КОНЕЧНЫЙ РЕАКТОР
FINAL REACTOR

Данное изобретение относится к реакторному устройству для текучих сред, в частности для полимеров для поликонденсации сложных полиэфиров в соответствии с ограничительной частью основного пункта формулы изобретения.
Устройство этого типа известно из DE 4447422 A1. Данное реакторное устройство включает корпус реактора, который имеет вход и выход, и ротор, который вращается внутри реактора и установлен горизонтально с помощью установочного устройства с герметичными уплотнениями, посредством шипов вала, которые выходят за пределы торцевых стенок корпуса реактора, при этом на роторе установлены кольцеобразные транспортирующие элементы. Таким образом, ротор представляет собой полый цилиндр, снабженный отверстиями (оболочку в виде перфорированной корзины), на котором закреплены кольцеобразные элементы.
Как описано ранее, реакторные устройства применяют, в частности, для поликонденсации вязких мономеров и/или форполимеров. Однако теперь показано, что с помощью реакторного устройства этого типа невозможно получить полимерные продукты высокой вязкости простыми средствами и при приемлемой стоимости установки и в то же время достигнуть улучшения качества конечных продуктов относительно известных систем.
Исходя из этого, задачей данного изобретения, таким образом, является реакторное устройство для текучих сред, в частности для полимеров для поликонденсации сложных полиэфиров, с помощью которого возможно простым способом получать полимерные продукты с высокой вязкостью и высоким качеством, а также в определенном диапазоне времени пребывания в реакторе, в то же время достигая высокой молекулярной массы. Этот реактор может работать во всем диапазоне низких и высоких давлений, а также при температурах до 350°С.
Указанную задачу решают согласно изобретению с помощью признаков, указанных в отличительной части основного пункта формулы изобретения, в сочетании с признаками ограничительной части. В зависимых пунктах формулы изобретения представлены предпочтительные усовершенствования.
Таким образом, согласно данному изобретению обеспечено наличие в самом цилиндрическом роторе по меньшей мере частично нагреваемой или охлаждаемой части. В результате такой конфигурации с по меньшей мере частично нагреваемой или охлаждаемой частью цилиндрического ротора достигают того, что становится возможным перерабатывать также и полимерные продукты с высокой вязкостью без возникновения так называемых «мертвых зон», которые могут привести к образованию чрезвычайно вязких и в высококристалличных осадков, что могло бы снизить качество конечного продукта.
В связи с этим нагревание или охлаждение ротора можно организовать таким образом, что ротор нагрет или охлажден полностью, или же так, что ротор разделен на две части, фактически - на ненагреваемую и на способную к нагреванию/охлаждению часть, которая размещена со стороны выхода. Таким образом, способная к нагреванию/охлаждению часть сконструирована так, что она в существенной степени охватывает область с высокой вязкостью, а ненагреваемая часть - область с низкой вязкостью. Следовательно, в зависимости от полимера, одну или две трети горизонтально расположенного ротора может составлять нагреваемая часть, расположенная со стороны выхода.
В случае, когда предусмотрен непрерывно нагреваемый/охлаждаемый ротор, предпочтительно, если за счет соответствующих мер получают соответствующий градиент температуры, начиная от низкой температуры на входе, то есть в области с низкой вязкостью, и до более высокой температуры в области с высокой вязкостью на выходе.
Предпочтительно, тем не менее, реакторное устройство сконструировано так, что оно имеет ненагреваемую часть и расположенную со стороны выхода способную к нагреванию/охлаждению часть. Эта способная к нагреванию/охлаждению часть, расположена в области с высокой вязкостью и может составлять от одной трети до двух третей всего горизонтального реактора по отношению к его размеру по горизонтали.
В случае реактора согласно изобретению ненагреваемая часть, таким образом, предпочтительно сформирована из оболочки в виде перфорированной корзины, а часть, выполненная с возможностью нагревания/охлаждения - из сплошной оболочки. Сплошную оболочку, установленную в области с высокой вязкостью, предпочтительно дополнительно обеспечивают нагревом, который может быть выполнен в виде двойного кожуха для масел-теплоносителей, или путем нагрева электроизлучением. Переход от перфорированной к неперфорированной оболочке в виде корзины выполнен в виде длинного конуса, характеризующего переход от работы с отстойником в области средней вязкости к работе почти без отстаивания в области высокой вязкости.
Нагревание/охлаждение оболочки в виде корзины при выборе жидкого теплоносителя осуществляют через ведущий вал посредством проходной втулки, которая окружена внутри вала изоляцией. Это позволяет избежать нежелательного переноса тепла к подшипникам и уплотнениям перемешивающего устройства. Сам по себе привод выполнен в виде механизма сцепления (slip-on gear mechanism) с подшипником-преобразователем крутящего момента (torque converter bearing).
Отношение диаметра перфорированной оболочки к диаметру реакционной камеры составляет, согласно изобретению, от 0,5 до 0,6, а соотношение сплошной оболочки и реакционной камеры составляет от 0,65 до 0,75. Кроме того, показано, что преимуществом является случай, когда отношение L/D (отношения длин L к отношению диаметров D) реакционной камеры составляет от 1 до 3,5, предпочтительно от 1,5 до 3,0, особенно предпочтительно от 2,5 до 3.
Дополнительная характеристика данного изобретения заключается в том, что кольцеобразные элементы, формирующие пленку, выполнены в виде трубчатого венца, при этом между трубчатым венцом и поверхностью ротора закреплена трубчатая структура из металлической сетки с различной геометрией. Было показано, что, вопреки предшествующему опыту, конструкция из образующих поверхность колец, включающая в случае полимеров с высокой вязкостью прямоугольные профили и перекладины с круглыми или многоугольными (например, шестиугольными) отверстиями, представляет собой решение, которое не является предпочтительным. Напротив, показано, что круглые сечения (трубы) для несущей конструкции способствуют захвату полимера и образованию полос и пленок; эта трубчатая конструкция обеспечивает наличие треугольных и/или ромбовидных отверстий, в которых происходит вытягивание для формирования пленки. Таким образом, эти отверстия можно расположить на закруглениях труб, что дает соединение с оболочкой в виде корзины и обеспечивает то, что благодаря вращательному движению кожуха всегда происходит увеличение поверхности пленки. Такое расположение также имеет то преимущество, что на съемниках происходит мягкий сдвиг (срез при вытяжке), в результате чего значительно сокращается подвод энергии.
Кроме того, преимуществом является то, что, в отличие от прямоугольных профилей на трубчатых кольцах, не образуются стационарные горизонтальные поверхности, на которых полимер может удерживаться в течение более длительного времени, что может привести к ухудшению качества. На круглых сечениях полимер обволакивает это сечение с образованием пленок, так что действует гравитационное воздействие на массу. Следовательно, результатом является непрерывный массообмен и постоянное образование особенно тонких и стабильных пленок продукта, что приводит к быстрому испарению подвижных реагентов или растворителей.
Таким образом, на роторе, перпендикулярно оси контейнера, расположены трубчатые пленкообразующие элементы.
Как известно из уровня техники, между каждой парой трубчатых пленкообразующих элементов предусмотрен съемник - стриппер (stripper). Однако в случае реакторного устройства согласно изобретению предпочтительно, если в области ненагреваемой части, то есть в области оболочки в виде перфорированной корзины, установлены съемники (статоры), а в области нагреваемой/охлаждаемой части, то есть в области сплошной оболочки, установлены так называемые конвейерные съемники и противосъемники. Задача этих съемников/конвейерных съемников и противосъемников заключается в том, чтобы масса полимера, засасываемая из отстойника через трубчатый венец, была им ограничена, и чтобы в то же время можно было избежать образования сплошных полимерных мостиков в промежуточном пространстве. Таким образом, предпочтительным является расположение съемников тангенциально к нижней кромке оболочки. Дополнительным назначением съемников/конвейерных съемников и противосъемников является то, что вместо капель, которые образуются на сплошной оболочке и выталкиваются через трубчатый венец, и полимерных капель, которые протекают от гладкой стенки оболочки в виде корзины, образуются тонкие слои, при этом массу собирают в отстойнике.
Конвейерные съемники, расположенные между каждой парой образующих пленку элементов, и съемники, расположенные на противоположной стороне оболочки, в то же время обеспечивают проталкивание капель и полимерной массы, которые скапливаются в промежуточном пространстве между двумя трубчатыми венцами, через следующий диск в направлении течения потока и тем самым обеспечивают эффект самоочистки трубчатых колец в местах соединения с оболочкой, с одновременной повторной их загрузкой. Съемники выполнены в виде элементов с треугольным поперечным сечением с различным расположением одной из сторон относительно горизонтали. В результате получают эффект конвейера.
Дополнительная характеристика реакторного устройства согласно изобретению заключается в том, что нагреваемую/охлаждаемую оболочку в виде корзины располагают на небольшом расстоянии от торцевой крышки реактора. На периферии полой оболочки размещен элемент-съемник в виде идущей по окружности эластичной лопасти, который позволяет избежать загрязнения торцевой крышки. Таким образом, промежуточное пространство можно продувать инертным газом.
В области выгрузки предпочтительно дополнительно разместить серповидный вытеснитель, который обеспечивает перемещение к всасывающему отверстию насоса, свободное от мертвых зон, и который размещен за отстойником полимера под определенным углом. Для оптимальной окончательной дегазации полимера перед этим вытеснителем предусмотрен один или более кольцевой пленкообразующий элемент, который, в сочетании с рециркулирующими съемниками, также обеспечивает подачу полимера к насосу.
В случае реакторного устройства согласно изобретению следует также обратить внимание, что благоприятным является вариант, в котором соединительный элемент на выходе полимера имеет прямоугольную конфигурацию, при этом более длинные стороны размещены под соответствующими углами к оси контейнера так, чтобы продукт, подаваемый съемниками, обеспечивал оптимальное заполнение выгружного шестеренчатого насоса. Этот соединительный элемент для выгрузки полимера предпочтительно представляет собой прямоугольный массивный фланец, который образует соединение с нагревающей рубашкой в стенке контейнера, который расположен не обычным образом, перпендикулярно центральной оси контейнера, а параллельно направлению вращения оболочки. В результате дополнительно обеспечивают постоянное полное заполнение шестеренчатого насоса.
В случае реакторного устройства согласно изобретению дополнительное преимущество обеспечивает размещение газовой вакуумной трубы (соединительного элемента для отвода газа) в продольном направлении реактора в его верхней области. Было показано, что особенно преимущественным является размещение этой трубы прямо перед зоной высокой вязкости (например, на расстоянии примерно более 60% длины реактора). Во избежание турбулентности потока газа в точке перехода к трубе предпочтительным является уменьшение поперечного сечения участка перехода с соотношением 2-3:1, при этом особенно преимущественным является отклонение от вертикальной осевой линии контейнера в направлении вращения оболочки в виде корзины от 10 до 30°. Также в первой трети корпуса возможно размещение дополнительной трубы для отвода газа, чтобы преимущественно удалять основную массу растворителя или реакционного газа до части реактора с продуктом высокой вязкости.
Данное изобретение также относится к применению описанного выше устройства для поликонденсации полимеров, предпочтительно сложных полиэфиров. Устройство согласно изобретению можно также предпочтительно применять в качестве так называемого конечного реактора в процессах поликонденсации.
Далее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на фиг.1-4, что, однако, ни в коей мере не ограничивает объем данного изобретения.
На чертежах изображено:
фиг.1: продольный разрез реакторного устройства согласно изобретению;
фиг.2: поперечный разрез этого реакторного устройства;
фиг.3: конфигурация кольцеобразных пленкообразующих элементов;
фиг.4: местный вид конструкции торцевой крышки.
На фиг.1 изображен вариант реализации реакторного устройства 25 согласно изобретению в продольном разрезе. Реакторное устройство 25 включает корпус 1 реактора, который имеет двойную обогреваемую рубашку 2. Корпус реактора со стороны входа снабжен крышкой с нагревающей рубашкой 3, а со стороны выхода - торцевой крышкой 5 с приваренным фланцем. В реакторе 25 ротор, выполненный с возможностью вращения, установлен горизонтально с помощью установочных устройств с герметичным уплотнением 4 посредством шипов вала, которые выходят за пределы торцевых стенок корпуса 1 реактора, которые формируют крышки 3, 5. В варианте реализации фиг.1 этот горизонтально установленный ротор, выполненный с возможностью вращения, образован оболочкой 6 в виде перфорированной корзины с перемешиванием и сплошной нагреваемой оболочкой 7 в виде корзины с перемешиванием, при этом переход от перфорированной к неперфорированной оболочке в виде корзины выполнен в виде длинного конуса 22. Преимущество выполнения ротора согласно изобретению в его нагреваемой части как сплошной оболочки 7, а в его ненагреваемой части - как оболочки 6 в виде перфорированной корзины заключается в том, что в реакторе можно осуществить получение полимерных продуктов с высокой вязкостью и высокими молекулярными массами, например сложных полиэфиров с очень высокой чистотой. Переход от перфорированной к неперфорированной оболочке в виде корзины в виде длинного конуса 22 способствует переходу от отстойника в области средней вязкости к работе почти без отстаивания при высокой вязкости.
Нагревание сплошной оболочки 7 в виде корзины с перемешиванием осуществляют, в соответствии с вариантом реализации фиг.1, с помощью рубашки 23 с двойными стенками.
Кольцеобразные пленкообразующие элементы 8, которые установлены на вращающемся роторе 6, 7, образованы трубчатым венцом 28 и сетчатой металлической трубчатой структурой 12, которая закреплена между трубчатым венцом 28 и поверхностью ротора. Точная конфигурация кольцеобразных пленкообразующих элементов 8 показана на фиг.2.
Дополнительной характеристикой реакторного устройства 25 согласно изобретению является также то, что между каждой парой кольцеобразных пленкообразующих элементов размещены съемники, конвейерные съемники и/или противосъемники 11, 13, 14, 15. В случае примера реализации фиг.1 в области ненагреваемой части 6, то есть в области оболочки в виде перфорированной корзины с перемешиванием, которая в существенной степени характеризуется областью с низкой вязкостью, обеспечены лопастные съемники 11. В области нагреваемой части, которая в существенной степени определяется работой в условиях высокой вязкости, обеспечены конвейерные съемники 13 с треугольным профилем и/или профилем опоры в виде лопасти и противосъемники 14, которые также имеют треугольный профиль. Благодаря такому специфическому осуществлению различного расположения и конфигурации съемников, конвейерных съемников и/или противосъемников 11, 13, 14, 15 достигается почти оптимальное пленкообразование и самоочищение. Для дополнительного содействия оптимальному пленкообразованию в варианте реализации реакторного устройства 25 согласно фиг.1 также предусмотрено, чтобы со стороны входа на шипе вала был установлен съемник 18, а со стороны выхода - эластичные лопасти 21. В случае реакторного устройства 25 согласно изобретению дополнительно следует упомянуть, что благодаря установке кольцеобразных пленкообразующих элементов 8 ближе к торцевой крышке 5 можно достичь оптимальной дегазации. Следовательно, можно получить конечный полимерный продукт, который имеет низкое содержание нежелательных побочных продуктов, а также особенно низкое содержание ацетальдегида в случае сложных полиэфиров. Выпуск полученных газов в реакторном устройстве 25 осуществляют через по меньшей мере один соединительный элемент 17 для отвода газа, но предпочтительно, как показано на фиг.1, через два соединительных элемента 17 для отвода газа. В качестве дополнительной характеристики реакторного устройства 25 согласно изобретению следует упомянуть то, что выгружной насос 19 встроен непосредственно в корпус 1 реактора. Таким образом, соединительный элемент для выпуска полимера, относящийся к выгружному насосу 19, предпочтительно представляет собой сплошной фланец прямоугольной формы, который встроен непосредственно в нагревательную рубашку 2; это осуществляют не как обычно, перпендикулярно к центральной оси контейнера, но размещают его параллельно направлению вращения оболочки (см. также фиг.2). В результате достигается по возможности наиболее полное выкачивание продукта, поскольку этот продукт соответственно всегда скапливается в направлении вращения с наружной стороны от горизонтали оболочки. Для дополнительного содействия этому в реакторном устройстве согласно изобретению дополнительно на торцевой крышке также установлен вытеснитель 16 торцевой крышки, так чтобы можно было осуществить оптимальную подачу полимера с высокой вязкостью в выгружной насос 19 и избежать образования мертвой зоны. На фиг.1 трансмиссия или двигатель для горизонтальной оболочки в виде корзины, расположенной в корпусе 2, обозначена как поз.20.
На фиг.2 показан поперечный разрез реактора 25, приведенного на фиг.1. В частности, из фиг.2 становится ясным параллельное смещение выгружного насоса 19 в направлении вращения, а также введение сплошного прямоугольного фланца 26 в корпус 1. Кроме того, из фиг.2 становится ясным расположение конвейерных съемников 13, а также противосъемников 14 соответственно с треугольным профилем. Конвейерные съемники в противотоке обозначены позицией 15. На фиг.2 также показано в разрезе расположение кольцеобразного пленкообразующего элемента 8 на сплошной нагреваемой оболочке 7 в виде перфорированной корзины с перемешиванием. Этот кольцеобразный пленкообразующий элемент 8, таким образом, включает трубчатый венец 28, а также трубчатые кольца 12 со спиралями и ромбами из трубок. Труба для отвода газа или создания вакуума, как и на фиг.1, обозначена позицией 17, а позицией 16 обозначен вытеснитель торцевой крышки.
На фиг.3 показана точная конструкция кольцеобразных пленкообразующих элементов 8. На фиг.3 пленкообразующий элемент 8 показан в сечении, без ротора. Кольцеобразный пленкообразующий элемент 8 при этом включает трубчатый венец 28, а также трубчатые кольца 12 со спиралями и ромбами из трубок. Показано, что в конкретном случае круглого поперечного сечения, например в трубах, для обеспечения того, чтобы поддерживающая конструкция способствовала захвату полимера и образованию полос и пленок, реализована, как показано на фиг.3, трубчатая конструкция, обеспечивающая наличие отверстий треугольной или ромбовидной формы, в которых происходит вытягивание для образования пленки. Эти отверстия, таким образом, могут быть расположены на изгибах трубок, которые формируют соединение с оболочкой в виде корзины и обеспечивают то, что при вращательном движении оболочки всегда происходит увеличение поверхности пленки. Такое расположение также обладает тем преимуществом, что на съемниках происходит мягкий срез (срез при протяжке), в результате чего значительно сокращается потребление энергии. На фиг.3, кроме того, показаны соответствующие размеры труб и спиральных и треугольных отверстий. Размеры спиралей или ромбов выбирают в зависимости от полимера, который должен быть получен, и его вязкости. В случае полимеров с высокой вязкостью выбирают соответствующее увеличение, в то время как размеры, показанные на фиг.3, предпочтительны при продуктах с низкой вязкостью.
На фиг.4 в увеличенном виде показан частичный разрез конструкции торцевой крышки 5 реакторного устройства 25 по изобретению согласно фиг.1. Как следует из фиг.4, вариант реализации фиг.1 имеет эластичный съемник 21, который установлен совместно с нагревающей рубашкой 23 сплошной оболочки 7 в виде корзины, например, с помощью винтов; дополнительно можно также применять точечную сварку 30. Эластичный съемник 21, который выполнен в форме лопастей, обеспечивает предохранение торцевой крышки от загрязнения продуктом. Кроме того, он также обеспечивает возможность продувки инертным газом пространства, ограниченного эластичным съемником 21 и торцевой крышкой 5.