DEVICE TO CARRY OUT A RADICAL POLYMERISATION, AND ITS USE

Abstract: The device is particularly suitable for the manufacture of suspension polyvinyl chloride and has an impeller stirrer with a diameter d of 0.1-0.9 times the internal diameter D of the vessel, the stirrer planes having a distance from the bottom of 0.05 to 0.15 times the diameter d at the shaft and at the end, flow surfaces essentially parallel to the stirrer axis and an essentially triangular to semicircular cross-section, with h/d = 0.1-1, the blade thickness t being 0.5 to 5 times h and the ratio of d to the radius r of the curved blades being 0 to 4. <IMAGE>

Description: Vorrichtung zur Durchführung einer radikalischen Polymeri sation und ihrer Verwendung. 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. Die Rührer selbst sitzen meist an senkrechten Rührachsen (Rürerschäften), 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 Ausführungsforn' dafür grössere Abdichtungsprobleme auf. Für den Erfolg dr im folgenden beschriebenen Erfindung sind Leide Ausführungsfo men geeignet, so dass der Fachmann die ihm für die Lösung seincs speziellen, Problems geeigneter erschei- nende Ausführungsform auswählen kann. Rührer werden in den verschiedensten ein- und mehrstufigen Bauformen eingesetzt, z. B. Kreiselrührer, Konusrührer, Rührwalzen, Schneidrührer, Balkenrührer, Fingerrührer, Rahmen rührer, Blattrührer, Turbinenrührer, Propellerrührer, Scheibenrührer, Ankerrührer und Impellerrührer. Verglichen mit normalem Rührverfahren, z. B. dem Herstellen und Homogenisieren von Lösungen, treten bei radikalischen Polymerisationen zusätzliche Schwierigkeiten auf. Eines der grössten Probleme bei der Herstellung von Polymer dispersionen, -suspansionen und -eulsionen ist die Gewähr- leistuiig 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 d.cs 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. 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. 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. 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. 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 Anstellwinkelos 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 Flügelhöhe h beträgt das 0,1- bis l-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- bis l-fache der Flügelhöhe h. Die Impellerflügel 11 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. 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. Bei der bevorzugten Verwendung der erfindungbgemässen 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 und geringer als bei herkömmlichen Vorrich tungen. 2. Die Dispergierleistung ist grösser, so dass gegebenenfalls das Monomer/Wasser-Verhältnis gesteigert werden kann. 3. Der Einfluss von Schwankungen dir 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 Der erfindungsgemäss eingesetzte modifizierte Impellerrührer 1 kann im Rahmen der erfindungsgemässen Vorrichtung bevorzugt im Reaktionsautokiaven 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. 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. 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. 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. 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. Die e--indungsgemässe 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. Die folgenden Beispiele und Vergleichsversuche dienen lediglich der weiteren Erläuterung der Erfindung, sie besitzen keinen beschränkenden Charakter. Ausführungsform 1 - normaler Impellerrührer Autoklaveninhalt 33 m Autoklaveninnendurchmesser 3046 mm Stromstörer 1 Dreifingerstromstörer Bodenabstand des Rührers 220 mm Rührerdrehzahl 127 U/min d = 1550 mm h = 190 mm t = 85 mm tz = 15 r = 685 mm k = 42,5 mm Ausführungsform 2 - erfindungsgemäBer Impellerrührer 3 Autoklaveninhal t 33 m Autoklaveninnendurchmesser 3046 mm Stromstörer 1 Dreifingerstromstörer (identisch mit dem der Ausführungsform 1) Bodenabstand des Rührer 220 mm (am Schaft und an den Flügelenden) Rührerdrehzahl 115 U/min d = 1550 mm h = 330 mm t = 207,5 mm = = 15 r = 685 mm k = 42,5 mm Bcisp5l 1: PVC-Type A Auführungsform 1 VCM-Vorlage: 11,5 t H2O-Vorlage: 13,5 t Polymerisationszeit: 7,4 h PVC-Ausbringung pro Ansatz: 9,8 t mittlerer Stromverbrauch des Rührers pro Stunde: 41,7 kW höchste Stromspitze des Rührers: 51 kW Gesamtstromverbrauch pro Ansatz: 308,6 kwh spezifischer Stromverbrauch: 31,5 kWh/t PVC Beispiel 2: PVC-Type A Ausführungsform 2 VCM-Vorlage: 11,5 t h2O-Vorlage: 13,5 t Polymerisationszeit: 6,8 h PVC-Ausbringung pro An tz: 9,8 t mittlerer Stromverbrauch des Rührers pro Stunde: 34,6 kW höchste Stromspitze des Rührers: 48 k Gesamtstromverbrauch pro Ansatz: 235,3 kWh spezifischer Stromverbrauch: 24,0 hat PVC Beispiel 3: PVC-T'ype B Ausführungsform 1 VCM-Vo lage: 1.0,5 t H2O-Vorlage: 14,5 t Polymerisationszeit: 6,9 h PVC-Ausbringung pro Ansatz: 9,2 t mittlerer Stromverbrauch des Rührers pro Stunde: 38,6 kW höchste Stromspitze des Rührers: 47,4 kW Gesamtstromverbrauch pro Ansatz: 266,3 kWh spezifischer Stromverbrauch: 29,0 hat PVC Beispiel 4: PVC-Type B Ausführungsform 2 VCM-VoLlage; 11,0 t H20-Vorlage: 13,9 t Polymerisationszeit: 6,7 h PVC-Ausbringung pro Ansatz: 9,7 t mittlerer Stromverbrauch des Rührers pro Stunde: 33,4 kW höchste Stromspitze des Rührers: 45,0 kW Gesamtstromverbrauch pro Ansatz: 223,8 kWh spezifischer Stromverbrauch: 23,1 kWh/t PVC

Claims: Patent ansprüche 1. Vorrichtung zur Durchführung einer radikalischen Polymeri sation ethylenisch ungesättigter Monomeren in wässrigem Medium, bestehend aus einem üblichen Reaktionsbehälter mit üblichen Zu- und Ableitungen, einem zentrisch einge bauten Impellerrührer mit senkrechtem Rührerschaft und einem Durchmesser d von 0,2 bis 0,9 des Behälterinnen durchmessers 3, gegebenenfalls mit Kühl- und/oder Heiz vorrichtungen und gegebenenfalls weiteren üblichen Einbauten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Impellerrührer an der Rührerachse einen Bodenabstand vom 0,05- bis 0,15-fachen des Rührerdurchmessers d besitzt, dass die Impellerflügel einen Anstellwinkelt von 0 bis 30 gegenüber der Horizontalen besitzen, so dass der Boden abstand an den Flügelspitzen im selben Bereich wie an der Rührerachse liegt,dass die Flügel im wesentlichen zur Rührerachse parallele Anströmflächen und im wesentlichen dreieckigen bis halbkreisähnlichen Querscbnitt besitzen, dass die Flügelhöhe h das 0,1- bis l-fache des Rührerdurch messers d, dass das Verhältnis des Rührerdurchmessers d zum Radius r der gegebenenfalls entgegen der Drehrichtung gebo genen Flügel 0 bis 4 und das der Blattdicke t zur Blatt höhe h 0,5 bis 5 betragen. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verhältnisse: d/D = 0,4 bis 0,7 h/d = 0,15 bis 0,3 t/h = 0,6 bis 1. 4. Verwendung der Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von Vinylchlorid-Polymerisaten in wässrigem Medium nach dem Suspensionspolymerisations verfahren.

Inventors: KLAPP, HELMUT, WOLF, AXEL, DR. DIPL.-ING., ZAJICEK, OTMAR
Applicants: WACKER-CHEMIE GMBH
Application year: 1984
Main classification: B01F7
IPC codes: C08F2, B01F15, B01F7