DE19723976A1 - Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationsverfahren sowie Polymerisationsverfahren unter Verwendung der Vorrichtung.

Es ist bekannt, bei der Durchführung von Polymerisationspro­ zessen zur Wärmeabfuhr bzw. zur Wärmezufuhr temperierbare Re­ aktionsbehälter einzusetzen. Derartige Reaktionsbehälter kön­ nen durch einen außen angebrachten Mantel gekühlt oder beheizt werden. Mit zunehmendem Volumen der Reaktionsbehälter oder bei Druckreaktoren wird mit der dabei verbundenen zunehmenden Wanddicke der Wärmeaustausch in herkömmlichen Doppelwandreak­ toren jedoch stark reduziert.

In der DE-A 2032700 wird vorgeschlagen, den Wärmeaustausch bei Großraum-Autoklaven durch den Einsatz von speziellen Rührwer­ ken und den Einbau von Stromleitblechen zu verbessern. Diese Maßnahme allein kann jedoch den Wärmeaustausch nicht im erfor­ derlichen Maß verbessern.

Aus der US-A 4552724 ist ein Druckreaktor mit dicker drucktra­ gender Wand nach außen und dünner wärmeübertragender Wand nach innen bekannt, wobei Innenwand und Außenwand durch Stützein­ richtungen im Abstand gehalten werden und dadurch Kanäle für den Fluß der Kühlflüssigkeit gebildet werden. Die Innenwand wird aus mehreren miteinander und mit den Stützstegen ver­ schweißten Metallbändern gebildet. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der EP-A 395080 bekannt, mit dem Unterschied, daß die Innenwand aus einem einzigen Metallstück gefertigt ist, und die innere Hülle nicht mit der äußeren Wand verschweißt ist, sondern eingeschrumpft wird. Durch die dünnere Innenwand wird zwar der Wärmedurchgang verbessert, nachteilig ist aber, daß die Wärmetauschfläche gegenüber herkömmlichen Doppelwandreak­ toren nicht vergrößert wird.

Mit der EP-A 12410 wird eine Vorrichtung beschrieben, die im Wesentlichen die Anbringung einer gewickelten Halbrohrschlange auf der Innenwand des Behälters zum Inhalt hat, so daß eine vergrößerte Wärmetauschfläche und ein besserer Wärmedurchgang erreicht wird. Die Wärmetauschfläche ist um 57% gegenüber der glatten Behälterwand vergrößert, wobei dieser Wert den Maxi­ malwert bei eng gewickelten Halbrohren darstellt. Nachteilig ist, daß die Verschweißung von Halbrohren mit der Behälterwand spaltartige Vertiefungen schafft, welche: die Bildung von An­ backungen begünstigen. Außerdem führt die nur leicht geneigte Oberfläche der horizontal gewickelten Halbrohre zu Produktab­ lagerungen bei der Entleerung des Behälters. Darüberhinaus sind die Bedingungen für die Verschweißung der Halbrohre bei enger Wicklung ungünstig.

Es bestand somit die Aufgabe, einen Reaktionsbehälter mit Wär­ metauschflächen zur Verfügung zu stellen, wobei durch geeigne­ te Profilgebung der Wärmetauschflächen eine möglichst große Wärmetauschfläche erhalten werden sollte, ohne daß durch spaltartige Vertiefungen die Gefahr der Bildung von Anlagerun­ gen des Reaktionsproduktes besteht.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationsverfahren umfassend einen üblicherweise zy­ lindrischen Reaktionsbehälter 1 mit Zu- und Ableitungen (2, 3), mindestens einem mehrflügeligen Rührwerk 4, gegebenenfalls weiteren Einbauten wie ein oder mehrere Stromstörbleche 5 und einem an der Innenwand des Behälters angebrachten Wärmetau­ scher 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus glockenförmig geformten Profilen besteht, welche auf der In­ nenwand aufgeschweißt sind.

Die Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäß ausgerü­ steten Reaktionsbehälters.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der glockenförmigen Profile des Wärmetauschers.

Bei dem Reaktionsbehälter 1 aus Fig. 1 handelt es sich um ei­ nen Behälter der zur Durchführung von radikalischen Polymeri­ sationen ethylenisch ungesättigter Monomere eingesetzt wird. Bevorzugt sind Stahlbehälter mit im wesentlichen zylindrischer Form mit Klöpper-, Korb- oder Flachboden und mit aufgesetztem Deckel. Der Reaktionsbehälter 1 verfügt normalerweise über ei­ ne oder mehrere Zuleitungen 2 für den Stoffeintrag, beispiels­ weise für den Stoffeintrag der für eine Polymerisation erfor­ derlichen Edukte wie Ansatzwasser, Monomer, Schutzkolloide, Emulgatoren, Initiatoren sowie Keimlatices. Weiter umfaßt der Reaktionsbehälter ein oder mehrere Ableitungen 3 zur Entlee­ rung des Reaktors. Die Zu- und Ableitungen sind im allgemeinen über Ventile mit dem Behälter verbunden.

Zur Rührung des Reaktionsansatzes ist der Reaktionsbehälter 1 mit einem mehrflügeligen Rührwerk 4 versehen, welches zen­ trisch im Reaktionsbehälter eingebaut ist, so daß die Rührer­ schaftachse mit der Längsachse des Reaktionsbehälters 1 zusam­ menfällt. Der Rührer kann von oben oder unten in den Reakti­ onsbehälter eingebaut werden. Einrichtungen zum Antrieb des Rührers sind dem Fachmann bekannt und daher nicht in Fig. 1 wiedergegeben. Zur Optimierung der Strömungsverhältnisse im Reaktionsbehälter 1 kann dieser gegebenenfalls noch mit einem oder mehreren Stromstörungsblechen 5 ausgerüstet sein.

Im zylindrischen Teil des Behälters ist der Wärmetauscher 6 aus glockenförmigen Profilen aufgeschweißt. Zur Beschickung mit Heizmedium, beispielsweise Dampf, oder mit Kühlmedium, beispielsweise Wasser, ist der Wärmetauscher 6 mit Eintritt­ stutzen 7 und Austrittsstutzen 8 ausgerüstet.

In Fig. 2 ist die Form und die Anordnung des Glockenprofils an der Behälterwand im Schnitt dargestellt. Das Glockenprofil ist dadurch charakterisiert, daß es im Wechsel konkav und kon­ vex geformt ist. Das Glockenprofil ist vorzugsweise im Verlauf von drei Abschnitten, die sich in spiegelbildlicher Symmetrie wiederholen, mit drei verschiedenen Krümmungsradien versehen, wobei der Krümmungsradius r₂ des konkaven Abschnitts 10 größer ist als der Krümmungsradius r₃ des konvexen Anschnitts 11 und größer als der Krümmungsradius r₁ des konkaven Abschnitts 9 des Glockenprofils. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis r₂/r₃ von 2 : 1 bis 10 : 1 und das Verhältnis r₂/r₁ von 2 : 1 bis 20 : 1. Der Radius r₁ beträgt vorzugsweise von 5 mm bis 25 mm, der Radius r₂ vorzugsweise von 25 mm bis 500 mm und der Radius r₃ vorzugsweise von 10 bis 50 mm. Die Profilhöhe h der glockenförmigen Profile beträgt vorzugsweise von 50 mm bis 200 mm. Die Profilbreite b beträgt vorzugsweise 50 mm bis 500 mm.

Bevorzugt ist auch, daß die Glockenprofile mittels Stumpf­ schweißnähten (Kehlschweißnähten) 12 mit der Behälterinnenwand 13 und untereinander verschweißt sind, wobei die Profile im Abschnitt 9 an der Schweißnahtseite vorzugsweise parallel zur Behälterinnenwand auslaufen. Die glockenförmigen Profile sind wie in Fig. 2 gezeigt abstandsfrei aneinander geschweißt. Die Glockenprofile werden aus nichtrostenden Materialien, vorzugs­ weise Stahlblechen mit einer Dicke von 1 bis 8 mm, gefertigt.

Die Glockenprofile können in einem Winkel von 0° bis 90° zur Längsachse des Reaktionsbehälters auf die Behälterinnenwand 13 aufgeschweißt werden. Vorzugsweise werden die glockenförmigen Profile vertikal, das heißt in einem Winkel von 0° zur Längs­ achse angebracht. Die offenen Enden der glockenförmigen Profi­ le werden vorzugsweise mit profilierten Formstücken, bei­ spielsweise 180°-Bögen mit gleichartigem Glockenprofil, so verschweißt, daß eine mäanderförmige Durchleitung des Heiz- bzw. Kühlmediums durch die Wärmetauschkonstruktion ermöglicht wird. Vorzugsweise wird der gesamte zylindrische Bereich der Behälterinnenwand mit den glockenförmigen Profilen ausgestat­ tet. Es können aber auch nur ein oder mehrere Teilbereiche mit diesen Wärmetauschern ausgestattet werden.

Die Zu- und Abführung des Heiz- bzw. Kühlmediums erfolgt vor­ zugsweise durch Bohrungen in der Behälterwand unterhalb der Profile, wobei die offenen Enden der Profile hinter den Boh­ rungen mit Platten oder Formstücken verschlossen werden. Die gesamte Wärmetauschkonstruktion kann auf diese Weise mit einer Zu- und Abführöffnung für Heiz- bzw. Kühlmedium versehen sein, wobei alle Profile mäanderförmig hintereinander durchflossen werden. Es können jedoch auch mehrere Einzelwärmetauscher mit getrennten Zu- und Abführöffnungen gebildet werden, wobei die Heiz- bzw. Kühlmedium-Zuführ- und -Abführleitungen auf der Au­ ßenseite des Behälters jeweils vereinigt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform können bei vertikaler An­ ordnung der glockenförmigen Profile auch Profile mit wechseln­ der Höhe h aneinandergeschweißt werden. Vorzugsweise wird da­ bei so vorgegangen, daß Abschnitte von 2 bis 50 glockenförmi­ gen Profile mit einer Höhe h₁ von 50 bis 200 mm mit einem Pro­ fil mit einer Höhe h₂ von 100 bis 500 mm unterbrochen werden, wobei das Verhältnis h₁/h₂ vorzugsweise größer 2 ist. Mit die­ ser Maßnahme lassen sich die Strömungsverhältnisse im Reakti­ onsbehälter so beeinflussen, daß der Einbau von Stromstörungs­ blechen entbehrlich wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Poly­ merisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren in wäßri­ gem Medium unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Beispiele für ethylenisch ungesättigte Monomere sind Vinyl­ chlorid, Vinylester wie Vinylacetat, (Meth)acrylsäureester wie Methylmethacrylat oder Butylacrylat, Olefine wie Ethylen oder Vinylaromaten wie Styrol. Geeignete Verfahren zur Polymerisa­ tion in wäßrigem Medium sind die Suspensions-, Emulsions- und Mikrosuspensions-Polymerisation. Diese Polymerisationsverfah­ ren sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.

Besonders bevorzugt wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der radikalischen Polymerisation von Vinylchlorid, gegebenenfalls in Gegenwart von weiteren Comono­ meren, in wäßrigem Medium nach den Verfahren der Suspensi­ ons-, Emulsions- und Mikrosuspensions-Polymerisation.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wärmetauschflä­ che gegenüber bisher aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen deutlich vergrößert. Während bei der Vorrichtung gemäß EP-A 12410 von einer Vergrößerung der Wärmetauschfläche um 57% gegenüber der glatten Behälterwand berichtet wird, er­ hält man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vergröße­ rung der Wärmetauschfläche um das 1.7- bis 2.6fache, vergli­ chen mit der glatten Wand. Ein weiterer Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß durch die Glocken­ form der Profile die Anschweißung an der Wand erleichtert wird, und spaltartige Vertiefungen, welche die Anbackung von Reaktionsprodukt fördern, nicht auftreten. Besonders vorteil­ haft zur Vermeidung von Anbackungen ist die vertikale Anord­ nung der Profile. Bei dieser Vorgehensweise kann durch Kombi­ nation von Profilen unterschiedlicher Höhe eine Stromstörern vergleichbare Wirkung erzielt werden.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichbaren Vortei­ le werden anhand der folgenden Beispiele dargelegt:

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde gemäß Beispiel 3 der EP-A 12410 vorgegangen: Ein für einen Druck von 17 bar ausgelegter, stehend angeordneter, 25 m³ fassender, mit einem Rührwerk versehener zylindrischer Be­ hälter, auf dessen Innenwand eine Halbrohrschlange mit 3 mm Wandstärke und einem Innendurchmesser von 100 mm aufgeschweißt war, wurde mit 24 m³ Wasser mit 20°C gefüllt. Nach Einschalten des Rührers wurde durch die Halbrohrschlange Heißwasser mit 95°C hindurchgeleitet und die Aufheizzeit bis zum Erreichen einer Wassertemperatur von 55°C im Behälter ermittelt. Die Aufheizzeit betrug 20 Minuten; die pro Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge betrug 2970 kW.

Beispiel 2

Es wurde analog Vergleichsbeispiel 1 vorgegangen, mit dem Un­ terschied, daß anstelle der Halbrohrschlange glockenförmige Profile mit 3 mm Wandstärke, einer Profilhöhe h von 65 mm und einer Profilbreite b von 77 mm auf die Behälterinnenwand auf­ geschweißt waren. Nach Einschalten des Rührers wurde durch die die Glockenprofile Heißwasser mit 95°C mit gleicher Umwälzmenge wie in Beispiel 1 hindurchgeleitet und die Auf­ heizzeit bis zum Erreichen einer Wassertemperatur von 55°C im Behälter ermittelt. Die Aufheizzeit betrug 14 Minuten; die pro Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge betrug 4240 kW, d. h. 141% der Wärmemenge gemäß Vergleichsbeispiel 1.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Durchführung von Polymerisationsverfahren umfassend einen üblicherweise zylindrischen Reaktionsbe­ hälter (1) mit Zu- und Ableitungen (2, 3), mindestens einem mehrflügeligen Rührwerk 4, gegebenenfalls weiteren Einbau­ ten wie ein oder mehrere Stromstörbleche (5) und einem an der Innenwand des Behälters angebrachten Wärmetauscher (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus glocken­ förmig geformten Profilen besteht, welche auf der Innen­ wand aufgeschweißt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die glockenförmigen Profile im Wechsel konkav und konvex geformt sind und im Verlauf von drei Abschnitten, die sich in spiegelbildlicher Symmetrie wiederholen, mit drei ver­ schiedenen Krümmungsradien r₁, r₂ und r₃ versehen sind, wobei die Profile an der Schweißnahtseite vorzugsweise parallel zur Behälterinnenwand (13) auslaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius r₂ des konkaven Abschnitts (10) grö­ ßer als der Krümmungsradius r₃ des konvexen Anschnitts (11) und größer als der Krümmungsradius r₁ des konkaven Ab­ schnitts (9) des Glockenprofils ist, wobei das Verhältnis r₂/r₃ von 2 : 1 bis 10 : 1 und das Verhältnis r₂/r₁ von 2 : 1 bis 20 : 1 beträgt, und der Radius r₁ von 5 mm bis 25 mm, der Radius r₂ von 25 mm bis 500 mm, der Radius r₃ von 10 bis 50 mm beträgt, und die Profilhöhe h der glockenför­ migen Profile von 50 mm bis 200 mm und die Profilbreite b von 50 mm bis 500 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glockenprofile mittels Stumpfschweißnähten (12) mit der Behälterinnenwand (13) und untereinander verschweißt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glockenprofile in einem Winkel von 0° zur Längs­ achse des Reaktionsbehälters auf die Behälterinnenwand 13 aufgeschweißt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Profile mit wechselnder Höhe h aneinandergeschweißt werden.

7. Verfahren zur Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren in wäßrigem Medium unter Verwendung einer Vor­ richtung gemäß Anspruch 1 bis 6.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne radikalischen Polymerisation von Vinylchlorid, gegebe­ nenfalls in Gegenwart von weiteren Comonomeren, in wäßri­ gem Medium nach den Verfahren der Suspensions-, Emulsions- und Mikrosuspensions-Polymerisation, durchgeführt wird.