DE3728824A1

DE3728824A1 - Kontinuierlicher photochemischer reaktor

Info

Publication number: DE3728824A1
Application number: DE19873728824
Authority: DE
Inventors: Akira Kuriyama
Original assignee: Sunstar Giken KK; Sunstar Engineering Inc
Current assignee: Sunstar Giken KK; Sunstar Engineering Inc
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1988-03-03
Also published as: JPS6339433U; JPH0454822Y2; US4849183A

Description

Mit der Erfindung wird ein photochemischer Reaktor vom kontinuierlichen Typ zur Verfügung gestellt, und zwar insbesondere eine Einrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von Polymeren durch photochemische Reaktionen oder Photo polymerisationen.

Bisher werden photochemische Reaktionen generell mittels eines Chargen-Herstellungssystems durchgeführt, in welchem eine Charge einer Reaktionsmischung, wie z. B. einer Mischung aus Vinylmonomeren und Zusatzstoffen, in einen Reaktionsbehälter gebracht und dann mittels einer Mehrzahl von Ultraviolettlampen, die in dem Behälter angeordnet sind, mit Ultraviolettlicht bestrahlt wird, während die Mischung mittels eines Rührers, der koaxial in der Mitte des Behälters angeordnet ist, gerührt wird.

Da die Rate bzw. Geschwindigkeit der photochemischen Reaktion von der Intensität des Ultraviolettlichts abhängt, wird die Reaktion von Monomeren in denjenigen Bereichen gesteigert, die nahe den äußeren Wänden der Lampen sind, und die Viskosität der Reaktionsmischung wird mit der Erhöhung des Polymerisationsgrads erhöht. Die Viskosität des Reaktionsprodukts kann innerhalb des Bereichs von 1000 bis 150 000 cP variieren. Wenn die Viskosität auf 100 000 cP und darüber erhöht wird, findet das Rühren der Reak tionsmischung nur um den Rührer herum statt, was eine lokale Photopolymerisation zur Folge hat, welche ihrerseits die Herstellung von Polymeren mit ungleichförmigen Mole kulargewichten zur Folge hat. Dieses Problem wird mit der Erhöhung der Abmessungen des Reaktionsbehälters groß.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen photochemischen Reaktor zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, kontinuierlich Polymere mit gleichförmigem Molekulargewicht herzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kontinuierlicher photochemischer Reaktor zur Verfügung gestellt, der einen drehbaren zylindrischen Reaktionsbehälter umfaßt, welcher an seinem einen Ende mit einem Einlaß für eine Reaktions mischung und an dem anderen Ende mit einer Öffnung versehen ist, sowie einen Deckelkörper bzw. einen Deckel zum Ver schließen der Öffnung des Reaktionsbehälters, wobei dieser Deckelkörper bzw. Deckel einen Auslaß für Reaktionsprodukte hat, und eine Lampe, die in dem Deckelkörper bzw. Deckel angebracht und koaxial in dem Reaktionsbehälter angeordnet ist, und weiter eine Antriebseinrichtung zum Rotieren des Reaktionsbehälters um dessen Achse, wobei der Reaktions behälter an oder auf einer inneren Wand mit einem spiral förmigen Förderflügel, insbesondere einer Förderschnecke, so versehen ist, daß der innere Rand des Flügels, ins besondere der Förderschnecke, nahe bzw. dicht an der äußeren Wand der Lampe angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Lampe aus einer Ultraviolettlampe, die mit einem Wassermantel bzw. einem wassergekühlten Mantel versehen ist, um sie vor Überhitzung zu schützen.

Wenn die Polymerisation eine lange Zeit braucht, wird es gemäß der Erfindung bevorzugt, einen Reaktionsbehälter mit bzw. von einer langen Länge zu verwenden. Alternativ wird gemäß einem anderen Vorschlag der Erfindung der kontinuier liche photochemische Reaktor aus zwei oder mehr Reaktions behältern zusammengesetzt, die eine gewisse Reaktionsbe hälterlänge haben und in Reihe verbunden sind.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform derselben, die in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung, die mit Fig. 1 bezeichnet ist, ist eine Seitenansicht eines kontinuierlichen photo chemischen Reaktors gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung, wobei aus Darstellungsgründen Teile weggeschnitten sind.

In der nun folgenden Beschreibung einer bevorzugten Aus führungsform der Erfindung sei auf Fig. 1 Bezug genommen, worin ein kontinuierlicher photochemischer Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist, der einen drehbaren Reaktionsbehälter 1, einen Deckel bzw. Deckel körper 2, eine Lampe 3 und eine Antriebseinrichtung 4 umfaßt.

Der Reaktionsbehälter 1 besteht aus einem oben offenen hohlzylindrischen Körper mit einer koaxialen Antriebswelle 6, die auf dem Boden des zylindrischen Körpers 1 ange bracht ist. Ein spiralförmiger Förderflügel 5 bzw. eine Förderschnecke 5 ist koaxial in dem Reaktionsbehälter 1 angeordnet und an der Innenwand des Reaktionsbehälters 1 befestigt. Der Reaktionsbehälter 1 ist mittels eines Lagers 12 (oder mehrerer Lager) drehbar auf bzw. an einem Grundgestell 8 angebracht und in einem Gehäuse 9 unter gebracht. Der obere Teil des Reaktionsbehälters 1 ist mittels einer einen Flansch aufweisenden Hülse 23 gehal tert bzw. gelagert, welche an dem Gehäuse 9 angeschweißt ist, um zu verhindern, daß er eine Schwingbewegung aus führt. Zwischen der Hülse 23 und dem Reaktionsbehälter 1 sind Packungs- bzw. Dichtungsringe 10 angeordnet.

Die Antriebswelle 6 ist mit einem Einlaßkanal 7 versehen, welcher sich in deren Axialrichtung, insbesondere entlang von deren Achse, erstreckt und dazu dient, dem Behälter 1 eine Reaktionsmischung zuzuführen. Die Reaktionsmischung wird durch eine Rohr- oder Schlauchleitung (nicht gezeigt) zu der Antriebswelle 6 zugeführt, die mit der Rohr- bzw. Schlauchleitung durch eine Drehverbindung (nicht gezeigt) verbunden ist.

Der Deckel bzw. Deckelkörper 2 ist von einer geflanschten zylindrischen Form bzw. aus einem mit einem Flansch ver sehenen Hohlzylinder hergestellt und mittels der geflansch ten Verbindung bzw. mittels der mit einem Flansch verse henen Hülse 23 mit dem Gehäuse 9 verbunden. Die Zylinder büchse 13 bzw. das untere Ende des Hohlzylinders 13 des Deckelkörpers 2 ist in der geflanschten Hülse 23 des Gehäuses 9 angebracht bzw. in den ringförmigen Spalt zwischen der geflanschten Hülse 23 und dem Reaktionsbe hälter 1 eingesetzt, um den Reaktionsbehälter 1 zu schlie ßen und eine Abdichtung an den Packungs- bzw. Dichtungs ringen 10 zu erzielen. Die Zylinderbüchse 13 ist mit einem Entladungs- bzw. Auslaßrohr 14 versehen, das einen Aus laßkanal 14 a bildet, welcher sich in einer zur Achse der Zylinderbüchse 13 senkrechten Richtung erstreckt.

Die Lampe 3 ist eine Ultraviolettlampe mit einem Wasser mantel 25 bzw. einer wassergekühlten Doppelwand 25, der bzw. die aus einem lichtdurchlässigen Material bzw. einem für Ultraviolettlicht durchlässigem Material hergestellt und mit einem Kühlrohr 15 versehen ist. Die Lampe 3 ist mittels einer Durchführung 16 bzw. eines Einsatzes 16 an dem Deckelkörper 2 befestigt und erstreckt sich von dem offenen Ende des Reaktionsbehälters 1 her in diesen Reak tionsbehälter 1. Zwischen der Lampe 3 und dem Einsatz 16 sind Packungs- bzw. Dichtungsringe 17 angeordnet. Die Lampe 3 ist generell so ausgebildet, daß ihr Durchmesser ein wenig kleiner als der Innendurchmesser des Förder flügels bzw. der Förderschnecke 5 ist, so daß dadurch ein Spalt zwischen der Außenwand der Lampe 3 und dem inneren Rand der Förderschnecke 5 gebildet wird. Der Spalt zwischen der Lampe 3 und der Förderschnecke 5 kann mit bzw. ent sprechend der Abmessung des Reaktors variieren und ist generell so festgelegt, daß er innerhalb eines Bereiches von 2 bis 30 mm liegt.

Die Antriebseinrichtung 4 umfaßt einen Elektromotor 18 und ein Getriebe 19 mit stufenlos veränderbarer Geschwindig keit bzw. ein stufenloses Getriebe 19 und ist auf dem Grundgestell 8 angebracht. Die Übertragungs- bzw. Aus gangswelle 20 des Getriebes 19 ist mittels zweier Riemen scheiben 11 und 21 und mittels eines Übertragungsriemens 22 mit der Antriebswelle 6 verbunden, so daß auf diese Weise der Reaktionsbehälter 1 mittels der Antriebsein richtung 4 um seine Achse rotiert wird.

Im Gebrauch wird die Lampe 3 eingeschaltet, um die durch den Reaktionsbehälter 1 hindurch gehende Reaktionsmischung mit Ultraviolettlicht zu bestrahlen, und Kühlwasser wird durch das Rohr 15 in die wassergekühlte Doppelwand 25 eingeleitet und durch einen Auslaß 15 a abgeführt. Die Reaktionsmischung wird dem Reaktionsbehälter 1 vom Boden her durch die Antriebswelle 6 zugeführt, und der Reak tionsbehälter 1 wird zusammen mit dem spiralförmigen Förderflügel 5 bzw. der Förderschnecke 5 durch die Wirkung der Antriebseinrichtung 4 um seine Achse rotiert. Die Reaktionsmischung tritt in den Reaktionsbehälter 1 ein und strömt unter bzw. aufgrund der Rotationsbewegung der Spiralfördereinrichtung 5 um die Lampe 3 herum nach auf wärts. Gleichzeitig wird die Reaktionsmischung durch den Förderflügel 5 bzw. die Förderschnecke 5 gerührt bzw. durcheinanderbewegt oder -gewirbelt und dem Ultraviolett licht von der Lampe 3 ausgesetzt, um eine Licht- bzw. Photopolymerisation zu bewirken. Die Reaktionsprodukte werden durch das Entladungs- bzw. Auslaßrohr 14 aus dem Reaktionsbehälter 1 abgeführt.

Die Rate bzw. Geschwindigkeit der Drehung des Reaktions kessels 1 wird unter Berücksichtigung der Viskositäten der Reaktionsmischung und der erzeugten Polymere bestimmt. Wenn die Reaktionsmischung eine niedrige Viskosität hat, dann neigt sie dazu, durch den Spalt zwischen der Lampe 3 und dem inneren Rand des Spiralförderers 5 nach abwärts zu fließen. Es ist daher erforderlich, die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit der Reaktionsmischung dadurch zu erhöhen, daß die Rotationsrate bzw. -geschwindigkeit des Reaktions behälters 1 erhöht wird. In diesem Falle kann die Reak tionsmischung durch Anwendung eines Drucks von einer Speisepumpe herausfließen gelassen werden bzw. aus dem Auslaßrohr herausgedrückt werden. Wenn die Reaktionsmi schung eine hohe Viskosität hat, kann der Reaktionsbe hälter mit einer niedrigen Rate bzw. Geschwindigkeit rotiert werden, da eine Abwärtsströmung der Reaktions mischung kaum oder in nur sehr geringem Umfang stattfindet.

Da die Licht- bzw. Photopolymerisationsrate bzw. -geschwin digkeit von der Intensität des Lichts abhängt, ist die Reaktionsrate bzw. -geschwindigkeit in dem Bereich, der nahe an der äußeren Oberfläche der Lampe 3 liegt, größer bzw. schnel ler als in dem Bereich, welcher sich nahe der inneren Oberfläche des Reaktionsbehälters 1 befindet. Infolge dessen ist es wesentlich, die Reaktionsmischung homogen zu rühren bzw. durcheinanderzubewegen, um eine lokale Poly merisation derselben zu verhindern, die eine lokale Erhö hung der Viskosität bewirkt. In der obigen Einrichtung wird der spiralförmige Förderflügel 5 bzw. die Förder schnecke 5 um die Lampe 3 so rotiert, daß die Reaktions mischung nach aufwärts und spiralförmig um die Lampe bewegt und durch die rotierende spiralförmige Förderschnecke 5 gleichförmig gerührt bzw. durcheinanderbewegt oder -gewirbelt wird. Demgemäß wird verhindert, daß eine lokale Licht- bzw. Photopolymerisation der Reaktionsmischung auftritt, so daß es auf diese Weise ermöglicht wird, Polymere mit gleichförmigem Molekulargewicht herzustellen.

Die Licht- bzw. photochemische Reaktion wird in dem photo chemischen Reaktor kontinuierlich ausgeführt, indem ledig lich die Reaktionsmischung zugeführt wird, so daß es auf diese Weise ermöglicht wird, ein kleines Volumen des photochemischen Reaktors zu verwenden bzw. den photoche mischen Reaktor kleinvolumig auszubilden. Wenn die Licht- bzw. Photopolymerisation eine lange Zeit benötigt, ist es möglich, eine lange Länge eines kontinuierlichen photo chemischen Reaktors zu benutzen bzw. den photochemischen Reaktor in einer entsprechend großen Länge auszubilden, um die Zeit der Licht- bzw. Photopolymerisation zu verlängern. Alternativ ist es möglich, zwei oder mehr photochemische Reaktoren zu verwenden, die in Reihe verbunden sind. In diesem Falle wird die in dem ersten Reaktor polymerisierte Reak tionsmischung dem nächsten licht- bzw. photochemischen Reaktor zugeführt, der mit dem ersten licht- bzw. photo chemischen Reaktor verbunden ist.

In der oben beschriebenen Ausführungsform besitzt der licht- bzw. photochemische Reaktor zwar einen Reaktions behälter mit einer vertikalen Rotationsachse, jedoch kann er auch so ausgebildet sein, daß er einen Reaktionsbehäl ter mit einer horizontalen Rotationsachse besitzt. In diesem letzteren Falle ist es zu bevorzugen, die Lampe an ihren beiden Enden abzustützen bzw. zu haltern.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Ultra violettlampe (Bemessung: 500 W, Wellenlängen: 280 bis 800 nm, Hauptwellenlänge: 303 und 313 nm) wurde ein konti nuierlicher licht- bzw. photochemischer Reaktor, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, zusammengebaut, und es wurde eine Reaktionsmischung hergestellt, in dem Butylacrylat und Gamma-mercaptopropyl-Methyldimethoxysilan im Gewichtsver hältnis von 6 : 0,18 gemischt wurden.

Die erhaltene Reaktionsmischung wurde dem Reaktor mittels einer Pumpe durch die Antriebswelle zugeführt, um Vinyl polymer zu erzeugen. Der kontinuierliche licht- bzw. photochemische Reaktor wurde unter den folgenden Bedin gungen betrieben:

Zuführungsströmungsrate der Reaktionsmischung:13 bis 20 ml/min Rotationsgeschwindigkeit des Reaktionsbehälters:15 Umdrehungen/min Polymerisationszeit:5 Stunden Strömungs- bzw. Durchflußzeit des Polymers:4 Stunden Temperatur der Mischung:50°C Abführung des Polymers:15 g/min

Das erhaltene Polymer wurde einer Messung von verschie denen Charakteristika bzw. Kenndaten unterzogen. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Zahl des mittleren Molekulargewichts:4000 Viskosität:2800 cP Umwandlungswirkungsgrad bzw. -ausbeute:87%

Beispiel 2

Es wurde eine Reaktionsmischung hergestellt, indem 8 kg Äthylacrylat und 0,04 kg Gamma-mercaptopropyl-Methyl dimethoxysilan gemischt wurden und die Reaktionsmischung dann dem kontinuierlichen licht- bzw. photochemischen Reaktor der im Beispiel 1 verwendet worden ist, zum Erzeu gen von Polymeren zugeführt wurde. Der Reaktor wurde unter den folgenden Bedingungen betrieben.

Zuführungsströmungsrate der Reaktionsmischung:13 bis 20 ml/min Rotationsgeschwindigkeit des Reaktionsbehälters:23 Umdrehungen/min Polymerisationszeit:7 Stunden Entladungs- bzw. Durchflußzeit des Polymers:6 Stunden Temperatur der Mischung:55°C Ausfluß des Polymers:14 g/min

Das erhaltene Polymer wurde der Messung verschiedener Charakteristika bzw. Kenndaten unterworfen. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Zahl des mittleren Molekulargewichts:20 000 Viskosität:1 050 000 cP Umwandlungswirkungsgrad bzw. -ausbeute:90%

Beispiel 3

Es wurde eine Reaktionsmischung hergestellt, indem 4,25 kg Butylacrylat, 0,5 kg Bis-(methyldimethoxysilylpropyl)- disulfid und 0,75 kg Dioctylphthalat gemischt wurden, und dann wurde die Mischung dem kontinuierlichen licht- bzw. photochemischen Reaktor, der im Beispiel 1 verwendet worden war, zugeführt, um Polymere herzustellen. Der Reaktor wurde unter den folgenden Bedingungen betrieben:

Zuführungsströmungsrate der Reaktionsmischung:13 bis 20 ml/min Rotationsgeschwindigkeit des Reaktionsbehälters:23 Umdrehungen/min Polymerisationszeit:7 Stunden Entladungs- bzw. Durchlaufzeit des Polymers:6 Stunden Temperatur der Mischung:50°C Auslaß des Polymers:10 g/min

Das erhaltene Polymer wurde der Messung von verschiedenen Charakteristika bzw. Kenndaten unterworfen. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Zahl des mittleren Molekulargewichts:12 500 Viskosität:700 000 cP Umwandlungswirkungsgrad bzw. -ausbeute:87%

Claims

1. Kontinuierlicher photochemischer Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß er einen drehbaren zylindri schen Reaktionsbehälter (1) umfaßt, der an seinem einen Ende mit einem Einlaß (7) für eine Reaktionsmischung und an dem anderen Ende mit einer Öffnung versehen ist, sowie einen Deckelkörper (2) zum Verschließen der erwähnten Öffnung des Reaktionsbehälters (1), wobei der Deckelkörper (2) mit einem Auslaß (14 a) für Reaktionsprodukte versehen ist, und eine Lampe (3), die auf bzw. in dem Deckelkörper (2) angebracht und koaxial in dem Reaktionsbehälter (1) angeordnet ist, sowie eine Antriebseinrichtung (4) zum Rotieren des Reaktionsbehälters (1) um dessen Achse, wobei der Reaktionsbehälter (1) an oder auf einer inneren Wand mit einem spiralförmigen Förderflügel (5), insbesondere einer Förderschnecke, so versehen ist, daß der innere Rand des Flügels (5), insbesondere der Förderschnecke, nahe bzw. dicht an der äußeren Wand der Lampe ( 3) angeordnet ist.

2. Kontinuierlicher photochemischer Reaktor nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (3) aus einer Ultraviolettlampe besteht, die mit einer Wasserdoppelwand (25) bzw. einer wassergekühlten Doppel wand oder einem wassergekühlten Mantel (25) versehen ist.

3. Kontinuierlicher photochemischer Reaktor nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Reaktionsbehälter (1) in Reihe verbunden sind, insbesondere derart, daß die Reaktionsmischung nachein ander die Reaktionsbehälter (1) durchströmt.