WO2016169909A1 - Vorrichtung zur herstellung von pulverförmigem poly(meth)acrylat - Google Patents

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WO2016169909A1 PCT/EP2016/058605 EP2016058605W WO2016169909A1 WO 2016169909 A1 WO2016169909 A1 WO 2016169909A1 EP 2016058605 W EP2016058605 W EP 2016058605W WO 2016169909 A1 WO2016169909 A1 WO 2016169909A1
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reactor
monomer solution
fluidized bed
gas
dropping
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Andreas Daiss
Robert Bayer
Rudolf Schliwa
Juergen Freiberg
Karl Possemiers
Marco Krueger
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Basf Se
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    • B01J2219/1943—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped cylindrical

Definitions

  • the invention relates to a device for the production of powdered poly (meth) acrylate, comprising a dropwise polymerization reactor with a device for dropping a monomer solution for the production of the poly (meth) acrylate with holes, through which the monomer solution is introduced, an addition point for a gas above the device for dripping, at least one gas sampling point on the circumference of the reactor and a fluidized bed.
  • Poly (meth) acrylates are used in particular as water-absorbing polymers which are used, for example, in the production of diapers, tampons, sanitary napkins and other hygiene articles or else as water-retaining agents in agricultural horticulture.
  • the properties of the water-absorbing polymers can be adjusted via the degree of crosslinking. As the degree of crosslinking increases, the gel strength increases and the absorption capacity decreases. This means that with increasing absorption under pressure, the centrifuge retention capacity decreases, and at very high degrees of crosslinking the absorption under pressure also decreases again.
  • water-absorbing polymer particles are generally postcrosslinked.
  • This postcrosslinking can be carried out in aqueous gel phase.
  • ground and sieved polymer particles are coated on the surface with a postcrosslinker, thermally postcrosslinked and dried.
  • Suitable crosslinkers are compounds which contain at least two groups which can form covalent bonds with the carboxylate groups of the hydrophilic polymer.
  • the monomers used for the preparation of poly (meth) acrylates and optionally additives may be added to a mixing kneader in which the monomers react to form the polymer.
  • a mixing kneader By rotating shafts with kneading bars in the mixing kneader, the resulting polymer is torn into chunks.
  • the polymer removed from the kneader is dried and ground and fed to a post-processing.
  • the monomer is introduced into a reactor for droplet polymerization in the form of a monomer solution, which may also contain further additives. When the monomer solution is introduced into the reactor, it decomposes into drops.
  • the mechanism of droplet formation may be turbulent or laminar jet disintegration or else dripping.
  • the mechanism of droplet formation depends on the conditions of entry and shadow of the monomer solution.
  • the drops fall down the reactor, with the monomer reacting to the polymer.
  • In the lower part of the reactor there is a fluidized bed into which the polymer particles formed by the reaction from the droplets fall. In the fluidized bed then takes place a post-reaction.
  • Corresponding methods are described, for example, in WO-A 2006/079631, WO-A 2008/086976, WO-A 2007/031441, WO-A 2008/040715, WO-A 2010/003855 and WO-A 201 1/026876 described.
  • an apparatus for the production of powdered poly (meth) acrylate comprising a reactor for droplet polymerization with a device for dropping a monomer solution for the preparation of the poly (meth) acrylate with holes through which the monomer solution is introduced, an addition point for a gas above the device for dripping, at least one gas sampling point at the circumference of the reactor and a fluidized bed in which the smallest vertical distance between the device for dewatering the monomer solution and the surface of the fluidized bed is:
  • H the vertical distance between the device for dripping and the surface of the fluidized bed in meters
  • m the mass flow of the monomer solution in kilograms per hour
  • dp the droplet diameter of the introduced droplets of the monomer solution in ⁇
  • d h the hydraulic diameter of the reactor in meters above the Gas extraction point is.
  • the fall time of the drops is not only dependent on the height of fall but also on the mass flow of the monomer solution and on the hydraulic diameter of the reactor.
  • a preferred embodiment of the invention applies to the smallest vertical distance between the device for dropping the monomer solution and the surface of the fluidized bed: 0.035 ⁇ - ⁇ ⁇ - ⁇ - + 0.018 - d P - 0.4436m ⁇ H ⁇ 0.11 - ⁇ - ⁇ ⁇ + 0.068 ⁇ d P - 1.635m kg d h ⁇ kg d h ⁇
  • H is the vertical distance between the device for dripping and the surface of the fluidized bed in meters
  • m is the mass flow of the monomer solution in kilograms per hour
  • d p is the droplet diameter of the introduced drops of the monomer solution in ⁇ and that is the hydraulic diameter of the reactor in meters above the gas sampling point.
  • the minimum distance between the device for dewatering the monomer solution and the surface of the fluidized bed results from the necessary fall time to obtain sufficient polymerization and drying in the droplets. Too short a fall time causes the monomer in the drops not sufficiently polymerized and the drops not can dry sufficiently. This allows the droplets to adhere more strongly to the wall of the reactor. Also, sufficient polymerization in the droplets and thus the formation of powder particles from the droplets is necessary so that the individual particles formed do not agglomerate in the fluidized bed.
  • the formation of particles from the drops and the drying takes place in two phases.
  • the surface is dried by water evaporating from the surface.
  • the monomer already reacts to the polymer.
  • the evaporation of water from the surface is a largely linear and fast process. From a water content of about 15% by volume, based on the total mass of polymer, monomer and water, the drying proceeds in a diffusion-controlled manner. This means that the water must first diffuse to the surface of the droplet or particle before it can evaporate.
  • the drying of the first section is very fast in the range of a few seconds, whereas the second section, depending on the particle size, can take a few minutes to more than half an hour.
  • the first drying section takes place during the fall of the drop into the fluidized bed and the second drying section in the fluidized bed. If the first drying section is not finished, this can lead to an agglomeration of the particles in the fluidized bed, so that the height of the reactor and thus the distance H between the device for dousing the monomer solution and the surface of the fluidized bed must be chosen such that that the first drying section is completely finished before the drops or the particles resulting from the drops fall into the fluidized bed.
  • the height is chosen, for example, so that the fall time for drops with a mean diameter of 150 ⁇ is at least 4 s and for drops with a mean diameter of 600 ⁇ at least 15 s.
  • the maximum height of the reactor results in particular for static reasons.
  • the reactor must be able to operate stably regardless of weather conditions. For this purpose, sufficient strength and stability is necessary. This can be realized by appropriately selected wall thicknesses and a support frame for receiving the reactor.
  • the reactor must have sufficient strength against the forces due to gravity. Also, a sufficient strength and stability to thermal stresses resulting from heating and cooling due to weather-related temperature differences, necessary. In addition to the thermal stresses, sufficient stability against wind, earthquake and snow loads must also be ensured. As an increasing height of the reactor leads to very high costs, it is required to build the reactor as low as possible.
  • a drop polymerization reactor generally comprises a head having a monomer solution dripping device, a central region through which the dripped monomer solution falls and is converted to the polymer, and a fluidized bed into which the polymer droplets fall.
  • the reactor is designed so that the hydraulic diameter of the jacket of the reactor below the gas sampling point is steadily smaller and above the gas sampling point and below the device for dropping the monomer solution has a constant hydraulic diameter region.
  • the fluidized bed closes down the region of the reactor in which the hydraulic inner diameter decreases.
  • the reactor has a circular cross-section.
  • the hydraulic diameter corresponds to the diameter of the circular reactor.
  • the head of the reactor in the form of a truncated cone and the device for dripping in the frusto-conical head of the reactor to position.
  • a frusto-conical design of the head of the reactor can be saved compared to a cylindrical design material.
  • a frusto-conically shaped head serves to improve the static stability of the reactor.
  • Another advantage is that the gas and droplets from the monomer solution can be better brought into contact with each other. Due to the problem of deposit formation, the device for dripping could run no larger even with cylindrical design of the reactor, but in this case, the cross-sectional area for the gas supply would be much larger, so that a large part of the gas would take a much longer time to a Contact with the drops takes place and this is mixed into the stream containing the drops.
  • the gas flow releases at an opening angle of the cone of more than 7 ° from the surface and forms vortices, which in turn contributes to a faster mixing.
  • the device for dropping the monomer solution is arranged as far up in the frusto-conically shaped head as possible. This means that the device for dropping the monomer solution is disposed at the level of the frustoconical shaped head, in which the diameter of the frustoconical shaped head corresponds approximately to the diameter of the device for dripping.
  • the hydraulic diameter of the frustoconical shaped head at the height, in the the device for dripping is arranged 2 to 30%, more preferably 4 to 25% and especially 5 to 20%, larger than the hydraulic diameter belonging to the area enclosed by a line connecting the outermost holes.
  • the slightly larger hydraulic diameter of the head also provides rather, that drops do not impinge early on the reactor wall even underneath the reactor head and stick there.
  • the device for dewatering the monomer solution is an addition point for gas, so that gas and drops flow in direct current from top to bottom through the reactor. Since the fluidized bed is located in the lower part of the reactor, this causes gas to flow in the opposite direction from bottom to top in the lower part of the reactor. Since gas is introduced into the reactor from both above and below, it is necessary to remove the gas between the monomer solution dripping device and the fluidized bed.
  • the gas removal point is preferably positioned at the transition from the cylindrical wall of the reactor to the region with decreasing hydraulic inner diameter.
  • the cross-sectional area of the gas removal ring is so large that the mean gas velocity in the ring is 0.25 to 3 m / s, preferably 0.5 to 2.5 m / s and in particular 1 .0 to 1.8 m / s.
  • the distance between the device for dewatering the monomer solution and the surface of the fluidized bed is constant over the entire surface of the fluidized bed. In this case, the drops leave the device parallel to the axis of the reactor.
  • the device for dropping the monomer solution so that the distance between the device for dropping the monomer solution and the surface of the fluidized bed from the outside to the center of the reactor increases at a constant height of the fluidized bed.
  • the monomer solution leaves the device for dripping at an angle in the direction of the central axis of the reactor, so that removal of the droplet from the vertical trajectory in the direction of the wall does not necessarily lead to a collision of the droplet on the wall.
  • the region of the reactor at which the gas sampling point is positioned is preferably designed so that the diameter of the region with decreasing hydraulic inner diameter at its upper end is greater than the diameter of the upper part of the reactor.
  • the gas flowing from above through the reactor flows around the lower end of the reactor wall of the upper part and is formed via at least one gas vent from the lower end of the reactor wall which projects between the upper end of the region with decreasing hydraulic inner diameter and the region of decreasing hydraulic inner diameter taken from annular space.
  • a solids separation device in which polymer particles which are withdrawn from the reactor with the gas flow can be separated off.
  • filters or centrifugal separators such as cyclones. Particularly preferred are cyclones.
  • the hydraulic diameter of the fluidized bed is selected according to the invention so that the surface of the fluidized bed is at least so large that a drop falling vertically downwards falls from the outermost holes of the device for dripping into the fluidized bed.
  • the area of the fluidized bed is at least as large and shaped as the area formed by a line connecting the outermost holes of the device for dripping.
  • the surface of the fluidized bed is larger than the area formed by the line connecting the outermost holes of the device for dripping. It is particularly preferred if the surface of the fluidized bed is 5 to 50%, more preferably 10 to 40% and in particular 15 to 35% greater than the surface formed by the line connecting the outermost holes of the device for dripping.
  • the shape of the surface of the fluidized bed corresponds in each case to the shape of the area which is enclosed by the line connecting the outermost holes.
  • the area enclosed by the line connecting the outermost holes is circular, and the diameter of the surface of the fluidized bed may be greater than the diameter of the area of the outermost holes of the device for dripping connecting line is formed.
  • the monomer solution emerges from the holes of the device for dripping in the form of a jet of liquid, which then breaks up into droplets in the reactor.
  • the disintegration of the liquid jet depends, on the one hand, on the quantity of liquid which exits through the holes per unit of time, and on the other hand on the speed and quantity of the gas flowing through the reactor.
  • the material properties of the monomer solution and the geometry of the holes affect the type of jet disintegration.
  • dropping of the drop is also referred to as dripping or dripping.
  • the ratio of that of the device is less than 50% and preferably in the range between 3 and 30%.
  • the number of the holes relative to the area formed by the line connecting the outermost holes is in the range of 100 to 1000 holes / m 2 , preferably in the range of 150 to 800 holes / m 2, and especially in the range of 200 to 500 holes / m 2 .
  • the device for dropping the monomer solution comprises channels, on the underside of which the holes are formed and which are arranged in a star shape.
  • the star-shaped arrangement of the channels makes it possible, in particular in a reactor with a circular cross-section, to obtain a uniform distribution of the droplets in the reactor.
  • the addition takes place through the channels into which the monomer solution is introduced. Through the holes at the bottom of the channels, the liquid emerges and forms the drops.
  • the channels In order for the drops emerging from the channels to come into contact with the gas flowing around the channels as quickly as possible, it is further preferred for the channels to have the smallest possible width.
  • the width of the channels is preferably in the range of 25 to 500 mm, more preferably in the range of 100 to 400 mm and in particular in the range of 150 to 350 mm.
  • the reactor preferably has heating in the region with a continuously decreasing hydraulic inner diameter.
  • the heating in the region of the reactor with a continuously smaller hydraulic inner diameter is designed such that it introduces a heating power in the range from 20 to 5000 W / m 2 .
  • the heating power is preferably in the range from 100 to 3000 W / m 2 and in particular in the range from 200 to 1500 W / m 2 .
  • a heating capacity below 20 W / m 2 is not sufficient to prevent caking, a heating power above 5000 W / m 2 leads to irreversible damage to the impacting of the wall of the reactor material and thus to an inferior product quality.
  • the heating can be realized by any known to those skilled heater.
  • the heating can be realized for example by direct firing, for example with gas or oil.
  • the jacket is designed for heating as a double jacket or in the form of heating coils which are applied externally on the jacket, wherein the double jacket or the heating beats are flowed through by a heating medium.
  • Suitable heating media are, for example, thermal oil, water or steam. Particularly preferred is a heating with water vapor.
  • heating coils are applied for heating on the jacket of the reactor, these preferably run meander-shaped, so that the heat is introduced uniformly through the heating coils.
  • the region of the reactor with continuously decreasing hydraulic inner diameter may have any desired course, wherein it is particularly preferred if the region with a continuously decreasing hydraulic inner diameter is conical.
  • the conical shape has the advantage that polymer particles which have formed from the drops during their case by polymerization of the monomer solution can fall into the fluidized bed without being sucked out of the reactor together with the exhaust gas. Polymer particles directly on The area with continuously decreasing hydraulic inner diameter impinges can slip into the fluidized bed.
  • Suitable mechanical or pneumatic cleaning devices are, for example, knockers.
  • vibration transmitters, ultrasonic transducers, movable scrapers or agitators and gas nozzles can also be used as a mechanical or pneumatic cleaning device, for example.
  • the reactor wall can be treated or coated with suitable anti-adhesion agents such as PTFE, polyamide, polyurethane or silicone or even consist entirely of such materials.
  • the sole figure shows a longitudinal section through a reactor for droplet polymerization.
  • a droplet polymerization reactor 1 comprises a reactor head 3, in which a device for dripping 5 is accommodated, a central region 7, in which the polymerization reaction takes place, and a lower region 9 with a fluidized bed 11, in which the reaction is completed.
  • the device for dropping 5 is supplied with a monomer solution via a monomer feed 12. If the device for dripping 5 has multiple channels, it is preferable to supply the monomer solution to each channel via its own monomer feed 12.
  • the monomer solution exits through holes, not shown in FIG. 1, in the dropletizing device 5 and breaks down into individual drops which fall downwards in the reactor.
  • a gas for example nitrogen or air, is introduced into the reactor 1. The gas flow thereby supports the disintegration of the monomer solution emerging from the holes of the device for dropping 5 into individual drops.
  • the reactor head 3 is preferably conical, as shown here, wherein the device for dripping 5 in FIG conical reactor head 3 is located above the cylindrical portion.
  • the reactor also cylindrical in the reactor head 3 with a diameter as in the central region 7.
  • a conical design of the reactor head 3 is preferred.
  • the position of the dropletizing device 5 is chosen such that a dropping of the droplets between the outermost holes through which the monomer solution is fed and the wall of the reactor is still a sufficiently large distance to prevent the wall.
  • the distance should be at least in the range of 50 to 1500 mm, preferably in the range of 100 to 1250 mm and in particular in the range of 200 to 750 mm.
  • a greater distance to the wall of the reactor is possible.
  • this has the disadvantage that with a greater distance is associated with a poorer utilization of the reactor cross-section.
  • the lower region 9 terminates with a fluidized bed 11 into which the polymer particles formed during the fall from the monomer droplets fall.
  • the post-reaction to the desired product takes place in the fluidized bed.
  • the outermost holes through which the monomer solution is dripped are positioned such that a drop falling vertically downwards falls into the fluidized bed 1 1.
  • This can be realized, for example, in that the hydraulic diameter of the fluidized bed is at least as large as the hydraulic diameter of the area enclosed by a line connecting the outermost holes in the device 5, the cross-sectional area of the fluidized bed and that of the surface forming the outermost holes has the same shape and the centers of the two surfaces are in a perpendicular projection at the same position.
  • the outermost position of the outer holes with respect to the position of the fluidized bed 1 1 is shown in Figure 1 by means of a dashed line 15.
  • the hydraulic diameter at the level of the middle between the device for dripping and the gas sampling point is at least 10% greater than the hydraulic diameter of the fluidized bed.
  • the reactor according to the invention is designed so that the distance H between the device for dropping 5 and the surface 14 of the fluidized bed is chosen such that
  • the reactor can be constructed as low as possible, on the other hand, the fall height is sufficiently large dimensioned that the Polymerize droplets so far and dry them to particles that they no longer agglomerate in the fluidized bed 1 1.
  • the reactor 1 can have any desired cross-sectional shape.
  • the cross section of the reactor 1 is preferably circular.
  • the hydraulic diameter corresponds to the diameter of the reactor 1.
  • the diameter of the reactor 1 increases in the embodiment shown here, so that the reactor 1 widens conically in the lower region 9 from bottom to top. This has the advantage that in the reactor 1 resulting polymer particles that hit the wall, can slide down the wall in the fluidized bed 1 1.
  • beaters not shown here may additionally be provided on the outside of the cylindrical part of the reactor, with which the wall of the reactor is caused to oscillate, whereby adhering polymer particles are released and slip into the fluidized bed 1 1.
  • a gas distributor 17 For gas supply for the operation of the fluidized bed 1 1, located below the fluidized bed 1 1, a gas distributor 17, through which the gas is injected into the fluidized bed 1 1. Since gas is introduced into the reactor 1 from above as well as from below, it is necessary to extract gas from the reactor 1 at a suitable position.
  • at least one gas sampling point 19 is arranged at the transition from the central region 7 with a constant cross-section to the conically extending from bottom to top lower portion 9.
  • the cylindrical central region 7 protrudes with its wall into the upwardly conically widening lower region 9, wherein the diameter of the conical lower region 9 at this position is greater than the diameter of the central region 7 formed in the central region 7 circumferential annular chamber 21 into which the gas flows and can be withdrawn through the at least one gas sampling point 19 which is connected to the annular chamber 21.
  • the post-reacted polymer particles of the fluidized bed 1 1 are removed via a product removal point 23 in the fluidized bed 1 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigem Poly(meth)acrylat, umfassend einen Reaktor (1) zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung (5) einer Monomerlösung für die Herstellung des Poly(meth)acrylats mit Löchern, durch die die Monomerlösung eingebracht wird, einer Zugabestelle für ein Gas (13) oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung (5), mindestens einer Gasentnahmestelle (19) am Umfang des Reaktors (1) und einer Wirbelschicht (11), wobei für den kleinsten vertikalen Abstand (H) zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung und der Oberfläche (14) der Wirbelschicht (11) gilt: wobei H der vertikale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung und der Oberfläche der Wirbelschicht in Metern, m der Massenstrom der Monomerlösung in Kilogramm pro Stunde, dp der Tropfendurchmesser der eingebrachten Tropfen der Monomerlösung in µm und dh der hydraulische Durchmesser des Reaktors in Metern oberhalb der Gasentnahmestelle ist.

Description

Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigem Poly(meth)acrylat Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigem Poly(meth)acrylat, umfassend einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung einer Monomerlösung für die Herstellung des Poly(meth)acrylats mit Löchern, durch die die Monomerlösung eingebracht wird, einer Zugabestelle für ein Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, mindestens einer Gasentnahmestelle am Umfang des Reaktors und einer Wirbel- schicht.
Poly(meth)acrylate finden Anwendung insbesondere als wasserabsorbierende Polymere, die beispielsweise bei der Herstellung von Windeln, Tampons, Damenbinden und anderen Hygieneartikeln oder auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau ver- wendet werden.
Die Eigenschaften der wasserabsorbierenden Polymere können über den Vernetzungsgrad eingestellt werden. Mit steigendem Vernetzungsgrad steigt die Gelfestigkeit und sinkt die Absorptionskapazität. Dies bedeutet, dass mit steigender Absorption unter Druck die Zentrifugen- retentionskapazität abnimmt, wobei bei sehr hohen Vernetzungsgraden auch die Absorption unter Druck wieder abnimmt.
Zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften, beispielsweise der Flüssigkeitsleitfähigkeit in der Windel und der Absorption unter Druck, werden wasserabsorbierende Polymerpartikel im Allgemeinen nachvernetzt. Dadurch steigt nur der Vernetzungsgrad an der Partikeloberfläche, wodurch die Absorption unter Druck und die Zentrifugenretentionskapazität zumindest teilweise entkoppelt werden können. Diese Nachvernetzung kann in wässriger Gelphase durchgeführt werden. Im Allgemeinen werden aber gemahlene und abgesiebte Polymerpartikel an der Oberfläche mit einem Nachvernetzer beschichtet, thermisch nachvernetzt und getrocknet. Dazu ge- eignete Vernetzer sind Verbindungen, die mindestens zwei Gruppen enthalten, die mit den Carboxylatgruppen des hydrophilen Polymeren kovalente Bindungen bilden können.
Zur Herstellung der wasserabsorbierenden Polymerpartikel sind unterschiedliche Verfahren bekannt. So können zum Beispiel die zur Herstellung von Poly(meth)acrylaten eingesetzten Monomere und gegebenenfalls Additive einem Mischkneter zugegeben werden, in dem die Monomere zum Polymer reagieren. Durch rotierende Wellen mit Knetbarren im Mischkneter wird das entstehende Polymer in Brocken zerrissen. Das dem Kneter entnommene Polymer wird getrocknet und gemahlen und einer Nachbearbeitung zugeführt. In einer alternativen Variante wird das Monomer in Form einer Monomerlösung, die auch weitere Additive enthalten kann, in einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation eingebracht. Beim Einbringen der Monomerlösung in den Reaktor zerfällt diese in Tropfen. Bei dem Mechanismus der Tropfenbildung kann es sich um turbulenten oder laminaren Strahlzerfall oder aber auch um Vertropfung handeln. Der Mechanismus der Tropfenbildung hängt dabei von den Eintrittsbedingungen und den Stoffeigen- schatten der Monomerlösung ab. Die Tropfen fallen im Reaktor nach unten, wobei das Monomer zum Polymer reagiert. Im unteren Bereich des Reaktors befindet sich eine Wirbelschicht, in die die durch die Reaktion aus den Tropfen entstehenden Polymerpartikel fallen. In der Wirbelschicht findet dann eine Nachreaktion statt. Entsprechende Verfahren sind zum Beispiel in der WO-A 2006/079631 , der WO-A 2008/086976, der WO-A 2007/031441 , der WO-A 2008/040715, der WO-A 2010/003855 und der WO-A 201 1/026876 beschrieben.
Nachteil bei allen Verfahren, die nach dem Prinzip der Sprühtrocknung durchgeführt werden, bei denen Monomerlösung in Tropfen zerfällt und in einem Reaktor unter Bildung des Polyme- ren nach unten fällt, ist, dass Tropfen beim Zusammenprall koaleszieren können und an die Wandung des Reaktors prallende Tropfen anhaften können und so zu einer ungewünschten Belagbildung führen können.
Insbesondere bei einer zu geringen Fallhöhe ist zudem die Fallzeit der Tropfen nicht ausrei- chend, um eine ausreichende Polymerisation und Trocknung der Tropfen zu erhalten. Auf der anderen Seite führt eine zu große Fallhöhe zu einem sehr hohen statischen und apparativen Aufwand, um den Reaktor sicher und stabil bauen zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Vorrichtung zur Herstellung von pulver- förmigem Poly(meth)acrylat bereitzustellen, bei der der Reaktor hoch genug ist, um eine ausreichend weit fortgeschrittene Polymerisation und Trocknung der fallenden Tropfen zu gewährleisten und der zudem mit dem für die notwendige Höhe geringstmöglichen apparativen Aufwand gebaut werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigem Po- ly(meth)acrylat, umfassend einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung einer Monomerlösung für die Herstellung des Poly(meth)acrylats mit Löchern, durch die die Monomerlösung eingebracht wird, einer Zugabestelle für ein Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, mindestens einer Gasentnahmestelle am Umfang des Reaktors und einer Wirbelschicht, bei der für den kleinsten vertikalen Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht gilt:
0.026^-^ - ^ + 0.014— - - 0.333m < H < 0.147^^ - ^ + 0.091— - 2.18m (1 ) kg dh μτη kg dh μτη
wobei H der vertikale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung und der Oberfläche der Wirbelschicht in Metern, m der Massenstrom der Monomerlösung in Kilogramm pro Stunde, dp der Tropfendurchmesser der eingebrachten Tropfen der Monomerlösung in μηη und dh der hydraulische Durchmesser des Reaktors in Metern oberhalb der Gasentnahmestelle ist. Der hydraulische Durchmesser dh berechnet sich zu: dh = 4-A/U wobei A die Fläche und U der Umfang ist. Durch die Verwendung des hydraulischen Durchmessers ist die Gestaltung des Reaktors unabhängig von der Form der Querschnittsfläche. Diese kann zum Beispiel kreisförmig, rechteckig, in Form eines beliebigen Polygons, oval oder elliptisch sein. Bevorzugt ist jedoch eine kreisförmige Querschnittsfläche. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Fallzeit der Tropfen nicht nur von der Fallhöhe sondern auch vom Massenstrom der Monomerlösung und vom hydraulischen Durchmesser des Reaktors abhängig ist. Durch die Wahl der Höhe des Reaktors derart, dass der vertikale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht in dem in Gleichung (1 ) definierten Bereich liegt, wird eine Fallzeit der Tropfen erhalten, die ausreichend lang ist, um eine Polymerisierung der Monomerlösung zu erhalten, die so weit fortgeschritten ist, dass die durch die Polymerisierung entstehenden Pulverkörner nicht mehr aneinander haften und auch in der Wirbelschicht voneinander separiert bleiben. Auf der anderen Seite ist die Höhe des Reaktors so niedrig wie möglich, um eine ausreichende statische Stabilität bei geringstmöglichem apparativen Aufwand zu erhalten.
Bei der Höhe des Reaktors ist dabei zusätzlich zu beachten, dass größere Tropfen für eine ausreichende Polymerisierung eine längere Zeit brauchen als kleinere Tropfen. Daher ist es notwendig, den Reaktor bei Herstellung eines Poly(meth)acrylats aus größeren Tropfen höher zu bauen als bei der Herstellung aus kleinen Tropfen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für den kleinsten vertikalen Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht: 0.035^-^ · -^- + 0.018— · dP - 0.4436m < H < 0.11-^—^ · + 0.068— · dP - 1.635m kg dh μτη kg dh μτη
(2), wobei auch hier H der vertikale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung und der Oberfläche der Wirbelschicht in Metern, m der Massenstrom der Monomerlösung in Kilogramm pro Stunde, dp der Tropfendurchmesser der eingebrachten Tropfen der Monomerlösung in μηη und dh der hydraulische Durchmesser des Reaktors in Metern oberhalb der Gasentnahmestelle ist.
Der minimale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht ergibt sich aus der notwendigen Fallzeit, um eine ausreichende Polymerisierung und Trocknung in den Tropfen zu erhalten. Eine zu kurze Fallzeit führt dazu, dass das Monomer in den Tropfen nicht ausreichend polymerisiert und die Tropfen damit nicht hinreichend trocknen können. Hierdurch können die Tropfen verstärkt an der Wandung des Reaktors haften bleiben. Auch ist eine ausreichende Polymerisierung in den Tropfen und damit die Bildung von Pulverpartikeln aus den Tropfen notwendig, damit die einzelnen entstehenden Partikel nicht in der Wirbelschicht agglomerieren.
Die Bildung von Partikeln aus den Tropfen und die Trocknung läuft in zwei Phasen ab. Zu Beginn erfolgt eine Oberflächentrocknung durch von der Oberfläche verdampfendes Wasser. Hierbei reagiert das Monomer bereits zum Polymer. Bei der Verdampfung des Wassers von der Oberfläche handelt es sich um einen weitgehend linearen und schnellen Verlauf. Ab einem Wassergehalt von ungefähr 15 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmasse an Polymer, Monomer und Wasser, verläuft die Trocknung diffusionskontrolliert. Das bedeutet, dass das Wasser erst an die Oberfläche des Tropfens beziehungsweise Partikels diffundieren muss, bevor es verdunsten kann. Die Trocknung des ersten Abschnitts erfolgt sehr schnell im Bereich weniger Sekunden, wohingegen der zweite Abschnitt in Abhängigkeit von der Partikelgröße einige Minu- ten bis zu mehr als einer halben Stunde dauern kann. Erfindungsgemäß erfolgt der erste Trocknungsabschnitt während des Falls des Tropfens in die Wirbelschicht und der zweite Trocknungsabschnitt in der Wirbelschicht. Wenn der erste Trocknungsabschnitt nicht beendet ist, kann dies zu einer Agglomeration der Partikel in der Wirbelschicht führen, so dass die Höhe des Reaktors und damit der Abstand H zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomer- lösung und der Oberfläche der Wirbelschicht so gewählt werden müssen, dass der erste Trocknungsabschnitt vollständig beendet ist, bevor die Tropfen beziehungsweise die aus den Tropfen entstandenen Partikel in die Wirbelschicht fallen. Die Höhe wird dabei beispielsweise so gewählt, dass die Fallzeit für Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 150 μηη mindestens 4 s und für Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 600 μηη mindestens 15 s beträgt.
Die maximale Höhe des Reaktors ergibt sich insbesondere aus statischen Gründen. Der Reaktor muss unabhängig von Witterungsbedingungen stabil betrieben werden können. Hierzu ist eine ausreichende Festigkeit und Stabilität notwendig. Diese kann durch entsprechend gewählte Wandstärken und ein Traggerüst zur Aufnahme des Reaktors realisiert werden. Der Reaktor muss eine ausreichende Festigkeit gegenüber den aufgrund der Schwerkraft auftretenden Kräften aufweisen. Auch ist eine hinreichende Festigkeit und Stabilität gegenüber thermischen Spannungen, die sich durch Aufheizen und Abkühlen aufgrund witterungsbedingter Temperaturunterschiede ergeben, notwendig. Neben den thermischen Spannungen muss auch eine ausreichende Stabilität gegen Belastungen durch Wind, Erdbeben und Schnee sichergestellt werden. Da eine zunehmende Höhe des Reaktors zu sehr stark steigenden Kosten führt, wird gefordert, den Reaktor so niedrig wie möglich zu bauen.
Ein Reaktor zur Tropfenpolymerisation umfasst im Allgemeinen einen Kopf mit einer Vorrichtung zur Vertropfung einer Monomerlösung, einen mittleren Bereich, durch den die vertropfte Monomerlösung fällt und zum Polymer umgewandelt wird und eine Wirbelschicht, in die die Polymertropfen fallen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reaktor so gestaltet, dass der hydraulische Durchmesser des Mantels des Reaktors unterhalb der Gasentnahmestelle stetig kleiner wird und oberhalb der Gasentnahmestelle und unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung einen Bereich mit konstantem hydraulischem Durchmesser aufweist. Die Wirbel- schicht schließt dabei den Bereich des Reaktors, in dem der hydraulische Innendurchmesser abnimmt, nach unten ab.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Reaktor einen kreisförmigen Querschnitt auf. In diesem Fall entspricht der hydraulische Durchmesser dem Durchmesser des kreisförmigen Reaktors.
Damit die Monomerlösung, die die Vorrichtung zur Vertropfung verlässt, nicht an die Wandung des Reaktors gesprüht wird und um gleichzeitig den Reaktor sowohl statisch als auch vom Materialaufwand vorteilhaft zu gestalten, ist es bevorzugt, den Kopf des Reaktors in Form eines Kegelstumpfs auszubilden und die Vorrichtung zur Vertropfung im kegelstumpfförmigen Kopf des Reaktors zu positionieren.
Durch die kegelstumpfförmige Gestaltung des Kopfs des Reaktors kann im Vergleich zu einer zylindrischen Gestaltung Material eingespart werden. Zudem dient ein kegelstumpfförmig ge- stalteter Kopf zur Verbesserung der statischen Stabilität des Reaktors. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Gas und die Tropfen aus der Monomerlösung besser in Kontakt miteinander gebracht werden können. Aufgrund der Problematik der Belagsbildung ließe sich die Vorrichtung zur Vertropfung auch bei zylindrischer Gestaltung des Reaktors nicht größer ausführen, jedoch wäre in diesem Fall die Querschnittsfläche für die Gaszufuhr wesentlich größer, so dass ein großer Teil des Gases eine wesentlich längere Zeit benötigen würde, bis ein Kontakt mit den Tropfen erfolgt und dieser in den die Tropfen enthaltenden Strom eingemischt wird. Zudem löst die Gasströmung bei einem Öffnungswinkel des Konus von mehr als 7° von der Oberfläche ab und bildet Wirbel, was wiederum zu einer schnelleren Durchmischung beiträgt. Um die Höhe des Reaktors so niedrig wie möglich zu halten, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung so weit oben wie möglich im kegelstumpfförmig gestalteten Kopf angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung auf der Höhe des kegelstumpfförmig gestalteten Kopfes angeordnet ist, in der der Durchmesser des kegelstumpfförmig gestalteten Kopfes ungefähr dem Durchmesser der Vorrichtung zur Vertropfung entspricht.
Um zu vermeiden, dass die Monomerlösung, die die Vorrichtung zur Vertropfung im Bereich der äußersten Löcher verlässt, gegen die Wandung des kegelstumpfförmig gestalteten Kopfes gesprüht wird, ist es bevorzugt, wenn der hydraulische Durchmesser des kegelstumpfförmig ge- stalteten Kopfes in der Höhe, in der die Vorrichtung zur Vertropfung angeordnet ist, 2 bis 30 %, mehr bevorzugt 4 bis 25 % und insbesondere 5 bis 20 %, größer ist als der hydraulische Durchmesser, der zu der Fläche gehört, die durch eine die äußersten Löcher verbindende Linie umschlossen wird. Der etwas größere hydraulische Durchmesser des Kopfes stellt zudem si- eher, dass Tropfen auch unterhalb des Reaktorkopfes nicht frühzeitig an die Reaktorwand prallen und dort anhaften.
Oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung befindet sich eine Zugabestelle für Gas, so dass Gas und Tropfen im Gleichstrom von oben nach unten durch den Reaktor strömen. Da sich im unteren Bereich des Reaktors die Wirbelschicht befindet, führt dies dazu, dass im unteren Bereich des Reaktors Gas in die entgegengesetzte Richtung von unten nach oben strömt. Da Gas sowohl von oben als auch von unten in den Reaktor eingebracht wird, ist es notwendig, das Gas zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Wirbelschicht zu entnehmen. Bevorzugt ist die Gasentnahmestelle am Übergang von der zylindrischen Wandung des Reaktors zum Bereich mit abnehmendem hydraulischem Innendurchmesser positioniert. Durch die entsprechende Querschnittserweiterung auf den maximalen Reaktordurchmesser auf Höhe der Gasentnahmestelle wird ein Partikelmitriss in das Reaktorabgas verhindert. Die Querschnittsfläche des Gasentnahmeringes ist dabei so groß, dass die mittlere Gasgeschwindigkeit im Ring 0.25 bis 3 m/s, bevorzugt 0.5 bis 2.5 m/s und insbesondere 1 .0 bis 1.8 m/s beträgt. Kleinere Werte verringern zwar den Partikelmitriss, führen jedoch zu unwirtschaftlich großen Dimensionen, größere Werte führen zu einem unerwünscht hohen Partikelmitriss. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht über die gesamte Oberfläche der Wirbelschicht konstant. In diesem Fall verlassen die Tropfen die Vorrichtung parallel zur Achse des Reaktors. Aufgrund der Gasströmung im Reaktor kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass Tropfen an die Wandung des Reaktors prallen, dort haften bleiben und Verkrus- tungen bilden. Um dieses Risiko zu vermindern ist es alternativ möglich, die Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung so zu gestalten, dass bei konstanter Höhe der Wirbelschicht der Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung und der Oberfläche der Wirbelschicht von außen zur Mitte des Reaktors hin zunimmt. In diesem Fall verlässt die Monomerlösung die Vorrichtung zur Vertropfung mit einem Winkel in Richtung zur zentralen Achse des Reaktors, so dass eine Entfernung des Tropfens von der senkrechten Flugbahn in Richtung der Wandung nicht zwingend zu einem Anprallen des Tropfens an der Wandung führt.
Der Bereich des Reaktors, an dem die Gasentnahmestelle positioniert ist, ist dabei vorzugsweise so gestaltet, dass der Durchmesser des Bereichs mit abnehmendem hydraulischem Innen- durchmesser an seinem oberen Ende größer ist als der Durchmesser des oberen Teils des Reaktors. Das von oben durch den Reaktor strömende Gas umströmt das untere Ende der Reaktorwandung des oberen Teils und wird über mindestens einen Gasabzug aus dem zwischen dem oberen Ende des Bereichs mit abnehmendem hydraulischem Innendurchmesser und dem in den Bereich mit abnehmendem hydraulischem Innendurchmesser hineinragenden unteren Ende der Reaktorwandung gebildeten ringförmigen Raum entnommen. An den Gasabzug ist eine Vorrichtung zur Abtrennung von Feststoffen angeschlossen, in der Polymerpartikel, die mit der Gasströmung aus dem Reaktor abgezogen werden, abgetrennt werden können. Als Vor- richtung zur Abtrennung von Feststoffen eignen sich zum Beispiel Filter oder Fliehkraftabscheider, beispielsweise Zyklone. Besonders bevorzugt sind Zyklone.
Der hydraulische Durchmesser der Wirbelschicht wird erfindungsgemäß so gewählt, dass die Fläche der Wirbelschicht mindestens so groß ist, dass ein senkrecht nach unten fallender Tropfen aus den äußersten Löchern der Vorrichtung zur Vertropfung in die Wirbelschicht fällt. Hierzu ist die Fläche der Wirbelschicht mindestens genauso groß und genauso geformt wie die Fläche, die von einer die äußersten Löcher der Vorrichtung zur Vertropfung verbindenden Linie gebildet wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Oberfläche der Wirbelschicht größer ist als die Fläche, die von der die äußersten Löcher der Vorrichtung zur Vertropfung verbindenden Linie gebildet wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Oberfläche der Wirbelschicht 5 bis 50 %, mehr bevorzugt 10 bis 40 % und insbesondere 15 bis 35 % größer ist als die von der die äußersten Löcher der Vorrichtung zur Vertropfung verbindenden Linie gebildete Fläche. Hierbei entspricht die Form der Oberfläche der Wirbelschicht jeweils der Form der Fläche, die von der die äußersten Löcher verbindenden Linie umschlossen wird. Wenn zum Beispiel die Oberfläche der Wirbelschicht kreisförmig ist, ist auch die von der die äußersten Löcher verbindenden Linie umschlossene Fläche kreisförmig, wobei der Durchmesser der Oberfläche der Wirbelschicht größer sein kann als der Durchmesser der Fläche, die von der die äußersten Löcher der Vorrichtung zur Vertropfung verbindenden Linie gebildet wird.
Üblicherweise tritt die Monomerlösung in Form eines Flüssigkeitsstrahls aus den Löchern der Vorrichtung zur Vertropfung aus, der dann im Reaktor in Tropfen zerfällt. Der Zerfall des Flüssigkeitsstrahls hängt zum einen von der Menge der Flüssigkeit ab, die durch die Löcher pro Zeiteinheit austritt, zum anderen von der Geschwindigkeit und Menge des durch den Reaktor strömenden Gases. Weiterhin beeinflussen die Stoffeigenschaften der Monomerlösung und die Geometrie der Löcher die Art des Strahlzerfalles. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Tropfenzerfall auch als Eintropfen oder Vertropfen bezeichnet.
Damit genug Gas an der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung vorbeiströmen kann, so dass eine gleichmäßige Gasgeschwindigkeit im Reaktor erzielt werden kann und keine zu große Beschleunigung und Verwirbelung des Gases beim Umströmen der Vorrichtung erfolgt, ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Verhältnis der von der Vorrichtung zur Vertropfung abgedeckten Fläche in dem Reaktor bezogen auf die Fläche, die von der die äußersten Löcher verbindenden Linie umschlossen wird, kleiner als 50% ist und bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 30 % liegt.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Anzahl der Löcher bezogen auf die Fläche, die durch die die äußersten Löcher verbindende Linie gebildet wird, im Bereich von 100 bis 1000 Löchern/m2, bevorzugt im Bereich von 150 bis 800 Löcher/m2 und insbesondere im Bereich von 200 bis 500 Löcher/m2 liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die an den Löchern gebildeten Tropfen einen ausreichend großen Abstand voneinander haben und zudem ausreichend mit dem durch den Reaktor strömenden Gas in Kontakt kommen können. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung Kanäle, an deren Unterseite die Löcher ausgebildet sind und die sternförmig angeordnet sind. Durch die sternförmige Anordnung der Kanäle ist es insbesondere in einem Reaktor mit kreisförmigem Querschnitt möglich, eine gleichmäßige Verteilung der Tropfen im Reaktor zu erhalten. Die Zu- gäbe erfolgt durch die Kanäle, in die die Monomerlösung eingeleitet wird. Durch die Löcher an der Unterseite der Kanäle tritt die Flüssigkeit aus und bildet die Tropfen.
Damit die aus den Kanälen austretenden Tropfen schnellstmöglich mit dem die Kanäle umströmenden Gas in Kontakt kommen, ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Kanäle eine möglichst geringe Breite aufweisen. Die Breite der Kanäle liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 25 bis 500 mm, weiter bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 mm und insbesondere im Bereich von 150 bis 350 mm.
Um ein Anbacken der Tropfen und der aus den Tropfen gebildeten Partikel zu verhindern, weist der Reaktor vorzugsweise im Bereich mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Innendurchmesser eine Beheizung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beheizung im Bereich des Reaktors mit stetig kleiner werdendem hydraulischen Innendurchmesser so ausgelegt, dass diese eine Heizleistung im Bereich von 20 bis 5000 W/m2 einbringt. Bevorzugt liegt die Heizleistung im Bereich von 100 bis 3000 W/m2 und insbesondere im Bereich von 200 bis 1500 W/m2. Eine Heizleistung unterhalb von 20 W/m2 ist nicht ausreichend, um Anbackungen zu vermeiden, eine Heizleistung oberhalb von 5000 W/m2 führt zu einer irreversiblen Schädigung des an die Wandung des Reaktors anprallenden Materials und somit zu einer minderwertigen Produktqualität. Die Beheizung kann durch jede beliebige, dem Fachmann bekannte Heizeinrichtung realisiert werden. So ist es zum Beispiel möglich, zur Beheizung eine elektrische Heizung einzusetzen. Alternativ kann die Beheizung zum Beispiel auch durch eine direkte Befeuerung, beispielsweise mit Gas oder Öl realisiert werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Mantel zur Beheizung als Doppelmantel oder in Form von Heizschlangen, die außen auf dem Mantel aufgebracht sind, ausgeführt ist, wobei der Doppelmantel oder die Heizschlagen von einem Heizmedium durchströmt werden. Geeignete Heizmedien sind zum Beispiel Thermalöl, Wasser oder Wasserdampf. Besonders bevorzugt ist eine Beheizung mit Wasserdampf.
Wenn zur Beheizung auf dem Mantel des Reaktors Heizschlangen aufgebracht sind, verlaufen diese vorzugsweise mäanderförmig, so dass die Wärme durch die Heizschlangen gleichmäßig eingebracht wird.
Der Bereich des Reaktors mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Innendurchmesser kann jeden beliebigen Verlauf aufweisen, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der Bereich mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Innendurchmesser konisch ist. Der konische Verlauf hat den Vorteil, dass Polymerpartikel, die sich aus den Tropfen während ihres Falles durch Polymerisation der Monomerlösung gebildet haben, in die Wirbelschicht fallen können ohne zusammen mit dem Abgas aus dem Reaktor abgesaugt zu werden. Polymerpartikel, die direkt auf den Bereich mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Innendurchmesser auftreffen, können in die Wirbelschicht rutschen.
Um das Rutschen der auf der Wandung des Bereichs des Reaktors mit stetig kleiner werden- dem hydraulischem Innendurchmesser auftreffenden Partikel zu unterstützen, ist es möglich, im Bereich mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Innendurchmesser an der Außenseite des Reaktors mechanische oder pneumatische Abreinigungsvorrichtungen anzubringen. Da Anbackungen insbesondere im unteren Bereich des Reaktors auftreten, diese jedoch auch oberhalb des Bereichs mit stetig abnehmendem hydraulischem Innendurchmesser auftreten können, ist es bevorzugt, wenn zusätzlich im unteren Drittel des Bereichs des Mantels mit konstantem hydraulischem Innendurchmesser an der Außenseite des Reaktors mechanische oder pneumatische Abreinigungsvorrichtungen angebracht sind.
Geeignete mechanische oder pneumatische Abreinigungsvorrichtungen sind zum Beispiel Klop- fer. Alternativ zu Klopfern können jedoch zum Beispiel auch Vibrations-Übertrager, Ultraschall- Übertrager, bewegliche Schaber oder Rührorgane sowie Gasdüsen als mechanische oder pneumatische Abreinigungsvomchtung eingesetzt werden. Weiterhin kann die Reaktorwandung mit geeigneten Anti-Haftmitteln wie PTFE, Polyamid, Polyurethan oder Silikon behandelt beziehungsweise beschichtet werden oder sogar komplett aus solchem Materialen bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation.
Ein Reaktor 1 zur Tropfenpolymerisation umfasst einen Reaktorkopf 3, in dem eine Vorrichtung zur Vertropfung 5 aufgenommen ist, einen mittleren Bereich 7, in dem die Polymerisationsreaktion erfolgt und einen unteren Bereich 9 mit einer Wirbelschicht 1 1 , in der die Reaktion abgeschlossen wird.
Zur Durchführung der Polymerisationsreaktion zur Herstellung des Poly(meth)acrylats wird der Vorrichtung zur Vertropfung 5 eine Monomerlösung über eine Monomerzufuhr 12 zugeführt. Wenn die Vorrichtung zur Vertropfung 5 mehrere Kanäle aufweist, ist es bevorzugt, jedem Kanal über eine eigene Monomerzufuhr 12 die Monomerlösung zuzuführen. Die Monomerlösung tritt durch in Figur 1 nicht dargestellte Löcher in der Vorrichtung zur Vertropfung 5 aus und zerfällt in einzelne Tropfen, die im Reaktor nach unten fallen. Über eine erste Zugabestelle für ein Gas 13 oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 wird ein Gas, beispielsweise Stickstoff oder Luft, in den Reaktor 1 eingeleitet. Die Gasströmung unterstützt dabei den Zerfall der aus den Löchern der Vorrichtung zur Vertropfung 5 austretenden Monomerlösung in einzelne Tropfen. Zusätzlich wird durch die Gasströmung unterstützt, dass sich die einzelnen Tropfen nicht berühren und zu größeren Tropfen koaleszieren. Um zum Einen den zylindrischen mittleren Bereich 7 des Reaktors möglichst kurz zu gestalten und zudem zu vermeiden, dass Tropfen an die Wandung des Reaktors 1 prallen, ist der Reaktorkopf 3 vorzugsweise, wie hier dargestellt, konisch ausgebildet, wobei sich die Vorrichtung zur Vertropfung 5 im konischen Reaktorkopf 3 oberhalb des zylindrischen Bereichs befindet. Alter- nativ ist es allerdings auch möglich, den Reaktor auch im Reaktorkopf 3 zylindrisch mit einem Durchmesser wie im mittleren Bereich 7 zu gestalten. Bevorzugt ist jedoch eine konische Gestaltung des Reaktorkopfs 3. Die Position der Vorrichtung zur Vertropfung 5 wird so gewählt, dass zwischen den äußersten Löchern, durch die die Monomerlösung zugeführt wird und der Wandung des Reaktors noch ein ausreichend großer Abstand ist, um ein Anprallen der Tropfen an die Wandung zu verhindern. Hierzu sollte der Abstand mindestens im Bereich von 50 bis 1500 mm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 1250 mm und insbesondere im Bereich von 200 bis 750 mm liegen. Selbstverständlich ist auch ein größerer Abstand zur Wandung des Reaktors möglich. Dies hat jedoch den Nachteil, dass mit einem größeren Abstand eine schlechtere Ausnutzung des Reaktorquerschnittes einhergeht.
Der untere Bereich 9 schließt mit einer Wirbelschicht 1 1 ab, in die die während des Falls aus den Monomertropfen entstandenen Polymerpartikel fallen. In der Wirbelschicht erfolgt die Nachreaktion zum gewünschten Produkt. Erfindungsgemäß sind die äußersten Löcher, durch die die Monomerlösung vertropft wird, so positioniert, dass ein senkrecht nach unten fallender Tropfen in die Wirbelschicht 1 1 fällt. Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass der hydraulische Durchmesser der Wirbelschicht mindestens so groß ist wie der hydraulische Durchmesser der Fläche, die von einer die äußersten Löcher in der Vorrichtung zur Vertropfung 5 verbindenden Linie umschlossen wird, wobei die Querschnittsfläche der Wirbelschicht und die von der die äußersten Löcher verbindenden Linie gebildete Fläche die gleiche Form haben und sich die Mittelpunkte der beiden Flächen in einer senkrechten Projektion aufeinander an derselben Position befinden. Die äußerste Position der äußeren Löcher bezogen auf die Position der Wirbelschicht 1 1 ist in Figur 1 mit Hilfe einer gestrichelten Linie 15 dargestellt.
Um weiterhin zu vermeiden, dass Tropfen auch im mittleren Bereich 7 an die Wandung des Reaktor prallen, ist der hydraulische Durchmesser auf Höhe der Mitte zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung und der Gasentnahmestelle mindestens 10% größer als der hydraulische Durchmesser der Wirbelschicht.
Um eine gute statische Stabilität zu erhalten und insbesondere den notwendigen Aufwand zur Stabilisierung des Reaktors gering zu halten, wird der Reaktor erfindungsgemäß so gestaltet, dass der Abstand H zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung 5 und der Oberfläche 14 der Wirbelschicht so gewählt wird, dass gilt:
0.026^^ - ^ + 0.014— - dP - 0.333m < H < 0A4T^— ^ - ^ + 0.091— - dP - 2.18m kg dh μτη kg dh μτη
Durch den Abstand H in diesem Bereich kann der Reaktor zum Einen so niedrig wie möglich konstruiert werden, zum Anderen ist die Fallhöhe ausreichend groß dimensioniert, dass die Tropfen so weit polymerisieren und zu Partikeln trocknen, dass diese in der Wirbelschicht 1 1 nicht mehr agglomerieren.
Der Reaktor 1 kann dabei jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt ist der Quer- schnitt des Reaktors 1 jedoch kreisförmig. In diesem Fall entspricht der hydraulische Durchmesser dem Durchmesser des Reaktors 1 .
Oberhalb der Wirbelschicht 1 1 nimmt der Durchmesser des Reaktors 1 in der hier dargestellten Ausführungsform zu, so dass sich der Reaktor 1 im unteren Bereich 9 von unten nach oben konisch erweitert. Dies hat den Vorteil, dass im Reaktor 1 entstandene Polymerpartikel, die auf die Wandung treffen, an der Wandung nach unten in die Wirbelschicht 1 1 rutschen können. Zur Vermeidung von Anbackungen können zusätzlich hier nicht dargestellte Klopfer außen am ko- nusförmigen Teil des Reaktors vorgesehen sein, mit denen die Wandung des Reaktors in Schwingungen versetzt wird, wodurch sich anhaftende Polymerpartikel lösen und in die Wirbel- schicht 1 1 rutschen.
Zur Gaszufuhr für den Betrieb der Wirbelschicht 1 1 , befindet sich unterhalb der Wirbelschicht 1 1 ein Gasverteiler 17, durch den das Gas in die Wirbelschicht 1 1 eingeblasen wird. Da sowohl von oben als auch von unten Gas in den Reaktor 1 eingeleitet wird, ist es erforderlich, an einer geeigneten Position Gas aus dem Reaktor 1 zu entnehmen. Hierzu ist am Übergang vom mittleren Bereich 7 mit konstantem Querschnitt zum sich konisch von unten nach oben erweiternden unteren Bereich 9 mindestens eine Gasentnahmestelle 19 angeordnet. Hierbei ragt der zylindrische mittlere Bereich 7 mit seiner Wandung in den sich nach oben ko- nisch erweiternden unteren Bereich 9 hinein, wobei der Durchmesser des konischen unteren Bereichs 9 an dieser Position größer ist als der Durchmesser des mittleren Bereichs 7. Hierdurch wird eine die Wandung des mittleren Bereichs 7 umlaufende ringförmige Kammer 21 gebildet, in die das Gas einströmt und durch die mindestens eine Gasentnahmestelle 19, die mit der ringförmigen Kammer 21 verbunden ist, abgezogen werden kann.
Die nachreagierten Polymerpartikel der Wirbelschicht 1 1 werden über eine Produktentnahmestelle 23 im Bereich der Wirbelschicht 1 1 entnommen.
Bezugszeichenliste
1 Reaktor
3 Reaktorkopf
5 Vorrichtung zur Vertropfung
7 mittlerer Bereich
9 unterer Bereich
1 1 Wirbelschicht
12 Monomerzufuhr
13 Zugabestelle für Gas
14 Oberfläche der Wirbelschicht 1 1
15 Position der äußersten Löcher in Bezug zur Wirbelschicht 1 1
17 Gasverteiler
19 Gasentnahmestelle
21 ringförmige Kammer
23 Produktentnahmestelle
29 Reaktorachse
Abstand zwischen Vorrichtung zur Vertropfung 5 und Oberfläche 14 der Wirbelschicht 1 1

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigem Poly(meth)acrylat, umfassend einen Reaktor (1 ) zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung (5) einer Monomerlösung für die Herstellung des Poly(meth)acrylats mit Löchern, durch die die Monomerlösung eingebracht wird, einer Zugabestelle (13) für ein Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung (5), mindestens einer Gasentnahmestelle (19) am Umfang des Reaktors (1 ) und einer Wirbelschicht (1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass für den kleinsten vertikalen Abstand (H) zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung und der Oberfläche (14) der Wirbelschicht (1 1 ) gilt:
0m6^^~ + 0m4—-dP - 0333m < H < 0A47^^ ~ + 0mi—-dP - 2.1Sm kg dh μτη kg dh μτη wobei H der vertikale Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung und der Oberfläche der Wirbelschicht in Metern, m der Massenstrom der Monomerlösung in Kilogramm pro Stunde, dp der Tropfendurchmesser der eingebrachten Tropfen der Monomerlösung in μηη und dh der hydraulische Durchmesser des Reaktors in Metern oberhalb der Gasentnahmestelle ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser des Mantels des Reaktors (1 ) unterhalb der Gasentnahmestelle (19) stetig kleiner wird und oberhalb der Gasentnahmestelle (19) und unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung einen Bereich mit konstantem hydraulischem Durchmesser aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit stetig kleiner werdendem hydraulischem Durchmesser konisch ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (H) zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung und der Oberfläche (14) der Wirbelschicht (1 1 ) über die gesamte Oberfläche (14) der Wirbelschicht (1 1 ) konstant ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung so gestaltet ist, dass bei konstanter Höhe der Wirbelschicht (1 1 ) der Abstand zwischen der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung und der Oberfläche (14) der Wirbelschicht (1 1 ) von außen zur Mitte des Reaktors hin zunimmt.
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