APPARATUS FOR THE ADMISSION OF HEAT ENERGY OR THE EDUCTION OF HEAT OF REACTION DURING THE POLYMERISATION OF MONOMERS

Abstract: 1. Apparatus for admitting heating energy or abstracting reaction heat during the polymerisation of monomers, especially during the suspension polymerization of vinyl chloride, consisting of a cylindrical container provided with baffle plates, with at least one multiple blade mixer and, at its inside wall, with a heat exchanging structural component in the form of a peripheral semitubular coil characterized in that within the cylindrical portion of the container (1) the semitubular coil (4) is formed of adjoining semitubular windings, the semitubular windings being semicircular tubes.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur grosstechnischen Durchführung exothermer und endothermer Pro zesse in einem Behälter Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur grosstechnischen Durchführung exothermer und endothermer Prozesse in einem Behälter durch indirekte Kühlung oder Erwärmung mit Hilfe eines Kühl- oder Heizmediums, welches durch einen zwischen der Wand des Behälters und einer darauf angebrachten Wärmetauschfläche gebildeten Raum hindurchgeführt wird, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie de Anwendung dieses Verfahrens zur Zuführung der ,-ufheizenergie und/oder zur Abführung der Reaktionswärme bei der Polymerisation von Monmeren, insbesondere bei der Suspensions-Polymerisation von Vinylchlorid. Es ist bekannt, zur lfärmezu- und -abfuhr und gegebenenfalls gleichzeitigen Durchmischung chemisch miteinander reagierender Flüssigkeiten oder Feststoffpartikel temperierte Kessel zu verwenden, wobei diese Kessel insbesondere bei Krustenbildung bequeme Reinigungsmöglichkeiten bieten. Die Kessel können durch einen aussen angebrachten Mantel gekühlt oder beheizt werden, wobei der Wärmeübergang um ein Mehrfaches verbessert werden mann, wenn der Kessel mit einem R=hrwerk versehen ist. Dabei kann der Kessel als Mantel beispielsweise aufgeschweisste Halbrohrschlangen oder Winkelprofile aufweisen (Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 2, 1972, Seiten 439 und 440). Zur Durchführung von Polymerisationen, beispielsweise Suspensions- oder Nassepolymerisationen, in Grossansätzen werden Autoklaven verwendet, wobei die Temperatur im Autoklav durch Abfuhr der Polymerisationswärme konstant auf einem optimalen Wert gehalten wird. Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei durch die Wand des Autoklaven, welcher einen von einem Kühlmedium durchströmten Doppelmantel aufweist (DE-AS 2 038 363, DE-PS 2 032 700). Nachteilig ist insbesondere die Erwärmung oder Kühlung eines grossen Behälters durch seine Wand, weil bei ihm das Verhältnis von Wandfläche zu Behältervolumen besonders ungünstig ist, woraus ein pro Zeit- und Volumeneinheit geringer spezifischer Durchsatz resultiert. Hinzu kommt, dass die Wandstärke bei Behältern mit zunehmender Grösse, insbesondere bei Druckbehältern, überproportional erhöht werden muss, wodurch der auf die Flächeneinheit bezogene Wärmedurchgang zusätzlich verschlechtert wird. Man kann zwar die Wärmetauschfläche durch den Einbau von Kühlschlangen, Kühlfingern oder I(uhlplatten über die Fläche des Behältermantels hinaus vergrössern. Jedoch werden einerseits durch solche Einbauten, welche in der Regel technisch komplizierte Konstruktionen darstellen, die Rühr- und Strömungsverhältnisse im Behälter ungünstig beeinflusst und andeerseits ist eine Reinigung eines mit Einbauten versehenen Behälters, welche bei der Durchführung von Anbackungen hervorrufenden Prozessen, beispielsweise Polymerisationen, häufig erfolgen muss, in der Regel erst nach Ausbau der Einbauten möglich. Ein weiterer Nachteil sind schliesslich die bei Einbauten stets auftretenden strömungstoten Ecken, an denen bevorzugt Anbackungen auftreten, welche den WärmeUbergang verschlechtern und insbesondere bei Polymerisationen durch Eintragen von Bruchstücken in das erzeugte Produkt dessen Qualität herabsetzen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur grosstechnischen Durchführung exothermer und endothermer Prozesse in einem Behälter anzugeben, wobei der Raum zwischen der Wand des Behälters und einer darauf angebrachten FTarmetauschfläche von einem flüssigen Medium zum Entzug oder zur Übertragung von Wärme aus oder in den Behälterinhalt durchströmt wird, bei welchen die dem Behälterinhalt zugewandte temperierte Fläche vergrössert ist. Das wird erfindungsgemäss daduch erreicht, dass die Wärmetauschfläche auf der Innenwand des Behälters angebracht ist. Weiterhin kann beim Verfahren gemäss der Erfindung auch der Druck des Kish1- oder Heizmediums in dem Raum zwi schen der Wand des Behälters und der darauf angebrachten Wärmetauschfläche dem Druck innerhalb des Behälters stetig angepasst werden. In diesem Fall kann die Wandstärke der Wärmetauschfläche auch bei hohen Drucken innerhalb des Behälters klein und damit der Wärmedurchgangswiderstand niedrig gehalten werden. Bei dem beim Verfahren gemäss der Erfindung verwendeten Behälter ist die Wärmeaustauschfläche bis zu 57 5' grösser als bei einer glatten Behälterwand. Darüberhinaus werden dabei der Wärmetransport durch die Wand durch die auftretenden günstigen Strömungsverhältnisse gefördert und gleichzeitig eventuelle Feststoffanbackungen an der Wand unterdrückt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche aus einem mit Stromstörblechen versehenen Behälter besteht, in dem sich mindestens ein mehrflügeliges Rührwerk befindet und auf dessen Wand Wärmetauschkonstruktionen angeordnet sind, kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Wärmetauschkonstruktionen auf der Innenwand des Behälters angeordnet sind. Die genannte Vorrichtung kann wahlweise auch noch dadurch ausgestaltet sein, dass a) als Wärmetauschkonstruktion eine Halbrohrschlange dient, b) die Halbrohrschlange eng gewickelt ist, c) die Wärmetauschkonstruktion wellblechartig ausge bildet ist, d) als Wärmetauschkonstruktion Kanäle aus Winkel profilen dienen, e) die Wärmetauschkonstruktionen aufgeschweisst sind. Bei der genannten Vorrichtung kann die Wandstärke der Wärmetauschkonstruktionen kleiner gewählt werden, da die Wand des Behälters für mechanische Stabilisierung sorgt. Dadurch wird der Wärmedurchgang deutlich verbessert. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass Behälter, welche einem Druck von beispielsweise 17 bar standhalten sollen, mit steigendem Volumen eine grössere Wandstärke (25 m3 : 17 mm; 100 m3 : 25'mm; 200 m3 : 38 mm) aufweisen müssen, während die Wärme- tauschkonstruktion bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in allen Fällen nur eine Wandstärke von etwa 3 mm erfordert. In der beige -fügten graphischen Darstellung ist die übertragbare Wärmeleistung für Behälter verschiedener Grösse wiedergegeben; und zwar gilt Kurve 1 für Behälter nach dem Stand der Technik und Kurve 2 für Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Der Behälter der erfindungsgemässen Vorrichtung enthält keine strömungstoten Ecken und ist manuell oder mit Hilfe von Hochdruckwasser leicht zu reinigen, ohne dass vorher im Behälterinnern Demontagen durchgehhrt werden müssen. Wendet man das erfindungsgemässe Verfahren auf die Polymerisation von Monomeren an, so kann die Aufheizzeit bei gleicher Temperatur des Heizmediums verkürzt bzw. in gleicher Zeit bei niedrigerer Temperatur des Heizmediums aufgeheizt werden. Bei der diskontinuierlichen Durchführung des Suspensions-Polymerisationsprozesses zur Herstellung von Polyvinylchlorid wird dadurch die Anbackung von Polymerisat an der Wand verringert und damit die Qualität des Produktes verbessert (Verringerung der Zahl der sog. Stippen). In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch und teilweise im Schnitt dargestellt. Im zylindrischen Behälter 1 sind mehrere Stromstörbleche 3 angebracht. Im unteren Bereich des Behälters 1 befindet sich ein mehrflügeliges Rührwerk 2, dessen Welle den Boden des Behälters 1 durchdringt. Im vertikalen Bereich des Behälters 1 ist als seine Wärmetauschkonstruktion 4 eine eng gewickelte Halbrohrschlange aufgeschweisst, durch welche mit Hilfe eines Eintrittsstutzens 5 und eines Austrittsstutzens 6 Heiz- bzw. Kühlmedium hindurchleitbar ist. Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren erreichbaren Vorteile werden anhand der folgenden Beispiele dargelegt. Beispiel 1 (Stand der Technik) Ein für einen Druck von 17 bar ausgelegter, stehend angeordneter, 25 m3 fassender, mit einem Rührwerk versehender, zylindrischer Behälter, auf dessen Aussenwand eine Halbrohrschlange aufgeschweisst ist (vergl. "Ull- manns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, Seite 439, Abb. 16 D), wurde mit 24 m3 Wasser von 20 gefüllt. Nach Einschalten des Rührers wurde durch die Halbrohrschlange Heisswasser (950 C) hindurchgeleitet und die Aufheizzeit, bis das im Behälter befindliche Wasser eine Temperatur von 550 C aufwies, zu 36 Minuten ermittelt. Die pro Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge betrug 1,63 x 103 kW. Beispiel 2 (Stand der Technik) In den im Beispiel 1 verwendeten Behälter wurden 24 m3 Wasser von 550 C vorgelegt. Nach Einschalten des Ruhrers wurde Wasser von 200 C durch die Halbrohrschlange geführt und stündlich 1400 kg Sattdampf (1200 C) in den Behälter eingeleitet, wodurch das im Behälter befindliche Wasser konstant auf 550 C gehalten wurde. Die pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge betrug 0,962 x 103 kW. Beispiel 3 (erfindungsgemäss) Ein für einen Druck von 17 bar ausgelegter, stehend angeordneter, 25 m3 fassender, mit einem Rührerk versehener, zylindrischer Behälter, auf dessen Innenwand eine Halbrohrschlange von 3 mm Wandstärke aufgeschweisst ist, wurde mit 24 m3 Wasser von 200 C gefüllt. Nach Einschalten des Rührers wurde durch die Halbrohrschlange Heisswasser (950 C) hindurchgeleitet und die Aufheizzeit, bis das im Behälter befindliche Wasser eine Temperatur von 55 C aufwies, zu 20 Minuten ermittelt. Die pro Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge betrug 2,97 x 103 kW; d. h. 182 % der Wärmemenge, welche nach dem Stand der Technik (vergl. Beispiel 1) zuführbar ist. Beispiel 4 (erfindungsgemäss) In den im Beispiel 3 verwendeten Behälter wurden 24 m3 Wasser von 55 C vorgelegt. Nach Einschalten des Rührers wurden Wasser von 20 C durch die Halbrohrschlange geführt und stündlich 2480 kg Sattdampf (1200 C) in den Behälter eingeleitet, wodurch das im Behälter befindliche Wasser konstant auf 550 C gehalten wurde. Die pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge betrug 1,70 x 103 kW; d. h. 177 96 der Wärmemenge, welche nach dem Stand der Technik (vergL Beispiel 2) abführbar ist. Beispiel 5 (Stand der Technik) In den im Beispiel 1 verwendeten Behälter wurden nach Einschalten des Rührers folgende Substanzen eingefüllt: 13800 kg entmineralisiertes Wasser 3,1 kg teilverseiftes Polyvinylacetat 2,6 kg Hydroxypropylmethylcellulose 15 kg Sorbitanmonolaurat Nach Verdrängen der Luft durch Evakuieren wurden 8300 kg Vinylchlorid und 5 kg Bis-(2-äthylhexyl)peroxidcarbonat (65ig) zugegeben. Durch Durchleiten von Heisswasser (95 C) durch die Halbrohrschlange wurde der Behälterinhalt in 29 Minuten auf 550 C, die Reaktionstemperatur, erwärmt. Nach Erreichen der Reaktionstemperatur wurde Wasser von 200 C so durch die Halbrohrschlange geführt, dass diese Temperatur konstant gehalten wurde. Nach beendeter Polymerisation wurde der Behälter entspannt, die Suspension durch Strippen mit Wasserdampf vom restlichen Vinylchlorid befreit und das Polyvinylchlorid aus der Suspension abgeschleudert. Es wurden Ue Stunde 995 kg Polyvinyl- chlorid erzeugt. Zur Qualitätsbeurteilung des erzeugten Folyvinylchlorids wurden durchgeführt: a) Bestimmung des K-Wertes (nach DIN 53 726, Ausgabe Juni 1961) : 70 b) Bestimmung des Schüttgewichtes: 470 g/cm3 c) Ausführung des sog. Stippentestes. Hierzu wurde ein lIZalzfell von 0,2 mm Stärke hergestellt, wozu das Pro dukt 15 min bei 1400 C gewalzt wurde. Durch Auszählen von Je 100 cm2 Folie wurde als Mittel aus 5 Auszählungen die Zahl der Stippen zu 12 ermittelt. Der Behälter wurde schliesslich mit Hochdruc1iasser von 250 bar gereinigt. Das Reinigungswasser wurde filtriert und ca. 0,5 kg Feststoffanteile ermittelt, welche von den Wandverkrustungen des Behälters herrühren. Beispiel 6 (erfindungsgemäss) In den im Beispiel 3 verwendeten Behälter wurden die im Beispiel 5 genannten vier Substanzen unter Rühren eingeführt. Nach Verdrängen der Luft durch Evakuieren wurden 8300 kg Vinylchlorid und 6,1 kg Bis-(2-äthylhexyl)per- oxidicarbonat (65 %ig) zugegeben. Durch Durchleiten von Heisswasser (950 C) durch die Halbrohrschlange wurde der Behälterinhalt in 14 Minuten auf 550 C, die Reaktionstemperatur, erwSrm > . Nach Erreichen der Reaktions- Temperatur wurde Wasser von 200 C so durch die Halbrohr- Schlange geführt, dass dese Temperatur konstant gehalten wurde. Nach beendeter Polymerisation wurde, wie in Beispiel 5 angegeben, weiterverfahren. Dabei wurden ae Stunde 1250 kg Polyvinylchlorid, d. h. 126 % in Bezug auf den Stand der Technik (vergl. Beispiel 5), erzeugt. Im Reinigungswasser wurden 0,2 kg Feststoffanteile ermittelt, welche von den Wandverkrustugen des Behälters herrühren. Zur Qualitätsbeurteilung des erzeugten Polyvinylchlorids wurden die Tests wie in Beispiel 5 durchgeführt: a) K-Wert: 70 b) Schüttgewicht: 475 g/cm3 c) 5 Stippen je 100 cm2 Folie

Claims: Verfahren und Vorrichtung zur grosstechnischen Durchführung exothermer und endothermer Pro zesse in einem Behälter Patentansprüche 1) Verfahren zur grosstechnischen Durchführung exothermer und endothermer Prozesse in einem Behälter durch indi rekte Kühlung oder Erwärmung mit Hilfe eines Kühl- oder Heizmediums, welches durch einen zwischen der Wand des Behälters und einer darauf angebrachten Wärmetauschfläche gebildeten Raum hindurchgeführt wird, dadurch Rekenn- zeichnet, dass die Wärmetauschfläche auf der Innenwand des Behälters angebracht ist. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gelcennzeichnet, dass der Druck des Eünl- oder Heizmediums in dem Raum zwischen der Tl;'and des Behälters und der darauf angebrachten -;Tärme- tauschflänhe dem Druck innerhalb des Behälters stetig angepafft wird. 3) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einem mit Stromstörblechen ver sehenen Behälter, in welchem sich mindestens ein mehr flügeliges Rührwerk befindet, und auf dessen Wand Wärmetauschkonstruktionen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschkonstruktionen (4) auf der Innenwand des Behälters (i) angeordnet sind. 4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauschkonstruktion (4) eine Halbrohr schlange dient. 5) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbrohrschlange eng gewickelt ist. 6) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschkonstruktion (4) wellblechartig ausgebildet ist. 7) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauschkonstruktion (4) Kanäle aus Win kelprofilen dienen. 8) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschkonstruktionen (4) aufgeschweisst sind. 9) Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 zur Zuführung der Aufheizenergie und/oder zur Abführung der Reaktionswärme bei der Polymerisation von Monomeren, insbesondere bei der Suspensions-Polymerisation von Vinylchlorid.

Inventors: KOMISCHKE, PETER, PRELL, LORENZ, WISSEL, KURT, DR.
Applicants: HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1979
Main classification: B01J19
IPC codes: B01J19, F28D1, C08F2, F28D7