DE19960389B4

DE19960389B4 - Verfahren zur Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere mittels eines Taylorreaktors

Info

Publication number: DE19960389B4
Application number: DE19960389A
Authority: DE
Inventors: Werner-Alfons Dr. Jung; Heinz-Peter Dr. Rink; Hans-Ulrich Prof. Dr. Moritz; Iris Conrad; Sabine Kossak
Original assignee: BASF Coatings GmbH
Current assignee: BASF Coatings GmbH
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: DE19960389A1

Abstract

Verfahren zur Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür einen Taylorreaktor mit
a) einer äußeren Reaktorwand (1) und einem hierin befindlichen konzentrisch oder exzentrisch angeordneten Rotor (2), einem Reaktorboden (3) und einem Reaktordeckel (4), welche zusammen das ringspaltförmige Reaktorvolumen (5) definieren,
b) mindestens einer Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Komponenten des Reaktionsmediums,
c) mindestens einer weiteren Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Komponenten des Reaktionsmediums, die in axialer Durchflussrichtung des Taylorreaktors gesehen hinter der ersten Vorrichtung (6) angeordnet ist,
d) einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf sowie
e) mindestens einem Mischaggregat (8), das mit mindestens einer Vorrichtung (6) verbunden ist und worin zwei mindestens Komponenten des Reaktionsmediums zusammengeführt und vor ihrem Eintritt in das Reaktorvolumen (5) miteinander vermischt werden,
verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren in einem Taylorreaktor, sowie die Verwendung der mittels des Verfahrens erhaltenen Stoffe als Komponenten von Formteilen, Folien, Beschichtungsstoffen, insbesondere Lacken, Klebstoffen und Dichtungsmassen.
Taylorreaktoren, die der Umwandlung von Stoffen unter den Bedingungen der Taylor-Wirbelströmung dienen, sind bekannt. Sie bestehen in wesentlichen aus zwei koaxialen konzentrisch angeordneten Zylindern, von denen der äußere feststehend ist und der innere rotiert. Als Reaktionsraum dient das Volumen, das durch den Spalt der Zylinder gebildet wird. Mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit ω_i des Innenzylinders treten eine Reihe unterschiedlicher Strömungsformen auf, die durch eine dimensionslose Kennzahl, die sogenannte Taylor-Zahl Ta, charakterisiert sind. Die Taylor-Zahl ist zusätzlich zur Winkelgeschwindigkeit des Rührers auch noch abhängig von der kinematischen Viskosität ν des Fluids im Spalt und von den geometrischen Parametern, dem äußeren Radius des Innenzylinders r_i, dem inneren Radius des Außenzylinders r_a und der Spaltbreite d, der Differenz beider Radien, gemäß der folgenden Formel: Ta = ωiridν–1(d/ri)1/2 (I)mit d = ra – ri.
Bei niedriger Winkelgeschwindigkeit bildet sich die laminare Couette-Strömung, eine einfache Scherströmung, aus. Wird die Rotationsgeschwindigkeit des Innenzylinders weiter erhöht, treten oberhalb eines kritischen Werts abwechselnd entgegengesetzt rotierende (kontrarotierende) Wirbel mit Achsen längs der Umfangsrichtung auf. Diese sogenannten Taylor-Wirbel sind rotationssymmetrisch, besitzen die geometrische Form eines Torus (Taylor-Wirbelringe) und haben einen Durchmesser, der annähernd so groß ist wie die Spaltbreite. Zwei benachbarte Wirbel bilden ein Wirbelpaar oder eine Wirbelzelle.
Dieses Verhalten beruht darauf, daß bei der Rotation des Innenzylinders mit ruhendem Außenzylinder die Fluidpartikel nahe des Innenzylinders einer stärkeren Zentrifugalkraft ausgesetzt sind als diejenigen, die weiter vom inneren Zylinder entfernt sind. Dieser Unterschied der wirkenden Zentrifugalkräfte drängt die Fluidpartikel vom Innen- zum Außenzylinder. Der Zentrifugalkraft wirkt die Viskositätskraft entgegen, da bei der Bewegung der Fluidpartikel die innere Reibung überwunden werden muß. Nimmt die Rotationsgeschwindigkeit zu, dann nimmt auch die Zentrifugalkraft zu. Die Taylor-Wirbel entstehen, wenn die Zentrifugalkraft größer als die stabilisierende Viskositätskraft wird.
Wird der Taylorreaktor mit einem Zu- und Ablauf versehen und kontinuierlich betrieben, resultiert eine Taylor-Wirbelströmung mit einem geringen axialen Strom. Dabei wandert jedes Wirbelpaar durch den Spalt, wobei nur ein geringer Stoffaustausch zwischen benachbarten Wirbelpaaren auftritt. Die Vermischung innerhalb solcher Wirbelpaare ist sehr hoch, wogegen die axiale Vermischung über die Paargrenzen hinaus nur sehr gering ist. Ein Wirbelpaar kann daher als gut durchmischter Rührkessel betrachtet werden. Das Strömungssystem verhält sich somit wie ein ideales Strömungsrohr, indem die Wirbelpaare mit konstanter Verweilzeit wie ideale Rührkessel durch den Spalt wandern.
Die bislang bekannten Taylorreaktoren können für die Emulsionspolymerisation verwendet werden. Hierzu sei beispielhaft auf die Patentschriften DE-B-1 071 241 und EP-A-0 498 583 oder auf den Artikel von K. Kataoka in Chemical Engineering Science, Band 50, Heft 9, 1995, Seiten 1409 bis 1416, verwiesen.
In der DE 692 14 312 T2 wird ein Reaktor, in dem eine kontinuierliche Emulsions- oder Suspensionspolymerisation unter Ausnutzung von Taylor-Wirbeln durchgeführt werden kann, vorgestellt.
Sie kommen auch für elektrochemische Prozesse in Betracht, wobei die Zylinder als Elektroden fungieren. Hierzu sei auf die Artikel von S. Cohen und D. M. Maron in Chemical Engineering Journal, Band 27, Heft 2, 1983, Seiten 87 bis 97, sowie von Couret und Legrand in Electrochimia Acta, Band 26, Heft 7, 1981, Seiten 865 bis 872, und Band 28, Heft 5, 1983, Seiten 611 bis 617, verwiesen.
Es ist auch bekannt, die Taylorreaktoren als photochemische Reaktoren, bei denen sich die Lichtquelle im Innenzylinder befindet, zu verwenden (vgl. hierzu die Artikel von Szechowski in Chemical Engineering Science, Band 50, Heft 20, 1995, Seiten 3163 bis 3173, von Haim und Pismen in Chemical Engineering Science, Band 49, Heft 8, Seiten 1119 bis 1129, und von Karpel Vel Leitner in Water Science and Technology, Band 35, Heft 4, 1997, Seiten 215 bis 222).
Auch ihre Verwendung als Bioreaktoren (vgl. hierzu den Artikel von Huang und Liu in Water Science and Technology, Band 28, Heft 7, 1994, Seiten 153 bis 158) oder als Flockungsreaktoren zur Abwässerreinigung (vgl. hierzu den Artikel von Grobmann in BMFTFB-T 85-070, 1985) ist beschrieben worden.
In der WO 98/22524 wird ein Verfahren zur Vernetzung von wasserlöslichen Aminogruppen-enthaltenden Kondensations- und Additionsprodukten in einem Rohrreaktor mit laminarer Strömung vorgestellt.
Die EP 0 401 565 A1 offenbart eine wässrige Lackzusammensetzung mit einem Feststoffanteil von größer als 30% zum Applikationszeitpunkt, enthaltend Pigment und eine Dispersion aus polymeren Mikropartikeln in einem wässrigen Medium.
Die EP 0 677 326 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Feinkeramikpartikeln und eine Vorrichtung dafür. Die Vorrichtung besteht aus einem Taylorreaktor, in dem eine Vortex-Strömung erzeugt werden kann.
Die EP 0 639 591 A1 offenbart eine Vorrichtung mit Ein- und Auslass bestehend aus einer Kammer, einem in der Kammer angebrachten Rotor und einer Vorrichtung, die für die Rotation der Kammer vorgesehen ist. Die Vorrichtung eignet sich zur Herstellung von Polymeren.
Die DE 26 25 618 offenbart eine Vorrichtung zum Vermischen wenigstens zweier Medien in einem Reaktor, der wirbelähnliche Strömungen verursacht, damit eine gute Vermischung der Medien gewährleistet wird.
Bei all diesen bekannten Stoffumwandlungen in Taylorreaktoren ändert sich die Viskosität ν des Fluids gar nicht oder nur unwesentlich. Dadurch bleiben bei streng zylinderförmiger Geometrie des Innen- und Außenzylinders des Taylorreaktors die Bedingungen für die Taylor-Wirbelströmung auf der gesamten Länge des Ringspalts, d. h. des gesamten Reaktorvolumens, erhalten.
Sollen indes die bekannten Taylorreaktoren für Stoffumwandlungen verwendet werden, bei denen sich die Viskosität ν des Fluids mit fortschreitender Umwandlung in axialer Durchflußrichtung stark ändert, verschwinden die Taylor-Wirbel oder bleiben ganz aus. Im Ringspalt ist dann noch die Couette-Strömung, eine konzentrische, laminare Schichtenströmung, zu beobachten. Hier kommt es zu einer unerwünschten Veränderung der Durchmischungs- und Strömungverhältnisse im Taylorreaktor. Er weißt in diesem Betriebszustand Strömungscharakteristika auf, die denen des laminar durchströmten Rohres vergleichbar sind, was ein erheblicher Nachteil ist. So kommt es beispielsweise bei der Polymerisation in Masse oder in Lösung zu einer unerwünscht breiten Molmassenverteilung und chemischen Uneinheitlichkeit der Polymerisate. Außerdem können aufgrund der schlechten Reaktionsführung erhebliche Mengen an Restmonomeren resultieren, welche dann aus dem Taylorreaktor ausgetragen werden müssen. Es kann aber auch zur Koagulation und Ablagerung von Polymerisaten kommen, was u. U. sogar zum Verstopfen des Reaktors oder des Produktauslasses führen kann. Unerwünschte technische Effekte dieser oder ähnlicher Art treten auch bei dem thermischen Abbau hochmolekularer Stoffe wie Polymerisate u. a. auf. Insgesamt können nicht mehr die gewünschten Produkte, wie etwa Polymerisate mit sehr enger Molmassenverteilung, erhalten werden, sondern nur noch solche, die in ihrem Eigenschaftsprofil den Anforderungen nicht entsprechen.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE-A-198 28 742.9 wird ein Taylorreaktor zur Durchführung von Stoffumwandlungen, der

a) einer äußeren Reaktorwand (1) und einem hierin befindlichen konzentrisch oder exzentrisch angeordneten Rotor (2), einem Reaktorboden (3) und einem Reaktordeckel (4), welche zusammen das ringspaltförmige Reaktorvolumen (5) definieren,
b) mindestens einer Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten sowie
c) einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf, wobei
d) bei der Stoffumwandlung eine Änderung der Viskosität ν des Reaktionsmediums eintritt und
e) die Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet ist oder sind, daß auf im wesentlichen der gesamten Reaktorlänge im Reaktorvolumen (5) die Bedingungen für die Taylor-Wirbelströmung erfüllt sind; beschrieben, der die vorstehend genannten Probleme löst.

Werden jedoch Komponenten für das Reaktionsmedium, wie beispielsweise Edukte, Lösemittel, Katalysatoren oder sonstige Zusatzstoffe, verwendet, die Viskositätsunterschiede und/oder unterschiedliche Polaritäten und/oder Affinitäten aufweisen, kann es bei ihrer Durchmischung zu Problemen kommen. So kann die Kapazität des Taylorreaktors nicht mehr ausreichen, miteinander mischbare Komponenten im Reaktorvolumen (5) völlig zu homogenisieren und/oder nicht miteinander mischbare Komponenten im Reaktorvolumen (5) völlig zu emulgieren, zu dispergieren und/oder zu suspendieren, so daß zum einen unumgesetzte Edukte den Reaktor wieder verlassen und zum anderen wegen der uneinheitlich zusammengesetzten Reaktionsmischung innerhalb des Reaktors keine spezifikationsgerechte Produkte resultieren. Insbesondere kann es bei der Copolymerisation olefinisch ungesättigter Monomerer zur Bildung unerwünschter hochmolekularer Produkte kommen, die zu Belägen innerhalb der Vorrichtung führen.
Zwar könnte man das Problem der mangelhaften Durchmischung der Komponenten des Reaktionsmediums in manchen Fällen durch eine Verlängerung des Taylorreaktors oder durch ein Hintereinanderschalten mehrerer Taylorreaktoren lösen, indes ist dies unwirtschaftlich und scheitert häufig an den vorgegebenen Dimensionen der gesamten Anlage, in der sich der Taylorreaktor befindet. Außerdem können die Taylorreaktoren nicht beliebig verlängert werden, weil dann der Rotor (2) unter gewissen Umständen in Schwingungen gerät, die den Taylorreaktor insgesamt mechanisch sehr stark belasten, was allein schon aus Gründen der Reaktorsicherheit nicht akzeptabel ist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE-A-198 16 886 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen Rohrreaktor und einen Mikromischer umfaßt. Die Edukte, insbesondere copolymerisierbare olefinisch ungesättigte Monomere, werden in dem Mikromischer homogen vermischt. Wesentlich für das bekannte Verfahren ist, daß die Edukte vor dem Eintritt in den Mikromischer so weit vorgewärmt werden, daß sie die erforderliche Reaktionstemperatur sofort nach dem Eintritt in den Mikromischer erreichen und daß die Polymerisation in dem nachgeschalteten Rohrreaktor stattfindet. Der deutschen Patentanmeldung läßt sich nicht entnehmen, ob eine solche Konfiguration auch für einen Taylorreaktor in Betracht kommt, um die vorstehend geschilderten Probleme zu lösen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweist, sondern es ermöglicht, die Umwandlung von Stoffen selbst dann einfach, elegant, problemlos und in hohen Ausbeuten durchzuführen, wenn sich die betreffenden Komponenten des Reaktionsmediums, wie beispielsweise Edukte, Lösemittel, Katalysatoren oder sonstige Zusatzstoffe, aufgrund ihrer unterschiedlichen Viskositäten und/oder Polaritäten und/oder Affinitäten für schlecht oder gar nicht vermischen lassen. Dies soll auch noch dann der Fall sein, wenn sich die Viskosität ν des Reaktionsmediums innerhalb des Reaktorvolumens des Taylorreaktors, in Durchflußrichtung gesehen, stark ändert.
Demgemäß wurde das Verfahren zur Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren gefunden, wobei hierfür ein Taylorreaktor mit

a) einer äußeren Reaktorwand (1) und einem hierin befindlichen konzentrisch oder exzentrisch angeordneten Rotor (2), einem Reaktorboden (3) und einem Reaktordeckel (4), welche zusammen das ringspaltförmige Reaktorvolumen (5) definieren,
b) mindestens einer Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Komponenten des Reaktionsmediums,
c) einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf sowie
d) mindestens einem Mischaggregat (8), das mit mindestens einer Vorrichtung (6) verbunden ist und worin mindestens zwei Komponenten des Reaktionsmediums zusammengeführt und vor ihrem Eintritt in das Reaktorvolumen (5) miteinander vermischt werden;

Im folgenden wird das Verfahren zur Durchführung der Stoffumwandlungen der Kürze halber als "erfindungsgemäßes Verfahren" bezeichnet.
Für den Taylorreaktor ist es wesentlich, daß mindestens eine seiner Vorrichtungen (6) mit mindestens einem Mischaggregat (8) verbunden ist, in dem mindestens zwei, insbesondere alle, Komponenten des Reaktionsmediums miteinander vermischt und dann über die Vorrichtung (6) dem Reaktorvolumen (5) zugeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind unter Komponenten des Reaktionsmediums alle Komponenten zu verstehen, die in einem gegebenen Reaktionsmedium vorliegen, unabhängig davon, ob sie an der eigentlichen Stoffumwandlungen teilnehmen oder nur Hilfsfunktionen übernehmen. Beispiele geeigneter Komponenten sind Edukte, Lösemittel, Katalysatoren, Initiatoren oder sonstige Zusatzstoffe wie Stabilisatoren, Inhibitoren oder Dispergiermittel.
Erfindungsgemäß kann ihre Durchmischung in einem starken Scherfeld erfolgen.
Beispiele geeigneter Mischaggregate (8), die starke Scherfelder liefern, sind solche, die der Herstellung von Makro-, Mini- oder Mikroemulsionen dienen (vgl. Emulsion Polymeriza tion and Emulsion Polymers, Editoren. P. A. Lovell und Mohamed S. El-Aasser, John Wiley and Sons, Chichester, New York, Weinheim, 1997, Seiten 700 und folgende; Mohamed S. El-Aasser, Advances in Emulsion Polymerization and Latex Technology, 30^th Annual Short Course, Volume 3, June 7–11, 1999, Emulsion Polymers Institute, Lehigh University, Bethlehem, Pennsylvania, U.S.A.), da diese die notwendigen hohen Scherfelder liefern.
Beispiele gut geeigneter Mischaggregate (8) dieser Art sind die in der deutschen Patentanmeldung DE-A-198 16 886 im Detail beschriebenen Mikromischer; In-Line-Dissolver (ILD) als geschlossene Maschinen mit Rotor/Stator-Werkzeug in der Art einer Kreiselpumpe mit hoher Scherwirkung mit Mischkammer-Volumina zwischen 0,1 und ca. 20 Litern und Umfangsgeschwindigkeiten der Rotor/Stator-Werkzeuge von ca. 15 bis 70 m/s; Hochdruckhomogenisierungsaggregate; Druckentspannungshomogenisierungsdüsen oder Microfluidizer.
Weitere Beispiele gut geeigneter Vorrichtungen und Verfahren zur Durchmischung der Komponenten und werden in den Patentschriften DE-A-196 28 142 , Seite 5, Zeilen 1 bis 30, DE-A-196 28 143 , Seite 7, Zeilen 30 bis 58, oder EP-A-0 401 565 , Zeilen 27 bis 51, beschrieben.
Erfindungsgemäß kann die Durchmischung auch im Bereich vergleichsweise geringer Scherkräfte erfolgen.
Beispiele geeigneter Mischaggregate (8), in denen die Durchmischung im Bereich vergleichsweise geringe Scherkräfte erfolgt, sind statische Mischer wie Sulzer-Mischer, Kenics-Mischer oder Füllkörperkolonnen oder dynamische Mischer wie kleinenvolumige Durchflußrührkessel oder gerührte Mischkammern.
Die Auswahl eines Mischaggregats (8), das für eine gegebene Stoffumwandlung am besten geeignet ist, kann der Fachmann anhand der bekannten Eigenschaften der zu vermischenden Komponenten des Reaktionsmediums und/oder anhand der Mischufgabe (Homogenisieren, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren) treffen.
Das Mischaggregat (8) wird über Zuleitungsrohre, die übliche und bekannte Dosiereinrichtungen und Meß- und Regelvorrichtungen sowie gegebenenfalls Wärmeaustauscher aufweisen, mit den Vorratsbehältern für die Edukte verbunden. Beispielhaft sei hier auf die 1 der deutschen Patentanmeldungen DE-A-198 16 866 sowie die hierzu gehörigen Erläuterungen verwiesen.
Das Reaktionsvolumen (5) des Taylorreaktors, in das die Edukte nach ihrer Durchmischung eintreten, ist aufgrund der Geometrie des Innen- und Außenzylinders streng zylinderförmig, wie sie beispielsweise in dem eingangs gewürdigten Stand der Technik beschrieben wird.
Bei dem Taylorreaktor ist die äußere Reaktorwand (1) stationär, wogegen der Rotor (2) sich dreht. In einer weiteren Variante rotieren die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) in die gleiche Richtung, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Rotors (2) größer ist als die Winkelgeschwindigkeit der äußeren Reaktorwand (1). In einer weiteren Variante rotieren die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) in entgegengesetzter Richtung. Demnach handelt es sich bei der Variante mit der stationären äußeren Reaktorwand (1) um einen Sonderfall der zweiten und dritten Variante, welche indes aufgrund des einfachen Aufbaus und der erheblich einfacheren verfahrenstechnischen Kontrolle bevorzugt ist.
Die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) weisen über die gesamte Reaktorlänge hinweg – im Querschnitt gesehen – einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff "im wesentlichen kreisförmig" kreisförmig, oval, elliptisch oder dreieckig, rechteckig, quadratisch, fünfeckig, sechseckig oder mehreckig mit abgerundeten Ecken zu verstehen. Aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit, des einfachen Aufbaus und der bedeutend einfacheren Aufrechterhaltung konstanter Bedingungen über die gesamte Reaktorlänge hinweg ist ein kreisförmiger Umfang von Vorteil.
Die Innenwand der äußeren Reaktorwand (1) und/oder die Oberfläche des Rotors (2) ist glatt oder rauh, d. h., die betreffenden Flächen haben eine geringe oder hohe Oberflächenrauhigkeit. Zusätzlich oder alternativ hierzu weist die Innenwand der äußeren Reaktorwand (1) und/oder die Oberfläche des Rotors (2) ein reliefartiges radiales und/oder axiales, vorzugsweise radiales, Oberflächeprofil auf. Ist ein radiales Oberflächenprofil vor handen, ist es vorteilhafterweise in etwa oder genau so dimensioniert wie die Taylor-Wirbelringe.
Es ist bevorzugt, wenn die Innenwand der äußeren Reaktorwand (1) und die Oberfläche des Rotors (2) glatt sind, um tote Winkel, in denen sich Gasblasen oder Edukte und Produkte absetzen könnten, zu vermeiden.
Der Taylorreaktor ist – in Längsrichtung gesehen – vertikal, horizontal oder in einer Lage zwischen diesen beiden Richtungen gelagert. Von Vorteil ist die vertikale Lagerung. Wenn der Taylorreaktor nicht horizontal gelagert ist, kann ihn das Reaktionsmediums entgegen der Schwerkraft von unten nach oben oder mit der Schwerkraft von oben nach unten durchströmen. Es ist von Vorteil, wenn das Reaktionsmedium entgegen der Schwerkraft bewegt wird.
Der Rotor (2) des Taylorreaktors ist zentrisch oder exzentrisch gelagert. D. h., seine Langsachse stimmt mit der Längsachse der äußeren Reaktorwand (1) überein (zentrisch) oder nicht (exzentrisch). In letzterem Fall kann die Langsachse des Rotors (2) parallel zur Längsachse der äußeren Reaktorwand (1) liegen oder hiergegen in einem spitzen Winkel geneigt sein. Es ist von Vorteil, wenn der Rotor (2) zentrisch gelagert ist.
Der Taylorreaktor enthält als weitere wesentlichen Bestandteile einen Reaktorboden (3) und einen Reaktordeckel (4), welche zusammen mit der äußeren Reaktorwand (1) und dem Rotor (2) das ringspaltförmige Reaktorvolumen (5) definieren und es druck- und gasdicht nach außen abschließen. Geeignete Reaktorböden (3) und Reaktordeckel (4) sind üblich und bekannt; beispielhaft sei auf die Patentschriften DE-B-1 071 241 und EP-A-0 498 583 verwiesen.
Desweiteren enthält der Taylorreaktor als weiteren wesentlichen Bestandteil mindestens eine übliche und bekannte Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten. Ein Beispiel einer geeigneten Vorrichtung (6) ist eine Düse mit geeignetem Querschnitt. Die Vorrichtung (6) kann in den Reaktorboden (3), den Reaktordeckel (4), die äußere Reaktorwand (1) oder den Rotor (2) eingelassen sein. Darüber hinaus kann der Taylorreaktor noch mindestens eine weitere Vorrichtung (6) enthalten, welche in gleicher Höhe wie die erste oder in Durchflußrichtung versetzt von dieser ange ordnet ist. Eine solche weitere Vorrichtung (6) ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Edukte und/oder Katalysatoren nachdosiert werden sollen. Es ist von Vorteil, wenn mindestens eine der weiteren Vorrichtungen (6), vorzugsweise alle, mit einem erfindungsgemäß zu verwendenden Mischaggregat (8) verbunden sind.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Taylorreaktors ist die Vorrichtung (7) für den Ablauf der Produkte. Je nach dem ist die Vorrichtung (7) in den Reaktorboden (3), die äußere Reaktorwand (1) oder in den Reaktordeckel (4) eingelassen. Auch sie ist üblicherweise über geeignete Zuleitungen mit Dosierpumpen, Vorratsgefäßen u. a. verbunden. Es ist von besonderem Vorteil, die Vorrichtung (7) am oberen Ende des Taylorreaktors anzubringen, wobei die höchste Stelle besonders bevorzugt ist, weil bei dieser Konfiguration die Bildung einer Gasphase vermieden wird. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Gefahr der Bildung explosionsfähiger Gemische oder der Abscheidung von Feststoffen wie Polymerisaten aus der Gasphase besteht.
Die Bestandteile des Taylorreaktors, insbesondere äußere Reaktorwand (1), der Rotor (2), der Reaktorboden (3), der Reaktordeckel (4), die Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten sowie die Vorrichtung (7) für den Produktablauf, können aus den unterschiedlichsten geeigneten Materialien bestehen. Beispiel geeigneter Materialien sind Kunststoff, Glas oder Metalle wie Edelstahl, Nickel oder Kupfer. Hierbei können die einzelnen Bestandteile aus jeweils unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Die Auswahl der Materialien richtet sich nach dem Verwendungszweck des Taylorreaktors und nach den einzelnen Reaktionsbedingungen und kann deshalb vom Fachmann in einfacher Weise vorgenommen werden. Soll beispielsweise der Taylorreaktor als Photoreaktor verwendet werden, kann der Rotor (2) aus Glas bestehen, welches für aktinisches Licht durchlässig ist. Wenn bei den Stoffumwandlungen die Taylor-Wirbelringe und ihre axiale Bewegung visuell überwacht werden sollen, ist es von Vorteil, die äußere Reaktorwand (1) aus Glas oder transparentem Kunststoff anzufertigen. Taylorreaktoren dieser Art eignen sich auch hervorragend für die Durchführung von Vorversuchen. Ansonsten ist es von Vorteil, Edelstahl zu verwenden.
Der Rotor (2) ist in üblicher und bekannter Weise beispielsweise über eine Magnetkupplung oder einem mechanischen Getriebe mit einem stufenlos regelbaren Antrieb verbunden.
Außer den vorstehend in Detail beschriebenen wesentlichen Bestandteilen kann der Taylorreaktor noch übliche und bekannte Vorrichtungen enthalten, welche dem Heizen und/oder Kühlen oder dem Messen von Druck, Temperatur, Stoffkonzentrationen, Viskosität und anderen physikalisch chemischen Größen dienen, sowie mit üblichen und bekannten mechanischen, hydraulischen und/oder elektronischen Meß- und Regelvorrichtungen verbunden sein.
Alle diese Bestandteile des Taylorreaktors sind so miteinander verbunden, daß das Reaktionsmedium druck- und gasdicht eingeschlossen und in geeigneter Weise temperiert wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Temperierung in einer oder in mehreren Temperaturzonen, die im Gleich- oder im Gegenstrom betrieben werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Geometrie des vorstehend beschriebenen Innen- und Außenzylinders einer sich ändernden Viskosität ν des Reaktionsmediums Rechnung trägt.
Bei der Änderung der Viskosität ν des Reaktionsmediums kann es sich um einen Anstieg oder einen Abfall handeln. Beide Änderungen können im Einzelfall mehrere Zehnerpotenzen betragen. Ein solch hoher Anstieg der Viskosität ν tritt beispielsweise bei der Polymerisation in Masse oder in Lösung ein. Umgekehrt resultiert ein solch hoher Abfall der Viskosität ν bei der Depolymerisation. Doch selbst unter diesen verfahrenstechnisch besonders anspruchsvollen Bedingungen bleibt im Taylorreaktor die Taylor-Wirbelströmung erhalten.
Wird der Taylorreaktor für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, bei welchem die Viskosität ν des Reaktionsmediums in Durchflußrichtung stark ansteigt, werden die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet, daß sich der Ringspalt in Durchflußrichtung verbreitert.
Es kann sich hierbei der Ringspalt – im Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Taylorreaktor gesehen – nach beliebigen geeigneten mathematischen Funktionen kontinuierlich oder diskontinuierlich verbreitern. Das Ausmaß der Verbreiterung richtet sich nach dem erwarteten Anstieg der Viskosität des Reaktionsmediums in Durchflußrichtung und kann vom Fachmann anhand der Taylorformel abgeschätzt und/oder anhand einfacher Vorversuche ermittelt werden.
Beispiele geeigneter mathematischer Funktionen, nach denen sich – im Längsschnitt durch den Taylorreaktor gesehen – der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) und/oder des Rotors (2) erhöht oder erhöhen, sind Geraden, mindestens zwei Geraden, die unter einem stumpfen Winkel aufeinander stoßen, Hyperbeln, Parabeln, e-Funktionen oder Kombinationen dieser Funktionen, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich ineinander übergehen.
Zum einen kann die Verbreiterung dadurch erreicht werden, daß sich der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) in Durchflußrichtung gesehen erhöht, wobei der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt, sich ebenfalls erhöht oder sich verringert. Zum anderen kann dies erreicht werden, indem der Durchmesser der äußeren Reaktorwand (1) konstant gehalten wird, wogegen sich der Umfang des Rotors (2) verringert. Im Hinblick darauf, daß bei der Verringerung des Umfangs des Rotors (2) die Fläche zur Übertragung der Reibungskräfte immer geringer wird und sich der Rotor (2) deshalb immer schneller drehen müßte, wird den Varianten der Vorzug gegeben, bei denen der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt oder sich ebenfalls erhöht.
Vorteilhafte Taylorreaktoren weisen eine konische äußere Reaktorwand (1) auf, die demnach die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist. Der Kegelstumpf oder die Kegelstümpfe kann oder können dabei kissenförmig oder tonnenförmig verzerrt sein. Indes werden unverzerrte Kegelstümpfe besonders bevorzugt.
Vorteilhafte Taylorreaktoren weisen außerdem einen konischen oder zylinderförmigen Rotor (2) auf. Hinsichtlich der Form des konischen Rotors (2) gilt das im vorstehenden Absatz Gesagte sinngemäß. Desgleichen kann der zylinderförmige Rotor (2) kissenförmig oder tonnenförmig verzerrt sein. Es werden unverzerrte zylinderförmige Rotoren (2) besonders bevorzugt verwendet.
Wird der Taylorreaktor für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, bei welchem die Viskosität ν des Reaktionsmediums in Durchflußrichtung stark abfällt, werden die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet, daß sich der Ringspalt in Durchflußrichtung verengt.
Erfindungsgemäß kann sich hierbei der Ringspalt – im Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Taylorreaktor gesehen – nach beliebigen geeigneten mathematischen Funktionen kontinuierlich oder diskontinuierlich verengen. Das Ausmaß der Verengung richtet sich nach dem erwarteten Abfall der Viskosität des Reaktionsmediums in Durchflußrichtung und kann vom Fachmann anhand der Taylorformel (I) abgeschätzt und/oder anhand einfacher Vorversuche ermittelt werden.
Beispiele geeigneter mathematischer Funktionen, nach denen sich – im Längsschnitt durch den Taylorreaktor gesehen – der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) und/oder des Rotors (2) verringert oder verringern, sind Geraden, mindestens zwei Geraden, die unter einem stumpfen Winkel aufeinander stoßen, Hyperbeln, Parabeln, e-Funktionen oder Kombinationen dieser Funktionen, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich ineinander übergehen.
Zum einen kann die Verengung dadurch erreicht werden, daß sich der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) in Durchflußrichtung gesehen verringert, wobei der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt, sich erhöht oder sich ebenfalls verringert. Zum anderen kann dies erreicht werden, indem der Durchmesser der äußeren Reaktorwand (1) konstant gehalten wird, wogegen sich der Umfang des Rotors (2) erhöht. Im Hinblick darauf, daß bei der Verringerung des Umfangs des Rotors (2) die Fläche zur Übertragung der Reibungskräfte immer geringer wird und sich der Rotor (2) deshalb immer schneller drehen müßte, wird den erfindungsgemäßen Varianten der Vorzug gegeben, bei denen der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt oder sich ebenfalls erhöht.
Vorteilhafte Taylorreaktoren weisen auch hier eine konische äußere Reaktorwand (1) auf, die demnach die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist. Der Kegelstumpf oder die Kegelstümpfe kann oder können dabei kissenförmig oder tonnenförmig verzerrt sein. Indes werden unverzerrte Kegelstümpfe besonders bevorzugt.
Vorteilhafte Taylorreaktor weisen außerdem einen konischen oder zylinderförmigen Rotor (2) auf. Hinsichtlich der Form des konischen Rotors (2) gilt das im vorstehenden Absatz Gesagte sinngemäß. Desgleichen kann der zylinderförmige Rotor (2) kissenförmig oder tonnenförmig verzerrt sein. Es werden unverzerrte zylinderförmige Rotoren (2) besonders bevorzugt verwendet.
Der Taylorreaktor ist vorzüglich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden; seine besonderen Vorteile werden indes beim kontinuierlichen Betrieb offenbar.
Zu seiner Durchführung werden mindestens zwei Komponenten des Reaktionsmediums, insbesondere mindestens zwei Edukte, nach ihrer erfindungsgemäßen Durchmischung in der Mischaggregat (8) über mindestens eine Vorrichtung (6) dem ringspaltförmigen Reaktorvolumen (5) kontinuierlich zudosiert. Die resultierenden Produkte werden kontinuierlich über die Vorrichtung (7) aus dem Taylorreaktor abgeführt und in geeigneter Weise aufgearbeitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Verweilzeit im Reaktor zwischen 0,5 Minuten und 5 Stunden, vorzugsweise 2 Minuten und 3 Stunden, besonders bevorzugt 10 Minuten und 2 Stunden und insbesondere 15 Minuten und 1,5 Stunden. Die für die jeweilige Stoffumwandlung geeignete Verweilzeit kann der Fachmann anhand einfacher Vorversuche ermitteln oder anhand von kinetischen Daten abschätzen.
Der Druck im ringspaltförmigen Reaktionsvolumen (5) liegt bei 0 bis 200 bar, weswegen das erfindungsgemäße Verfahren auch mit verflüssigten oder überkritischen Gasen, wie überkritischem Kohlendioxid ausgeführt werden kann. Vorzugsweise liegt der Druck bei 0,5 bis 100, insbesondere 0,5 bis 50 bar. Wird das erfindungsgemäße Verfahren bei höherem Druck durchgeführt, ist der Taylorreaktor mit Zuleitungen und Ableitungen druckdicht auszulegen, um den Sicherheitsvorschriften genüge tun.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen zwischen –100 und 500°C durchgeführt. Zu diesem Zweck wird der Taylorreaktor mit geeigneten üblichen und bekannten Kühl- und/oder Heizvorrichtungen ausgerüstet. Vorzugsweise liegen die Reaktionstemperaturen zwischen –10 und 300°C, insbesondere 50 und 250°C.
Um das Reaktionsvolumen (5) des Taylorreaktors besonders effizient zu nutzen, können die Edukte vor, während oder nach ihrer Durchmischung auf oder nahezu auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Beispiele geeigneter Vorrichtungen zu Erwärmen der Komponenten des Reaktionsmediums, insbesondere der Edukte, sind Wärmeaustauscher.
Die für die jeweilige Stoffumwandlung geeignete Temperatur kann der Fachmann anhand einfacher Vorversuche ermitteln oder anhand bekannter thermodynamischer Daten abschätzen.
Vorteilhafterweise liegt die Taylorzahl Ta des Reaktionsmediums oder des Fluids bei 1 bis 10000, vorzugsweise 5 bis 5000 und insbesondere 10 bis 2500. Hierbei soll Reynoldszahl, die durch die nachfolgende Gleichung (II) definiert ist, bei 1 bis 10000 betragen. Re = νd/ν (II)

mit ν = axiale Geschwindigkeit und
mit d = r_a – r_i (r_i = äußerer Radius des Innenzylinders; r_a = innerer Radius des Außenzylinders und d = Spaltbreite).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich die Viskosität ν des Reaktionsmediums. Hierbei kann die Viskosität ν steigen oder sinken. Die Änderung kann mehrere Zehnerpotenzen betragen, ohne daß dies die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stört. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, daß sich der Ringspalt des Taylorreaktors in der Weise verbreitert oder verengt, wie es der Änderung der Viskosität im Verlauf der Stoffumwandlungen entspricht, so daß die Taylor-Wirbelströmung im gesamten Reaktor erhalten bleibt. Den Verlauf der Viskositätsänderung kann der Fachmann anhand einfacher Vorversuche ermitteln.
Ein ganz besonderer Vorteil des Taylorreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, das örtliche Nacheinander im Taylorreaktor mit dem zeitlichen Nacheinander von diskontinuierlichen oder halbkontinuierlichen (Dosier-)Prozessen zu verknüpfen. Der Taylorreaktor und das erfindungsgemäße Verfahren bieten somit den Vorteil eines kontinuierlichen quasi "einstufigen" Prozesses, so daß in dem zuerst durchströmten Teilstück des Taylorreaktors eine erste Reaktion ablaufen kann und in einem – in axialer Durchflußrichtung gesehen – zweiten oder weiteren Teilstück nach einer weiteren Vorrichtung (6) und einem weiteren zu verwendenden Mischaggregat (8) zur Zudosierung von Edukten und/oder Katalysatoren eine zweite, dritte, etc. Reaktion.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil zur Polymerisation von Monomeren in Masse, Lösung, Emulsion oder Suspension oder durch Fällungspolymerisation angewandt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen ist unter dem Begriff "Polymerisation" auch die Copolymerisation und die Blockmischpolymerisation zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird für die Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren angewandt, weil hierbei die besonderen Vorteile des Taylorreaktors und es erfindungsgemäßen Verfahrens besonders offen zu Tage treten.
So wird das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt für die Herstellung von chemische einheitlich zusammengesetzten Copolymerisaten verwendet. Hierbei wird das schneller polymerisierende Comonomere oder werden die schneller polymerisierenden Comonomeren über in axialer Richtung hintereinander angeordnete Vorrichtungen (6) zudosiert, so daß das Comonomerenverhältnis über die gesamte Länge des Reaktors hinweg konstant gehalten wird.
Auch für die Pfropfmischpolymerisation wird das Verfahren besonders bevorzugt verwendet. Hierbei wird in dem ersten Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors das sogenannte Backbon-Polymerisat hergestellt, wonach über mindestens eine weitere, in axialer Richtung versetzte Vorrichtung (6) gegebenenfalls mit Mischaggregat (8) mindestens zwei Comonomere, welches die Pfropfäste bildet, zudosiert wird. Das Comonomer wird oder die Comonomeren werden dann in Verfahrensweise in mindestens einem weiteren Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktor auf das Backbone-Polymerisat aufgepfropft. Sofern mehrere Comonomere verwendet werden, können sie einzeln über jeweils eine Vorrichtung (6) oder als Gemisch durch eine oder mehrere Vorrichtungen (6) mit Mischaggregat (8) zudosiert werden. Werden mindestens zwei Comonomere einzelnen und nacheinander durch mindestens zwei Vorrichtungen (6) zudosiert, gelingt sogar die Herstellung von Pfropfästen, welche für sich selbst gesehen Blockmischpolymerisate sind, in besonders einfacher und eleganter Weise.
Selbstverständlich kann dieses vorstehend beschriebene Konzept auch der Herstellung von Blockmischpolymerisaten als solchen dienen.
In analoger Weise kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Herstellung von Kern-Schale-Latex besonders einfach und elegant verwirklicht werden. So wird zunächst im ersten Teilstück des Taylorreaktors der Kern durch Copolymerisation hergestellt. Über mindestens eine weitere Vorrichtung (6) wird mindestens ein weiteres Comonomer zudosiert und die Schale in mindestens einem weiteren Teilstück auf den Kern aufpolymerisiert. In dieser Weise können mehrere Schalen auf den Kern aufgebracht werden.
Auch die Herstellung von Polymerdispersionen kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Beispielsweise wird mindestens ein Monomer in homogener Phase, insbesondere in Lösung, in einem ersten Teilstück des Taylorreaktors copolymerisiert, wonach über mindestens eine weitere Vorrichtung (6) ein Fällungsmittel zudosiert wird, wodurch die Polymerdispersionen resultiert.
Bei allen Anwendungen weist der Taylorreaktor den besonderen Vorteil einer großen spezifischen Kühlfläche auf, die eine besonders sichere Reaktionsführung gestattet.
Beispiele geeigneter Monomeren, welche für das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht kommen, sind acyclische und cyclische, gegebenenfalls funktionalisierte Monoolefine und Diolefine, vinylaromatische Verbindungen, Vinylether, Vinylester, Vinylamide, Vinylhalogenide, Allylether und Allylester, Acrylsäure, und Methacrylsäure und deren Ester, Amide und Nitrile und Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure und deren Ester, Amide, Imide und Anhydride.
Beispiele geeigneter Monoolefine sind Ethylen, Propylen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Hepten, 1-Octen, Cyclobuten, Cyclopenten und Cyclohexen.
Beispiel geeigneter Diolefine sind Butadien, Isopren, Cyclopentadien und Cyclohexadien.
Beispiele geeigneter vinylaromatischer Verbindungen sind Styrol, alpha-Methylstyrol, 2-, 3- und 4-Chlor-, -Methyl-, -Ethyl-, -Propyl- und -Butyl- und tert.-Butylstyrol und -alphamethylstyrol oder Diphenylethylen.
Ein Beispiel einer geeigneten Vinylverbindung bzw. eines funktionalisierten Olefins ist Vinylcyclohexandiol.
Beispiele geeigneter Vinylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- und Pentylvinylether, Allylmonopropoxylat sowie Trimethylolpropan-mono, -di- und -triallylether.
Beispiel geeigneter Vinylester sind Vinylacetat und -propionat sowie die Vinylester der Versaticsäure und anderer quartärer Säuren.
Beispiele geeigneter Vinylamide sind N-Methyl-, N,N-Dimethyl-, N-Ethyl-, N-Propyl-, N-Butyl-, N-Amyl-, N-Cyclopentyl- und N-Cyclohexylvinylamid sowie N-Vinylpyrrolidon und -epsilon-caprolactam.
Beispiele geeigneter Vinylhalogenide sind Vinylfluorid und -chlorid.
Beispiele geeigneter Vinylidenhalogenide sind Vinylidenfluorid und chlorid.
Beispiele geeigneter Allylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Phenyl- und Glycidylmonoallylether.
Beispiele geeigneter Allylester sind Allylacetat und -propionat.
Beispiele geeigneter Ester der Acrylsäure und Methacrylsäure sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, n-Butyl-, Isobutyl-, n-Pentyl-, n-Hexyl-, 2-Ethyl-hexyl-, Isodecyl-, Decyl-, Cyclohexyl-, t-Butylcyclohexyl-, Norbonyl-, Isobornyl-, 2- und 3-Hydroxypropyl-, 4-Hydroxybutyl-, Trimethylolpropanmono-, Pentaerythritmono- und Glycidyl(meth)acrylat. Außerdem kommen noch die Di-, Tri- und Tetra-(meth)acrylate von Ethylenglykol, Di-, Tri- und Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Dipropylenglykol, Butylenglykol, Dibutylenglykol, Glycerin, Trimethylolpropan und Pentaerythrit in Betracht. Allerdings werden sie nicht alleine, sondern immer in untergeordneten Mengen gemeinsam mit den monofunktionellen Monomeren verwendet.
Beispiele geeigneter Amide der Acrylsäure Methacrylsäure sind (Meth)Acrylsäureamid sowie (Meth)Acrylsäure-N-methyl-, -N,N-dimethyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N-amyl-, -N-cyclopentyl- und -N-cyclohexylamid.
Beispiele geeigneter Nitrile sind Acrylnitril und Methacrylnitril.
Beispiele geeigneter Ester, Amide, Imide und Anhydride der Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure sind Maleinsäure-, Fumarsäure – und Itaconsäuredimethyl-, -diethyl-, -dipropyl- und -dibutylester, Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäurediamid, Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäure-N,N'-dimethyl-, -N,N,N',N'-tetamethyl-, -N,N'-diethyl-, -N,N'-dipropyl-, -N,N'-dibutyl-, -N,N-'diamyl-, -N,N'-dicyclopentyl- und –N,N'- dicyclohexyldiamid, Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäureimid und Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäure-N-methyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N-amyl-, -N-cyclopentyl- und -N-cyclohexylimid sowie Maleinsäure-, Fumarsäure- und Itaconsäureanhydrid.
Die vorstehend beschriebenen Monomeren können radikalisch, kationisch oder anionisch polymerisiert werden. Vorteilhafterweise werden sie radikalisch polymerisiert. Hierzu können die üblichen und bekannten anorganischen Radikalstarter wie Wasserstoffperoxid oder Kaliumperoxodisulfat oder die üblichen und bekannten organischen Radikalstarter wie Dialkylperoxide, z. B. Di-tert.-Butylperoxid, Di-tert.-amylperoxid und Dicumylperoxid; Hydroperoxide, z. B. Cumolhydroperoxid und tert.-Butylhydroperoxid; Perester, z. B. tert.-Butylperbenzoat, tert.-Butylperpivalat, tert.-Butylper-3,5,5-trimethylhexanoat und tert.-Butylper-2-ethylhexanoat; Bisazoverbindungen wie Azobisisobutyronitril; oder C-C-Starter wie 2,3-Dimethyl-2,3-diphenyl-butan oder -hexan verwendet werden. Es kommt indes auch Styrol in Betracht, das Polymerisation auch ohne Radikalstarter thermisch initiiert.
Die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Polymerisate weisen besondere Vorteile auf und eignen sich deshalb hervorragend für alle Anwendungszwecke, wie sie üblicherweise für solche hochmolekularen Stoffe vorgesehen sind, wie beispielsweise die Herstellung von Formteilen oder Folien. Vor allem aber kommen sie als Komponenten für Beschichtungsstoffe, insbesondere Lacke, Klebstoffe und Dichtungsmassen in Betracht. Hierbei werden sie insbesondere als Bindemittel verwendet, weil die Beschichtungsstoffe, die Klebstoffe und die Dichtungsmassen, welche die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Bindemittel enthalten oder hieraus bestehen, besonders vorzügliche anwendungstechnische Eigenschaften aufweisen und hervorragende Beschichtungen, Klebschichten und Dichtungen liefern.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor allem anhand der Lacke offenbar, welche die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Bindemittel enthalten. Diese Lacke sind je nach ihrer Zusammensetzung physikalisch trocknend oder werden thermisch, mit aktinischer Strahlung, insbesondere UV-Licht, oder durch Korpuskularstrahlung, insbesondere Elektronenstrahlung, gehärtet. Des weiteren können sie auch thermisch und mit aktinischer Strahlung gehärtet werden, was von der Fachwelt auch als Dual Cure bezeichnet wird.
Sie liegen als Pulverlacke, Pulverslurry-Lacke, lösemittel- und wasserfreie flüssige Lacke (100%-Systeme), in organischen Medien gelöste Lacke oder wäßrige Lacke vor. Hierbei können sie Farb- und/oder Effektpigmente enthalten. Sie werden als Bautenanstrichmittel für den Innen- und Außenbereich, als Lacke für Möbel, Fenster, Coils, Container Coatings, die Beschichtung von elektrotechnischen Bauteilen und andere industrielle Anwendungen, als Automobillacke für die Erstausrüstung (OEM) oder als Autoreparaturlacke verwendet. Bei ihrer Verwendung auf dem Automobilsektor kommen sie als Elektrotauchlacke, Füller, Basislacke und Klarlacke in Betracht.
Bei all diesen Anwendungszwecken sind die Lacke, welche die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Bindemittel enthalten, den herkömmlichen Lacken überlegen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnung (1) näher erläutert.
1 Längsschnitt durch einen Taylorreaktor mit konischer äußerer Reaktorwand (1) zur visuellen Überwachung der Taylor-Wirbelströmung
Der Taylorreaktor wies eine 25 cm hohe äußere Reaktorwand (1) aus Glas von streng kreisförmigem Umfang auf, deren Umfang bzw. deren Durchmesser entlang der Reaktorachse in Durchflußrichtung gesehen linear zunahm. So lag minimale Durchmesser der äußeren Reaktorwand (1) am Reaktorboden (3) bei 52 mm, und der maximale Durchmesser am Reaktordeckel (4) lag bei 102 mm. Desweiteren enthielt der Taylorreaktor einen geraden, zentrisch gelagerten, streng zylinderförmigen Rotor (2) aus Edelstahl mit einem Radius von 21 mm. Dadurch erhöhte sich die Spaltbreite d von 5 mm am unteren Ende des Taylorreaktors auf 30 mm am oberen Ende. Der Rotor (2) war über eine gerade Welle (2.1), welche abgedichtet durch den Reaktordeckel (4) hindurchführte, mit einem stufenlos regelbaren Rührmotor verbunden. Der Reaktordeckel (4) und der Reaktorboden (3) bestanden aus Edestahl; die Dichtung zwischen ihnen und dem entsprechenden Ende der Reaktorwand (1) erfolgte mittels üblichen und bekannten Dichtungsringe aus Kunststoff. Die Vorrichtung (6) zur Zudosierung der Komponenten des Reaktionsmediums und die Vorrichtung (7) für den Produktablauf waren Vorstöße aus Glas mit Gewinden, woran ein Zu- und ein Ableitungsschlauch mit Hilfe von Überwurfmuttern befestigt waren.
Die Vorrichtung (6) war mit einem Mischaggregat (8) verbunden, worin mindestens zwei, vorzugsweise alle, Komponenten des Reaktionsmediums, insbesondere aber die Edukte, vor dem Eintritt in den Taylorreaktor miteinander vermischt wurden. Das Mischaggregat (8) wird über Zuleitungsrohre, die übliche und bekannte Dosiereinrichtungen und Meß- und Regelvorrichtungen sowie gegebenenfalls Wärmeaustauscher aufweisen, mit den Vorratsbehältern für die Komponenten verbunden.

Claims

Verfahren zur Polymerisation von olefinisch ungesättigten Monomeren, dadurch gekennzeichnet, dass man hierfür einen Taylorreaktor mit a) einer äußeren Reaktorwand (1) und einem hierin befindlichen konzentrisch oder exzentrisch angeordneten Rotor (2), einem Reaktorboden (3) und einem Reaktordeckel (4), welche zusammen das ringspaltförmige Reaktorvolumen (5) definieren, b) mindestens einer Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Komponenten des Reaktionsmediums, c) mindestens einer weiteren Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Komponenten des Reaktionsmediums, die in axialer Durchflussrichtung des Taylorreaktors gesehen hinter der ersten Vorrichtung (6) angeordnet ist, d) einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf sowie e) mindestens einem Mischaggregat (8), das mit mindestens einer Vorrichtung (6) verbunden ist und worin zwei mindestens Komponenten des Reaktionsmediums zusammengeführt und vor ihrem Eintritt in das Reaktorvolumen (5) miteinander vermischt werden, verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass f) die Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) des Taylorreaktors geometrisch derart gestaltet ist oder sind, dass auch bei einer Änderung der Viskosität ν des Reaktionsmediums auf im wesentlichen der gesamten Reaktorlänge im Reaktorvolumen (5) die Bedingungen für die Taylor-Wirbelströmung erfüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mischaggregate (8) Mikromischer, In-line-Dissolver, Hochdruckhomogenisierungsaggregate, Druckentspannungshomogenisierungsdüsen, Microfluidizer, Sulzer-Mischer, Kenics-Mischer, Füllkörperkolonnen, kleinenvolumige Durchflußrührkessel und/oder gerührte Mischkammern angewandt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) des Taylorreaktors in die gleiche Richtung rotieren, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Rotors (2) größer ist als die der äußeren Reaktorwand (1) oder dass die äußere Reaktorwand (1) stationär ist, und wogegen der Rotor (2) sich dreht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) des Taylorreaktors über die gesamte Reaktorlänge hinweg – im Querschnitt gesehen – einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Taylorreaktor vertikal gelagert ist, wobei das Reaktionsmedium entgegen der Schwerkraft bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) des Taylorreaktors zentrisch gelagert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (7) für den Ablauf der Produkte an der höchsten Stelle des Reaktordeckels (4) des Taylorreaktors angebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) des Taylorreaktors geometrisch derart gestaltet ist oder sind, dass sich der Ringspalt in Durchflussrichtung verbreitert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) des Taylorreaktors in Durchflussrichtung gesehen erhöht, wobei der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt, sich ebenfalls erhöht oder sich verringert.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktorwand (1) des Taylorreaktors die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) des Taylorreaktors geometrisch derart gestaltet ist oder sind, dass der sich der Ringspalt in Durchflussrichtung verengt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) in Durchflussrichtung gesehen verringert, wobei der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt, sich erhöht und sich ebenfalls verringert.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Reaktorwand (1) des Taylorreaktors die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dabei die Viskosität ν des Reaktionsmediums im Verlauf der Polymerisation gleich bleibt oder sich ändert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zuerst durchströmten Teilstück des Taylorreaktors eine erste Reaktion abläuft und in einem – in axialer Durchflussrichtung gesehen – zweiten oder weiteren Teilstück nach der mindestens einen weiteren Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten und/oder Katalysatoren eine zweite, dritte, etc. Reaktion.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Vorrichtung (6) mit mindestens einem Mischaggregat (8) verbunden ist, über das Komponenten des Reaktionsmediums zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es der Herstellung von chemisch einheitlich zusammengesetzten Copolymerisaten, Pfropfmischpolymerisaten, Kern-Schale-Latices und Polymerdispersionen dient.
Verwendung der nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 hergestellten Stoffe als Komponenten von Formteilen, Folien, Beschichtungsstoffen, insbesondere Lacken, Klebstoffen und Dichtungsmassen.