Vorrichtung zur Durchführung einer radikalischen Polymerisation und ihre Verwendung

Beschreibung

[0001] Radikalische Polymerisationen ethylenisch ungesättigter MOnomeren werden im allgemeinen unter Rührung durchgeführt, meist in Rührbehältern, z.B. Rührautoklaven. Diese Behälter besitzen dafür neben Kühl- und Heizeinrichtungen sowie Zu- und Ableitungen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden muß, da sie dem Fachmann geläufig sind, Rührvorrichtungen, die meist aus einem über eine Rührachse angetriebenen Rührer und vielfach zusätzlichen Statoren bestehen. Die Statoren, meist Bleche oder Verdrängerkörper verschiedenster Formen dienen dabei als Stromstörer. Damit soll eine bessere Durchmischung erreicht werden.

[0002] Die Rührer selbst sitzen meist an senkrechten Rührachsen (Rührerschäften), die entweder von oben oder unten im allgemeinen zentrisch in den Behälter hineinragen. Auf solche Weise von oben angetriebene Rührer besitzen im allgemeinen den Vorteil geringerer Dichtungsprobleme an der Durchführung des Rührerschaftes durch die Behälterwandung, sofern eine solche Durchführung überhaupt notwendig ist, jedoch treten aufgrund der größeren Länge des Schaftes vielfach Schwingungs-(Resonanz-) Probleme auf, und der Schaft muß überdies größere Verwindungssteifigkeit besitzen. Diese Nachteile besitzt der Unterantrieb vergleichsweise in weitaus geringerem Ausmaß, da bei ihm der Rührerschaft kürzer gehalten werden kann, jedoch treten bei dieser Ausführungsform dafür größere Abdichtungsprobleme auf.

[0003] Für den Erfolg der im folgenden beschriebenen Erfindung sind beide Ausführungsformen geeignet, so daß der Fachmann die ihm für die Lösung seines speziellen Problems geeigneter erscheinende Ausführungsform auswählen kann.

[0004] Rührer werden in en verschiedensten ein- und mehrstufigen Bauformen eingesetzt, z.B. Kreiselrührer, Konusrührer, Rührwalzen, Schneidrührer, Balkenrührer, Fingerrührer, Rahmenrührer, Blattrührer, Turbinenrührer, Propellerrührer, Scheibenrührer, Ankerrührer und Impellerrührer.

[0005] Verglichen mit normalem Rührverfahren, z.B. dem Herstellen und Homogenisieren von Lösungen, treten bei radikalischen Polymerisationen zusätzliche Schwierigkeiten auf.

[0006] Eines der größten Probleme bei der Herstellung von Polymerdispersionen, -suspensionen und -emulsionen ist die Gewährleistung der gleichmäßigen Rührung im gesamten Reaktionsgemisch, so daß sich keine Ruhezonen mit Monomernestern bilden können. In solchen Ruhezonen bilden sich ansonsten Polymer beläge an den Wandungen und Einbauten, bzw. zumindest bildet sich dort nicht spezifikationsgerechtes Polymer, das das restliche Produkt verunreinigt und ggf. mühsam, sofern überhaupt möglich, abgetrennt und verworfen werden muß. Die gleichmäßige Rührung über den gesamten Polymerisationsverlauf zu gewährleisten, stellt aufgrund der sich ständig ändernden Zusammensetzung des Reaktionsgemisches und des damit sich ändernden Viskositätsverhaltens den Fachmann vor große Probleme. Bekanntermaßen können das vielfach auftretende und sich zeitlich ändernde "nicht-newton'sche" Fließverhalten der flüssigen Phase solcher Polymerisationsgemische nicht so durch an sich übliche Rührversuche mit Wasser oder mit wäßrigen Lösungen nachgestellt werden, daß sich daraus für die eigentliche Verwendung der Rührsysteme bei der Polymerisation verläßliche Daten sammeln lassen.

[0007] So lassen sich beispielsweise kaum verläßliche Daten über die Spitzen der Leistungsaufnahme der Rührer gewinnen, mit der Folge, daß aus Sicherheitsgründen die Polymerisationen mit größerer Verdünnung gefahren werden müssen.

[0008] Eine dringliche Aufgabe bestand daher darin, die bisherigen Vorrichtungen zur radikalischen Polymerisation ethylenisch ungesättigter Monomeren in wäßrigem Medium so zu verbessern, daß die Polymerisationsreaktionen mit höheren Monomerkonzentrationen durchgeführt werden können, ohne daß für die Rührung die oben angesprochenen Sicherheitsrisiken auftreten, und ohne daß sich die üblichen Qualitätsschwankungen der Monomeren sofort negativ auf die Produktqualität auswirken.

[0009] Diese Aufgabe wurde gelöst durch eine solche Vorrichtung, bestehend aus einem üblichen Reaktionsbehälter, meist geschlossenem Behälter, z.B. einem Autoklaven, mit üblichen Zu- und Ableitungen, die im allgemeinen über Ventile mit dem Behälter verbunden sind, und einem speziellen zentrisch eingebauten Impellerrührer 1, dessen senkrechter Rührerschaft 2 mit der Längsachse des üblicherweise zylindrischen Behälters zusammenfällt und der einen Durchmesser d vom 0,2- bis 0,9- fachen, vorzugsweise 0,4- bis 0,7-fachen, des Behälterinnendurchmessers D besitzt. Der Behälter kann außerdem mit üblichen Kühl- und/oder Heizvorrichtungen, z.B. Kühl- bzw. Heizmantel, der von einem Wärmetransportmedium durchflossen wird, und/oder vorzugsweise Rückflußkühler und weiteren üblichen Einbauten versehen sein, z.B. Verdrängerkörpern, Stromstörern, Vorrichtungen zum Besprühen der Wandungen und Einbauten etc.

[0010] Der spezielle Impellerrührer 1 besitzt, an der Rührerachse 3 einen Bodenabstand vom 0,05- bis 0,15- fachen des Rührerdurchmessers d, die Impellerflügel 11 besitzen einen Anstellwinkel von 0 bis 30° (nach oben) gegenüber der Horizontalen, so daß der Bodenabstand an den Flügelspitzen 4 im selben Bereich liegt wie an der Rührerachse 3, im wesentlichen zur Rührerachse 3 parallele Anströmflächen 5 und im wesentlichen dreieckigen bis halbkreisähnlichen (halbrunden) Querschnitt 12. Die Blatthöhe h beträgt das 0,1- bis 1-fache, vorzugsweise das 0,1- bis 0,5-fache, insbesondere das 0,15- bis 0,3-fache des Rührerdurchmessers d, die Blattdicke t der Rührflügel 11 beträgt das 0,5- bis 5-fache, vorzugsweise das 0,6- bisl-fachederFlügelhöheh.Dielmpellerflügeill sind meist entgegen der Drehrichtung 10 gebogen, das Verhältnis des Rührerdurchmessers d zum Radius r der Flügel beträgt 0 bis 4, vorzugsweise 1 bis 3.

[0011] Vielfach ist es bevorzugt, die Vorderkanten 6 der Rührflügel 11 abzurunden. Als besonders zweckmäßig hat sich ein Verhältnis des zugehörigen Krümmungsradius k zur Blatthöhe h von k/h=0,₀₁ bis 0,3 erwiesen.

[0012] Bei der bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Vinylchlorid-Polymerisaten im wäßrigen Medium nach dem Suspensionspolymerisationsverfahren haben sich überraschenderweise folgende Vorteile ergeben:

1. Der Rührer 1 kann mit niedrigerer Drehzahl betrieben werden, seine Leistungsaufnahme während der Polymerisation ist gleichmäßiger under geringer als bei herkömmlichen Vorrichtungen.

2. Die Dispergierleistung ist größer, so daß gegebenenfalls das Monomer/Wasser-Verhältnis gesteigert werden kann.

3. Der Einfluß von Schwankungen der Qualität der Monomeren auf das Produkt ist deutlich vermindert. Schwankungen der Produktqualität können verkleinert werden.

4. Die Stippenbildung ist deutlich herabgesetzt.

5. Aufgrund fehlender oder zumindest geringerer Bildung von Wandbelag können die Reaktionszeiten herabgesetzt werden.

[0013] Der erfindungsgemäß eingesetzte modifizierte lmpellerrührer 1 kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt im Reaktionsautoklaven mit im wesentlichen zylindrischer Form mit Klöpper-, Korb- oder Flachböden eingesetzt werden. Das Verhältnis der lichten Höhe zum Innendurchmesser beträgt vorzugsweise H/D=1-3.

[0014] Der Impeller 1 ist in den Behälter so eingebaut, daß sein Rührerschaft 2 mit der Längsachse oder Teilen der Längsachse des zylindrischen Behälterteils zusammenfällt. Der Rührer 1 kann von oben oder von unten angetrieben werden.

[0015] In den beiliegenden Figuren 1-3 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Rührers 1 schematisch dargestellt.

Fig. 1 stellt eine Aufsicht auf den Rührer 1 dar (längs des Rührerschaftes 2),

Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch einen Rührerflügel 11 (entlang der Markierung A-A von Fig. 1) dar, und

Fig. 3 stellt eine Seitenansicht des Rührers 1 dar.

[0016] Zur Erleichterung der Befestigung der Impellerflügel 11 am Schaft 2 kann die Form der Flügel 11 von der oben beschriebenen Ausführungsform am inneren Ende 7 abweichen, wie z.B. auch in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist. Vorzugsweise wird dieser Bereich allerdings möglichst klein gehalten. Z.B. kann der Querschnitt der Flügel an der Befestigungsstelle 8 kreisförmig oder elliptisch sein.

[0017] Auch ist es möglich, die Kanten der äußeren Flügelenden 9 abzurunden, z.B. hat sich auch dort bewährt, eine Rundung mit dem Radius k vorzusehen.

[0018] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann selbstverständlich in all den Materialien ausgeführt sein, aus denen die bisherigen Vorrichtungen gefertigt werden konnten, z.B. aus rostfreien Stählen, auch können die bisher verwendeten Beschichtungen im Rahmen der Erfindung verwendet werden, z.B. Glas- und Emailüberzüge.

[0019] Die folgenden Beispiele und Vergleichsversuche dienen lediglich der weiteren Erläuterung der Erfindung, sie besitzen keinen beschränkenden Charakter.

Ausführungsform 1-normaler Impellerrührer

[0020] 

Ausführungsform 2-erfindungsgemäßer Impellerrührer

[0021] 

Beispiel 1:

PVC-Type A Ausführungsform 1

[0022] 

Beispiel 2:

PVC-Type A Ausführungsform 2

[0023] 

Beispiel 3:

PVC-Type B Ausführungsform 1

[0024] 

Beispiel 4:

PVC-Type B Ausführungsform 2

[0025] 

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Durchführung einer radikalischen Polymerisation ethylenisch ungesättigter Monomeren in wäßrigem Medium, bestehend aus einem üblichen Reaktionsbehälter mit üblichen Zu- und Ableitungen, einem zentrisch eingebauten Impellerrührer mit senkrechtem Rührerschaft und einem Durchmesser d von 0,2 bis 0,9 des Behälterinnendurchmessers D, gegebenenfalls mit Kühl- und/oder Heizvorrichtungen und gegebenenfalls weiteren üblichen Einbauten, wobei der Impellerrührer an der Rührerachse einen Bodenabstand vom 0,05- bis 0,15-fachen des Rührerdurchmessers d besitzt, die Impellerflügel einen Anstellwinkel a von 0 bis 30° gegenüber der Horizontalen besitzen, so daß der Bodenabstand an den Flügelspitzen im selben Bereich wie an der Rührerachse das heißt zwischen dem 0,05- bis 0,15-fachen des Rührerdurchmessers d liegt, die Flügel im wesentlichen zur Rührerachse parallele Anströmflächen und im wesentlichen dreieckigen bis halbkreisähnlichen Querschnitt besitzen, die Blatthöhe h das 0,1- bis 1-fache des Rührerdurchmessers d, das Verhältnis des Rührerdurchmessers d zum Radius r der gegebenenfalls entgegen der Drehrichtung gebogenen Flügel 0 bis 4 und das der Blattdicke t zur Blatthöhe h 0,5 bis 5 betragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten der Impellerflügel abgerundet sind und der Krümmungsradius k das 0,01- bis 0,3-fache der Blatthöhe h beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verhältnisse:

4. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Vinylchlorid-Polymerisaten in wäßrigem Medium nach dem Suspensionspolymerisations verfahren. -

Revendications

1. Dispositif pour la mise en oeuvre d'une polymérisation radicalaire de monomères à insaturation éthylénique en milieu aqueux, constitué d'un réacteur usuel muni de conduites usuelles d'amenée et d'évacuation, d'un organe d'agitation rapide disposé en position centrale, comportant un arbre d'agitation vertical et ayant un diamètre d égal à 0,2 à 0,9 fois le diamètre intérieur D du réacteur, avec éventuellement des dispositifs de refroidissement et/ou de chauffage et éventuellement d'autres éléments internes courants, l'agitateur rapide ayant au niveau de son axe d'agitateur une distance au fond égale à 0,05 à 0,15 fois le diamètre d de l'agitateur, les ailes ayant un angle d'attaque a de 0 à 30° par rapport à l'horizontale, de façon que la distance au fond soit, au niveau des extrémités des ailes, dans la même zone qu'au niveau de l'axe de l'agitateur, c'est-à-dire entre 0,05 et 0,15 fois le diamètre de l'agitateur, les ailes comportant des surfaces d'écoulement essentiellement parallèles à l'axe de l'agitateur, et ayant une section transversale ayant essentiellement une forme allant de celle d'un triangle à la forme approximative d'un demi-cercle, la hauteur h des ailes étant 0,1 à 1 fois le diamètre d de l'agitateur, le rapport du diamètre d de l'agitateur au rayon r des ailes éventuellement incurvées dans le sens inverse du sens de rotation, étant de 0 à 4, le rapport de l'épaisseur des ailes t à leur hauteur h étant de 0,5 à 5.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arêtes avant des ailes sont arrondies et que le rayon de courbure k est égal à 0,01 à 0,3 fois la hauteur h des ailes.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par les rapports suivants:

4. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes pour préparer des polymères de chlorure de vinyle en milieu aqueux par le procédé de polymérisation en suspension.

Claims

1. Device for carrying out a free-radical polymerisation of ethylenically unsaturated monomers in an aqueous medium, consisting of a conventional reaction vessel with conventional feed and discharge lines, of a centrally installed impeller stirrer having a vertical stirrer shaft and a diameter d of 0.2 to 0.9 times the internal vessel diameter D, and, if appropriate, having cooling and/or heating devices and, if appropriate, further conventional internals, wherein the impeller stirrer has, at the stirrer axle, a distance from the bottom of 0.05 to 0.15 times the stirrer diameter d, the impeller blades have a setting angle a of 0 to 30° to the horizontal so that the distance from the bottom at the blade tips is within the same range as that at the stirrer axle, i.e. between 0.05 and 0.15 times the stirrer diameter d, the blades have flow impingement surfaces essentially parallel to the stirrer axle and an essentially triangular to semicircle-like cross-section, the blade height h is 0.1 to 1 times the stirrer diameter d, and the ratio of the stirrer diameter d to the radius r of the blades, which may be curved against the direction of rotation, is 0 to 4 and that of the blade thickness t to the blade height h is 0.5 to 5.

2. Device according to Claim 1, characterized in that the leading edges of the impeller blades are rounded off and the radius of curvature k is 0.01 to 0.3 times the blade height h.

3. Device according to Claim 1, characterized by the ratios:

4. Use of the device according to one of the preceding claims for the production of vinyl chloride polymers in an aqueous medium by the suspension polymerisation process.

Zeichnung