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WO2000000280A1 - TAYLORREAKTOR FÜR STOFFUMWANDLUNGEN, BEI DEREN VERLAUF EINE ÄNDERUNG DER VISKOSITÄT ξ DES REAKTIONSMEDIUMS EINTRITT - Google Patents

TAYLORREAKTOR FÜR STOFFUMWANDLUNGEN, BEI DEREN VERLAUF EINE ÄNDERUNG DER VISKOSITÄT ξ DES REAKTIONSMEDIUMS EINTRITT Download PDF

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WO2000000280A1
WO2000000280A1 PCT/EP1999/004370 EP9904370W WO0000280A1 WO 2000000280 A1 WO2000000280 A1 WO 2000000280A1 EP 9904370 W EP9904370 W EP 9904370W WO 0000280 A1 WO0000280 A1 WO 0000280A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reactor
taylor
rotor
wall
viscosity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1999/004370
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Ulrich Moritz
Sabine Kossak
Jessica Langenbuch
Heinz-Peter Rink
Werner Alfons Jung
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF Coatings GmbH
Original Assignee
BASF Coatings GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF Coatings GmbH filed Critical BASF Coatings GmbH
Priority to JP2000556863A priority Critical patent/JP2002519174A/ja
Priority to BR9911650-2A priority patent/BR9911650A/pt
Priority to US09/719,874 priority patent/US7122161B1/en
Priority to EP99929311A priority patent/EP1098697A1/de
Publication of WO2000000280A1 publication Critical patent/WO2000000280A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
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    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1946—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped conical

Definitions

  • the present invention relates to a new Taylor reactor for physical and / or chemical substance conversions, in the course of which a change in the viscosity v of the reaction medium occurs.
  • the present invention relates to a new process for converting substances, which is accompanied by a change in the viscosity of the reaction medium, under the conditions of the Taylor vortex flow.
  • the invention relates to substances which have been produced with the aid of the new method in the new Taylor reactor and to their use.
  • Taylor reactors which are used to convert substances under the conditions of the Taylor vortex flow are known. They essentially consist of two coaxial, concentrically arranged cylinders, the outer of which is fixed and the inner of which rotates. The volume formed by the gap between the cylinders serves as the reaction space. With increasing angular velocity coi of the inner cylinder, a number of different flow forms occur, which are characterized by a dimensionless characteristic number, the so-called Taylor number Ta.
  • the Taylor number is also dependent on the kinematic viscosity v of the fluid in the gap and on the geometric parameters, the outer radius of the inner cylinder ri, the inner radius of the outer cylinder r a and the gap width d, the difference between the two Radii according to the following formula:
  • This behavior is based on the fact that when the inner cylinder rotates with the outer igniter stationary, the fluid particles near the inner cylinder are subjected to a stronger centrifugal force than those which are further away from the inner cylinder. This difference in the acting centrifugal forces pushes the fluid particles from the inner to the outer cylinder. The centrifugal force counteracts the viscosity force, since the friction has to be overcome when the fluid particles move. If the rotational speed increases, then the centrifugal force also increases. The Taylor vortices arise when the centrifugal force becomes greater than the stabilizing viscosity force.
  • Taylor reactor If the Taylor reactor is provided with an inlet and outlet and operated continuously, a Taylor vortex flow results with a low axial flow.
  • Each pair of vertebrae moves through the gap, with only a small mass exchange between adjacent pairs of vertebrae.
  • the mixing within such vortex pairs is very high, whereas the axial mixing beyond the pair boundaries is only very low.
  • a pair of vortices can therefore be regarded as a well-mixed stirred kettle.
  • the flow system thus behaves like an ideal flow tube in that the vortex pairs move through the gap like ideal stirred tanks with a constant dwell time.
  • the Taylor reactors known to date can be used for emulsion polymerization.
  • Taylor reactors as photochemical reactors in which the light source is located in the inner cylinder (cf. the articles by Szechowski in Chemical Engineering Science, volume 50, volume 20, 1995, pages 3163 to 3173, by Haim and Pisms in Chemical Engineering Science, volume 49, volume 8, pages 1119 to 1129, and by Karpel Vel Leitner in Water Science and Technology, volume 35, volume 4, 1997, pages 215 to 222).
  • the object of the present invention is to propose a new Taylor reactor which no longer has the disadvantages of the prior art, but instead enables the conversion of substances to be carried out simply, elegantly, without problems and in high yields even if they are from a strong change in the viscosity v of the reaction medium is accompanied.
  • the reactor wall (1) and / or the rotor (2) is or are geometrically designed such that the conditions over essentially the entire reactor length in the reactor volume (5) for the Taylor vortex flow.
  • the new Taylor reactor for carrying out the material conversions is referred to below as the “Taylor reactor according to the invention”. Accordingly, the new process for converting substances under the conditions of the Taylor vortex flow is referred to as the "process according to the invention”.
  • Reactor length to maintain the conditions of the Taylor vortex flow when the viscosity v of the reaction medium changes greatly as it passes through the annular gap.
  • the change in the viscosity v of the reaction medium can be an increase or a decrease. Both changes can be several powers of ten in individual cases. Such a high increase in viscosity v occurs, for example, in bulk or in solution polymerization. Conversely, such a large drop in viscosity v results in the depolymerization. However, even under these process-technically particularly demanding conditions, the Taylor vortex flow is maintained in the Taylor reactor according to the invention.
  • the outer reactor wall (1) is stationary, whereas the rotor (2) rotates.
  • the outer reactor wall (1) and the rotor (2) rotate in the same direction, the angular velocity of the rotor (2) being greater than the angular velocity of the outer reactor wall (1).
  • the outer reactor wall (1) and the rotor (2) rotate in the opposite direction. Accordingly, the variant with the stationary outer reactor wall (1) is a special case of the second and third variant, which is preferred due to the simple structure and the considerably simpler process control.
  • the outer reactor wall (1) and the rotor (2) have an essentially circular circumference over the entire length of the reactor, viewed in cross section.
  • the term “essentially circular” is to be understood as strictly circular, oval, elliptical or triangular, rectangular, square, pentagonal, hexagonal or polygonal with rounded corners.
  • a strictly circular circumference is advantageous for reasons of simplicity of manufacture, simple construction and significantly easier maintenance of constant conditions over the entire length of the reactor.
  • the inner wall of the outer reactor wall (1) and / or the surface of the rotor (2) is smooth or rough, ie the surfaces in question have a low or high surface roughness. Additionally or alternatively the inner wall of the outer reactor wall (1) and / or the surface of the rotor (2) has a relief-like radial and / or axial, preferably radial, surface profile. If a radial surface profile is present, it is advantageously approximately or exactly dimensioned like the Taylor swirl rings.
  • the inner wall of the outer reactor wall (1) and the surface of the rotor (2) are smooth in order to avoid blind spots in which gas bubbles or starting materials and products could settle.
  • the Taylor reactor according to the invention is - viewed in the longitudinal direction - mounted vertically, horizontally or in a position between these two directions. Vertical storage is advantageous according to the invention. If the Taylor reactor according to the invention is not mounted horizontally, the reaction medium can flow from bottom to top against the force of gravity or from top to bottom with the force of gravity. According to the invention, it is advantageous if the reaction medium is moved against gravity.
  • the rotor (2) of the Taylor reactor according to the invention is mounted centrally or eccentrically. That is, its longitudinal axis coincides with the longitudinal axis of the outer reactor wall (1) (centrically) or not (eccentrically). In the latter case, the longitudinal axis of the rotor (2) can be parallel to the longitudinal axis of the outer reactor wall (1) or can be inclined at an acute angle against it. According to the invention, it is advantageous if the rotor (2) is mounted centrally.
  • the Taylor reactor according to the invention contains, as further essential components, a reactor base (3) and a reactor cover (4) which, together with the outer reactor wall (1) and the rotor (2), define the annular-shaped reactor volume (5) and pressure and gas-tight to the outside to lock.
  • Suitable reactor trays (3) and reactor covers (4) are common and known; reference is made, for example, to the patents DE-B-1 071 241 and EP-A-0 498 583.
  • the Taylor reactor according to the invention contains, as a further essential component, at least one conventional and known device (6) for metering in educts.
  • An example of a suitable device (6) is a nozzle with a suitable cross section.
  • the device (6) can be embedded in the reactor base (3), the reactor cover (4), the outer reactor wall (1) or the rotor (2).
  • the Taylor reactor according to the invention can also contain at least one further device (6) which is arranged at the same height as the first or offset from it in the flow direction.
  • Such a further device (6) is particularly advantageous when starting materials and / or catalysts are to be replenished.
  • the devices (6) are usually connected via suitable feed lines with metering pumps, storage vessels, etc. connected.
  • Taylor reactor Another essential component of the Taylor reactor according to the invention is the device (7) for the discharge of the products.
  • the device (7) is embedded in the reactor bottom (3), the outer reactor wall (1) or in the reactor cover (4). It is also usually suitable
  • the device (7) is particularly advantageous to attach the device (7) to the upper end of the Taylor reactor according to the invention, the highest point being particularly preferred because the formation of a gas phase is avoided in this configuration. This is particularly necessary if there is a risk of the formation of explosive mixtures or the separation of solids such as polymers from the gas phase.
  • the components of the Taylor reactor according to the invention can consist of a wide variety of suitable materials.
  • suitable materials are plastic, glass or metals such as stainless steel, nickel or copper.
  • the individual components can be made from different materials. The choice of materials depends on the intended use of the Taylor reactor according to the invention and on the individual reaction conditions and can therefore be carried out in a simple manner by a person skilled in the art. If, for example, the Taylor reactor according to the invention is to be used as a photoreactor, the rotor (2) can consist of glass which is transparent to actinic light.
  • the outer reactor wall (1) is advantageous according to the invention to manufacture the outer reactor wall (1) from glass or transparent plastic.
  • Taylor reactors of this type according to the invention are also outstandingly suitable for carrying out preliminary tests. Otherwise, according to the invention, it is advantageous to use stainless steel.
  • the rotor (2) is connected in the usual and known manner, for example via a magnetic coupling, to a continuously variable drive.
  • the Taylor reactor according to the invention can also contain conventional and known devices which are used for heating and / or cooling or for measuring pressure, temperature, substance concentrations, viscosity and other physico-chemical parameters, and with conventional and known mechanical devices , hydraulic and / or electronic measuring and control devices.
  • All of these components of the Taylor reactor according to the invention are connected to one another in such a way that the reaction medium is enclosed in a pressure-tight and gas-tight manner and is tempered in a suitable manner.
  • the temperature is controlled in one or more temperature zones, which are operated in cocurrent or in countercurrent.
  • the outer reactor wall (1) and / or the rotor (2) are geometrically designed such that the annular gap widens in the flow direction.
  • the annular gap - seen in longitudinal section through the Taylor reactor according to the invention - can widen continuously or discontinuously according to any suitable mathematical functions.
  • the extent of the broadening depends on the expected increase in the viscosity of the reaction medium in the flow direction and can be estimated by a person skilled in the art using the Taylor formula and / or determined using simple preliminary tests.
  • Examples of suitable mathematical functions according to which - seen in longitudinal section through the Taylor reactor according to the invention - the circumference of the outer reactor wall (1) and / or the rotor (2) increases or increases are straight lines, at least two straight lines, which are at an obtuse angle to one another encounter, hyperbolas, parabolas, e-functions or combinations of these functions, which merge into one another continuously or discontinuously.
  • the broadening can be achieved by increasing the circumference of the outer reactor wall (1) as seen in the direction of flow, the circumference of the rotor (2) remaining constant, likewise increasing or decreasing.
  • this can be achieved by keeping the diameter of the outer reactor wall (1) constant, whereas the circumference of the rotor (2) is reduced.
  • Advantageous Taylor reactors according to the invention have a conical outer reactor wall (1), which accordingly has the shape of a single truncated cone or is composed of several truncated cones.
  • the truncated cone or the truncated cones can be distorted in a pillow or barrel shape. However, undistorted truncated cones are particularly preferred.
  • Advantageous Taylor reactors according to the invention also have a conical or cylindrical rotor (2).
  • the conical rotor (2) can be pincushion-shaped or barrel-shaped.
  • undistorted cylindrical rotors (2) are used with particular preference.
  • the outer reactor wall (1) and / or the rotor (2) are geometrically designed such that the annular gap narrows in the flow direction.
  • the annular gap - seen in longitudinal section through the Taylor reactor according to the invention - can narrow continuously or discontinuously according to suitable mathematical functions.
  • the extent of the restriction depends on the expected decrease in the viscosity of the reaction medium in the flow direction and can be estimated by a person skilled in the art using the Taylor formula (I) and / or determined using simple preliminary tests.
  • suitable mathematical functions according to which - seen in longitudinal section through the Taylor reactor according to the invention - the circumference of the outer reactor wall (1) and / or the rotor (2) decreases or decrease are straight lines, at least two straight lines, which are at an obtuse angle to one another encounter, hyperbolas, parabolas, e-functions or combinations of these functions, which merge into one another continuously or discontinuously.
  • the narrowing can be achieved by reducing the circumference of the outer reactor wall (1) as seen in the direction of flow, the circumference of the rotor (2) remaining constant, increasing or also decreasing.
  • this can be achieved by keeping the diameter of the outer reactor wall (1) constant, whereas the circumference of the rotor (2) increases.
  • the variants according to the invention are preferred, in which the scope of the Rotor (2) remains constant or also increases.
  • Advantageous Taylor reactors according to the invention also have a conical outer reactor wall (1), which accordingly has the shape of a single truncated cone or is composed of several truncated cones.
  • the truncated cone or the truncated cones can be distorted in a pillow or barrel shape. However, undistorted truncated cones are particularly preferred.
  • Advantageous Taylor reactors according to the invention also have a conical or cedar-shaped rotor (2).
  • shape of the conical rotor (2) what has been said in the previous paragraph applies analogously.
  • cylinder-shaped rotor (2) can be distorted in a pillow or barrel shape.
  • undistorted celestial-shaped rotors (2) are used with particular preference.
  • the Taylor reactor according to the invention is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the process according to the invention can be operated continuously or discontinuously; however, its special advantages are evident in continuous operation.
  • the educt or the educts are continuously metered into the annular-shaped reactor volume (5) via at least one device (6).
  • the resulting products are continuously removed from the Taylor reactor according to the invention via the device (7) and processed in a suitable manner.
  • the residence time in the reactor is between 0.5 minutes and 5 hours, preferably 2 minutes and 3 hours, particularly preferably 10 minutes and 2 hours and in particular 15 minutes and 1.5
  • the pressure in the annular gap-shaped reaction volume (5) is 0 to 200 bar, which is why the process according to the invention can also be carried out with liquefied or supercritical gases, such as supercritical carbon dioxide.
  • the pressure is preferably at 0.5 to 100, in particular 0.5 to 50, bar. If the method according to the invention is carried out at higher pressure, the Taylor reactor according to the invention with supply lines and discharge lines must be designed to be pressure-tight in order to comply with the safety regulations.
  • the inventive method is carried out at temperatures between -100 and 500 ° C.
  • the Taylor reactor according to the invention is equipped with suitable conventional and known cooling and / or heating devices.
  • the reaction temperatures are preferably between -10 and 300 ° C, especially 50 and 250 ° C.
  • the person skilled in the art can determine the temperature suitable for the respective substance conversion on the basis of simple preliminary tests or estimate it on the basis of known thermodynamic data.
  • the Taylor number Ta of the reaction medium or Huid is advantageously from 1 to 10,000, preferably from 5 to 5000 and in particular from 10 to 2500.
  • the Reynolds number which is defined by the following equation (H), should be from 1 to 10000.
  • the viscosity v of the reaction medium changes.
  • the viscosity v can increase or decrease.
  • the change can amount to several powers of ten without this interfering with the implementation of the method according to the invention. It is only necessary to ensure that the annular gap of the Taylor reactor according to the invention widens or narrows in such a way that it corresponds to the change in viscosity in the course of the substance conversions, so that the Taylor vortex flow is maintained throughout the reactor.
  • the person skilled in the art can determine the course of the change in viscosity on the basis of simple preliminary tests.
  • a very special advantage of the Taylor reactor according to the invention and the method according to the invention is to link the local successive in the Taylor reactor with the temporal successive of discontinuous or semi-continuous (dosing) processes.
  • the Taylor reactor according to the invention and the method according to the invention thus offer the advantage of a continuous quasi "one-step" process, so that in the first flow through the section of the Taylor reactor and in a second or further section - seen in the axial flow direction - after a further device (6) for metering in educts and / or catalysts, a second, third, etc. reaction.
  • substance conversions to which the method according to the invention can be applied with particular advantage are, in particular, the build-up or decomposition of low-molecular and high-molecular substances, such as the polymerization of monomers in bulk, solution, emulsion or suspension or by precipitation polymerization on the one hand and the depolymerization of the resulting polymers or other high-molecular substances on the other.
  • polymerization is also to be understood to mean the copolymerization and the block copolymerization as well as the polycondensation and the polyaddition.
  • Polyurethane resins such as acrylated polyurethanes, - the production of (poly) ureas or modified (poly)
  • Isocyanate groups are terminated, or reactions which lead to the formation of mesosphases, as described, for example, by Antonietti and Göltner in the article "Superstructure of functional coüoids: a chemistry in the nanometer range” in Angewandte Chemie, volume 109, 1997, pages 944 to 964, or by Ober and Wengner in the article "Polyelectrolyte-Surfactant Complexes in the Solid State: Facile Building Blocks for Self-Organizing Materials” in Advanced Materials, volume 9, volume 1, 1997, pages 17 to 31.
  • the process according to the invention is used with very particular advantage for the polymerization of olefinically unsaturated monomers, because the particular advantages of the Taylor reactor according to the invention and the process according to the invention are particularly apparent.
  • the method according to the invention is used particularly preferably for the production of chemically uniform copolymers.
  • the faster polymerizing comonomer or the faster polymerizing comonomers are metered in via devices (6) arranged one behind the other in the axial direction, so that the comonomer ratio is kept constant over the entire length of the reactor.
  • the process according to the invention is also used with particular preference for the graft copolymerization.
  • the so-called backbone polymer is produced in the first section of the Taylor reactor according to the invention, after which at least one comonomer, which forms the graft branches, is metered in via at least one further device (6) which is offset in the axial direction.
  • the comonomer or the comonomers are then grafted onto the backbone polymer in at least one further section of the Taylor reactor according to the invention. If several comonomers are used, they can be metered in individually via one device (6) or as a mixture through one or more devices (6). If at least two comonomers are metered in individually and in succession by at least two devices (6), even get even the production of graft branches, which are block copolymers in their own right, in a particularly simple and elegant manner.
  • the production of core-shell latices can be realized particularly simply and elegantly with the aid of the method according to the invention.
  • the core is first produced by polymerizing at least one monomer.
  • At least one further comonomer is metered in via at least one further device (6) and the shell is polymerized onto the core in at least one further section. In this way, several shells can be applied to the core.
  • Polymer dispersions can also be produced using the process according to the invention.
  • at least one monomer in the homogeneous phase in particular in solution, is polymerized in a first section of the Taylor reactor (co) according to the invention, after which at least one additional device (6) is used to meter in a fining agent, resulting in the polymer dispersions.
  • the Taylor reactor according to the invention has the particular advantage of a large specific cooling surface, which allows a particularly reliable reaction to be carried out.
  • Suitable monomers which are suitable for the process according to the invention are acycüsche and cycüsche, possibly functionalized monoolefins and diolefins, vinylaromatic compounds, vinyl ethers, vinyl esters, vinylamides, vinyl halides, AUylether and AUylester, acrylic acid, and methacrylic acid and its esters, amides and nitriles and maleic acid, fumaric acid and itaconic acid and their esters, amides, imides and anhydrides.
  • Suitable mono-olefins are ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene, cyclobutene, cyclopentene and cyclohexene.
  • diolefins examples include butadiene, isoprene, cyclopentadiene and cyclohexadiene.
  • Suitable vinyl aromatic compounds are styrene, alpha
  • An example of a suitable vinyl compound or a functionalized olefin is vinylcyclohexanediol.
  • Suitable vinyl ethers are methyl, ethyl, propyl, butyl and pentyl vinyl ether, AUyl monopropoxylate and trimethylolpropane mono, di and triallyl ether.
  • Suitable vinyl esters are vinyl acetate and propionate and the vinyl esters of versatic acid and other quaternary acids.
  • Suitable vinylamides are N-methyl-, N, N-dimethyl-, N-ethyl-, N-propyl-, N-butyl-, N-amyl-, N-cyclopentyl- and N-cyclohexylvinylamide as well as N-vinylpyrroudone and - epsilon-caprolactam.
  • Suitable vinyl halides are vinyl fluoride and chloride.
  • Examples of suitable vinyl halides are vinyltide fluoride and chloride.
  • Examples of suitable AU ethers are methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, phenyl and glycidyl monoallyl ethers.
  • Suitable AUyl esters are allyl acetate and propionate.
  • esters of acrylic acid and methacrylic acid are methyl, ethyl, propyl, n-butyl, isobutyl, n-pentyl, n-hexyl, 2-ethyl-hexyl, isodecyl, decyl and cyclohexyl , t-butylcyclohexyl, norbonyl, isobornyl, 2 and 3 hydroxypropyl, 4-hydroxybutyl, trimethylolpropane mono-, pentaerythritol mono- and glycidyl (meth) acrylate.
  • the di-, tri- and tetra- (meth) acrylates of ethylene glycol, di-, tri- and tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, butylene glycol, dibutylene glycol, glycerol, trimethylolpropane and pentaerythritol are also suitable. However, they are not used alone, but always in minor amounts together with the monofunctional monomers.
  • Suitable amides of acrylic acid methacrylic acid are (meth) acrylic acid amide and (meth) acrylic acid-N-methyl-, -N, N-dimethyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N -amyl-, -N-cyclopentyl- and -N-cyclohexylamide.
  • Suitable nitriles are acrylonitrile and methacrylonitrile.
  • esters, amides, imides and anhydrides of maleic acid, fumaric acid and itaconic acid are maleic acid, fumaric acid and itaconic acid dimethyl, diethyl, dipropyl and dibutyl esters, maleic acid,
  • Fumaric acid and itaconic acid diamide maleic acid, fumaric acid and itaconic acid - N, N'-dimethyl-, -N, N, N ', N -tetamethyl-, -N, N' -diethyl-, -N, N '-dipropyl -, -N, N'- dibutyl-, -N, N -'diamyl-, -N, N'-dicyclopentyl- and -N, N-'dicyclohexyldiamid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid imide and maleic acid, fumaric acid and itaconic acid-N-methyl-, -N-ethyl-, -N-propyl-, -N-butyl-, -N-amyl-, -N- cyclopentyl- and -N-cyclohexyumide as well as maleic,
  • the monomers described above can be polymerized radically, cationically or anionically. They are advantageously polymerized radically.
  • the usual and known inorganic radical initiators such as hydrogen peroxide or chewing oxodisulfate or the usual and known organic radical initiators such as dialkyl peroxides, e.g. Di-tert-butyl peroxide, di-part, amyl peroxide and dicumyl peroxide; Hydroperoxides, e.g. Cumene hydroperoxide and tertiary butyl hydroperoxide; Perester, e.g. tert.-
  • styrene can also be used, which initiates polymerization thermally even without a radical initiator.
  • the polymers produced in the process according to the invention have particular advantages and are therefore outstandingly suitable for external uses, as are usually provided for such high-molecular substances, such as, for example, the production of molded parts. Above all, however, they can be used as components for paints, adhesives and other coating materials and foils. Here they are used in particular as binders, since the lacquers, the adhesives and the other coating materials and the films which contain or consist of the binders produced in the process according to the invention have particularly excellent application properties.
  • varnishes which contain the binders produced by the process according to the invention.
  • these varnishes are physically drying or become thermal, with actinic light, especially UV light, or hardened by electron radiation.
  • They are available as powder coatings, powder slurry coatings, coatings dissolved in organic media or aqueous coatings. They can contain coloring and / or effect pigments. They are used as decorative paints for indoor and outdoor use, as paints for furniture, windows, coils and other industrial applications, as automotive paints for original equipment (OEM) or as car refinish paints. When used in the automotive sector, they can be used as electrocoat materials, fillers, basecoats and clearcoats.
  • the paints which contain the binders produced in the process according to the invention are superior to the conventional paints.
  • the Taylor reactor according to the invention according to FIG. 1 was used for the chain extension of partially saponified polyvinyl acetate (proportion of hydroxyl groups: 88 mol%; proportion of acetate groups: 12 mol%).
  • the Taylor reactor had a 25 cm high outer reactor wall (1) made of glass of strictly circular circumference, the circumference or the diameter of which increased linearly along the reactor axis in the flow direction.
  • the minimum diameter of the outer reactor wall (1) on the reactor base (3) was 52 mm, and the maximum diameter on the reactor cover (4) was 102 mm.
  • the Taylor reactor according to the invention contained a straight, centrally mounted, strictly cylindrical rotor (2) made of stainless steel with a radius of 21 mm. This increased the gap width d from 5 mm at the lower end of the Taylor reactor to 30 mm at the upper end.
  • the rotor (2) was connected to a steplessly adjustable stirrer motor via a straight shaft (2.1), which led sealed through the reactor cover (4).
  • the reactor cover (4) and the reactor bottom (3) consisted of stainless steel; the seal between them and the corresponding end of the reactor wall (1) was made using conventional and known plastic sealing rings.
  • the device (6) for metering in the starting materials and the device (7) for the product flow were advances made of glass with threads, to which an inlet and an outlet hose were fastened with the help of union nuts.
  • the Taylor reactor was continuously fed with a mixture of 4 parts of polyvinyl alcohol, 96.16 parts of water and 0.16 part of glutardialdehyde at a volume flow of 33.3 ml / min via the device (6).
  • 42% nitric acid was metered into the mixture via a separate pump with a volume flow of 0.16 ml / min.
  • the average residence time in the Taylor reactor was 30 min at a temperature of 22 ° C.
  • the stirrer number was 250 rpm.
  • the viscosity of the starting material was 10 mm 2 / s.
  • the solution of the chain-extended polyvinyl alcohol on the device (7) had a viscosity of 47 mm 2 / s.
  • Double jacket was a mixture of 15.8 parts of styrene, 16.5 parts of MMA, 11.6 parts of tert-butylcyclohexyl acrylate, 24.7 parts of hydroxypropyl methacrylate, 22.3 parts of SheUsol A, 7.4 parts of xylene, 0.3 parts of Di -Tert.-Butylperoxid, 0.05 Teüen tert.-Butylperoxyethylhexanoat and 1.2 parts of Dicumylperoxid metered with two pumps. The educt is metered in at the bottom of the reactor, while the polymer formed is continuously tapped off at the reactor outlet at the top of the reactor wall. The reaction was carried out at a temperature of 160 ° C. and a stirrer speed of 300 min -1
  • the resulting polymer melt had a solids content of 68.4% (1 h, 130 ° C.) and a viscosity of 3.0 dPas 50% in butyl acetate.
  • the gel chromatography Measurement of the polymer has an M n of 3215 and an M w of 8081.
  • the glass transition temperature of the polymers was 69 ° C., determined by means of DSC from the DSC midpoint.
  • a hardening solution was prepared from the following components by mixing:
  • a setting additive was made from the following components by mixing:
  • a catalyst solution was prepared by mixing 1.0 part of dibutyltin dilaurate and 99 parts of 98% butyl acetate 1
  • a leveling agent solution was prepared by mixing 5.0 parts of a commercially available leveling agent based on a polyether-modified methylpolysiloxane (Baysilone R OL44 4) ) and 95 parts of xylene.
  • a base coat was made by mixing the following components:

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Abstract

Taylorreaktor zur Durchführung von Stoffumwandlungen mit 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, mindestens einer Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten sowie einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf, wobei bei der Stoffumwandlung eine Änderung der Viskosität nu des Reaktionsmediums eintritt und 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.

Description

Taylorreaktor für Stoffumwandlungen, bei deren Verlauf eine Änderung der Viskosität vdes Reaktionsmediums eintritt
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Taylorreaktor für physikalische und/oder chemische Stoffumwandlungen, in deren Verlauf eine Änderung der Viskosität v des Reaktionsmediums eintritt. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Stoffumwandlung, welche von einer Viskositätsänderung des Reaktionsmediums begleitet ist, unter den Bedingungen der Taylor- Wirbelströmung. Des weiteren betrifft die Erfindung Stoffe, welche mit Hilfe des neuen Verfahrens in dem neuen Taylorreaktor hergestellt worden sind, sowie deren Verwendung.
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 coi des Innenzylinders treten einer 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 v des Fluids im Spalt und von den geometrischen Parametern, dem äußeren Radius des nenzylinders ri, dem inneren Radius des Außenzylinders ra und der Spaltbreite d, der Differenz beider Radien, gemäß der folgenden Formel:
Ta = coi rj d v"1(d/ ri)1/2 (I) mit d = ra - Ά.
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 Tonis (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 Außenzyünder 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 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. 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 Rockungsreaktoren zur Abwässerreinigung (vgl. hierzu den Artikel von Grohmann in BMFT-FB-T 85-070, 1985) ist beschrieben worden.
Bei all diesen bekannten Stoffumwandlungen in Taylorreaktoren ändert sich die Viskosität v des Fluids gar nicht oder nur unwesentlich. Dadurch bleiben bei streng zylinderförmiger Geometrie des Innern- 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 v 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
Strömungverhältaisse 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 Moimassenverteilung 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 ärmlicher 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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Taylorreaktor vorzuschlagen, welcher 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 sie von einer starken Änderung der Viskosität v des Reaktionsmediums, begleitet ist.
Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Stoffumwandlung unter den Bedingungen der Taylor- Wirbelströmung zu finden, bei dem sich die Viskosität v des Fluids im Ringspalt, d. h. des Reaktionsmediums, stark ändert.
Demgemäß wurde der neue Taylorreaktor zur Durchführung von Stoffumwandlungen gefunden 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
Edukten sowie c) einer Vorrichtung (7) für den Produktablauf,
wobei
d) bei der Stoffumwandlung eine Änderung der Viskosität v 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.
Im folgenden wird der neue Taylorreaktor zur Durchführung der Stoffumwandlungen der Kürze halber als "erfmdungsgemäßer Taylorreaktor" bezeichnet. Dementsprechend wird das neue Verfahren zu Umwandlung von Stoffen unter den Bedingungen der Taylor- Wirbelströmung als "erfmdungsgemäßes Verfahren" bezeichnet.
Im Hinblick auf den Stand der Technik war überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, daß es möglich ist, durch die geometrische Gestaltung der Reaktorwand (1) und/oder des Rotors (2) bei axialem Durchfluß des Reaktionsmediums durch den Taylorreaktor selbst dann auf der gesamten
Reaktorlänge die Bedingungen der Taylor-Wirbelströmung beizubehalten, wenn sich die Viskosität v des Reaktionsmediums bei seiner Passage durch den Ringspalt stark ändert.
Bei der Änderung der Viskosität v des Reaktionsmediums kann es sich erfϊndungsgemäß um einen Anstieg oder einen Abfall handeln. Beide Änderungen können im Einzelfall mehrere Zehnerpotenzen betragen. Ein solch hoher Anstieg der Viskosität v tritt beispielsweise bei der Polymerisation in Masse oder in Lösung ein. Umgekehrt resultiert ein solch hoher Abfall der Viskosität v bei der Depolymerisation. Doch selbst unter diesen verfahrenstechnisch besonders anspruchsvollen Bedingungen bleibt im erfmdungsgemäßen Taylorreaktor die Taylor- Wirbelströmung erhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Taylorreaktor ist die äußere Reaktorwand (1) stationär, wogegen der Rotor (2) sich dreht. In einer weiteren Varianten 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 vorüegenden Erfindung ist unter dem Begriff "im wesentlichen kreisförmig" streng 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 streng kreisförmiger Umfang von Vorteil.
Erfmdungsgemäß ist die Innenwand der äußeren Reaktorwand (1) und/oder die Oberfläche des Rotors (2) 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 vorhanden, ist es vorteilhafterweise in etwa oder genau so dimensioniert wie die Taylor- Wirbelringe.
Erfmdungsgemäß ist es von 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 erfmdungsgemäße Taylorreaktor ist - in Längsrichtung gesehen - vertikal, horizontal oder in einer Lage zwischen diesen beiden Richtungen gelagert. Erfmdungsgemäß von Vorteil ist die vertikale Lagerung. Wenn der erfmdungsgemäße 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. Erfmdungsgemäß ist es von Vorteil, wenn das Reaktionsmedium entgegen der Schwerkraft bewegt wird.
Der Rotor (2) des erfmdungsgemäßen Taylorreaktors ist zentrisch oder exzentrisch gelagert. D. h., seine Längsachse stimmt mit der Längsachse der äußeren Reaktorwand (1) überein (zentrisch) oder nicht (exzentrisch). In letzterem Fall kann die Längsachse des Rotors (2) parallel zur Längsachse der äußeren Reaktorwand (1) Hegen oder hiergegen in einem spitzen Winkel geneigt sein. Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn der Rotor (2) zentrisch gelagert ist.
Der erfindungsgemäße 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 übüch und bekannt; beispielhaft sei auf die Patentschriften DE-B-1 071 241 und EP-A-0 498 583 verwiesen.
Desweiteren enthält der erfmdungsgemäße Taylorreaktor als weiteren wesentüchen Bestandteil mindestens eine übüche 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 erfmdungsgemäße Taylorreaktor noch mindestens eine weitere Vorrichtung (6) enthalten, welche in gleicher Höhe wie die erste oder in Durchflußrichtung versetzt von dieser angeordnet ist. Eine solche weitere Vorrichtung (6) ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Edukte und/oder Katalysatoren nachdosiert werden sollen. Üblicherweise sind die Vorrichtungen (6) über geeignete Zuleitungen mit Dosierpumpen, Vorratsgefäßen u.a. verbunden.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des erfmdungsgemäßen Taylorreaktors bis 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. Erfindungsgemäß ist es von besonderem Vorteil, die Vorrichtung (7) am oberen Ende des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen 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 Materiaüen bestehen. Beispiel geeigneter Materialien sind Kunststoff, Glas oder Metalle wie Edelstahl, Nickel oder Kupfer. Hierbei können die einzelnen Bestandteile aus jeweils unterschiedlichen Materiaüen hergestellt sein. Die Auswahl der Materialien richtet sich nach dem Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Taylorreaktors und nach den einzelnen Reaktionsbedingungen und kann deshalb vom Fachmann in einfacher Weise vorgenommen werden. Soll beispielsweise der erfindungsgemäße Taylorreaktor als Photoreaktor verwendet werden, kann der Rotor (2) aus Glas bestehen, welches für aktinisches Licht durchlässig ist. Wenn bei den Stoff Umwandlungen die Taylor-Wirbelringe und ihre axiale Bewegung visuell überwacht werden sollen, ist es erfmdungsgemäß von Vorteil, die äußere Reaktorwand (1) aus Glas oder transparentem Kunststoff anzufertigen. Erfmdungsgemäße Taylorreaktoren dieser Art eignen sich auch hervorragend für die Durchführung von Vorversuchen. Ansonsten ist es erfmdungsgemäß von Vorteil, Edelstahl zu verwenden.
Der Rotor (2) ist in üblicher und bekannter Weise beispielsweise über eine Magnetkupplung mit einem stufenlos regelbaren Antrieb verbunden.
Außer den vorstehend in Detail beschriebenen wesentlichen Bestandteilen kann der erfindungsgemäße Taylorreaktor noch übüche und bekannte Vorrichtung enthalten, welche dem Heizen und/oder Kühlen oder dem Messen von Druck, Temperatur, Stoffkonzentrationen, Viskosität und anderen physikalisch chemischen Größen dienen, sowie mit übüchen und bekannten mechanischen, hydraulischen und/oder elektronischen Meß- und Regelvorrichtungen verbunden sein.
Alle diese Bestandteile des erfindungsgemäßen 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.
Wird der erfindungsgemäße Taylorreaktor für das erfmdungsgemäße Verfahren verwendet, bei welchem die Viskosität v 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.
Erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäßen 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 kontinuiertich oder diskontinuierüch 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 erfmdungsgemäßen Varianten der Vorzug gegeben, bei denen der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt oder sich ebenfalls erhöht.
Vorteilhafte erfmdungsgemäße 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 erfmdungsgemäße 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. Erfindungsgemäß werden unverzerrte zylinderförmige Rotoren (2) besonders bevorzugt verwendet.
Wird der erfmdungsgemäße Taylorreaktor für das erfmdungsgemäße Verfahren verwendet, bei welchem die Viskosität v 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 erfmdungsgemäßen Taylorreaktor gesehen - nach beüebigen geeigneten mathematischen Funktionen kontinuierlich oder diskontinuierlich verengen. Das Ausmaß der Verengung richtet sich nach dem erwarteten AbfaU 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 erfindungsgemäßen 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 Hinbück darauf, daß bei der Verringerung des Umfangs des Rotors (2) die Hache zur Übertragung der Reibungskräfte immer geringer wird und sich der Rotor (2) deshalb immer schneller drehen müßte, wird den erfmdungsgemäßen Varianten der Vorzug gegeben, bei denen der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt oder sich ebenfalls erhöht.
Vorteilhafte erfindungsgemäße 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 erfmdungsgemäße Taylorreaktor weisen außerdem einen konischen oder zyünderförmigen Rotor (2) auf. Hinsichtlich der Form des konischen Rotors (2) gilt das im vorstehenden Absatz Gesagte sinngemäß. Desgleichen kann der zyünderförmige Rotor (2) kissenförmig oder tonnenförmig verzerrt sein. Erfindungsgemäß werden unverzerrte zyünderförmige Rotoren (2) besonders bevorzugt verwendet. Der erfmdungsgemäße Taylorreaktor ist vorzügüch für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuiertich oder diskontinuierüch betrieben werden; seine besonderen Vorteile werden indes beim kontinuierlichen Betrieb offenbar.
Zu seiner Durchführung wird das Edukt oder werden die Edukte über mindestens eine Vorrichtung (6) dem ringspaltförmigen Reaktorvolumen (5) kontinuiertich zudosiert. Die resultierenden Produkte werden kontinuierlich über die Vorrichtung (7) aus dem erfmdungsgemäßen 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 jeweüige 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 erfmdungsgemäße Verfahren auch mit verflüssigten oder überkritischen Gasen, wie überkritisches Kohlendioxid ausgeführt werden kann. Vorzugsweise üegt der Druck bei 0,5 bis 100, insbesondere 0,5 bis 50 bar. Wird das erfindungsgemäße Verfahren bei höherem Druck durchgeführt, ist der erfindungsgemäße Taylorreaktor mit Zuleitungen und Ableitungen druckdicht auszulegen, um den Sicherheitsvorschriften genüge tun.
Das erfmdungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen zwischen -100 und 500 °C durchgeführt. Zu diesem Zweck wird der erfindungsgemäße Taylorreaktor mit geeigneten übüchen und bekannten Kühl- und/oder Heizvorrichtungen ausgerüstet. Vorzugsweise hegen die Reaktionstemperaturen zwischen -10 und 300 °C, insbesondere 50 und 250 °C. Die für die jeweiüge 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 Huids bei 1 bis 10000, vorzugsweise 5 bis 5000 und insbesondere 10 bis 2500. Hierbei soll Reynoldszahl, die durch die nachfolgende Gleichung (H) definiert ist, bei 1 bis 10000 betragen.
Re = vd/v (II)
mit v = axiale Geschwindigkeit und mit d = ra - r; (n = äußerer Radius des Innenzylinders; ra = innerer Radius des
Außenzylinders und d = Spaltbreite).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich die Viskosität v des Reaktionsmediums. Hierbei kann die Viskosität v steigen oder sinken. DieDie 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 erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen Taylorreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, das örtüche Nacheinander im Taylorreaktor mit dem zeitlichen Nacheinander von diskontinuierüchen oder halbkontinuierüchen (Dosier-) Prozessen zu verknüpfen. Der erfindungsgemäße Taylorreaktor und das erfindungsgemäße Verfahren bieten somit den Vorteü 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) zur Zudosierung von Edukten und/oder Katalysatoren eine zweite, dritte, etc. Reaktion.
Beispiele für Stoffumwandlungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil angewandt werden kann, sind insbesondere der Aufbau oder Abbau niedermolekularer und hochmolekularer Stoffe, wie z.B. die Polymerisation von Monomeren in Masse, Lösung, Emulsion oder Suspension oder durch Fällungspolymerisation einerseits und die Depolymerisation der hierbei resultierenden Polymerisate oder anderer hochmolekularer Stoffe anderseits. Im Rahmen der vorüegenden Erfindungen ist unter dem Begriff "Polymerisation" auch die Copolymerisation und die Blockmischpolymerisation sowie die Polykondensation und die Polyaddition zu verstehen.
Weitere Beispiele für solche Stoffumwandlungen sind
polymeranaloge Reaktionen, wie die Veresterung, Amidierung oder
Urethanisierung von Polymeren, welche Seitengruppen enthalten, die für solche Reaktionen geeignet sind, die Hersteüung olefmisch ungesättigter, mit Elektronenstrahlen oder ultraviolettem Licht härtbaren Materiaüen, die Hersteüung von Polyurethanharzen und modifizierten
Polyurethanharzen wie acrylierten Polyurethanen, - die Hersteüung von (Poly) Harnstoffen oder modifizierten (Poly)
Harnstoffen, der Molekulargewichtsaufbau von Verbindungen, welche mit
Isocyanategruppen terminiert sind, oder Reaktionen, welche zur Bildung von Mesosphasen fuhren, wie sie beispielsweise von Antonietti und Göltner in dem Artikel "Überstruktur funktioneUer Koüoide: eine Chemie im Nanometerbereich " in Angewandte Chemie, Band 109, 1997, Seiten 944 bis 964, oder von Ober und Wengner in dem Artikel "Polyelectrolyte-Surfactant Complexes in the Solid State: Facile Building Blocks for Self-Organizing Materials" in Advanced Materials, Band 9, Heft 1,1997, Seiten 17 bis 31, beschrieben werden.
Mit ganz besonderem Vorteil wird das erfmdungsgemäße Verfahren für die Polymerisation von olefmisch ungesättigten Monomeren angewandt, weil hierbei die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Taylorreaktors und es erfmdungsgemäßen Verfahrens besonders offen zu Tage treten.
So wird das erfmdungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt für die Herstellung von chemisch 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 ComonomerenverhäTtnis über die gesamte Länge des Reaktors hinweg konstant gehalten wird.
Auch für die Pfropfmischpolymerisation wird das erfmdungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt verwendet. Hierbei wird in dem ersten Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors das sogenannte Backbone-Polymerisat hergestellt, wonach über mindestens eine weitere, in axialer Richtung versetzte Vorrichtung (6) mindestens ein Comonomer, welches die Pfropfäste bildet, zudosiert wird. Das Comonomer wird oder die Comonomeren werden dann in erfmdungsgemäßer Verfahrensweise in mindestens einem weiteren Teilstück des erfindungsgemäßen Taylorreaktors 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) zudosiert werden. Werden mindestens zwei Comonomere einzelnen und nacheinander durch mindestens zwei Vorrichtungen (6) zudosiert, getingt sogar die Herstellung von Pfropfästen, welche für sich selbst gesehen Blockmischpolymerisate sind, in besonders einfacher und eleganter Weise.
Selbstverständüch kann dieses vorstehend beschriebene Konzept auch der Herstellung von Blockmischpolymerisaten als solchen dienen.
In analoger Weise kann mit Hilfe des erfmdungsgemäßen Verfahrens die Herstellung von Kern-Schale-Latices besonders einfach und elegant verwirklicht werden. So wird zunächst im ersten Teilstück des erfmdungsgemäßen Taylorreaktors der Kern durch Polymerisation mindestens eines Monomeren 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 erfindungsgemäßen Taylorreaktors (co)polymerisiert, wonach über mindestens eine weitere Vorrichtung (6) ein Fäüungsmittel zudosiert wird, wodurch die Polymerdispersionen resultiert.
Bei aüen Anwendungen weist der erfindungsgemäße Taylorreaktor den besonderen Vorteil einer großen spezifischen Kühlfläche auf, die eine besonders sichere Reaktionsführung gestattet.
Beispiele geeigneter Monomeren, welche für das erfmdungsgemäße Verfahren in Betracht kommen, sind acycüsche und cycüsche, gegebenenfaUs funktionaüsierte Monoolefine und Diolefine, vinylaromatische Verbindungen, Vinylether, Vinylester, Vinylamide, Vinylhalogenide, AUylether und AUylester, Acrylsäure, und Methacrylsäure und deren Ester, Amide und Nitrile und Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure und deren Ester, Amide, Imide und Anhydride.
Beispiele geeigneter Monoolefme 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 -alpha-methylstyrol.
Ein Beispiel einer geeigneten Vinylverbindung bzw. eines funktionalisierten Olefins ist Vinylcyclohexandiol.
Beispiele geeigneter Vinylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- und Pentylvinylether, AUylmonopropoxylat sowie Trimethylolpropan-mono, -di- und -triallylether.
Beispiel geeigneter Vinylester sind Vinylacetat und -propionat sowie die Vinylester der Versatiesäure 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-Vinylpyrroüdon und -epsilon-caprolactam.
Beispiele geeigneter Vinylhalogenide sind Vinylfluorid und -chlorid.
Beispiele geeigneter Vinyüdenhalogenide sind Vinytidenfluorid und chlorid. Beispiele geeigneter AUylether sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Phenyl- und Glycidylmonoallylether.
Beispiele geeigneter AUylester 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 monofunktioneüen 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-cyclohexyümid sowie Maleinsäure -, Fumarsäure- und Itaconsäureanhydrid.
Die vorstehend beschriebenen Monomeren können radikaüsch, kationisch oder anionisch polymerisiert werden. Vorteilhafterweise werden sie radikaüsch polymerisiert. Hierzu können die üblichen und bekannten anorganischen Radikalstarter wie Wasserstoffperoxid oder Kaüumperoxodisulfat oder die übüchen und bekannten organischen Radikalstarter wie Dialkylperoxide, z.B. Di- tert.-Butylperoxid, Di- teil, -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 erfmdungsgemäßer Verfahrensweise hergestellten Polymerisate weisen besondere Vorteile auf und eignen sich deshalb hervorragend für aüe Anwendungszwecke, wie sie üblicherweise für solche hochmolekularen Stoffe vorgesehen sind, wie beispielsweise die Herstellung von Formteilen. Vor aUem aber kommen sie als Komponenten für Lacke, Klebstoffe und andere Beschichtungsstoffe sowie Foüen in Betracht. Hierbei werden sie insbesondere als Bindemittel verwendet, weü die Lacke, die Klebstoffe und die sonstigen Beschichtungsstoffe sowie die Folien, welche die in erfindungsgemäßer Verfahrensweise hergesteüten Bindemittel enthalten oder hieraus bestehen, besonders vorzügüche anwendungstechnische Eigenschaften aufweisen.
Die besonderen Vorteile des erfmdungsgemäßen Verfahrens werden vor aUem 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 aktinischem Licht, insbesondere UV-Licht, oder durch Elektronenstrahlung gehärtet.
Sie üegen als Pulverlacke, Pulver-Slurry-Lacke, in organischen Medien gelöste Lacke oder wäßrige Lacke vor. Hierbei können sie Färb- und/oder Effektpigmente enthalten. Sie werden als Bautenanstrichmittel für den Innen- und Außenbereich, als Lacke für Möbel, Fenster, Coils und andere industrieUe Anwendungen, als AutomobiUacke 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 (Fig. 1) und des Beispiels näher erläutert.
Fig. 1 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Taylorreaktor mit konischer äußerer Reaktorwand (1) zur visuellen Überwachung der Taylor-
Wirbelströmung
Beispiel 1
Die Kettenverlängerung von teilverseiftem Polyvinylacetat (Polyvinylalkohol) mit Glutardialdehyd mit Hilfe eines erfmdungsgemäßen Taylorreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens
Für die Kettenverlängerung von teilverseiftem Polyvinylacetat (Anteil an Hydroxylgruppen: 88 mol-%; Anteil an Acetatgruppen: 12 mol-%) wurde der erfindungsgemäße Taylorreaktor gemäß Fig. 1 verwendet.
Der Taylorreaktor wies eine 25 cm hohe äußere Reaktorwand (1) aus Glas von streng kreisförmigem Umfang auf, deren Umfang bzw. deren Durchmesser entlang der Reaktor-achse in Durchflußrichtung gesehen linear zunahm. So lag der 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 erfindungsgemäße 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 übüchen und bekannten Dichtungsringen aus Kunststoff. Die Vorrichtung (6) zur Zudosierung der Edukte 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.
Der Taylorreaktor wurde kontinuiertich mit einer Mischung aus 4 Teilen Polyvinylalkohol, 96,16 Teilen Wasser und 0,16 Teilen Glutardialdehyd mit einem Volumenstrom von 33,3 ml/min über die Vorrichtung (6) gespeist. Unmittelbar vor dem Eintritt in den Taylorreaktor wurde der Mischung 42 %-ige Salpetersäure über eine separate Pumpe mit einem Volumenstrom von 0,16 ml/min zudosiert. Die mittlere Verweilzeit in Taylorreaktor betrug 30 min bei einer Temperatur von 22 °C. Die Rührerdehzahl lag bei 250 U/min. Die Viskosität des Eduktes betrug 10 mm2/s. An der Vorrichtung (7) hatte die Lösung des kettenverlängerten Polyvinylalkohols eine Viskosität von 47 mm2/s.
Die Stoffumwandlung, d. h. die Umsetzung, wurde in einer Gesamtzeit von 5h, entsprechend 10 mittleren Verweilzeiten, durchgeführt. Im gesamten Taylorreaktor blieben während dieser Zeit die Taylorwirbel und somit die gewünschten Durchmischungs- und Strömungverhältnisse trotz des Viskositätsanstiegs erhalten. Die Umsetzung konnte daher während des gesamten Zeitraums störungsfrei durchgeführt werden.
Beispiel 2
Die Herstellung eines Lösungspolymerisats hergestellt in einem erfindungsgemäßen Taylorreaktor
In einem konischen 200 ml Taylorreaktor aus Edelstahl mit beheizbarem
Doppelmantel wurde eine Mischung aus 15,8 Teilen Styrol, 16,5 Teilen MMA, 11,6 Teilen tert.-Butylcyclohexylacrylat, 24,7 Teilen Hydroxypropylmethacrylat, 22,3 Teilen SheUsol A, 7,4 Teilen Xylol, 0,3 Teüen Di-Tert.-Butylperoxid, 0,05 Teüen tert.-Butylperoxyethylhexanoat und 1,2 Teilen Dicumylperoxid mit zwei Pumpen zudosiert. Die Eduktzudosierung erfolgt am Reaktorboden, während das entstehende Polymer kontinuierlich am Reaktorausgang oben in der Reaktorwandung abgegriffen wurde. Die Reaktion wurde bei einer Temperatur von 160 °C und einer Rührerdrehzahl von 300 min"1 durchgeführt. Die mittlere
Verweilzeit des Reaktionsgemisches im Reaktor lag bei 30 min. Die entstehende Polymerschmelze hatte einen Feststoffgehalt von 68,4 % (1 h, 130 °C) und eine Viskosität von 3.0 dPas 50 %ig in Butylacetat. Die Gelchromatographische Vermessung des Polymeren üefert eine Mn von 3215 und ein Mw von 8081. Die Glasübergangstemperatur der Polymeren betrug 69 °C, ermittelt mittels DSC aus dem DSC-Midpoint.
Beispiel 3
Die Herstellung eines Lacks unter Verwendung des Lösungspolymerisats gemäß Beispiel 2
3.1 Eine Härterlösung wurde aus nachfolgenden Komponenten durch Mischen hergesteüt:
Butylacetat 98 % 40,5 Teile
Xylol 4,0 Teile Butylglykolacetat 6,0 Teile
Katalysatorlösung (gemäß Ziff. 3.3) 1,5 Teile
Desmodur Z43701} 15,0 Teile
Desmodur 33902) 33,0 Teile
Festkörper (Gew.-%) 42,2 Teile
3.2 Ein EinsteUzusatz wurde aus nachfolgenden Komponenten durch Mischen hergesteUt:
Xylol 20,0 Teile SolventhaphthaR3) 15,0 Teile
Benzin 135/180 10,0 Teile
Butylglykolacetat 5,0 Teile
Butylacetat 98 % 50,0 Teile 3.3 Eine Katalysatorlösung wurde durch Mischen von 1,0 Teilen Dibutylzinndilaurat und 99 Teilen Butylacetat 98 %ig hergesteUt1
3.4 Eine Verlaufsmittellösung wurde durch Mischen von 5,0 Teilen eines handelsüblichen Verlaufsmittels auf der Basis eines polyethermodifizierten Methylpolysiloxans (BaysiloneR OL444)) und 95 Teilen Xylol hergesteUt.
3.5 Ein Stammlack wurde durch Mischen der folgenden Komponenten hergestellt:
Butylacetat 4,0 Teile Xylol 4,15 Teile
TinuvinR 2925) 0,95 Teile
SanduvonR VSU6) 1 ,20 Teile
Katalysatorlösung (gemäß Ziff. 3.3) 3,7 Teile
Verlauf smitteUösung (gemäß Ziff. 3.4) 2,0 Teile Triisodecylphosphit 0,05 Teile
Lösungspolymerisat (gemäß Bsp.2) 70,85 Teile
MacrynalR SM5137) 13,1 Teile
180 Teile des Stemmlacks gemäß Ziff. 3.5 wurden mit 90 Teilen Hälterlösung gemäß Ziff. 3.1 und 16,2 Teilen EinsteUzusatz gemäß Ziff. 3.2 gemischt und appüziert. Der Lack wies eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit auf. Die Topfzeit betrug 4 h. Die Pendeldämpfung eines bei Raumtemperatur getrockneten 1 Woche alten Lackfihns lag bei 136 sec.
1 Handelsübliches Polyisocyanat der Fa. Bayer AG auf Basis von Isophorondiisocyanat mit einem Festkörpergehalt von 70 %.
2 Handelsübliches Polyisocyanat der Fa. Bayer AG auf Basis von Hexamethylendiisocyanat.
3 Handelsübliches aromatisches Kohlenwasserstoffgemisch der Fa. Shell GmbH
4 Handelsübliches Verlaufsmittel der Fa. Bayer AG
5 Handelsübliches Lichtschutzmittel der Fa. Ciba Geigy auf Basis eines sterisch gehinderten
A ins (HALS)
6 Handelsübliches Lichtschutzmittel der Fa. Sandoz
7 Hydroxylgruppenhaltiges Acrylatharz der Fa. Bayer AG Der erhaltene Klarlack wurde auf einem konventioneUen Basislack der Marke Glasurit Reihe 55 lackiert. Die durch Trocknung bei 60 °C über 30 min. erhaltenen Beschichtungen wiesen einen Glanz nach DTN 7530 von 87 ° - gemessen unter einem 20° Winkel - auf. Die Beschichtungen hatten einen guten Decklackstand.

Claims

Patentansprüche
1. Taylorreaktor zur Durchführung von Stoffumwandlungen mit
a) einer äußeren Reaktorwand (1) und einem hierin befindüchen 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,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) bei der Stoffumwandlung eine Änderung der Viskosität v des
Reaktionsmediums eintritt und e) die Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet ist oder sind, daß auf im wesentüchen der gesamten Reaktorlänge im Reaktorvolumen (5) die Bedingungen für die Taylor- Wirbelströmung erfüUt sind.
2. Der Taylorreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) 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.
3. Der Taylorreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Reaktorwand (1) und der Rotor (2) über die gesamte Reaktorlänge hinweg - im Querschnitt gesehen - einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang aufweisen.
4. Der Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er vertikal gelagert ist, wobei das Reaktionsmedium entgegen der Schwerkraft bewegt wird.
5. Der Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) zentrisch gelagert ist.
6. Der Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (7) für den Ablauf der Produkte an der höchsten Stelle des Reaktordeckels (4) angebracht ist.
7. Der Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet ist oder sind, daß sich der Ringspalt in
Durchflußrichtung verbreitert.
8. Der Taylorreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Umfang der äußeren Reaktorwand (1) in Durchflußrichtung gesehen erhöht, wobei der Umfang des Rotors (2) konstant bleibt, sich ebenfaUs erhöht oder sich verringert.
9. Der Taylorreaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Reaktorwand (1) die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist.
10. Der Taylorreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die äußere Reaktorwand (1) und/oder der Rotor (2) geometrisch derart gestaltet ist oder sind, daß der sich der Ringspalt in Durchflußrichtung verengt.
11. Der Taylorreaktor nach Anspruch 10, 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.
12. Der Taylorreaktor nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Reaktorwand (1) die Form eines einzelnen Kegelstumpfs hat oder aus mehreren Kegelstümpfen zusammengesetzt ist.
13. Verfahren zur Umwandlung von Stoffen, bei dem die Viskosität v des Reaktionsmediums im Verlauf der Reaktion ansteigt, unter den Bedingungen der Taylor- Wirbelströmung, dadurch gekennzeichnet, daß man hierfür einen Taylorreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet.
14. Das Verfahren nach Anspruch 13, 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 mindestens einer weiteren Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten und/oder Katalysatoren eine zweite, dritte, etc.
Reaktion.
15. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 13 oder 14 für die Herstellung von Polymerisaten, Copolymerisaten, Blockcopolymerisaten, Pfropfmischpolymerisaten, Polykondensations- und
Polyadditionsprodukten, Kern-Schale-Latices, Polymerdispersionen, von Produkten durch polymeranaloge Reaktionen, wie die Veresterung, Amidierung oder Urethanisierung von Polymeren, welche Seitengruppen enthalten, die für solche Reaktionen geeignet sind, von olefmisch ungesättigten, mit Elekttonenstrahlen oder ultraviolettem Licht härtbaren
Materiaüen oder von Mesosphasen.
16. Verfahren zu Umwandlung von Stoffen, bei dem die Viskosität v des Reaktionsmediums im Verlauf der Reaktion absinkt, unter den Bedingungen der Taylor- Wirbelströmung, dadurch gekennzeichnet, daß man hierfür einen Taylorreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und
10 bis 12 verwendet.
17. Das Verfahren nach Anspruch 13, 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 mindestens einer weiteren Vorrichtung (6) zur Zudosierung von Edukten und/oder Katalysatoren eine zweite, dritte, etc. Reaktion.
18. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 16 oder 17 für den Abbau hochmolekularer Stoffe.
19. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 hergesteUten Stoffe als Komponenten von Formteilen, Lacken, Klebstoffen und anderen Beschichtungsstoffen sowie von Folien.
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