WO2018158191A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von pulverförmigen polymeren - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung von pulverförmigen polymeren Download PDF

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Stephan Bauer
Markus Toennessen
Christophe Bauduin
Katrin Baumann
Marco Krueger
Andreas Daiss
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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 is based on a device for the production of pulverulent polymers comprising a droplet polymerization reactor with a device for dropping a monomer solution for the production of the polymer with holes through which the monomer solution is introduced, a point of addition for a gas above the device for dripping , at least one gas sampling point on the circumference of the reactor and a fluidized bed.
  • the invention further relates to a process for the preparation of pulverulent polymers in such a device.
  • the apparatus used and the process are suitable, for example, for producing water-absorbing polymers, in particular poly (meth) acrylates, which are used in the production of diapers, tampons, sanitary napkins and other hygiene articles or as water-retaining agents in agricultural horticulture.
  • water-absorbing polymers in particular poly (meth) acrylates, which are used in the production of diapers, tampons, sanitary napkins and other hygiene articles or 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. As a result, only the degree of crosslinking at the particle surface increases, whereby the absorption under pressure and the centrifuge retention capacity can be at least partially decoupled. This postcrosslinking can be carried out in aqueous gel phase.
  • crosslinkers suitable for this purpose are compounds which contain at least two groups which can form covalent bonds with the carboxylate groups of the hydrophilic polymer.
  • Various processes are known for the preparation of the water-absorbing polymer particles.
  • 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. 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.
  • the monomer solution When the monomer solution is introduced into the reactor, it decomposes into drops.
  • the mechanism of dripping may be to act turbulent or laminar jet decay or even dripping.
  • the mechanism of droplet formation depends on the entry conditions and the material properties 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.
  • the object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method for the production of pulverulent polymers in which an improved mixing of the drying gas and the dripped-in monomer solution is ensured and, moreover, that the droplets are distributed more homogeneously over the reactor cross section.
  • a device for the production of powdery polymers comprising a dropwise polymerization reactor with a device for dropping a monomer solution for the preparation of the polymer, wherein the device for dropping (5) has holes through which the monomer solution is introduced, a Loading point for a gas above the device for dripping, at least one gas sampling point at the periphery of the reactor and a fluidized bed, wherein at least one of the following features is fulfilled:
  • a device for turbulence increase in the gas flow is arranged,
  • a device for turbulence increase in the gas flow is arranged,
  • the gas addition point is designed to produce increased turbulence.
  • step (a) dripping a monomer solution in the device for dripping, wherein the generated monomer droplets fall through the reactor and the monomer at least partially reacts with the polymer to form particles, (b) supplying gas via the gas addition point above the dropper to produce gas flow in the reactor from top to bottom; (c) collecting the particles produced in step (a) in the fluidized bed, wherein in the fluidized bed the reaction to the polymer in the individual particles is completed and optionally a post-crosslinking takes place,
  • the gas flow generated from top to bottom in the reactor is also referred to as the drying gas flow and the gas supplied via the gas addition point is also referred to as the drying gas.
  • the drops produced are already distributed relatively homogeneously over the reactor cross-section and thus also mixed with the drying gas. Nevertheless, variations in the droplet concentration and the gas temperature, which lead to incomplete utilization of the drying gas, generally result locally above the reactor cross section.
  • the drying gas is understood here as the water absorption and heat emission of the gas, which sets a fully homogeneous temperature and a largely homogeneous water concentration in the gas in a full utilization of the drying gas over the reactor cross-section.
  • the temperature distribution and the water concentration are not homogeneous over the reactor cross-section.
  • a defined flow turbulence is generated in the gas phase, which increases the homogeneity of the distribution of the droplets over the reactor cross section and thus ensures an even better mixing of the drying gas with the droplets from the monomer solution.
  • the flow turbulence must neither be too small, because the homogenizing effect is otherwise negligible, nor too large, because otherwise drops or Particles can get too fast to the reactor wall and lead there to a deposit formation.
  • any device can be used with which the turbulence of the gas flow can be increased.
  • an apparatus for turbulence increase for example, flow obstacles can be used, which are arranged above or below the device for dropping.
  • gas nozzles, gas / liquid nozzles or liquid nozzles it is also possible to use gas nozzles, gas / liquid nozzles or liquid nozzles to increase turbulence.
  • the circulation of the flow obstacles swirls the drying gas and in this way increases the turbulence.
  • the flow obstacles are preferably placed so that they are always at a gap between the individual when placed below the device for dripping in an imaginary vertical projection Vertropfer adopteden the device for dripping sitting and are not taken directly from the droplets formed at the Vertropfer wornen. By size and number of flow obstacles, the degree of flow turbulence can be adjusted.
  • Suitable flow obstacles are, for example, arbitrarily shaped, vertically or substantially perpendicular to the vertical plates arranged, for example, round, rectangular or polygonal plates, or any other body that cause a significant separation of the flow and thus generation of flow turbulence.
  • flow obstacles also perforated plates can be used or the Vertropfer wornen can be modified in their geometry so that thereby an additional increase in turbulence takes place.
  • the flow obstructions may also include a perforated bottom having holes with a hydraulic diameter of 5 to 200 cm, preferably 10 to 100 cm.
  • the holes may be arbitrarily shaped, for example, be circular, polygonal or elliptical. Preferably, the holes are circular.
  • the size of the holes in the hole bottom prevents - unlike very fine free jets, which emerge from small holes with a few millimeters in diameter, as they are formed in conventional hole bottoms, the induced flow turbulence is immediately dissipated by friction. The turbulence thus generated leads, as with the flow obstacles, to a homogenization of the gas phase temperature and of the particle concentration.
  • the gas addition point may for example have one or more perforated plates and is usually designed so that a sufficient uniform distribution of the in the reactor inflowing drying gas is achieved.
  • the gas addition site may also include one or more gas nozzles that generate flow turbulence.
  • Increased turbulence in the context of the present invention means that the local turbulence of the gas flow in the area of the dropletizing devices or below the dropletizing devices is greater than the mean turbulence which the incoming gas would have solely due to the mean gas velocity in the reactor.
  • the parts of the device for dropping in which the droplets are generated.
  • Vertropfer- devices such as spray nozzles can be used.
  • the dropletizing devices each comprise a dropletizing channel which has holes on its underside through which the monomer solution is dripped.
  • the holes are particularly preferably formed in perforated plates which form the underside of the Vertropferkanals.
  • nozzles can also be used to increase the turbulence.
  • the device for turbulence increase gas nozzles
  • Gas / liquid nozzles or liquid nozzles are gas / liquid nozzles or liquid nozzles, in one embodiment they are part of the device for dropping the monomer solution.
  • an increased turbulence can be achieved, for example, by increasing the entry momentum of the droplet jets of the dropletizing devices or by using spray nozzles to produce the droplets.
  • spray nozzles or increasing the droplet jet velocity also entail the risk that droplets reach the reactor wall at an early stage and as a result deposit formation occurs.
  • gas nozzles as nozzles for increasing the turbulence.
  • Gas nozzles induce turbulence downstream of the nozzle free jet depending on nozzle diameter and gas exit velocity.
  • the nozzles can at the height of the droppers or slightly below or above the droppers.
  • the nozzles preferably also sit on the gap between the Vertropfer adopteden to avoid that drop jets hit the nozzles and lead to a rapid deposit formation on the nozzles.
  • the turbulence induced by the nozzles is essentially determined by the pulse current I D introduced by the nozzles.
  • the momentum flow is the product of mass flow and gas velocity of the free jet at the outlet of the nozzles:
  • v D Mean flow velocity of the free jet at the nozzle outlet [m / s]
  • the pulse stream of the drying gas is here
  • the ratio r TG is preferably in the range of 0.1 to 50, more preferably in the range of 0.2 to 20 and particularly preferably in the range of 0.5 to 10.
  • the ratio r r is preferably in the range of 0.1 to 100, more preferably in the range of 0.2 to 50, and particularly preferably in the range of 0.5 to 20.
  • the desired pulse I D of the turbulence-generating nozzles can be adapted both by the mass flow and by the nozzle exit speed.
  • the locally generated turbulence is very high, but this is very fine-scale and is immediately dissipated by friction, so that it is no advantage to choose particularly high exit velocities.
  • very high exit velocities result in high noise loading and higher power required to produce nozzle flow.
  • the nozzle exit velocity is therefore preferably selected in a range between 5 and 1000 m / s, more preferably between 10 and 500 m / s and particularly preferably between 20 and 300 m / s. From the desired pulse current is then obtained when selecting the speed of the required mass flow. This finally results in the required nozzle cross-section.
  • the shape of the nozzle cross-section is of minor importance. Can be used round, slot-like, elliptical or optionally also nozzles with multiple openings.
  • the reactor cross-sectional area per turbulence generation nozzle in the region of the reactor having a constant hydraulic diameter is preferably between 0.5 and 50 m 2 , preferably between 1 and 25 m 2 and particularly preferably between 2 and 10 m 2 .
  • gas nozzles used for turbulence increase, gas / liquid nozzles or liquid nozzles, in particular gas nozzles, in the range of 0.02 to 2 per square meter reactor cross-sectional area, more preferably 0.04 to 1 and in particular 0.1 to 0.5.
  • the dropwise polymerization reactor comprises a central region of constant hydraulic diameter, a conically shaped reactor head of downward increasing hydraulic diameter, and a lower region which is also conical, in which case the hydraulic diameter decreases from top to bottom, and the device for Dropper and the device for turbulence increase are arranged in the reactor head
  • the above sizes refer to the reactor cross-sectional area in the central region with a constant hydraulic diameter.
  • the turbulence increasing device is located in the area of the monomer solution dripping device, the turbulence increasing device is preferably arranged in a range between 2 m above and 2 m below the dripping device.
  • the device for turbulence increase is 1 m above to 1 m below arranged the device for Vertropfung. If the device for dripping comprises drip devices at different heights, the height of the device for dripping, which is used to determine the distance of the device for turbulence increase, the middle level, in which the Vertropfer sensibleen are arranged, is used.
  • the turbulence increasing device When the turbulence increasing device is located in the vicinity of the gas addition point, the turbulence increasing device is located up to 2 m below the gas addition point, and more preferably in a range between 10 cm and 1 m below the gas addition point.
  • the devices for turbulence increase that is, the gas nozzles, gas / liquid nozzles or liquid nozzles or the flow obstacles can be arranged at different heights. This is particularly advantageous when the Vertropfer wornen are arranged at different heights or when mounting reasons make a different height required.
  • all flow obstacles, gas nozzles, gas / liquid nozzles or liquid nozzles of the device for turbulence increase can be arranged at a height in the reactor. This is particularly advantageous when the Vertropfer wornen are also arranged at a height.
  • the orientation of the nozzles can take place vertically downwards or vertically upwards, other orientations are conceivable. For example, a slight adjustment of the nozzles can take place in the direction of the reactor axis or also to the outside. Likewise, the nozzles may also have a partial tangential orientation. However, it must always be borne in mind that, as in the case of a tangential orientation, for example, there is the danger that particles will be entrained by the nozzle streams, reach the reactor wall at an early stage and lead to deposit formation. It is particularly preferred if the nozzles are aligned vertically upwards, that is, that the gas flow exiting through the gas nozzles is directed counter to the flow of the drying gas. Such an orientation causes the largest turbulence increase.
  • the distribution of the nozzles used as a device for turbulence increase over the reactor cross section depends on the arrangement of the Vertropfer wornen. In principle, it is advantageous to distribute the nozzles as uniformly as possible over the reactor cross-section in order to produce the most uniform flow turbulence possible. It is also advantageous to gap the nozzles with respect to the horizontal position of the dropletizers so as not to cause direct jet-to-droplet jet interaction. Likewise, it is advantageous to arrange the nozzles as symmetrically as possible relative to the dropletizing devices.
  • the ratio of that of the device the area covered by dripping in the reactor, based on the area enclosed by the line connecting the outermost holes, is less than 50% and preferably in the range between 3 and 30%.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are preferably used for the production of water-absorbing polymers, in particular for the preparation of poly (meth) acrylates.
  • poly (meth) acrylates are understood as meaning polyacrylates, polymethacrylates and any desired mixture of polyacrylates and polymethacrylates.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a droplet polymerization reactor with a device for turbulence elevation below the device for dripping, a longitudinal section through a droplet polymerization reactor with a device for turbulence elevation above the device for dripping, an arrangement of radially extending droplet channels of different lengths and between the droplets Channels arranged turbulence increasing device, an arrangement of star-shaped Vertropferkanälen and arranged between the channels turbulence increasing devices, an array of Vertropferkanälen in rectangular pitch and arranged between the channels devices for turbulence increase,
  • FIG. 6 shows an arrangement of dropletizing channels in triangular division and turbulence-increasing devices arranged between the channels.
  • FIG. 7 shows an upper section of a drop polymerization reactor in which the gas addition point is designed to generate increased turbulence.
  • FIG. 8 shows an upper section of a drop polymerization reactor with gas nozzles pointing upwards as a device for turbulence increase,
  • FIG. 10 shows a profile of the total temperature as a function of the particle residence time with and without the use of a device for turbulence increase, wherein the dashed curve represents the case with and the solid curve represents the case without turbulence increase.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a reactor for droplet polymerization, as it is preferably used for the preparation of poly (meth) acrylate particles.
  • 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 a plurality of 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. In addition, the gas flow assists that the individual drops do not touch each other and coalesce into larger 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 in the reactor head 3 cylindrical with a diameter as in the central region 7.
  • a conical configuration of the reactor head 3 is preferred. The position of the dropletizing device 5 is selected so that a collision occurs between the outermost holes, through which the monomer solution is supplied and the wall of the reactor, is still a sufficiently large distance to prevent the drop to 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.
  • a device for increasing the turbulence 31 is used in the region of the device 5 for dripping the monomer solution.
  • the device for turbulence increase the turbulence of the gas is increased, so that a better mixing of gas and drops generated with the device for dropletizing 5 is realized. This allows the drops to deliver even water to the gas.
  • a more uniform temperature distribution over the residence time of the droplets is obtained in the reactor.
  • the turbulence generated by the device for turbulence increase 31 is shown here by arrows 33.
  • flow obstructions or nozzles in particular gas nozzles, gas / liquid nozzles or liquid nozzles can be used as the device for turbulence increase 31.
  • 31 gas nozzles 35 are used as the device for increasing turbulence. These are arranged in the embodiment shown in Figure 1 below, preferably at most 2 m below the device for dropping 5.
  • the gas jet 37 emerging from the gas nozzles 35 the gas supplied via the gas injection point 10 is accelerated.
  • the gas emerging from the gas nozzles 35 is decelerated, whereby the gas jet 37 is deflected and deformed, so that an additional turbulence is induced.
  • the difference in velocity between the gas added by the gas addition point 13 and the gas added through the gas nozzles 35 is not too great, so that the generated turbulence is not dissipated by the friction that occurs.
  • 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 is at the level of the middle between the device. dripping and the gas sampling point at least 10% greater than the hydraulic diameter of the fluidized bed.
  • 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.
  • knockers may be provided, with which the wall of the reactor is vibrated, thereby dissolving adhering polymer particles 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.
  • 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 portion 7 protrudes with its wall in the upwardly conically widening lower portion 9, wherein the diameter of the conical lower portion 9 at this position is greater than the diameter of the central region 7.
  • the wall of the middle Area 7 circumferential annular chamber 21 is formed, 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.
  • Figure 2 shows a reactor for drop polymerization in an alternative embodiment.
  • the device for turbulence elevation 31 is positioned above the device 5 for dropletizing the monomer solution.
  • FIG. 2 also shows, by way of example, gas nozzles 35 for increasing the turbulence.
  • gas nozzles 35 for increasing the turbulence.
  • the turbulence can be adjusted in a simple manner by changing the velocity of the gas leaving the gas nozzles 35.
  • the individual flow obstacles or nozzles of the device for turbulence-increasing 31 are positioned such that they are interposed between the individual dropletizing devices.
  • FIG. 3 shows an arrangement of radially extending droplet channels of different lengths.
  • the device for dripping has radially extending channels 25.
  • a portion of the channels 25 extends into the middle of the reactor 1.
  • Another portion of channels 24 projects less far into the reactor 1, so that in particular in the outer regions of the reactor, where the distance between the radially extending to the center the reactor 1 protruding channels 25 is large, further channels 24 are provided, can be introduced through the monomer solution in the reactor 1. This allows a more uniform distribution of the drops over the entire reactor cross-section.
  • the individual gas nozzles 35 which are used to increase the turbulence, are positioned between the channels 24, 25.
  • the gas nozzles 25 are evenly distributed over the reactor cross-section for a uniform turbulence and thus a uniform gas flow in the reactor.
  • FIG. 25 A corresponding star-shaped arrangement of the channels 25 is shown in FIG.
  • FIGS. 5 and 6 Further possible arrangements of the channels are shown in FIGS. 5 and 6. In these, however, an arrangement having an angle ⁇ to the horizontal is difficult to realize, so that in this case the channels 25 preferably extend horizontally.
  • Figure 5 shows an arrangement in rectangular division, in which the individual channels 25 are each arranged at an angle of 90 ° to each other, so that each rectangles, preferably squares are formed by the intersections 27 of the channels.
  • FIG. 6 shows an arrangement in triangular division.
  • the channels 25 are each arranged at an angle of 60 ° to each other, so that 25 each equilateral triangles are formed by the intersections 27 of the channels.
  • this also requires that the respective parallel channels always have the same distance.
  • the flow obstacles or nozzles are evenly distributed over the reactor cross-section between the dropletizers.
  • the position of the flow obstacles or nozzles is preferably in each case in the center of the rectangles or triangles formed by the channels 25.
  • the necessary supply of gas and / or liquid preferably takes place via lines 39, which in an arrangement as shown in FIGS. 3 and 4 extend between the channels 24, 25 or in the case of an arrangement as shown in FIGS 5 or 6, above the channels 25 run to prevent drops generated in the device 5 drops fall on the lines 39 and lead there to a deposit formation.
  • FIGS. 3 and 4 are preferred.
  • the number of channels may vary depending on the size of the reactor.
  • a rotationally symmetrical arrangement is always preferred.
  • the number of channels 24, 25 is chosen such that the ratio of the area covered by the channels 24, 25 or the droplet head in the reactor relative to the area defined by the circumference of a line along the outermost holes is smaller than 50%. This ensures that sufficient gas can flow past the channels 24, 25 and a sufficient contact between the gas and the channels 24, 25 leaving drops is realized.
  • FIG. Another possibility for generating an increased turbulence in the gas flow is shown in FIG.
  • the addition point for gas 13 is designed so that an increased turbulence is generated.
  • the addition point for gas 13 comprises at least one perforated bottom 41, through which the gas is passed.
  • the hole bottom has holes that have a hydraulic diameter of 5 to 200 cm, preferably from 10 to 100 cm. It is particularly advantageous if a plurality of perforated plates are arranged one above the other and at least the last hole bottom in the flow direction of the gas as described above has holes with a hydraulic diameter of 5 to 200 cm.
  • the arrangement of the perforated plates is preferably carried out so that the holes of the individual perforated plates are not exactly on top of each other. This means that the centers of superimposed holes are not on a vertical axis.
  • the shape of the holes can be chosen arbitrarily. However, preferred are circular holes.
  • the gas addition point 13 such that increased turbulence is generated, the gas flow already above the device 5 for dropletizing turbulence 33, which leads to a more homogeneous distribution of drops generated in the device 5 for droplet over the reactor cross-section .
  • the turbulence increase should be localized and preferably act only in the region or below the dropletizing units. As a result, the desired improved mixing of the drying gas with the dripped monomer solution is ensured and the droplets are distributed more homogeneously over the reactor cross-section, without resulting in undesirable effects such as scale formation on the reactor wall.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of the device for turbulence increase is shown in FIG.
  • the gas nozzles 35 are oriented vertically upwards.
  • the gas nozzles 35 thus each leaves a gas jet 37 which is directed against the flow direction of the drying gas supplied via the point of addition of the gas 13. Due to the gas emerging from the gas nozzles 35 in the opposite direction to the flow direction of the drying gas, the turbulence 33 is generated in the region of the dropletizing device 5. Since the drying gas is the main gas flow, the total gas flow is directed downwards and the drying gas flow remains turbulent in the flow direction of the drying gas as it flows past the device 5 for dripping.
  • the flow turbulence in the drying gas stream up to the device for dropping 5 can spread better across and thus more effectively and uniformly affect the exiting from the device for dropping 5 monomer solution.
  • the flow obstructions or nozzles of the turbulence-increasing device 31 are always positioned so that no droplets are present. can fall on the flow obstacles or nozzles. Furthermore, the flow obstacles or nozzles are evenly distributed over the reactor cross-section to obtain a uniform gas flow and turbulence throughout the reactor cross-section to produce a uniform product.
  • the diameter of the reactor at the level of the Vertropfer wornen is 7.2 m.
  • the gas volume flow, which is fed in via the addition point for gas 13, is 175,000 Nm 3 / h.
  • FIG. 9 shows the course of the standard deviation of the particle temperature as a function of the particle residence time for the two calculated cases, wherein the course for the first case with gas nozzles for turbulence increase is shown with a dashed line and the profile for the second case without turbulence increase with a solid line.
  • the particle dwell time in seconds and the ordinate the standard deviation are shown on the abscissa. The higher the standard deviation, the more heterogeneous is the particle heating up.
  • the residence time range of 0 to 6 s the standard deviation in the case of operation with turbulence nozzles is up to 5 K lower than in the case without turbulence nozzles.
  • the residence time of 6 seconds corresponds to the time it takes for the particles to reach the fluidized bed at the lower end of the reactor.
  • FIG. 10 shows the gas temperature of the gas surrounding the particles along their trajectory as a function of the particle residence time. Again, the particle residence time is shown in seconds on the abscissa. The ordinate shows the temperature of the gas surrounding the particles in ° C. Again, the first case with gas nozzles for turbulence increase with a dashed line and the second case without additional turbulence increase with a solid line shown. In the case of operation with gas nozzles for turbulence increase, the gas temperature decreases faster, which means that the particles are heated on average faster.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren, umfassend einen Reaktor (1) zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung (5) einer Monomerlösung für die Herstellung des Polymers, wobei die Vorrichtung zur Vertropfung (5) Löcher aufweist,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 (11), wobei mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist: - im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31) in der Gasströmung angeordnet, - im Bereichder Zugabestelle (13) für das Gas ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung in der Gasströmung angeordnet, - die Zugabestelle (13) für Gas ist so gestaltet, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigem Polymeren, wobei in der Gasströmung im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung (5) eine Erhöhung der Strömungsturbulenz erfolgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren, umfassend einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung einer Monomerlösung für die Herstellung des Polymers mit Löchern, durch die die Monomerlösung eingebracht wird, einer Zugabestelle für ein Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, min- destens einer Gasentnahmestelle am Umfang des Reaktors und einer Wirbelschicht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren in einer solchen Vorrichtung.
Die eingesetzte Vorrichtung sowie das Verfahren eignen sich beispielsweise zur Herstellung von wasserabsorbierenden Polymeren, insbesondere Poly(meth)acrylaten, die bei der Herstellung von Windeln, Tampons, Damenbinden und anderen Hygieneartikeln oder auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau verwendet 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 Zentrifugenretentionskapazitat 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 geeignete 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 Stoffeigenschaften 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. Ein Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit unterschiedlichen Vorrichtungen zum Einbringen der Monomerlösung ist zum Beispiel in der WO-A 2015/197571 oder der WO-A 2015/197359 beschrieben.
Bei den bekannten Reaktoren können aufgrund der Strömungsverhältnisse die Tropfenkonzen- trationen und Gastemperaturen über den Reaktorquerschnitt Schwankungen unterworfen sein. Diese Schwankungen führen zu einer unvollständigen Ausnutzung des zur Trocknung eingesetzten Gases. Dies hat zur Folge, dass die Monomerlösung in den einzelnen Tropfen unterschiedlich schnell zum Polymer reagiert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren bereitzustellen, bei denen eine verbesserte Vermischung des Trocknungsgases und der eingetropften Monomerlösung sichergestellt wird und zudem die Tropfen homogener über den Reaktorquerschnitt verteilt werden. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren, umfassend einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung einer Monomerlösung für die Herstellung des Polymers, wobei die Vorrichtung zur Vertropfung (5) Löcher aufweist, 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, wobei mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist:
im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung in der Gasströmung angeordnet,
im Bereich der Zugabestelle für das Gas ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung in der Gasströmung angeordnet,
die Zugabestelle für Gas ist so gestaltet, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Polymeren in einer solchen Vorrichtung, umfassend folgende Schritte:
(a) Vertropfen einer Monomerlösung in der Vorrichtung zur Vertropfung, wobei die erzeugten Monomertropfen durch den Reaktor fallen und das Monomer zumindest teilweise zum Polymer reagiert, so dass Partikel entstehen, (b) Zufuhr von Gas über die Zugabestelle für Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, so dass eine Gasströmung im Reaktor von oben nach unten erzeugt wird, (c) Auffangen der in Schritt (a) erzeugten Partikel in der Wirbelschicht, wobei in der Wirbelschicht die Reaktion zum Polymer in den einzelnen Partikeln abgeschlossen wird und gegebenenfalls eine Nachvernetzung erfolgt,
(d) Entnahme der Partikel aus der Wirbelschicht, wobei in der Gasströmung im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung eine Erhöhung der Strömungsturbulenz erfolgt.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die von oben nach unten erzeugte Gasströmung im Reaktor auch als Trocknungsgasströmung und das über die Zugabestelle für Gas zugeführte Gas auch als Trocknungsgas bezeichnet.
Durch die Erhöhung der Strömungsturbulenz, die durch den Einsatz der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung oder durch die Gestaltung der Zugabestelle für Gas in der Gasströmung erzielt wird, wird eine gegenüber den bekannten Reaktoren verbesserte Vermischung des Trocknungsgases, das über die Zugabestelle für Gas zugegeben wird, mit den Tropfen aus der Monomerlösung erreicht. Durch die gute Vermischung wird das Trocknungsgas besser ausgenutzt, so dass das Trocknungsgas mit einer niedrigeren Gaseintrittstemperatur zugegeben werden kann. Durch die niedrigere Gaseintrittstemperatur ist der Energiebedarf zur Erwärmung des Gases reduziert, so dass insgesamt zur Herstellung des Polymers weniger Energie benötigt wird als bei Einsatz der bekannten Reaktoren.
Abhängig von der Gestaltung der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung sind die erzeugten Tropfen bereits relativ homogen über den Reaktorquerschnitt verteilt und somit auch mit dem Trocknungsgas vermischt. Dennoch ergeben sich im Allgemeinen lokal über den Reaktorquerschnitt Variationen der Tropfenkonzentration und der Gastemperatur, die zu einer unvollständigen Ausnutzung des Trocknungsgases führen. Unter Ausnutzung des Trocknungsgases wird hier die Wasseraufnahme und Wärmeabgabe des Gases verstanden, wobei sich bei einer vollständigen Ausnutzung des Trockengases jeweils über den Reaktorquerschnitt eine weitgehend homogene Temperatur und eine weitgehend homogene Wasserkonzentration im Gas einstellt. Bei einer unvollständigen Ausnutzung des Trocknungsgases sind demgegenüber die Temperaturverteilung und die Wasserkonzentration nicht homogen über dem Reaktorquerschnitt. Um diesen Effekt zu minimieren, wird in der Gasphase eine definierte Strömungsturbulenz erzeugt, die die Homogenität der Verteilung der Tropfen über dem Reaktorquerschnitt er- höht und so eine noch bessere Vermischung des Trocknungsgases mit den Tropfen aus der Monomerlösung sicherstellt. Die Strömungsturbulenz darf dabei weder zu klein sein, weil der homogenisierende Effekt sonst vernachlässigbar ist, noch zu groß sein, weil sonst Tropfen oder Partikel zu schnell an die Reaktorwand gelangen können und dort zu einer Belagsbildung führen.
Als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung kann jede Vorrichtung eingesetzt werden, mit der die Turbulenz der Gasströmung erhöht werden kann. Als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung können zum Beispiel Strömungshindernisse eingesetzt werden, die oberhalb oder unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung angeordnet sind. Alternativ ist es auch möglich, Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen zur Turbulenzerhöhung einzusetzen.
Wenn Strömungshindernisse eingesetzt werden, wird durch die Umströmung der Strömungshindernisse das Trocknungsgas verwirbelt und auf diese Weise die Turbulenz erhöht. Um zu verhindern, dass die die Vorrichtung zur Vertropfung verlassende Monomerlösung durch die erzeugte Verwirbelung zu Belagsbildung an den Strömungshindernissen führt, werden die Strömungshindernisse vorzugsweise so platziert, dass sie bei Anordnung unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung in einer gedachten vertikalen Projektion immer auf Lücke zwischen den einzelnen Vertropfereinrichtungen der Vorrichtung zur Vertropfung sitzen und nicht direkt von den an den Vertropfereinrichtungen gebildeten Tropfenstrahlen getroffen werden. Durch Größe und Anzahl der Strömungshindernisse kann das Maß der Strömungsturbulenz angepasst werden. Geeignete Strömungshindernisse sind zum Beispiel beliebig geformte, senkrecht oder weitgehend senkrecht zur Vertikalen angeordnete Platten, beispielsweise runde, rechteckige oder vieleckige Platten, oder beliebige andere Körper, die eine signifikante Ablösung der Strömung und damit Erzeugung von Strömungsturbulenz bewirken. Weiterhin können als Strömungshindernisse auch Lochböden eingesetzt werden oder die Vertropfereinrichtungen können in ihrer Geometrie so modifiziert werden, dass hierdurch eine zusätzliche Turbulenzerhöhung erfolgt.
Alternativ können die Strömungshindernisse auch einen Lochboden umfassen, der Löcher mit einem hydraulischen Durchmesser von 5 bis 200 cm, bevorzugt von 10 bis 100 cm aufweist. Die Löcher können beliebig geformt sein, also zum Beispiel kreisförmig, vieleckig oder elliptisch sein. Bevorzugt sind die Löcher kreisförmig. Durch die Größe der Löcher im Lochboden wird verhindert, dass - anders als bei sehr feinen Freistrahlen, die aus kleinen Löchern mit wenigen Millimetern Durchmesser, wie sie in üblichen Lochböden ausgebildet sind, austreten - die induzierte Strömungsturbulenz sofort durch Reibung dissipiert wird. Die so erzeugte Turbulenz führt wie bei den Strömungshindernissen zu einer Homogenisierung der Gasphasentemperatur und der Partikelkonzentration. Da der Lochboden zwingend oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung angeordnet werden muss, weil ansonsten die Tropfen aus Monomerlösung auf den Lochboden aufprallen und so zu einem Belag führen, liegt bereits auf Höhe der Vertropfereinrichtungen ein erhöhtes Turbulenzniveau vor, was zu Kollisionen von Tropfenstrahlen miteinander und somit zu Koaleszenz führen kann. Dies kann zu einer unerwünscht breiten Tropfengrößenver- teilung führen.
Die Zugabestelle für Gas kann beispielsweise einen oder mehrere Lochböden aufweisen und wird üblicherweise so ausgelegt, dass eine hinreichende Gleichverteilung des in den Reaktor einströmenden Trocknungsgases erreicht wird. Als Referenz für mögliche Ausführungen wird auf Fachliteratur wie Keith Masters,„Spray Drying Handbook", 5th Edition (1991 ) oder auch die WO-A 91/04776 verwiesen. Wenn die Zugabestelle für Gas so gestaltet wird, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird, so ist es zum Beispiel möglich, mindestens einen Lochboden, insbesondere den letzten Lochboden in Strömungsrichtung des Gases, so wie vorstehend für die Strömungshindernisse beschrieben, zu gestalten, dass dieser nämlich Löcher mit einem hydraulischen Durchmesser im Bereich von 5 bis 200 cm, bevorzugt von 10 bis 100 cm aufweist, wobei diese beliebig geformt sein können. Alternativ kann die Zugabestelle für Gas auch eine oder mehrere Gasdüsen umfassen, die Strömungsturbulenz erzeugen.
Erhöhte Turbulenz im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die lokale Turbulenz des Gasstromes im Bereich der Vertropfereinrichtungen oder unterhalb der Vertropfereinrich- tungen größer ist, als die mittlere Turbulenz, die das einströmende Gas allein aufgrund der mittleren Gasgeschwindigkeit im Reaktor besäße.
Als Vertropfereinrichtungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Teile der Vorrichtung zur Vertropfung verstanden, in denen die Tropfen erzeugt werden. Als Vertropfer- einrichtungen können so zum Beispiel Sprühdüsen eingesetzt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Vertropfereinrichtungen jeweils einen Vertropferkanal umfassen, der an seiner Unterseite Löcher aufweist, durch die die Monomerlösung vertropft wird. Die Löcher sind dabei besonders bevorzugt in Lochplatten ausgebildet, die die Unterseite des Vertropferkanals bilden. Eine mögliche Ausgestaltung des Reaktors sowie mögliche Formen der Vorrichtung zur Ver- tropfung sind beispielhaft in WO-A 2015/197359 dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich, bevorzugt alternativ, können zur Turbulenzerhöhung auch Düsen eingesetzt werden. Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung Gasdüsen,
Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen. Wenn die zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Düsen Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen sind, sind diese in einer Ausführungsform Teil der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung. Hierzu kann eine erhöhte Turbulenz beispielsweise durch Erhöhung des Eintrittsimpulses der Tropfenstrahlen der Vertropfereinrichtungen oder durch Einsatz von Sprühdüsen zur Erzeugung der Tropfen erreicht werden. Allerdings kann beides ebenfalls zu einer unerwünscht breiten Tropfengrößenverteilung führen. Der Einsatz von Sprühdüsen oder die Erhöhung der Tropfenstrahlgeschwindigkeit bergen ferner die Gefahr, dass Tropfen frühzeitig die Reaktorwand erreichen und es hierdurch Belagsbildung kommt.
Besonders bevorzugt werden als Düsen zur Erhöhung der Turbulenz Gasdüsen eingesetzt. Gasdüsen induzieren abhängig von Düsendurchmesser und Gasaustrittsgeschwindigkeit stromabwärts im Düsenfreistrahl Turbulenz. Durch Veränderung des Gasdurchsatzes kann das Turbulenzniveau und damit die Homogenisierung von Tropfenkonzentration und Gasphasentemperatur einfach angepasst werden. Wie auch die Strömungshindernisse können die Düsen auf Höhe der Vertropfereinrichtungen oder leicht unterhalb oder oberhalb der Vertropfereinrich- tungen platziert werden. In einer vertikalen Projektion sitzen die Düsen dabei vorzugsweise ebenfalls auf Lücke zwischen den Vertropfereinrichtungen um zu vermeiden, dass Tropfenstrahlen auf die Düsen treffen und zu einer raschen Belagsbildung auf den Düsen führen.
Die durch die Düsen induzierte Turbulenz wird im Wesentlichen durch den von den Düsen eingetragenen Impulsstrom lD festgelegt. Dabei ist der Impulsstrom das Produkt aus Massenstrom und Gasgeschwindigkeit des Freistrahls am Austritt der Düsen:
ID = rhD - vD
ID : Gesamtimpulsstrom aller turbulenzerzeugenden Düsen [kg*m/s2]
rhD: Massenstrom aller turbulenzerzeugenden Düsen [kg/s]
vD: Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Freistrahles am Düsenaustritt [m/s] Entscheidend für die Beeinflussung der Strömungsturbulenz durch die Düsen ist das Verhältnis rrc = ID /ITG des Impulsstromes, der durch die Düsen eingebracht wird, zum Impulsstrom der Trocknungsgasströmung im Reaktor und das Verhältnis rr = ID /IR des Impulsstroms, der durch die Düsen eingebracht wird, zum Impulsstrom der mit der durch die Vorrichtung zur Vertropfung zugeführten Monomerlösung eingebracht wird.
Der Impulsstrom des Trocknungsgases ist dabei
Figure imgf000008_0001
ITG : Impulsstrom des Trocknungsgases [kg*m/s2]
rhTG: Massenstrom des Trocknungsgases [kg/s]
vTG: Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases im Teil des Reaktors mit konstantem hydraulischen Durchmesser [m/s]
Der durch die Vertropfereinrichtungen eingetragene Impulsstrom ist lv = rhv ■ vv.
Iv: Impulsstrom, der durch alle Vertropfereinrichtungen eingebracht wird [kg*m/s2] rhv: Gesamter Massenstrom, der über die Vertropfer eingebrachten Monomerlösung
[kg/s]
vv: Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Monomerlösung am Austritt der Vertropfer
[m/s]
Um eine ausreichende aber nicht zu starke Beeinflussung der Strömungsturbulenz durch die Düsen zu erreichen, liegt das Verhältnis rTG vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50, mehr bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 20 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 10. Ebenso liegt das Verhältnis rr vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 100, mehr bevorzugt im Bereich von 0.2 bis 50 und besonders bevorzugt im Bereich von 0.5 bis 20.
Der gewünschte Impuls ID der turbulenzerzeugenden Düsen kann sowohl durch den Massen- ström als auch durch die Düsenaustrittsgeschwindigkeit angepasst werden. Im Falle sehr hoher Austrittsgeschwindigkeiten, zum Beispiel mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit, ist zwar die lokal erzeugte Turbulenz sehr hoch, jedoch ist diese sehr feinskalig und wird sofort durch Reibung dissipiert, so dass es keinen Vorteil darstellt, besonders hohe Austrittsgeschwindigkeiten zu wählen. Im Gegenteil führen sehr hohe Austrittsgeschwindigkeiten zu einer hohen Lärmbe- lastung und zu einer höheren erforderlichen Leistung, um die Düsenströmung zu erzeugen. Die Düsenaustrittsgeschwindigkeit wird daher vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 1000 m/s, mehr bevorzugt zwischen 10 und 500 m/s und besonders bevorzugt zwischen 20 und 300 m/s gewählt. Aus dem gewünschten Impulsstrom ergibt sich dann bei Wahl der Geschwindigkeit der erforderliche Massenstrom. Hieraus ergibt sich schließlich der erforderliche Düsenquer- schnitt.
Die Form des Düsenquerschnitts ist von untergeordneter Bedeutung. Zum Einsatz kommen können runde, schlitzartige, elliptische oder gegebenenfalls auch Düsen mit mehreren Öffnungen.
In Abhängigkeit von der Größe des Reaktors zur Tropfenpolymerisation werden zur Erzielung des Gesamtimpulses eine oder mehrere turbulenzerzeugende Düsen eingesetzt. Da es wünschenswert ist, dass die Turbulenz gleichmäßig über dem Reaktorquerschnitt erzeugt wird, ist es vorteilhaft, mit zunehmender Reaktorgröße auch mehr Düsen einzusetzen. Die Reaktorquer- schnittsfläche pro Turbulenzerzeugungsdüse im Bereich des Reaktors mit konstantem hydraulischem Durchmesser beträgt dabei vorzugsweise zwischen 0,5 und 50 m2, bevorzugt zwischen 1 und 25 m2 und besonders bevorzugt zwischen 2 und 10 m2. Das bedeutet, dass die Anzahl der zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen, insbesondere Gasdüsen, im Bereich von 0,02 bis 2 pro Quadratmeter Reaktorquerschnitts- fläche, mehr bevorzugt 0,04 bis 1 und insbesondere 0,1 bis 0,5 beträgt.
Wenn der Reaktor zur Tropfenpolymerisation einen mittleren Bereich mit konstantem hydraulischem Durchmesser, einen konisch geformten Reaktorkopf mit nach unten zunehmendem hydraulischem Durchmesser und einen unteren Bereich, der ebenfalls konisch aufgebaut ist, wobei hier der hydraulische Durchmesser von oben nach unten abnimmt, umfasst und die Vorrichtung zur Vertropfung und die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung im Reaktorkopf angeordnet sind, beziehen sich die vorstehend genannten Größen auf die Reaktorquerschnittsfläche im mittleren Bereich mit konstantem hydraulischem Durchmesser. Wenn die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung der Monomerlösung angeordnet ist, ist die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 m oberhalb und 2 m unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung angeordnet. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 1 m oberhalb bis 1 m unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung angeordnet. Wenn die Vorrichtung zur Vertropfung Vertropfereinrichtungen in unterschiedlichen Höhen umfasst, wird als Höhe der Vorrichtung zur Vertropfung, die zur Bestimmung des Abstandes der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung eingesetzt wird, die mittlere Ebene, in der die Vertropfereinrichtungen angeordnet sind, genutzt.
Wenn die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung im Bereich der Zugabstelle für Gas angeordnet ist, ist die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung bis zu 2 m unterhalb der Zugabestelle für Gas angeordnet und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 cm und 1 m unterhalb der Zugabestelle für Gas.
Die Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung, das heißt die Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen oder die Strömungshindernisse können auf unterschiedlicher Höhe angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Vertropfereinrichtungen auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind oder wenn montagetechnische Gründe eine unterschiedli- che Höhe erforderlich machen.
Alternativ können auch alle Strömungshindernisse, Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung auf einer Höhe im Reaktor angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Vertropfereinrichtungen ebenfalls in einer Höhe angeordnet sind.
Bei Einsatz von Düsen, das heißt Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen, insbesondere bei Einsatz von Gasdüsen als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung kann die Orientierung der Düsen vertikal nach unten oder vertikal nach oben erfolgen, andere Orientierungen sind denkbar. Beispielsweise kann eine leichte Anstellung der Düsen in Richtung der Reaktorachse oder aber auch nach außen erfolgen. Ebenso können die Düsen auch eine teilweise tangentiale Orientierung besitzen. Zu beachten ist allerdings immer, dass - wie beispielsweise im Falle einer tangentialen Orientierung - die Gefahr besteht, dass Partikel durch die Düsen- ström mitgerissen werden, frühzeitig die Reaktorwand erreichen und zu Belagsbildung führen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Düsen vertikal nach oben ausgerichtet sind, das heißt, dass der durch die Gasdüsen austretende Gasstrom der Strömung des Trocknungsgases entgegengerichtet ist. Eine solche Ausrichtung bewirkt die größte Turbulenzerhöhung.
Die Verteilung der als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Düsen über dem Reak- torquerschnitt hängt von der Anordnung der Vertropfereinrichtungen ab. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die Düsen möglichst gleichmäßig über dem Reaktorquerschnitt zu verteilen, um eine möglichst gleichmäßig Strömungsturbulenz zu erzeugen. Es ist ferner vorteilhaft, die Düsen bezogen auf die horizontale Position der Vertropfereinrichtungen auf Lücke zu setzen, um keine direkte Interaktion zwischen Düsenstrahl und Tropfenstrahl zu verursachen. Ebenso ist es vor- teilhaft, die Düsen möglichst symmetrisch bezogen auf die Vertropfereinrichtungen anzuordnen. Im Falle einer stark asymmetrischen Anordnung besteht die Gefahr, dass das Strömungsfeld im Bereich der Vertropfereinrichtung stark abgelenkt wird und die Tropfenstrahlen sich nicht nur durch die induzierte Turbulenz der Düsen aufweiten, sondern stark abgelenkt werden und es dadurch auch zur Kollision von Strahlen kommen kann.
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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden vorzugsweise zur Herstellung von wasserabsorbierenden Polymeren eingesetzt, insbesondere zur Herstellung von Poly(meth)acrylaten. Unter Poly(meth)acrylaten werden im Rahmen der vorliegen- den Erfindung Polyacrylate, Polymethacrylate sowie jede beliebige Mischung aus Polyacrylaten und Polymethacrylaten verstanden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: einen Längsschnitt durch einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, einen Längsschnitt durch einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung, eine Anordnung von radial verlaufenden Vertropferkanälen unterschiedlicher Länge und zwischen den Kanälen angeordneten Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung, eine Anordnung von sternförmig angeordneten Vertropferkanälen und zwischen den Kanälen angeordneten Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung, eine Anordnung von Vertropferkanälen in Rechteckteilung und zwischen den Kanälen angeordneten Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung,
Figur 6 eine Anordnung von Vertropferkanälen in Dreiecksteilung und zwischen den Kanälen angeordneten Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung,
Figur 7 einen oberen Abschnitt eines Reaktors zur Tropfenpolymerisation, bei dem die Zugabestelle für Gas so gestaltet ist, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird, Figur 8 einen oberen Abschnitt eines Reaktors zur Tropfenpolymerisation mit nach oben gerichteten Gasdüsen als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung,
Figur 9 einen Verlauf der Standardabweichung der Partikeltemperatur in Abhängigkeit von der Partikelverweilzeit mit und ohne Einsatz einer Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung, wobei die gestrichelte Kurve den Fall mit und die durchgezogene Kurve den Fall ohne Turbulenzerhöhung darstellt,
Figur 10 einen Verlauf der Gesamttemperatur in Abhängigkeit von der Partikelverweilzeit mit und ohne Einsatz einer Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung, wobei die gestrichelte Kurve den Fall mit und die durchgezogene Kurve den Fall ohne Turbulenzerhöhung darstellt.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation, wie er zur Herstellung von Poly(meth)acrylatpartikeln vorzugsweise eingesetzt wird.
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 abge- schlössen 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 Ka- nal 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. Alternativ 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 Ge- staltung des Reaktorkopfs 3. Die Position der Vorrichtung zur Vertropfung 5 wird so gewählt, dass zwischen den äußersten Löcher, 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.
Um weiterhin eine bessere Ausnutzung des über die Zugabestelle 13 zugeführten Gases zu erhalten, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung 5 der Monomerlösung eingesetzt. Durch die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung wird die Turbulenz des Gases erhöht, so dass eine bessere Durchmischung von Gas und mit der Vorrichtung zur Vertropfung 5 erzeugten Tropfen realisiert wird. Hierdurch können die Tropfen gleichmäßiger Wasser an das Gas abgeben. Zudem wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über die Verweilzeit der Tropfen im Reaktor erhalten. Die durch die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 erzeugte Turbulenz ist hier mit Pfeilen 33 dargestellt. Als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 können zum Beispiel Strömungshindernisse oder Düsen, insbesondere Gasdüsen, Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen eingesetzt werden. In der hier dargestellten Ausführungsform werden als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 Gasdüsen 35 genutzt. Diese sind in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform unterhalb, vorzugsweise maximal 2 m unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 angeordnet. Durch den aus den Gasdüsen 35 austretenden Gasstrahl 37 wird das über die Zugabestelle für Gas 13 zugeführte Gas beschleunigt. Gleichzeitig wird das aus den Gasdüsen 35 austretende Gas abgebremst, wodurch der Gasstrahl 37 abgelenkt und verformt wird, so das eine zusätzliche Turbulenz induziert wird. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem durch die Zugabestelle für Gas 13 zugegebenen Gas und dem durch die Gasdü- sen 35 zugegebenen Gas nicht zu groß ist, damit die erzeugte Turbulenz nicht durch die auftretende Reibung dissipiert wird.
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 Nach- reaktion 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 Reaktors prallen, ist der hydraulische Durchmesser auf Höhe der Mitte zwischen der Vorrich- tung zur Vertropfung und der Gasentnahmestelle mindestens 10% größer als der hydraulische Durchmesser der Wirbelschicht.
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 vorgesehen sein, mit denen die Wandung des Reaktors in Schwingungen versetzt wird, wodurch sich anhaftende Polymerpartikel lösen und in die Wirbelschicht 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 erforder- lieh, 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 konisch 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 entnommen.
Figur 2 zeigt einen Reaktor zur Tropfenpolymerisation in einer alternativen Ausführungsform. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Reaktor zur Tropfenpolymerisation 1 ist bei dem in Figur 2 dargestellten Reaktor 1 die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 der Monomerlösung positioniert. Auch in Figur 2 sind beispielhaft Gasdüsen 35 zur Turbulenzerhöhung dargestellt. Durch den aus den Gasdüsen 35 austretenden Gasstrahl 37 wird die Turbulenz in der Gasströmung erhöht, wobei die Turbulenzerhöhung bei oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 angeordneten Gasdüsen 35 an einer höheren Position einsetzt als bei der in Figur 1 gezeigten Variante mit Gasdüsen 35 unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5. Bei der Einstellung der Turbulenz muss daher darauf geachtet werden, dass die Monomertropfen, die die Vorrichtung zur Vertropfung 5 verlassen, nicht gegen die Vorrichtung zur Vertropfung 5 prallen und so zu einer Belagsbildung führen. Insbesondere bei Einsatz von Gasdüsen 35 lässt sich die Turbulenz auf einfache Weise durch Änderung der Geschwindigkeit des die Gasdüsen 35 verlassenden Gases einstellen. Um insbesondere bei unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 angeordneter Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 zu verhindern, dass sich auf der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 ein Belag bildet, werden die einzelnen Strömungshindernisse oder Düsen der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 so positioniert, dass diese zwischen den einzelnen Vertropfereinrichtun- gen der Vorrichtung zur Vertropfung 5 angeordnet sind. Dies ist beispielhaft für die Verwendung von Gasdüsen 35 als Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 und Vertropferkanälen 25 als Ver- tropfereinrichtungen der Vorrichtung zur Vertropfung 5 in den Figuren 3 bis 6 dargestellt.
In Figur 3 ist eine Anordnung von radial verlaufenden Vertropferkanälen unterschiedlicher Länge dargestellt.
In einer ersten Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Vertropfung radial verlaufende Kanäle 25 auf. Hierbei ragt ein Teil der Kanäle 25 bis in die Mitte des Reaktors 1. Ein weiterer Teil an Kanälen 24 ragt weniger weit in den Reaktor 1 , so dass insbesondere in den äußeren Bereichen des Reaktors, wo der Abstand zwischen den radial verlaufenden bis in die Mitte des Reaktors 1 ragenden Kanälen 25 groß ist, weitere Kanäle 24 vorgesehen sind, durch die Monomerlösung in den Reaktor 1 eingebracht werden kann. Dies erlaubt eine gleichmäßigere Verteilung der Tropfen über den gesamten Reaktorquerschnitt.
Die einzelnen Gasdüsen 35, die zur Turbulenzerhöhung eingesetzt werden, sind zwischen den Kanälen 24, 25 positioniert. Hierbei sind für eine gleichmäßige Turbulenz und damit eine gleichmäßige Gasströmung im Reaktor die Gasdüsen 25 gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt.
Eine entsprechende sternförmige Anordnung der Kanäle 25 ist in Figur 4 dargestellt.
Sowohl bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform als auch bei der in Figur 4 dargestellten ist es möglich, die Kanäle 24, 25 mit einem Winkel ß zur Horizontalen auszurichten. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Kanäle 24, 25 zur Mitte des Reaktors hin ansteigen. Durch diese Ausrichtung wird eine gleichmäßigere Verteilung der Tropfen im Reaktor 1 erhalten und ein frühzeitiger Kontakt der Tropfen mit der Reaktorwand vermieden.
Weitere mögliche Anordnungen der Kanäle zeigen die Figuren 5 und 6. Bei diesen ist allerdings eine Anordnung mit einem Winkel ß zur Horizontalen nur schwierig zu realisieren, so dass in diesem Fall die Kanäle 25 vorzugsweise horizontal verlaufen. Figur 5 zeigt eine Anordnung in Rechteckteilung, bei der die einzelnen Kanäle 25 jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, so dass durch die Schnittpunkte 27 der Kanäle jeweils Rechtecke, vorzugsweise Quadrate gebildet werden. Figur 6 zeigt eine Anordnung in Dreiecksteilung. Hier sind die Kanäle 25 jeweils mit einem Winkel von 60° zueinander angeordnet, so dass durch die Schnittpunkte 27 der Kanäle 25 jeweils gleichseitige Dreiecke gebildet werden. Dies setzt allerdings zudem voraus, dass die jeweils parallel verlaufenden Kanäle einen immer gleich großen Abstand aufweisen.
Unabhängig von der Anordnung der Kanäle 25, die als Vertropfereinrichtungen eingesetzt werden, werden die Strömungshindernisse oder Düsen, beispielsweise die Gasdüsen 35 gleichmäßig verteilt über den Reaktorquerschnitt zwischen den Vertropfereinrichtungen positioniert. Bei einer Rechteckteilung oder Dreiecksteilung ist die Position der Strömungshindernisse oder Düsen dabei vorzugsweise jeweils im Mittelpunkt der durch die Kanäle 25 gebildeten Rechtecke oder Dreiecke.
Die notwendige Gas- und/oder Flüssigkeitszufuhr erfolgt dabei vorzugsweise über Leitungen 39, die bei einer Anordnung, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, zwischen den Kanä- len 24, 25 verlaufen oder bei einer Anordnung, wie sie in den Figuren 5 oder 6 dargestellt ist, oberhalb der Kanäle 25 verlaufen, um zu verhindern, dass in der Vorrichtung zur Vertropfung 5 erzeugte Tropfen auf die Leitungen 39 fallen und dort zu einer Belagsbildung führen.
Alternativ zu den hier dargestellten Ausführungsformen ist es selbstverständlich auch möglich, die Kanäle so anzuordnen, dass der Abstand zwischen parallel angeordneten Kanälen variiert oder der Abstand zwischen den parallel angeordneten Kanälen jeweils gleich groß ist, aber die Abstände zwischen den parallel angeordneten Kanälen, die in unterschiedlicher Richtung verlaufen, unterschiedlich sind. Zudem ist es auch möglich, die Kanäle in einem beliebigen anderen Winkel zueinander anzuordnen.
Insbesondere bei einem kreisförmigen Reaktorquerschnitt sind jedoch die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Anordnungen bevorzugt. Hierbei kann jedoch die Anzahl der Kanäle in Abhängigkeit vom Umfang des Reaktors variieren. Zudem ist es möglich, die Kanäle, wie in Figur 3 gezeigt, unterschiedlich lang zu gestalten, so dass diese unterschiedlich weit in den Reaktor 1 hineinragen. Dabei ist jedoch immer eine drehsymmetrische Anordnung bevorzugt.
Die Position von Vertropferplatten 26, mit denen die Kanäle zur Zufuhr der Monomerlösung auf ihrer Unterseite abgeschlossen sind, und in denen die Löcher ausgebildet sind, durch die die Monomerlösung in den Reaktor vertropft wird, ist in den Figuren 3 bis 6 durch die gepunkteten Flächen dargestellt.
Erfindungsgemäß wird die Anzahl der Kanäle 24, 25 so gewählt, dass das Verhältnis der von den Kanälen 24, 25 oder dem Vertropferkopf abgedeckten Fläche im Reaktor bezogen auf die Fläche, die durch den Umfang einer Linie entlang der äußersten Löcher definiert wird, kleiner ist als 50%. Hierdurch wird sichergestellt, dass ausreichend Gas an den Kanälen 24, 25 vorbeiströmen kann und ein hinreichender Kontakt zwischen Gas und die Kanäle 24, 25 verlassenden Tropfen realisiert wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer erhöhten Turbulenz in der Gasströmung ist in Figur 7 dargestellt. Hier ist im Unterschied zu den Ausführungsformen in den Figuren 1 bis 6 die Zugabestelle für Gas 13 so gestaltet, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird. Hierzu umfasst die Zugabestelle für Gas 13 mindestens einen Lochboden 41 , durch den das Gas geleitet wird. Der Lochboden weist dabei Löcher auf, die einen hydraulischen Durchmesser von 5 bis 200 cm, bevorzugt von 10 bis 100 cm aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mehrere Lochböden übereinander angeordnet sind und zumindest der letzte Lochboden in Strömungsrichtung des Gases wie vorstehend beschrieben Löcher mit einem hydraulischen Durchmesser von 5 bis 200 cm aufweist. Die Anordnung der Lochböden erfolgt dabei vorzugsweise so, dass die Löcher der einzelnen Lochböden nicht exakt übereinander liegen. Das bedeutet, dass die Mittelpunkte von übereinander liegenden Löchern nicht auf einer senkrechten Achse liegen.
Die Form der Löcher kann beliebig gewählt werden. Bevorzugt sind jedoch kreisförmige Löcher. Bei der Gestaltung der Zugabestelle für Gas 13 derart, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird, weist die Gasströmung bereits oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung 5 eine Turbulenz 33 auf, die zu einer homogeneren Verteilung der in der Vorrichtung zur Vertropfung 5 erzeugten Tropfen über den Reaktorquerschnitt führt. Die Turbulenzerhöhung soll jedoch lokal begrenzt und vorzugsweise nur im Bereich oder unterhalb der Vertropfereinheiten wirken. Dadurch wird die gewünschte verbesserte Vermischung des Trocknungsgases mit der eingetropften Monomerlösung sichergestellt und die Tropfen werden homogener über den Reaktorquerschnitt verteilt, ohne dass es zu unerwünschten Effekten wie Belagsbildung an der Reaktorwand kommt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung ist in Figur 8 darge- stellt.
Im Unterschied zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen zur Turbulenzerhöhung mit nach unten gerichteten Gasdüsen 35 sind in Figur 8 die Gasdüsen 35 vertikal nach oben ausgerichtet. Die Gasdüsen 35 verlässt somit jeweils ein Gasstrahl 37, der entgegen der Strömungsrichtung des über die Zugabestelle des Gases 13 zugeführten Trocknungsgases gerichtet ist. Durch das entgegen der Strömungsrichtung des Trocknungsgases austretende Gas aus den Gasdüsen 35 wird die Turbulenz 33 im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung 5 erzeugt. Da das Trocknungsgas der Hauptgasstrom ist, ist die Gesamtgasströmung nach unten gerichtet und der Trocknungsgasstrom bleibt in Strömungsrichtung des Trocknungsgases beim Vorbeiströmen an der Vorrichtung zur Vertropfung 5 turbulent. Durch die Ausrichtung der Gasdüsen 35 vertikal nach oben wird die Strömungsturbulenz weiter stromaufwärts von der Vorrichtung zur Vertropfung 5 induziert. Hierdurch kann sich die Strömungsturbulenz im Trocknungsgasstrom bis zu der Vorrichtung zur Vertropfung 5 besser quer verteilen und somit auch effektiver und gleichmäßiger die aus der Vorrichtung zur Vertropfung 5 austretende Monomerlösung beeinflussen.
Unabhängig von der Anordnung der Vertropfereinrichtungen werden die Strömungshindernisse oder Düsen der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung 31 immer so positioniert, dass keine Trop- fen auf die Strömungshindernisse oder Düsen fallen können. Weiterhin werden die Strömungshindernisse oder Düsen gleichmäßig verteilt über den Reaktorquerschnitt angeordnet, um eine gleichmäßige Gasströmung und gleiche Turbulenz über den gesamten Reaktorquerschnitt zu erhalten, damit ein gleichmäßiges Produkt entsteht.
Beispiel
Das folgende Beispiel zeigt einen Vergleich für den Betrieb des Tropfenpolymerisationsreaktors mit und ohne Turbulenzerzeugung in der Gasströmung. Für den Vergleich wurden Ergebnisse herangezogen, die mit Hilfe numerischer Strömungssimulation rechnerisch ermittelt wurden. Im Vergleich werden zwei Fälle betrachtet:
(1 ) Betrieb eines Reaktors zur Tropfenpolymerisation, wie er in Figur 1 dargestellt ist mit 16 Gasdüsen zur Turbulenzerhöhung, wobei die Gasdüsen auf zwei gedachten konzentrischen Kreisen mit Durchmessern von 3.8 und 5.8 m jeweils gleichmäßig über dem Umfang verteilt und bezogen auf die Vertropferkanäle symmetrisch angeordnet sind, und auf jedem der konzentrischen Kreise 8 Gasdüsen positioniert sind. Hierzu werden 8 Vertropferkanäle vorgesehen, die entsprechend der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform sternförmig angeordnet sind. Der Gasvolumenstrom durch alle Düsen zusammen beträgt 7500 Nm3/h. Die Düsen besitzen einen Öffnungsdurchmesser von 45 mm. Der Durchmesser im mittleren Teil des Reaktors mit konstantem hydraulischem Durchmesser beträgt 10,3 m. Der Durchmesser des Reaktors in Höhe der Vertropfereinrichtungen beträgt 7,2 m. Der Gasvolumenstrom, der über die Zugabestelle für Gas 13 aufgegeben wird, beträgt 175000 Nm3/h. (2) Betrieb des Tropfenpolymerisationsreaktors unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Fall, jedoch ohne Turbulenzdüsen und den damit zugeführten zusätzlichen Gasstrom.
Figur 9 zeigt für die beiden berechneten Fälle den Verlauf der Standardabweichung der Partikeltemperatur als Funktion der Partikelverweilzeit, wobei der Verlauf für den ersten Fall mit Gasdüsen zur Turbulenzerhöhung mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist und der Verlauf für den zweiten Fall ohne Turbulenzerhöhung mit einer durchgezogenen Linie. Hierzu ist auf der Abszisse die Partikelverweilzeit in Sekunden und auf der Ordinate die Standardabweichung dargestellt. Je höher die Standardabweichung ist desto uneinheitlicher erfolgt die Aufheizung der Partikel. Im Verweilzeitbereich von 0 bis 6 s liegt die Standardabweichung im Falle des Be- triebes mit Turbulenzdüsen bis zu 5 K niedriger als im Fall ohne Turbulenzdüsen. Die Verweilzeit von 6 s entspricht dabei der Zeit, die die Partikel durchschnittlich benötigen, um die Wirbelschicht am unteren Ende des Reaktors zu erreichen.
Figur 10 zeigt die Gastemperatur des die Partikel entlang ihrer Trajektorie umgebenden Gases als Funktion der Partikelverweilzeit. Auch hier ist die Partikelverweilzeit in Sekunden auf der Abszisse dargestellt. Die Ordinate zeigt die Temperatur des die Partikel umgebenden Gases in °C. Auch hier sind der erste Fall mit Gasdüsen zur Turbulenzerhöhung mit einer gestrichelten Linie und der zweite Fall ohne zusätzliche Turbulenzerhöhung mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Im Fall des Betriebes mit Gasdüsen zur Turbulenzerhöhung sinkt die Gastemperatur schneller ab, was bedeutet, dass die Partikel im Mittel schneller aufgeheizt werden. Sowohl die Standardabweichung der Partikeltemperatur als auch die Gastemperatur des die Partikel entlang ihrer Trajektorie umgebenden Gases zeigen, dass die Trocknung der Partikel beim Be- trieb mit Gasdüsen zur Erhöhung der Turbulenz gleichmäßiger und schneller erfolgt, was dazu führt, dass die Partikel das Wirbelbett am unteren Ende des Reaktor in einem trockeneren Zustand erreichen und somit eine geringere Agglomerationsneigung besitzen.
Bezugszeichenliste
I Reaktor zur Tropfenpolymerisation
3 Reaktorkopf
5 Vorrichtung zur Vertropfung
7 mittlerer Bereich
9 unterer Bereich
I I Wirbelschicht
12 Monomerzufuhr
13 Zugabestelle für Gas
15 Position der äußersten Löcher in Bezug zur Wirbelschicht
17 Gasverteiler
19 Gasentnahmestelle
21 ringförmige Kammer
23 Produktentnahmestelle
24 Kanal
25 Kanal
26 Vertropferplatte
27 Schnittpunkt der Kanäle
29 Reaktorachse
31 Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung
33 Turbulenz
35 Gasdüsen
37 Gasstrahl
39 Leitung
41 Lochboden

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren, umfassend einen Reaktor (1 ) zur Tropfenpolymerisation mit einer Vorrichtung zur Vertropfung (5) einer Monomerlösung für die Herstellung des Polymers, wobei die Vorrichtung zur Vertropfung (5) Löcher aufweist, 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 mindestens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist: im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31 ) in der Gasströmung angeordnet, im Bereich der Zugabestelle (13) für das Gas ist eine Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung in der Gasströmung angeordnet,
die Zugabestelle (13) für Gas ist so gestaltet, dass eine erhöhte Turbulenz erzeugt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31 ) Strömungshindernisse umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungshindernisse einen Lochboden umfassen, der Löcher mit einem Durchmesser von 5 bis 200 cm aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31 ) Gasdüsen (35), Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen Teil der Vorrichtung zur Vertropfung (5) der Monomerlösung sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Gasdüsen (35) in Richtung der Zugabestelle (13) für Gas ausgerichtet sind, so dass ein aus den Gasdüsen (35) ausströmender Gasstrom der Gasströmung aus der Zugabestelle (13) für Gas entgegengerichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die An¬
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zahl der zur Turbulenzerhöhung eingesetzten Gasdüsen (35), Gas/Flüssig-Düsen oder
Flüssigkeitsdüsen 0,02 bis 2 pro Quadratmeter Reaktorquerschnittsfläche beträgt.
8. Vornchtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31 ) in einem Bereich zwischen 2 m oberhalb und 2 m unterhalb der Vorrichtung zur Vertropfung (5) und/oder bis zu 2 m unterhalb der Zugabestelle (13) für Gas angeordnet ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strömungshindernisse, Gasdüsen (35), Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen der Vorrichtung zur Turbulenzerhöhung (31 ) auf unterschiedlichen Höhen im Reaktor (1 ) angeordnet sind.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabestelle (13) für Gas mindestens einen Lochboden umfasst, der Löcher mit einem Durchmesser von 5 bis 200 cm aufweist. 1 1 . Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Polymeren in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend folgende Schritte:
(a) Vertropfen einer Monomerlösung in der Vorrichtung zur Vertropfung (5), wobei die erzeugten Monomertropfen durch den Reaktor (1 ) fallen und das Monomer zumin- dest teilweise zum Polymer reagiert, so dass Partikel entstehen,
(b) Zufuhr von Gas über die Zugabestelle (13) für Gas oberhalb der Vorrichtung zur Vertropfung (5), so dass eine Gasströmung im Reaktor (1 ) von oben nach unten erzeugt wird,
(c) Auffangen der in Schritt (a) erzeugten Partikel in der Wirbelschicht (1 1 ), wobei in der Wirbelschicht (1 1 ) die Reaktion zum Poly(meth)acrylat in den einzelnen Partikeln abgeschlossen wird und gegebenenfalls eine Nachvernetzung erfolgt, (d) Entnahme der Partikel aus der Wirbelschicht (1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasströmung im Bereich der Vorrichtung zur Vertropfung (5) eine Erhöhung der Strömungsturbulenz erfolgt. 12. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Turbulenzerhöhung Gasdüsen (35) eingesetzt werden und das Verhältnis des Impulsstromes des durch alle Gasdüsen (35) zugeführten Gases zum Impulsstrom des über die Zugabestelle (13) für Gas zugeführten Gases im Bereich von 0,1 bis 50 liegt. 13. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Turbulenzerhöhung
Gas/Flüssig-Düsen oder Flüssigkeitsdüsen eingesetzt werden und das Verhältnis des Impulsstromes, der durch alle Düsen erzeugt wird, zum Impulsstrom, der in der Vorrichtung zur Vertropfung (5) erzeugt wird, im Bereich zwischen 0,1 und 100 liegt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Turbulenzerhöhung Gasdüsen (35) eingesetzt werden und die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus den Gasdüsen (35) im Bereich von 5 bis 1000 m/s liegt.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Gasdüsen (35) austretender Gasstrom der in Schritt (b) erzeugten Gasströmung im Reaktor (1 ) entgegengerichtet ist. 16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabestelle (13) für Gas mindestens einen Lochboden umfasst, der Löcher mit einem Durchmesser von 5 bis 200 cm aufweist, so dass das Gas mit erhöhter Turbulenz aus der Zugabestelle (13) für Gas austritt. 17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Polymer ein Poly(meth)acrylat ist.
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