, elliptique ou en anse de panier. Ils peuvent comporter des orifices pour introduire les produits et additifs nécessaires à la (co-)polymérisation du styrène et/ou pour soutirer le milieu liquide réactionnel de polymérisation et les produits résultant de la réaction de (co- 25)polymérisation. Le couvercle peut être amovible et jointif avec la base circulaire supérieure de la paroi latérale de la cuve, notamment grâce à un jeu de bride, de joint d'étanchéité et d'un système de serrage. La cuve peut être munie d'une double enveloppe extérieure, reliée à un dispositif de chauffage et/ou de refroidissement, susceptible de chauffer et/ou de refroidir le milieu liquide réactionnel de polymérisation.
La cuve du réacteur est, par ailleurs, munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant un arbre central d'axe vertical et confondu avec l'axe (A) de la cuve.
L'arbre central est relié à un système d'entraînement comprenant un moteur permettant la rotation de l'arbre, notamment selon un sens (S) de rotation. L'arbre central peut être un arbre tubulaire ou un arbre plein. Il est notamment relié par l'une de ses extrémités au système d'entraînement, soit par le fond, soit de préférence par le couvercle de la cuve. L'autre extrémité de l'arbre central peut être libre ou tenue par un système de guidage, telle qu'une crapaudine ou un palier. Le système de guidage peut être disposé dans la partie de la cuve opposée à celle où est fixé le système d'entraînement. Le moteur permet de faire tourner l'arbre central à une vitesse relativement faible, pouvant aller de 10 à 50 tours par minute, de préférence de 12 à 45 tours par minute. Le dispositif d'agitation peut être conçu pour pouvoir faire tourner d'arbre central aussi bien dans un sens que dans l'autre, ou de préférence constamment dans le même sens (S) de rotation.
Le dispositif d'agitation comprend également au moins un. mobile d'agitation fixé à l'arbre central. On peut choisir le mobile parmi les mobiles à débit radial ou, de préférence, parmi les mobiles à débit axial ou essentiellement axial. Généralement, un mobile à débit radial fournit un débit sensiblement perpendiculaire à l'arbre central et peut créer des effets de cisaillement importants. Dans le cas d'un procédé de fabrication d'un (co-)polymère du styrène réalisé en masse, en solution, en suspension aqueuse ou en émulsion aqueuse, un mobile à débit radial peut engendrer un mouvement du milieu de polymérisation avec une composante tangentielle importante. Ainsi. on peut choisir un ou plusieurs mobiles à débit radial (éventuellement à composante tangentielle) parmi les turbines à pales droites ou courbes, les turbines à disque du type Rushton et à pales droites ou courbes, les agitateurs à ancre et les agitateurs à cadre.
Dans le cas d'un procédé de (co-)polymérisation du styrène en suspension aqueuse, notamment utilisé pour fabriquer des perles de polystyrène expansible, un mobile à débit radial peut produire des effets de cisaillement si importants qu'il devient difficile de maintenir la suspension et de contrôler la taille et la distribution des tailles des perles. Dans le cas d'un procédé de (co-)polymérisation du styrène en masse ou en solution, notamment utilisé pour fabriquer un polystyrène à haute résistance au choc, un mobile à débit radial peut produire des effets de cisaillement tels qu'il est difficile de contrôler l'étape d'inversion de phase, ainsi que la taille et la distribution des tailles des nodules de caoutchouc. Aussi, on préfère utiliser dans tous les cas un mobile à débit axial ou essentiellement axial, qui présente un taux de cisaillement relativement faible, pouvant aller de 2 à 60 s1, de préférence de 5 à 50 s1, tout en permettant d'assurer une capacité de mélange suffisante du milieu liquide de polymérisation. Un mobile à débit axial ou essentiellement axial crée généralement un mouvement du milieu liquide de polymérisation dans une direction axiale ou sensiblement axiale, c'est-à-dire selon une direction verticale ou sensiblement verticale, soit vers le haut, soit vers le bas, tout en assurant une circulation importante du milieu liquide et par conséquent une capacité de mélange suffisante. On peut utiliser en particulier un mobile à débit essentiellement axial qui présente une composante axiale prépondérante et une composante radiale secondaire. On peut choisir un ou plusieurs mobiles à débit axial ou essentiellement axial, parmi les hélices à doubles flux, les turbines à pales inclinées, les hélices à pales à profil mince ou à pales profilées, les vis d'Archimède à simple ou double spirale et les rubans hélicoïdaux simples, doubles, triples ou quadruples, éventuellement combinés avec une vis d'Archimède. On préfère utiliser un ou plusieurs mobiles à débit axial ou essentiellement axial parmi les turbines à pales inclinées et les rubans hélicoïdaux simples, doubles ou triples.
Ainsi, par exemple, dans le cas d'un procédé de (co-)polymérisation du styrène en suspension aqueuse, notamment utilisé pour fabriquer des perles de polystyrène expansible, on peut avantageusement utiliser un ou plusieurs mobiles à débit axial ou essentiellement axial, ayant notamment un taux de cisaillement faible tel que cité précédemment avec une capacité de mélange relativement élevée. Le mobile peut être choisi notamment parmi les hélices à double flux et, de préférence, parmi les hélices à pales à profil mince ou à pales profilées, les turbines à pales inclinées, notamment les turbines ayant de 2 à 6 pales, en particulier de 4 à 6 pales, les pales ayant notamment un angle d'inclinaison par rapport à un plan horizontal allant de 20 à 70 , de préférence de 30 à 60 , en particulier de 40 à 50 . L'arbre central de rotation auquel est fixé le mobile, peut tourner à une vitesse allant de 10 à 50 tours par minute, de préférence de 15 à 45 tours par minute.
Dans le cas d'un procédé de (co-)polymérisation du styrène en masse ou en solution, notamment utilisé pour fabriquer un polystyrène standard ou un polystyrène à haute résistance au choc, on peut avantageusement utiliser un ou plusieurs mobiles à débit axial ou essentiellement axial, ayant notamment un taux de cisaillement relativement faible, pouvant aller de 2 à 60 s1, de préférence de 5 à 50 s1, tout en assurant une capacité de mélange suffisante. Le mobile peut être choisi notamment parmi les vis d'Archimède à simple ou double spirale et, de préférence, parmi les rubans hélicoïdaux simples, doubles, triples ou quadruples, éventuellement combinés avec une vis d'Archimède. On préfère plus particulièrement utiliser un ruban hélicoïdal simple, double ou triple, notamment en l'absence de vis d'Archimède. On peut plus particulièrement choisir un ruban hélicoïdal double ayant notamment un pas (p) et un diamètre (S) de telle sorte que le rapport (p/8) peut être choisi dans une gamme allant de 0,35 à 3,5, de préférence de 0,5 à 3, par exemple de 1 à 2,8. L'arbre central de rotation auquel est fixé le mobile, peut tourner à une vitesse allant de 10 à 45 tours par minute, de préférence de 12 à 40 tours par minute.
La distance entre le bord externe du mobile et la paroi latérale de la cuve, encore appelée largeur de l'entrefer (e) mobile-paroi, peut être dans certains cas un facteur important dans l'agitation. Ainsi, dans un procédé de (co-)polymérisation du styrène en masse ou en solution, réalisé à l'aide d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant un mobile à débit axial ou essentiellement axial, la largeur de l'entrefer (e) mobile-paroi peut être très faible. En particulier, la largeur (e) peut être choisie de teille sorte que le rapport (e/A) entre la largeur de l'entrefer (e) mobile-paroi et le diamètre interne de la cuve (A) est inférieure ou égale à 0,08, de préférence inférieure ou égale à 0,05, en particulier choisi dans une gamme allant de 0,005 à 0,08, de préférence de 0,005 à 0,05. Ainsi, à titre d'exemple, un mobile à débit axial ou essentiellement axial, choisi parmi les rubans hélicoïdaux simples, doubles ou triples, peut avantageusement tourner à proximité de la paroi latérale de la cuve, de préférence avec un rapport (e/A) inférieure ou égale à 0,05, en particulier choisi dans une gamme allant de 0,005 à 0,05.
Un dispositif d'agitation qui comprend au moins un mobile à débit axial ou essentiellement axial, par exemple un ruban hélicoïdal simple, double ou triple, fixé à l'arbre central de rotation, peut être avantageusement muni d'un mobile d'agitation de fond, fixé notamment au même arbre central. Le mobile d'agitation de fond peut avoir la forme d'une ancre, notamment avec une largeur d'entrefer mobile-fond très faible, en particulier similaire à la largeur d'entrefer (e) mobile-paroi telle que décrite précédemment.
L'arbre central de rotation auquel est fixé un mobile d'agitation, de préférence à débit axial ou essentiellement axial, tel qu'une turbine à pales inclinées ou un ruban hélicoïdal simple, double ou triple, peut tourner dans un sens (S) de rotation tel que le milieu liquide réactionnel de polymérisation descend vers le fond de la cuve le long de l'axe (A), puis remonte grâce au mobile d'agitation le long de la paroi latérale. Il peut aussi tourner dans un sens de rotation inverse, de telle sorte que le milieu liquide réactionnel monte vers le haut de la cuve le long de l'axe (A), puis redescend grâce au mobile d'agitation le long de la paroi latérale. On préfère généralement la première variante.
Le dispositif d'agitation comprend au moins une chicane qui est décollée de la paroi latérale de la cuve et qui a la forme d'un cylindre d'axe vertical. La chicane est fixée à la cuve, notamment par l'une de ses extrémités, par exemple par son extrémité inférieure au fond de la cuve, ou de préférence par son extrémité supérieure au couvercle de la cuve. La chicane peut être fixée par l'autre extrémité à la paroi latérale de la cuve. Des renforts, tels que des longerons, peuvent relier la chicane à la cuve et/ou à d'autres chicanes. Les points de fixation de la chicane et les renforts éventuels sont choisis de façon à ne pas gêner la rotation de l'arbre central et des mobiles d'agitation.
L'axe vertical de la chicane peut être éloigné de l'axe de l'arbre central., par exemple d'une distance (1) telle que le rapport entre (1) et le diamètre interne de la cuve (A) est choisi dans une gamme allant de 0,1 à 0,8, de préférence de 0,2 à 0,6. La chicane peut être immergée partiellement ou totalement dans le milieu liquide réactionnel de polymérisation. Ainsi, la chicane ayant une longueur (L) peut être immergée sur au moins une partie de la hauteur (h) du milieu liquide réactionnel, par exemple avec un rapport (L/h) allant de 0,5/1 à 1,2/1. Dans une cuve ayant une hauteur (H), la longueur (L) de la chicane peut être telle que le rapport (L/H) est choisi dans une gamme allant de 0,5/1 à 0,9/1.
La chicane se présente sous la forme d'un cylindre, notamment d'un cylindre 30 plein ou creux. On préfère une chicane ayant la forme d'un cylindre creux et, dans ce cas, l'extrémité du cylindre non-fixée à la cuve peut être avantageusement fermée. Une chicane de forme cylindrique creuse peut être, de préférence, renforcée par une structure solide interne de type alvéolaire, tubulaire, à compartiment et/ou à double enveloppe interne, de façon à résister notamment aux fortes contraintes et pressions extérieures exercées par le mouvement du milieu liquide réactionnel de polymérisation. La partie interne creuse de la chicane peut comprendre en particulier une double enveloppe, et être utilisée avantageusement pour y faire circuler un fluide calorifique., susceptible d'éliminer et/ou de fournir des calories au milieu liquide réactionnel de polymérisation. Dans ce cas, la chicane peut être reliée à l'extérieur de la cuve à un dispositif de chauffage et/ou de refroidissement et être ainsi utilisée comme un échangeur de chaleur.
Une chicane à structure interne de type double enveloppe convient particulièrement à un procédé de (co-)polymérisation du styrène en suspension aqueuse notamment pour fabriquer un polystyrène expansible sous forme de perles. Ainsi, par exemple, de telles chicanes peuvent participer à une capacité d'échange thermique pouvant aller jusqu'à 40 ou même 60 % de la totalité de l'échange thermique du réacteur, notamment lorsqu'on utilise de 4 à 6 chicanes de ce type dans un réacteur d'une capacité pouvant aller jusqu'à 100 ou même 150 m3.
La chicane se présente sous la forme d'un cylindre d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes.
La première forme comprend un losange possédant une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d). Le rapport des longueurs des diagonales (d/D) peut être choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,9/1, de préférence de 0,2/1 à 0,8/1, notamment de 0,25/1 à 0,65/1. La petite diagonale est orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) de la cuve, ou selon une direction faisant un angle (a) supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 , de préférence inférieur ou égal à 30 par rapport à ladite direction radiale, de sorte que le mouvement du milieu liquide est notamment orienté en partie vers la paroi latérale de la cuve. Il en résulte que, comme la grande diagonale est perpendiculaire à la petite diagonale, les deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale se trouvent être disposés de telle sorte que l'un de ces angles est disposé sensiblement face au sens (S) de rotation de l'arbre central et l'autre sensiblement face au sens opposé à (S).
La seconde forme de la section transversale de la chicane est généralement plus avantageuse et elle est préférée par rapport à la première forme. La seconde forme comprend un losange identique à celui de la première forme, excepté que chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale est remplacé par un arc de cercle identique ou différent. Chacun des deux arcs de cercle a un centre situé sur la grande diagonale et possède un rayon d'une longueur (r) différente ou, de préférence,identique. Le rayon de l'arc de cercle a notamment une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,8/1, de préférence de 0,2/1 à 0,7/1, notamment de 0,35/1 à 0, 65/1. Les deux extrémités de l'arc de cercle sont jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu. D'une façon avantageuse, chaque extrémité de l'arc de cercle est respectivement jointive avec le côté de]'angle aigu auquel l'arc se raccorde, selon une tangente à l'arc de cercle qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction dudit côté.
La troisième forme de la section transversale de la chicane comprend un losange identique à celui de la seconde forme, excepté que seul l'angle aigu situé à l'extrémité de la grande diagonale et disposé face au sens opposé de rotation de l'arbre central (notamment opposé au sens (S) de rotation), est remplacé par l'arc de cercle, tel que décrit précédemment pour la seconde forme. D'une façon avantageuse, chaque extrémité de l'arc de cercle est respectivement jointive avec le côté de l'angle aigu auquel l'arc se raccorde, selon une tangente à l'arc de cercle qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction dudit côté.
L'emploi d'une telle chicane dans un réacteur agité mécaniquement, notamment dans une (co-)polymérisation du styrène réalisée selon un procédé en niasse, en solution, en suspension aqueuse ou en émulsion aqueuse, permet d'éviter les problèmes décrits précédemment, notamment les problèmes d'encrassement de la chicane, en particulier de dépôt de produits hétérogènes, sur la face de la chicane opposée à celle faisant front au sens de rotation de l'arbre central.
On a également trouvé qu'une chicane ayant une section transversale de préférence selon la seconde présente une grande résistance mécanique face aux contraintes et pressions extérieures exercées notamment par le mouvement du milieu liquide réactionnel de polymérisation.
On a enfin observé qu'une chicane, telle que décrite précédemment, utilisée dans un réacteur agité mécaniquement pour réaliser notamment la (co-)polymérisation du styrène selon un procédé en masse, en solution, en suspension aqueuse ou en émulsion aqueuse, peut réduire considérablement la composante radiale et favoriser au contraire la composante axiale du mouvement du milieu liquide de polymérisation. De ce fait, la chicane peut notamment éviter un mouvement de rotation uniforme de la totalité de la masse du milieu liquide autour de l'arbre central de rotation.
Le réacteur de polymérisation peut comporter une ou plusieurs chicanes de ce type, de préférence de 2 à 6 chicanes, notamment réparties à égale distance les unes des autres, et à une même distance (1) de l'axe de l'arbre central de rotation, en particulier telle que décrite précédemment.
Le procédé (co-)polymérisation du styrène peut être réalisée par mise en oeuvre d'un milieu liquide réactionnel de polymérisation au moins en partie dans le réacteur agité mécaniquement, tel que décrit précédemment. La (co-)polymérisation du styrène peut être une homo-polymérisation du styrène, ou une co-polymérisation du styrène avec au moins un co-monomère choisi parmi les monomères vinyl-aromatiques autres que le styrène, par exemple choisi parmi l'alpha-méthylstyrène, un styrène halogéné dans le noyau aromatique et un styrène alcoylé dans le noyau aromatique, ou encore une polymérisation du styrène avec greffage partiel avec un caoutchouc ou un élastomère, naturel ou synthétique, tel qu'un polybutadiène. La (co-)polymérisation du styrène est généralement une réaction de polymérisation radicalaire, initiée thermiquement ou à l'aide d'au moins un initiateur de polymérisation, en particulier générateur de radicaux libres, choisi notamment parmi les peroxydes, les hydroperoxydes, les peroxycarbonates, les percétals, les peresters et les composés azoïques. Elle peut être aussi une réaction de polymérisation ionique, réalisée en présence d'un initiateur de polymérisation anionique ou cationique, choisi par exemple parmi le n-butyl lithium, le sec-butyl lithium, le cumyl potassium, le diphényl méthyl potassium, le fluorényl potassium et le chlorure de lithium.
Selon que la (co-)polymérisation du styrène est réalisée par un procédé en masse, 30 en solution, en suspension ou en émulsion aqueuse, le milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur agité mécaniquement, peut comprendre respectivement: le styrène et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, tel qu'un polybutadiène, et/ou au moins un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres, tels que ceux cités précédemment, ou le styrène, un solvant organique, de préférence aromatique, choisi notamment parmi le benzène et les alcoylbenzènes (ou les dérivés alcoylés du benzène), en particulier choisi parmi le toluène, l'éthylbenzène, l'orthoxylène, le métaxylène, le paraxylène et le cu.mène, et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, tel qu'un polybutadiène, et/ou au moins un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres, tels que ceux cités précédemment, ou encore le styrène, l'eau, au moins un agent de stabilisation de suspension ou d'émulsion, notamment choisi parmi les agents organiques de suspension ou d'émulsion, tels que les polyvinylalcools, l'hydroxyéthylcellulose, la méthylcellulose, le dodécylbenzènesulfonate de sodium, l'amidon, les polyacrylamides ou les polyvinylpyrrolidones, ou parmi les agents inorganiques de suspension ou d'émulsion, tels que l'alumine, le silicate de magnésium, l'oxyde de magnésium, l'oxyde de zinc, le phosphate tricalcique, le phosphate de baryum, le phosphate d'aluminium, le pyrophosphate de magnésium, le carbonate de calcium ou le fluorure de calcium, et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, tel qu'un polybutadiène, et/ou au moins un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres, tels que ceux cités précédemment.
La (co-)polymérisation du styrène peut être réalisée par mise en oeuvre du milieu liquide réactionnel de polymérisation dans le réacteur agité mécaniquement, selon des 30 conditions permettant le développement de la réaction de (co-)polymérisation, notamment des conditions de température et de pression susceptibles d'initier et/ou de développer la réaction de (co-)polymérisation du styrène et éventuellement de greffer un (co-) polymère du styrène sur un caoutchouc tel qu'un polybutadiène. Ainsi, la température de polymérisation peut être choisie dans une gamme allant de 80 à 200 C, de préférence de 90 à 190 C, notamment de 90 à 180 C, en particulier dans le cas d'un procédé en masse ou en solution, ou de 80 à 150 C, de préférence de 85 à 140 C, en particulier dans le cas d'un procédé en suspension ou en émulsion aqueuse. La pression absolue, notamment dans le réacteur agité mécaniquement, peut être de 0,1 à 10 MPa, de préférence de 0,2 à 5 MPa.
Le milieu liquide de polymérisation peut comprendre en outre un ou plusieurs additifs choisis parmi les agents limiteurs de chaîne, tels que les mercaptans ou le dimère de l'alpha-méthylstyrène, les agents ignifugeants, tels que des hydrocarbures halogénés, de préférence bromés, les agents de réticulation, tels que le butadiène ou le divinylbenzène, les agents lubrifiants, les agents plastifiants, les agents antistatiques et les agents absorbeurs et/ou réflecteurs de rayon infrarouge, tels que le mica, le dioxyde de titane, des poudres métalliques telles qu'une poudre d'aluminium, le noir de carbone, le graphite, le graphite expansible ou le graphite expansé. Dans la fabrication d'un polystyrène expansible notamment sous forme de perles, on peut aussi choisir un ou plusieurs autres additifs parmi les agents gonflants, tels que les alcanes de C4 à C6, les hydrocarbures fluorés, le dioxyde de carbone ou l'eau, les agents d'enrobage, les agents de démoulage, les agents d'accélération de la vitesse d'expansion tels que les cires de pétrole, notamment les cires de paraffine, et les agents de nucléation, tels que les cires synthétiques, notamment les cires de polyoléfine ou les cires de Fischer-Tropsch.
La (co-)polymérisation du styrène peut être réalisée en totalité dans le réacteur agité mécaniquement, notamment pour fabriquer un polystyrène expansible en particulier sous forme de perles, selon par exemple un procédé en suspension aqueuse.
La (co-)polymérisation du styrène, notamment selon un procédé en masse ou en solution, peut aussi être réalisée en partie et, de préférence, d'abord dans le réacteur agité mécaniquement selon l'invention, par exemple sous forme d'une pré-polymérisation, le reste de la polymérisation pouvant être réalisé dans un ou plusieurs autres réacteurs choisis notamment parmi les réacteurs agités mécaniquement, les réacteurs- mélangeurs statiques, et les réacteurs à écoulement piston (en anglais plug flow ). Ainsi, on peut réaliser une pré-polymérisation du styrène, éventuellement en présence d'un caoutchouc, tel que le polybutadiène, dans le réacteur agité mécaniquement selon l'invention jusqu'à atteindre notamment un taux de conversion en polymère égal au plus à 50 %, de préférence au plus à 40 %. Dans le cas de la fabrication d'un polystyrène à haute résistance au choc, la (co-)polymérisation du styrène est réalisée en masse et en présence d'un caoutchouc, tel qu'un polybutadiène, et peut être avantageusement conduite dans le réacteur agité mécaniquement selon l'invention jusqu'à réaliser l'étape d'inversion de phase, et ensuite poursuivre et terminer la (co-)polymérisation dans un ou plusieurs autres réacteurs choisis notamment parmi les réacteurs agités mécaniquement, les réacteurs-mélangeurs statiques et les réacteurs à écoulement piston. Grâce au réacteur agité mécaniquement selon l'invention, on peut contrôler l'étape d'inversion de phase et obtenir des nodules de caoutchouc de taille et de distribution de tailles désirées, en particulier de taille élevée, pouvant aller de 6 à 12 m, notamment de 8 à 12 m, et de distribution de tailles étroite.
La présente invention concerne aussi un appareillage de polymérisation, notamment susceptible de (co-)polymériser le styrène, comprenant un réacteur agité mécaniquement sous forme d'une cuve comprenant une paroi latérale ayant la forme d'un cylindre de révolution et d'axe vertical (A), un fond et un couvercle jointifs avec la paroi latérale, la cuve étant munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant (i) un arbre central d'axe vertical et confondu avec l'axe (A), relié à un système d'entraînement comprenant un moteur permettant la rotation de l'arbre central, (ii) au moins un mobile d'agitation fixé à l'arbre central et (iii) au moins une chicane fixée à la cuve, appareillage caractérisé en ce que la chicane est décollée de la paroi latérale de la cuve et se présente sous la forme d'un cylindre, plein ou creux, d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes: - une première forme comprenant un losange possédant une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0, 9/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) ou selon une direction faisant un angle (a) supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 par rapport à ladite direction radiale, - une seconde forme comprenant un losange identique à celui de la première forme, excepté que chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale est remplacé par un arc de cercle identique ou différent, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,8/1, et deux extrémités jointives respectivement des deux côtés de l'angle aigu, ou - une troisième forme comprenant un losange identique à celui de la seconde forme, excepté que seul l'angle aigu situé à l'extrémité de la grande diagonale et disposé face au sens opposé de rotation de l'arbre central, est remplacé par l'arc de cercle.
Les détails, les variantes et les préférences des divers éléments de l'appareillage ont été décrits précédemment.
La présente invention se rapporte également à l'utilisation de l'appareillage décrit précédemment dans un procédé de polymérisation du styrène, selon un procédé choisi parmi les procédés en masse, en solution, en suspension aqueuse ou en émulsion aqueuse, notamment pour fabriquer en continu ou en discontinu un homo-polymère du styrène, ou un co- polymère du styrène avec au moins un co-monomère choisi parmi les monomères vinyl-aromatiques autres que le styrène, en particulier ceux cités précédemment, ou un polystyrène à haute résistance au choc, notamment modifié par greffage sur un caoutchouc naturel ou synthétique, tel qu'un polybutadiène, ou encore un polystyrène expansible, notamment sous forme de perles. Les procédés pour fabriquer ces polymères ont été décrits précédemment.
La Figure 1 représente schématiquement un réacteur agité mécaniquement, utilisé notamment selon un procédé de (co-)polymérisation du styrène en masse ou en solution, en particulier pour fabriquer un polystyrène standard ou, de préférence. un polystyrène à haute résistance au choc. Le réacteur a la forme d'une cuve comprenant une paroi latérale (1) ayant la forme d'un cylindre de révolution de diamètre (A) et d'axe vertical (A), jointive avec un fond (2) et un couvercle (3), de telle sorte que le rapport entre la hauteur totale de la cuve (H) et le diamètre (A) est égal à 1,9. Le milieu liquide réactionnel de polymérisation peut occuper une hauteur (h) de la cuve de telle sorte que le rapport (h/A) est égal à 1,6.
La cuve est munie d'un dispositif d'agitation mécanique selon l'invention, comprenant un arbre central (4) de rotation ayant un axe vertical, confondu avec l'axe (A). L'arbre central (4) est relié par son extrémité supérieure au couvercle (3) et à un système d'entraînement comprenant un moteur (5) permettant la rotation de l'arbre central (4), et par son extrémité inférieure au fond (2) et à un système de guidage (6), par exemple une crapaudine. L'arbre central (4) tourne à la vitesse de 15 tours par minute.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend aussi un mobile d'agitation (7) à débit axial ou essentiellement axial, fixé à l'arbre central (4) par un support solide horizontal (8). Le mobile d'agitation (7) a la forme d'un ruban hélicoïdal double, connu sous la référence commerciale Paravisc Ekato et vendu par Ekato (Allemagne), et ayant un pas (p) et un diamètre (6) de telle sorte que le rapport (p/6) est égal à 2,5. Il présente un taux de cisaillement d'environ 10 La partie supérieure (9) de chacun des deux rubans hélicoïdaux simples est reliée par un support solide vertical (10) à la partie inférieure (11) de l'autre ruban hélicoïdal simple, de façon à rigidifier l'ensemble du ruban hélicoïdal double (7). La distance entre le bord externe du ruban hélicoïdal double et la paroi latérale (1) de la cuve, encore appelée largeur de l'entrefer (e) mobile-cuve, est telle que le rapport (e/0) est égal à 0,01. L'arbre central (4) tourne clans un sens (S) de rotation tel que le milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur descend vers le fond (2) de la cuve le long de l'axe (A), puis remonte grâce au mobile d'agitation (7) le long de la paroi latérale (1).
Le dispositif d'agitation mécanique comprend également un mobile d'agitation de fond (12), fixé par ses deux extrémités (13) au support solide horizontal (8). Le mobile d'agitation de fond (12) a la forme d'une ancre dont le bord externe est distant de la paroi du fond (2) de la cuve par une largeur d'entrefer mobile-fond identique à celle de l'entrefer (e) mobile-paroi.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend aussi quatre chicanes (14) identiques entre elles et parmi lesquelles deux chicanes (14) sont seulement représentées à la Figure 1. Les chicanes (14) sont décollées de la paroi latérale (1) de la cuve par une distance suffisante pour laisser passer le ruban hélicoïdal double (7). Elles sont disposées symétriquement par rapport à l'axe (A) de la cuve et à égale distance les unes des autres. Chaque chicane (14) a la forme d'un cylindre creux, à structure interne à compartiment, ayant un axe vertical (A') éloigné de l'axe (A) de l'arbre central (4) d'une distance (1) telle que le rapport (1/A) est égal à 0,33. La section transversale de la chicane (14) correspond à la seconde forme telle que décrite précédemment et notamment représentée schématiquement à la Figure 4. La chicane (14) possède une extrémité inférieure (15) fermée et une extrémité supérieure (16) fixée au couvercle (3) de la cuve. Elle est d'une longueur verticale (L) telle qu'elle est immergée sur une partie de la hauteur (h) du milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur, et notamment telle que le rapport (L/h) est égal à 0,86.
La Figure 2 est une vue schématique verticale par le haut selon une coupe transversale BB' du réacteur représenté à la Figure 1, vue dans laquelle les éléments communs aux deux figures sont repérés par les mêmes références. Le réacteur a la forme d'une cuve comprenant la paroi latérale (1) du cylindre de révolution de diamètre (A) et d'axe vertical (A). La cuve est munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant l'arbre central (4) de rotation qui a un axe vertical, confondu avec l'axe (A) et qui tourne selon le sens (S) de rotation.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend également le mobile d'agitation (7) ayant la forme d'un ruban hélicoïdal double, connu sous la référence commerciale Paravisc Ekato . Le ruban hélicoïdal double (7) est relié à l'arbre central (4) de rotation par le support solide horizontal (8). La partie supérieure (9) de chacun des deux rubans hélicoïdaux simples est reliée par le support solide vertical (10) à la partie inférieure (11) de l'autre ruban hélicoïdal simple, de façon à rigidifier l'ensemble du ruban hélicoïdal double (7). La distance entre le bord externe du ruban hélicoïdal double (7) et la paroi latérale (1) de la cuve (appelée largeur d'entrefer (e) mobile-cuve) est telle que le rapport (e/A) est égal à 0,01.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend également les quatre chicanes (14) identiques entre elles, décollées de la paroi latérale (1) de la cuve par une distance suffisante de façon à laisser passer entre elles et la paroi latérale (1) le ruban hélicoïdal double (7). Les quatre chicanes (14) sont disposées symétriquement par rapport à l'axe (A) de la cuve et à égale distance les unes des autres. Chaque chicane (14) a la forme d'un cylindre creux ayant un axe vertical (A'). L'axe vertical (A') est éloigné de l'axe (A) de l'arbre central (4) d'une distance (1) telle que le rapport (1/0) est égal à 0,33. La section transversale de la chicane (14) correspond à la seconde forme telle que décrite précédemment et représentée schématiquement à la Figure 4. Plus particulièrement, la forme de la section transversale de la chicane (14) comprend un losange qui possède: (i) une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est égal à 0,46/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A), et (ii) chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale étant remplacé par un arc de cercle identique, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est égal à 0,51/1, et deux extrémités jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu.
La Figure 3 représente schématiquement la section transversale d'une chicane selon l'invention. La chicane se présente sous une forme comprenant un cylindre ayant un axe vertical (A') et une section transversale ayant la première forme telle que décrite précédemment, c'est-à-dire la forme d'un losange comprenant une grande diagonale (15) et une petite diagonale (16) ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est égal à 0,31/1. Le centre du losange correspond au point de passage de l'axe vertical (A') de la chicane. La petite diagonale (16) est orientée selon une direction radiale (17) par rapport à l'axe (A) de la cuve.
La Figure 4 représente schématiquement la section transversale d'une chicane (14) préférée selon l'invention et telle que représentée aux Figures 1 et 2. Les éléments communs aux Figures 1, 2 et 4 sont repérés par les mêmes références. La chicane (14) se présente sous une forme comprenant un cylindre ayant un axe vertical (A') et une section transversale ayant la seconde forme telle que décrite précédemment, c'està-dire la forme d'un losange comprenant: (i) une grande diagonale (15) et une petite diagonale (16) ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est égal à 0,46/1, la petite diagonale (16) étant orientée selon une direction radiale (17) par rapport à l'axe (A) de la cuve, et le centre du losange correspondant au point de passage de l'axe vertical (A') de la chicane, et (ii) chacun des deux angles aigus (18) et (18') situés aux extrémités de la grande diagonale (15) étant remplacé par un arc de cercle (19) identique., ayant un centre (A") sur la grande diagonale (15), un rayon d'une longueur ( r) telle que le rapport (2r/d) est égal à 0,51/1, et deux extrémités (20) jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu auxquels l'arc de cercle (19) se raccorde, en particulier selon une tangente à l'arc de cercle (19) qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction desdits côtés.
La Figure 5 représente schématiquement la section transversale d'une chicane selon l'invention. La chicane se présente sous une forme comprenant un cylindre ayant un axe vertical (A') et une section transversale ayant la troisième forme telle que décrite précédemment. Il s'agit d'une forme comprenant un losange identique à celui représenté à la Figure 4, excepté que seul l'angle aigu (18) situé à l'extrémité de la. grande diagonale (15) et disposé face au sens opposé au sens (S) de rotation de l'arbre central (4), est remplacé par l'arc de cercle (19).
La Figure 6 représente schématiquement un réacteur agité mécaniquement, utilisé notamment selon un procédé de (co-)polymérisation du styrène en suspension aqueuse, en particulier pour fabriquer un polystyrène expansible sous forme de perles. Le réacteur a la forme d'une cuve comprenant une paroi latérale (1) ayant:La forme d'un cylindre de révolution de diamètre (A) et d'axe vertical (A), jointive avec un fond (2) et un couvercle (3), de telle sorte que le rapport entre la hauteur totale de la cuve (FI) et le diamètre (A) est égal à 1,8. Le milieu liquide réactionnel de polymérisation peut occuper une hauteur (h) de la cuve de telle sorte que le rapport (h/A) est égal à 1,2.
La cuve est munie d'un dispositif d'agitation mécanique selon l'invention, comprenant un arbre central (4) de rotation ayant un axe vertical, confondu avec l'axe (A). L'arbre central (4) est relié par son extrémité supérieure au couvercle (3) et à un système d'entraînement comprenant un moteur (5) permettant la rotation de l'arbre central (4) à une vitesse de 20 tours par minute.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend par ailleurs un système de deux mobiles d'agitation à débit axial ou essentiellement axial, fixés à l'arbre central (4) de rotation. Le premier mobile d'agitation comprend une turbine supérieure (21) à 4 pales inclinées (22). Chaque pale inclinée (22) fait un angle d'inclinaison (y) de 45 par rapport à un plan horizontal et a une longueur équivalente à (0,25 x A). Les 4 pales inclinées (22) sont disposées orthogonalement entre elles et sont fixées sur l'arbre central (4) à une hauteur équivalente à (0,55 x H) à partir du fond (2) de la cuve. Le second mobile d'agitation comprend une turbine inférieure (23) à 4 pales inclinées (24).
Chaque pale inclinée (24) fait un angle d'inclinaison (y) de 45 par rapport à un plan horizontal et a une longueur équivalente à (0,35 x A). Les 4 pales inclinées (24) sont disposées orthogonalement entre elles et sont fixées sur l'arbre central (4) à une hauteur équivalente à (0,15 x H) à partir du fond (2) de la cuve. L'arbre central (4) tourne dans un sens (S) de rotation tel que le milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur descend vers le fond (2) de la cuve le long de l'axe (A), puis remonte grâce aux turbines (21) et (23) le long de la paroi latérale (1) de la cuve.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend également quatre chicanes (25) de forme identique et parmi lesquelles deux chicanes (25) sont seulement représentées à la Figure 6. Les chicanes (25) sont décollées de la paroi latérale (1) de la cuve et sont disposées symétriquement par rapport à l'axe (A) de la cuve et à égale distance les unes des autres. Chaque chicane (25) a la forme d'un cylindre creux, ayant un axe vertical (A') éloigné de l'axe (A) de l'arbre central (4) d'une distance (1) telle que le rapport (1/A) est égal à 0,37. La section transversale de la chicane (25) correspond à la seconde forme telle que décrite précédemment et notamment représentée schématiquement à la Figure 8 avec notamment une structure interne de type double enveloppe. La chicane (25) possède une extrémité inférieure (26) fermée et soutenue par un support solide (27) à la paroi latérale (1) de la cuve. Elle possède également une extrémité supérieure (28) reliée au couvercle (3) de la cuve et à travers laquelle passent des tuyaux coaxiaux d'alimentation (29) et de soutirage (30) d'un fluide caloporteur. Les tuyaux (29) et (30) relient un dispositif (non représenté à la Figure 6) de chauffage et/ou de refroidissement du fluide caloporteur à la structure interne (31) de type double enveloppe de la chicane (25). A travers la structure interne (31), circule le fluide caloporteur permettant de contrôler la température du milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur. La chicane (25) a une longueur verticale (L) telle qu'elle est immergée sur une partie de la hauteur (h) du milieu liquide réactionnel de polymérisation, et notamment telle que le rapport (L/h) est égal à 0,87.
La Figure 7 est une vue schématique verticale par le haut selon une coupe CC' du réacteur représenté à la Figure 6, vue dans laquelle les éléments communs aux deux figures sont repérés par les mêmes références. Le réacteur a la forme d'une cuve comprenant la paroi latérale (1) du cylindre de révolution de diamètre (A) et d'axe vertical (A). La cuve est munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant l'arbre central (4) de rotation qui a un axe vertical, confondu avec l'axe (A), et qui tourne selon le sens (S) de rotation.
Le dispositif d'agitation mécanique comprend également le système de deux mobiles d'agitation qui comporte la turbine supérieure (21) à 4 pales inclinées (22) et la turbine inférieure (23) à 4 pales inclinées (24). Chaque pale inclinée (22) fait un angle d'inclinaison (y) de 45 par rapport à un plan horizontal et a une longueur équivalente à (0,25 x A). Les 4 pales inclinées (22) sont disposées orthogonalement entre elles etsont fixées dans la partie supérieure de l'arbre central (4) de rotation. Chaque pale inclinée (24) fait un angle d'inclinaison (y) de 45 par rapport à un plan horizontal et a une longueur équivalente à (0,35 x A). Les 4 pales inclinées (24) sont disposées orthogonalement entre elles et sont fixées dans la partie inférieure de l'arbre central (4) de rotation. La disposition orthogonale des 4 pales inclinées (22;) est décalée autour de l'axe (A) d'un angle (13) égal à 60 par rapport à la disposition orthogonale des 4 pales inclinées (24).
Le dispositif d'agitation mécanique comprend en outre les quatre chicanes (25) qui sont décollées de la paroi latérale (1) de la cuve et sont disposées symétriquement par rapport à l'axe (A) de la cuve et à égale distance les unes des autres. Chaque chicane (25) a la forme d'un cylindre creux ayant un axe vertical (A'). L'axe vertical (A') est éloigné de l'axe (A) de l'arbre central (4) d'une distance (1) telle que le rapport (1/A) est égal à 0,37. La section transversale de la chicane (25) correspond à la seconde forme telle que décrite précédemment et représentée schématiquement à la Figure 8. Plus particulièrement, la forme de la section transversale de la chicane (25) comprend un losange qui possède: (i) une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est égal à 0,33/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) (notamment pour deux chicanes (25(a)) diamétralement opposées par rapport à l'axe (A)), ou orientée selon une direction faisant un angle (a) égal à 30 par rapport à ladite direction radiale (notamment pour deux chicanes (25(b)) diamétralement opposées par rapport à l'axe (A)), et (ii) chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale étant remplacé par un arc de cercle identique, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est égal à 0,44/1, et deux extrémités jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu.
La Figure 8 représente schématiquement la section transversale d'une chicane (25) préférée selon l'invention et telle que représentée schématiquement aux Figures 6 et 7. La chicane (25) se présente sous une forme comprenant un cylindre creux ayant un axe vertical (A') et une section transversale correspondant à la seconde forme telle que décrite précédemment, c'est-à- dire la forme d'un losange comprenant: (i) une grande diagonale (15) et une petite diagonale (16) ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est égal à 0,33/1, la petite diagonale (16) étant orientée selon une direction radiale (17) par rapport à l'axe (A) de la cuve (notamment pour les chicanes (25(a)) (ou orientée selon une direction fusant un angle (a) égal à 30 par rapport à ladite direction radiale pour les chicanes (25(b) ) non-représentées à la Figure 8), et le centre du losange correspondant au point de passage de l'axe (A') de la chicane (25), et (ii) chacun des deux angles aigus (18) et (18') situés aux extrémités de la grande diagonale (15) étant remplacé par un arc de cercle (19) identique, ayant un centre (A") sur la grande diagonale (15), un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est égal à 0,44/1, et deux extrémités (20) jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu auxquels l'arc de cercle (19) se raccorde, en particulier selon une tangente à l'arc de cercle (19) qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction desdits côtés.
La Figure 8 montre également que la chicane (25) se présente sous la forme d'un cylindre creux comprenant une structure interne de type double enveloppe dans laquelle 30 peut circuler un fluide caloporteur susceptible d'éliminer et/ou de fournir des calories au milieu liquide réactionnel de polymérisation contenu dans le réacteur. Ainsi, la chicane (25) comprend une enveloppe externe (32) ayant la forme de la chicane (25) décrite ci-dessus et une enveloppe interne (33) de forme similaire à l'enveloppe externe, de telle sorte qu'il apparaît un espace libre (34) entre les deux enveloppes où circule le fluide caloporteur sous la forme d'un courant selon des directions telles que représentées par des flèches dans la Figure 8. L'espace libre (34) est partagé par des cloisons verticales (35) et (36) qui laissent des passages libres respectivement dans la zone inférieure et dans la zone supérieure de la double enveloppe. Par ailleurs, la zone centrale interne de la chicane (25) est occupée par deux tuyaux cylindriques et coaxiaux, d'axe vertical confondu avec l'axe (A') de la chicane: un tuyau externe (29) d'alimentation en fluide caloporteur et un tuyau interne (30) de soutirage du fluide caloporteur. Des ouvertures et des communications (37) pratiquées entre le tuyau externe (29) et l'enveloppe interne (33) permettent d'introduire le fluide caloporteur dans l'espace libre (34) de la double enveloppe. De la même manière, des ouvertures et des communications (38) pratiquées entre l'enveloppe interne (33) et le tuyau interne (30) permettent d'évacuer le fluide caloporteur hors de la double enveloppe. Les ouvertures et communications (37) sont de préférence disposées dans la partie supérieure de la double enveloppe, alors que les ouvertures et communications (38) sont disposées dans la partie inférieure de la double enveloppe. Les éléments de la structure de la double enveloppe communs aux Figures 6 et 8 sont repérés par les mêmes références.
La Figure 9 est une vue schématique développée longitudinale de la structure interne de type double enveloppe de la chicane (25) telle que représentée aux Figures 6 et 8. La double enveloppe comporte des cloisons verticales (35) et (36) qui laissent des passages libres (39) et (40) respectivement dans la partie supérieure (41) et la partie inférieure (42) de la double enveloppe. Les ouvertures et les communications (37) sont disposées dans la partie supérieure (41) de la double enveloppe qui communique ainsi avec le tuyau externe (29) d'alimentation en fluide caloporteur. De même, les ouvertures et les communications (38) sont disposées dans la partie inférieure (42) de la double enveloppe qui communique ainsi avec le tuyau interne (30) de soutirage du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur pénètre dans la double enveloppe par les ouvertures et les communications (37), puis circule dans la double enveloppe, guidé par les cloisons (35) et (36) sous la forme d'un courant selon des directions telles que représentées dans la Figure 8 par des flèches, et est évacué hors de la double enveloppe par les ouvertures et les communications (38).
Le réacteur agité mécaniquement, tel que représenté schématiquement aux Figures 1, 2 et 4, peut être utilisé notamment dans un procédé de fabrication d'un polystyrène standard par polymérisation du styrène en masse, tel que décrit clans le brevet US 3 884 766. Il peut être aussi utilisé dans un procédé de fabrication d'un polystyrène à haute résistance au choc (ou HIPS ) par polymérisation du styrène en masse et greffage sur un polybutadiène, tel que décrit dans les brevets américains US 3 903 202, US 4 254 236 et US 5 189 095.
Le réacteur agité mécaniquement, tel que représenté schématiquement aux Figures 6, 7, 8 et 9, peut être utilisé notamment dans un procédé de fabrication d'un polystyrène expansible sous forme de perles par polymérisation du styrène en sus pension aqueuse, tel que décrit dans la demande de brevet européen EP 0 969 037 Al ou dans le brevet américain US 4 497 911.

Claims (19)

BPCL 10146 / BW 25 (1) REVENDICATIONS
1. Procédé de (co-)polymérisation du styrène réalisé par mise en oeuvre d'un milieu liquide réactionnel de polymérisation comprenant le styrène, clans un réacteur agité mécaniquement sous forme d'une cuve comprenant une paroi latérale ayant la forme d'un cylindre de révolution et d'axe vertical (A), un fond et un couvercle jointifs avec la paroi latérale, la cuve étant munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant (i) un arbre central d'axe vertical et confondu avec l'axe (A), relié à un système d'entraînement comprenant un moteur permettant la rotation de l'arbre central, (ii) au moins un mobile d'agitation fixé à l'arbre central et (iii) au moins une chicane fixée à la cuve, procédé caractérisé en ce que la chicane est décollée de la paroi latérale de la cuve et se présente sous la forme d'un cylindre d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes: - une première forme comprenant un losange possédant une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0, 9/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) ou selon une direction faisant un angle (a) supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 par rapport à ladite direction radiale, - une seconde forme comprenant un losange identique à celui de la première forme, excepté que chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale est remplacé par un arc de cercle identique ou différent, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,8/1, et deux extrémités jointives respectivement avec les deux côtés de l'angle aigu, et - une troisième forme comprenant un losange identique à celui de la seconde forme, excepté que seul l'angle aigu situé à l'extrémité de la grande diagonale et disposé face au sens opposé de rotation de l'arbre central, est remplacé par l'arc de cercle.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les mobiles à débit radial ou, de préférence, parmi les mobiles à débit axial ou essentiellement axial.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les hélices à double flux, les hélices à pales à profil mince ou à pales profilées, les turbines à pales inclinées, les vis d'Archimède à simple ou double spirale et les rubans hélicoïdaux simples, doubles, triples ou quadruples, éventuellement combinés avec une vis d'Archimède.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les hélices à pales à profil mince ou à pales profilées et les turbines inclinées, notamment dans un procédé de polymérisation en suspension aqueuse, et parmi les rubans hélicoïdaux simples, doubles ou triples, notamment dans un procédé de polymérisation en masse ou en solution.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les rubans hélicoïdaux simples, doubles ou triples, combinés avec un mobile d'agitation de fond, ayant notamment la forme d'une ancre, et en particulier fixé au même arbre central de rotation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0,2/1 à 0, 8/1, de préférence de 0,25/1 à 0,65/1.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,2/1 à 0, 7/1, de préférence de 0,35/1 à 0,65/1.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans la seconde ou troisième forme de la section transversale de la chicane, chaque extrémité de l'arc de cercle est jointive respectivement avec le côté de l'angle aigu auquel l'arc se raccorde, selon une tangente à l'arc de cercle qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction dudit côté.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la (co-)polymérisation du styrène est une réaction de polymérisation radicalaire, initiée thermiquement ou à l'aide d'au moins un catalyseur générateur de radicaux libres.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le milieu liquide réactionnel de polymérisation comprend: le styrène et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, notamment un polybutadiène, et/ou au moins un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres, ou - le styrène, un solvant organique de préférence aromatique, et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, notamment un polybutadiène, et/ou un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres, ou le styrène, l'eau, au moins un agent de stabilisation de suspension ou d'émulsion,et éventuellement au moins un co-monomère, un caoutchouc naturel ou synthétique, notamment un polybutadiène, et/ou au moins un initiateur de polymérisation, notamment générateur de radicaux libres.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le 30 ou les mobiles d'agitation présentent un taux de cisaillement de 2 à 60 s 1, de préférence de 5 à 50 s-1.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'arbre central tourne à une vitesse de 10 à 50 tours par minute, de préférence de 12 à 45 tours par minute.
13. Appareillage de polymérisation susceptible de (co-)polymériser le styrène, comprenant un réacteur agité mécaniquement sous forme d'une cuve comprenant une paroi latérale ayant la forme d'un cylindre de révolution et d'axe vertical (A), un fond et un couvercle jointifs de la paroi latérale, la cuve étant munie d'un dispositif d'agitation mécanique comprenant (i) un arbre central d'axe vertical confondu avec l'axe (A), relié à un système d'entraînement comprenant un moteur permettant la rotation de l'arbre central, (ii) au moins un mobile d'agitation fixé à l'arbre central et (iii) au moins une chicane fixée à la cuve, appareillage caractérisé en ce que la chicane est décollée de la paroi latérale de la cuve et se présente sous la forme d'un cylindre d'axe vertical et de section transversale choisie parmi l'une des trois formes suivantes: une première forme comprenant un losange possédant une grande diagonale et une petite diagonale ayant respectivement des longueurs (D) et (d) telles que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0, 1/1 à 0,9/1, la petite diagonale étant orientée selon une direction radiale par rapport à l'axe (A) ou selon une direction faisant un angle (a) supérieur à 0 et inférieur ou égal à 45 par rapport à ladite direction radiale, une seconde forme comprenant un losange identique à celui de la première forme, excepté que chacun des deux angles aigus situés aux extrémités de la grande diagonale est remplacé par un arc de cercle identique ou différent, ayant un centre situé sur la grande diagonale, un rayon d'une longueur (r) telle que le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0,1/1 à 0,8/1, et deux extrémités jointives respectivement des deux côtés de l'angle aigu, ou une troisième forme comprenant un losange identique à celui de la seconde forme, excepté que seul l'angle aigu situé à l'extrémité de la grande diagonale et disposé face au sens opposé de rotation de l'arbre central, est remplacé par l'arc de cercle.
14. Appareillage selon la revendication 13, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les mobiles à débit radial ou, de préférence, parmi les mobiles à débit axial ou essentiellement axial.
15. Appareillage selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les hélices à double flux, les hélices à pales à profil mince ou à pales profilées, les turbines à pales inclinées, les vis d'Archimède à simple ou double spirale et les rubans hélicoïdaux simples, doubles, triples ou quadruples, éventuellement combinés avec une vis d'Archimède.
16. Appareillage selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le ou les mobiles d'agitation sont choisis parmi les rubans hélicoïdaux simples., doubles, triples ou quadruples, combinés avec un mobile d'agitation de fond, ayant notamment la forme d'une ancre.
17. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le rapport (d/D) est choisi dans une gamme allant de 0,2/1 à 0,8/1, de préférence de 0,25/1 à 0,65/1.
18. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce le rapport (2r/d) est choisi dans une gamme allant de 0, 2/1 à 0,7/1, de préférence de 0,35/1 à 0,65/1.
19. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisé en ce que dans la seconde ou troisième forme de la section transversale de la chicane, chaque extrémité de l'arc de cercle est jointive respectivement avec le côté de l'angle aigu auquel l'arc se raccorde, selon une tangente à l'arc de cercle qui est, au point de raccordement, confondue avec la direction dudit côté.
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