Vorrichtung zur Schmelzepolykondensation mit einem Reaktorkäfig

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schmelzepolykondensation von Kondensationspolymeren unter Entfernung gasförmiger Spaltprodukte in einem liegenden zylindrischen Reaktor mit mindestens einer Rührkammer, umfassend einen Produkteintritt, einen Produktauslauf und mindestens eine Gasableitung im oberen Bereich der Rührkammer, und einem koaxial in der Rührkammer an- geordneten, drehbaren, als Reaktorkäfig ausgebildeten Rotor, der auf seiner Seite mit einer Antriebswelle verbunden ist, wobei der Rotor auf seiner der Antriebswelle gegenüberliegenden Seite eine rotationssymmetrische Lauffläche aufweist.

In vielen Prozessen zur Herstellung von Kunststoffen werden waagerecht liegende oder senkrecht stehende Reaktoren eingesetzt. Liegende Reaktoren besitzen in der Regel einen wellenlosen, selbsttragenden Rotor mit äußeren Wellenzapfen oder eine durchgehende Welle mit Anbauten. Anbauten können als Scheiben mit und ohne Speichen, mit und ohne Löcher, als Gitterscheiben usw. ausgebildet werden. Diese Reaktoren werden für die ordnungsgemäße Prozessführung unter Vakuum gesetzt und mit einem organischen Wärmeträger komplett beheizt. Die Rotoren werden in der Regel mit kleinen Drehzahlen betrieben. Die Lagerungen dieser Rotoren befinden sich außerhalb des Reaktionsgefäßes hinter einer Abdichtung und sind Bestandteil der abnehmbaren oder fest verschweißten Deckel. Die Rotorlagerung für einen wellenlosen, selbsttragenden Rotor beinhaltet beidseitige Wellendurchtritte aus dem Reaktionsgefäß und gestattet kein Abstreifen von Produkten und keine Stabilisierung des Produktsumpfes im Austrittsbereich.

Reaktoren mit einem Reaktorkäfig gelten allgemein als eine Kategorie von Polymerreaktoren. Bei Polyesterreaktoren mit einem Reaktorkäfig rotiert innerhalb des Reaktorgehäuses ein Rotor, der entlang von Längshalterungen senkrecht dazu angeordnet entweder Bleche mit vielen Durchbrechungen, sonstige Ein-

bauten oder Drahtgeflechte aufweist, und wegen fehlender Zugänglichkeit in radialer Richtung auch als Käfig bezeichnet wird. Der Käfigreaktor stellt eine Alternative zu einem Rührscheibenreaktor dar. Prinzipiell wird damit der gleiche Zweck verfolgt, nämlich die Schaffung einer großen Oberfläche der darin be- findlichen Produkte, um niedermolekulare Reaktionsprodukte mittels Vakuum zu entfernen. Unterschiede in den verschiedenen Käfigen bestehen je nach Ausführung im Verweilzeitverhalten, bezüglich der Selbstreinigungsfähigkeit, der Totraumvermeidung, der Anpassung an die steigende Produktviskosität, der Dampfbelastung usw. Da die geforderten Durchsätze solcher Reaktoren in den vergangenen Jahren ständig gewachsen sind, werden auch die Abmessungen der Käfige zunehmend größer, beispielsweise mit einer Länge von bis zu 12 m und einem Durchmesser von 4 m. Mit der Länge eines solchen Käfigs nimmt auch seine Durchbiegung zu mit der Folge, dass die an den Enden gelagerten Wellenzapfen nicht mehr waagerecht und fluchtend zueinander liegen, sondern mit wachsendem Biegemoment eine Neigung erfahren.

Ein gattungsgemäßer Käfig ist aus der EP 889 922 bekannt. In den Abbildungen dort sind unterschiedliche Varianten des Käfigs dargestellt. Die Längselemente können beispielsweise als Stangen oder Stäbe, die innen liegenden Querelemente als Drähte, Maschensiebe oder Bleche aus Metall ausgebildet sein, welche beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten werden, um Gitter mit dem gewünschten Zwischenraum zu erzeugen. Eine Antriebswelle, verbunden mit dem Rührwerk in dem Reaktorbehälter, führt nach außen, wo sie außerhalb des Reaktorgehäuses mit einem Motor oder Antrieb verbunden ist, um Drehungen des Rührwerks mit einer geeigneten Geschwindigkeit zu ermöglichen.

Es ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Polymeren (WO 2004/101140 A1) bekannt. Nach diesem Verfahren erfolgt die Herstellung der Monomeren und der Polymere in einem stehenden Reaktor mit mindestens zwei, vertikal übereinander liegenden Reaktionszonen, von denen mindestens eine Zone einen Ringscheibenreaktor bzw. einen Disc-Cage-Reaktor aufweist.

Da die Rotorwelle sehr kurz ausgebildet ist, ist eine Durchbiegung der Reaktorwelle nicht zu befürchten.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (WO 03/093345 A1 ) zur Herstellung von Polyestern erfolgt die Veresterung von Dicarbonsäuren und Diolen in wenigstens einer Reaktorstufe, die Vorpolykondensation des Veresterungsprodukts in einer Reaktorstufe und die Polykondensation des Vorpolykondensati- onsprodukts in einer Reaktorstufe. Zur Steigerung der Kapazität können hierzu mehr Reaktorstufen vorgesehen sein. Die Lagerprobleme sind in diesem Do- kument nicht weiter angesprochen.

Ferner ist ein Reaktor (WO 97/35902 A1 ) für die Polykondensation bekannt. Hierzu wird ein horizontal liegendes Reaktorgehäuse mit einer durchgehenden Welle verwendet, deren Lager außerhalb des Reaktorgehäuses angeordnet sind.

Nach der DE 2 114 080 C3 ist ein Reaktionsgefäß für fließfähige Stoffe bekannt. Hierzu ist die Bewegungs- und Fördereinrichtung lediglich mit Längsstreben und Ringscheiben ausgestattet, deren Ringbreite etwa der Eintauchtiefe im fließfähigen Stoff entspricht. Die Ringflächen der Ringscheiben sind hierzu gelocht. Ferner sind die Ringscheiben mit unterschiedlicher Neigung aus der Normalen der Rotationsachse angeordnet. Danach weist die bekannte Anordnung keine mit dem Erfindungsgegenstand übereinstimmenden Merkmale auf.

Der Reaktor, der eingangs aufgeführten Art (EP 0 454 282 A1 ), wird für die Behandlung von Polyamid oder hochviskosen Polyester eingesetzt. Hierzu weist der Reaktor einen Einlass für die Beschickung von hochviskosem Medium und einen Auslass auf, durch den das Medium ausgetragen wird. Innerhalb des Reaktorgehäuses ist der käfigartige Rotor mittels an den Stirnseiten drehbar gela- gerten Stummelwellen angeordnet. Die Stummelwellen sind hierzu rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Rotor weist auch auf seine der Antriebswelle gegenüberliegenden Seite eine rotationssymmetrische Lauffläche auf. Darüber

hinaus hält die bekannte Einrichtung keine mit dem Anmeldungsgegenstand übereinstimmenden Merkmale.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein von der Größe des Käfigs unbeeinträchtigtes Betriebsverhalten des Käfigreaktors ermöglicht, wobei die Lager derart angeordnet sind, dass sie wartungsfrei arbeiten können.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die rotationssymmetrische Lauffläche mit einem komplementären, rotationssymmetrischen Gegenelement an einer Gehäusewand oder an einer Zwischenwand des Reaktors innerhalb der Rührkammer angeordnet ist. Da das Gegenelement bzw. Lager an einer Gehäusewand innerhalb des Reaktors bzw. innerhalb der Rührkammer angeordnet ist, wird auf einfache Weise eine fortlaufende Schmierung des Lagers sicherge- stellt, so dass dieses wartungsfrei arbeiten und dadurch die Standzeit der Anlage insgesamt verbessert werden kann. Hierzu ist es auch vorteilhaft, dass die Lauffläche mit dem komplementären, rotationssymmetrischen Gegenelement ein vom Produkt umspültes, selbst schmierendes Lager, insbesondere ein Gleitlager, bildet. Da das Gleitlager innerhalb des Reaktorraums bzw. innerhalb der Rührkammer positioniert ist, lassen sich die Wartungskosten der Vorrichtung insgesamt reduzieren.

Zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass hiermit eine Rotorlagerung für einen wellenlosen, selbsttragenden Rotor bereitgestellt wird, bei der die Zahl der Wellendurchtritte aus dem Reaktionsgefäß auf einen einzigen Durchtritt begrenzt und gleichzeitig durch einfache konstruktive Maßnahmen wie die Bereitstellung von Abstreifern eine Abstreifung von Produkten und eine Stabilisierung des Produktsumpfes im Austrittsbereich ermöglicht wird. Es kommt also zum Einsatz einer von Produkt umspülten innen liegenden Lage- rung, die die Montage mindestens eines internen Abstreifelementes ermöglicht und darüber hinaus eine Abdichtung einspart.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In bevorzugten Ausführungsformen ist das komplementäre rotationssymmetri- sehe Gegenelement an der stirnseitigen Gehäusewand des Reaktors als feststehender Lagerbolzen, als Flanschring, als Zylinder am Verdrängerkörper eines zentralen Mannlochs oder als in einen Deckel integrierte, mit frischem Präkondensat zwangsdurchspülte Lagerbuchse für einen Wellenzapfen oder als Teil der zylindrischen Außenwand ausgebildet.

In weiteren besonderen Ausführungsformen ist das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement an einer Zwischenwand des Reaktors als feststehender Lagerbolzen oder als rotierender Fortsatz einer weiteren Antriebswelle ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist an dem komplementären rotationssymmetrischen Gegenelement an der Gehäusewand mindestens ein ins Innere der Rührkammer ragendes und radial oder axial sich erstreckendes Abstreifelement angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ergibt sich zusätzlich eine bie- gemomentarme Käfighalterung, indem die Antriebswelle im Bereich eines ersten Rotors mit Rührscheiben bis zu einem zweiten als Reaktorkäfig ausgebildeten Rotor verlängert ist, beide Rotoren über gemeinsame Längstraversen ver- fügen und diese im Bereich des Rotors mit Rührscheiben mindestens zwei radiale Querverbindungen zu der Antriebswelle aufweisen.

In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung ist das als Gleitlager ausgebildete Lager innerhalb eines aus der axialen Richtung schwenkbaren Kugellagers angeordnet.

Um ein Fressen der insbesondere als Gleitlager ausgebildeten Lager in Stillstands- oder übergangsphasen zu vermeiden, wird eine der beiden rotations-

symmetrischen Lagerkontaktflächen aus einem Lagermetall gefertigt. Dies kann auch nur Teile von einer der beiden rotationssymmetrischen Lagerkontaktflächen betreffen, beispielsweise in dem Fall, dass das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement als Teil der zylindrischen Außenwand ausgebildet ist. Hier ist die Verwendung eines Lagermetalls für das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement nur im unteren Bereich um die Auflageflächen des Rotors erforderlich.

In dem Reaktor kann eine weitere Rührkammer angeordnet sein, welche bei- spielsweise einen zweiten Reaktorkäfig oder einen mit Rührscheiben und einer zentralen Welle versehenen Rotor aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Figuren erläutert.

Es zeigen hierbei

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung, bei dem ein als Flanschring ausgebildetes komplementäres rotations- symmetrisches Gegenelement 4 an der stirnseitigen Gehäusewand mit der rotationssymmetrischen Lauffläche eines Rotors 1 ein Gleitlager 3 bildet, innerhalb dessen sich ein zentrales, mit einem Verdrängerkörper 7 verschließbares Mannloch befindet. Auf der dem Gleitlager 3 gegenüberliegenden Seite ist die Antriebs- welle 2 des Rotors 1 angeordnet. Der Rotor 1 ist ausgebildet als

Reaktorkäfig mit Längstraversen 14;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung, bei dem das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement 4 an der stirnseitigen Gehäusewand als Zylinder am Verdrängerkörper 7 des zentralen Mannlochs ausgebildet ist;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung, bei dem das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement 4 an der stirnseitigen Gehäusewand als Teil 8 der zylindrischen Außenwand ausgebildet ist;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung mit einem Rotor 9 mit Rührscheiben und einem als Käfig ausgebildeten Rotor 1 , die mit derselben Drehzahl n rotieren, einen sog. „sin- gle-drive"-Reaktor, wobei das komplementäre rotationssymmetri- sehe Gegenelement 4 an der stirnseitigen Gehäusewand als stehender Lagerbolzen ausgebildet ist. Auf diesem Lagerbolzen kann ein Abstreifelement 15 angeordnet sein. Die beiden Rotoren 1 und 9 sind nicht gegeneinander beweglich und daher als Rotorabschnitte eines einzigen Rotors anzusehen;

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung mit zwei als Käfig ausgebildeten Rotoren 1 , die mit unterschiedlichen Drehzahlen m und n2 rotieren, einen sog. „double-drive"-Reaktor, bei dem die komplementären rotationssymmetrischen Gegenele- mente 4 durch einen feststehenden und beidseitig aus der Zwischenwand herausragenden Lagerbolzen gebildet werden;

Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung mit einem als Käfig ausgebildeten Rotor 1 und einem Rotor 9 mit Rührscheiben, die mit unterschiedlichen Drehzahlen m und n2 rotieren, einen sog. „double-drive"-Reaktor, bei dem das komplementäre rotationssymmetrische Gegenelement 4 als Wellenfortsatz 5 der Antriebswelle 6 des Rotors 9 mit Rührscheiben ausgebildet ist, wobei die Antriebswelle 6 selbst durch das Loslager 10 in der Zwischenwand 11 gelagert ist;

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Polyesterherstellung, bei dem ein Wellenzapfen 12 von Präkondensat aus dem Produktein-

tritt zwangsumspült wird und mit einer deckelseitigen Lagerbuch- se13 einen Gleitsitz bildet.

Die unterhalb des Reaktors befindlichen und auf den Reaktor weisenden Pfeile markieren in allen Figuren die Position des Produkteintritts, und die unterhalb des Reaktors befindlichen und von dem Reaktor wegweisenden Pfeile markieren stets die Position des Produktauslaufs. Die oberhalb des Reaktors befindlichen und vom Reaktor wegweisenden Pfeile in den Figuren 4 und 5 markieren die Position einer Gasableitung.

Bezugszeichenliste:

1 Rotor

2 Antriebswelle

3 Gleitlager

4 komplementäres, rotationssymmetrisches Gegenelement

5 Wellenfortsatz

6 weitere Antriebswelle

7 Verdrängerkörper

8 Teil der zylindrischen Außenwand

9 Rotor mit Rührscheiben

10 Loslager

11 Zwischenwand

12 Wellenzapfen

13 Lagerbuchse

14 Längstraverse

15 Abstreifelement

16 Reaktor

17 Rührkammer

18 Produkteintritt

19 Produktaustritt

20 Gehäusewand des Reaktors

21 Zwischenwand des Reaktors