DE2931282A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen messen von aenderungen der rheologischen monomereigenschaften waehrend eines polymerisationsprozesses - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen messen von aenderungen der rheologischen monomereigenschaften waehrend eines polymerisationsprozessesInfo
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Description
Vyzkumny iistav chemickych zarizenl Brno,
Brno-Kralovo Pole, Krizikova 7o
CSSR
Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von
Änderungen der rheologischen Monomereigenschaften während
eines Polymerisationsprozesses
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum
Messen von Änderungen der rheologischen Eigenschaften von Monomeren, wie z. B. von Vinylchlorid, während eines
Polymerisationsprozesses.
Für die Herstellung von Polyvinylchlorid wird das Vinylchlorid bei einer Temperatur von 40 - 80 C in einem mit
einem Kühlmantel bzw. einem Doppelmantel ausgestatteten Reaktor, der mit einem Rührer und bzw. auch einem RückfluB-kühler
versehen ist, polymerisiert.. Während des Polymerisationsprozesses kommt es zu Temperatur- und Druckänderungen, sowie
auch zur Änderung won rheologischen und anderen physikalischchemischen Größen. Dabei werden in meisten Fällen nur
die Temperatur*· ;und Druckwefte des Polymerisationssystems
■" ' ■-■ -■ '."ORIGINAL-INSPECTED
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sowie die Temperatur des Kühlwassers kontinuierlich gemessen und registriert. Diese Größen geben aber nur ein- unvollständiges
Bild des Verlaufs des Polymerisationsprozesses, was hinsichtlich ihrer möglichen Verwendung für die Steuerung
des Prozesses oder für die mögliche Erkennung und Anzeige des Beginns von gefährlichen Situationen, wie des Zupolymerisierens
der Rückflußkühlerröhren usw., nachteilig ist. Um ergibigere Informationen über den Polymerisationsprozeß
des Vinylchlorids oder anderer Monomere zu gewinnen ,ist es darum erwünscht, eine kontinuierliche Messung von
Änderungen der rheologischen Monomereigenschaften während des Polymerisationsprozesses durchzuführen.
Die bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Messung von Änderungen der rheologischen Mmomereigenschaften während
der Polymerisation beruhen vorwiegend auf dem Prinzip der Probenentnahme in verschiedenen Phasen des Polymerisationsprozesses
und der visuellen Beurteilung dieser Proben, bzw. ihrer Auswertung mittels anderer physikalisch-chemischen
Meßmethoden.
Nachteilig bei diesen Kontrollverfahren und Einrichtungen
ist vor allem schon die Notwendigkeit-der Probenentnahme
und der folgenden Auswertung der Proben. Die für die Auswertung der entnommenen Proben und zur Feststellung von Änderungen
der rheologischen Monomereigenschaften benutzten Meßmethoden sind außerdem insgesamt zu kompliziert und zeitraubend.
Dadurch kommt es zu Verzögerungen in der Feststellung der interessierenden Werte, was besonders in dem Fall ungünstig ist,
wenn die rheologischen Eigenschaften des Polymerisationssystems und der entnommenen Probe sich unterschiedlich ändern.
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Diese Umstände erschweren die Möglichkeit einer sofortigen Einwirkung auf den Polymerisationsprozeß oder sogar überhaupt
die Möglichkeit zur Ausnutzung der gemessenen Werte für die Steuerung des Prozesses.
Zu den wesentlichen Nachteilen der Meßverfahren, die auf dem
Prinzip der Probenentnahme aufbauen, gehört außerdem auch die Notwendigkeit ihrer Durchführung durch Bedienungspersonal.
Bekannt sind auch Niederfrequenz-Ultraschallmeßmethoden und
Einrichtungen, die eine kontinuierliche Messung von Änderungen der Viskosität des Polymerisationssystems während
des Polymerisationsprozesses ermöglichen und auf dem Prinzip der Abtastung der gedämpften Schwingungen eines Metallhohlleiters
(Metallwellenleiters) im Viskositätsmedium beruhen. Bei diesen Meßverfahren und Einrichtungen ist aber nachteilig,
daß auf diese Weise die Viskositätswerte nur in einem sehr kleinen Umfang des Wellenleiters aufgenommen werden,
was in erster Näherung durch einen umgekehrten Wert des Absorptionskoeffizienten für akustische Schubwellen bei der
verwendeten Frequenz angegeben wird. Daraus ergibt sich, daß die Meßgeräte sehr empfindlich sind gegen ein Züpolymerisieren
der Oberfläche von Abtast- . bzw. Sendetonführungssonden.
Die bisher genannten Nachteile werden durch die erfindungsgemäße
Ausführung von Verfahren und Vorrichtungen zum kontinuierlichen Messen von Änderungen der rheologischen Monomereigenschaften
während eines Polymerxsationsprozesses beseitigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in ein Polymerisationssystem ein Ultraschallwellenzug
von 0,02 bis 100 MHz eingeführt wird und daß im Verlauf des Polymerisationsprozesses die Absorption oder die
Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses Wellenzuges gemessen wird, und zwar bei einer oder mehreren Frequenzen des
erwähnten Intervalls.
Die gemessenen Werte für die Absorption und die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der longitudinalen Ultraschallwellen stehen in Wechselbeziehung mit dem reellen und dem
imaginären Teil der komplexen Schubviskosität. Außerdem gibt es für die Größe der Absorption und der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der longitudinalen Ultraschallwellen in Abhängigkeit von der Frequenz eine Wechselbeziehung zum
Durchschnittsmittelwert und der Teilchengestalt im Polymerisationssystem Monomer-Polymer.
Der Hauptvorteil, des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, daß dieses Verfahren die Möglichkeit einer kontinuierlichen
und durchgehenden Messung von Änderungen der Theologischen
Eigenschaften, wie z. B. der Komplexviskosität, des Mittelch
durchschnitts und der Teilengestalt im Polymerisationssystem, und zwar auch bei Strömung im System bietet. Weiter ermöglicht es das Verfahren auch, die Entstehung von Lokalkavitationen und einer gasförmigen Phase des Monomers festzustellen, die zu Schaumung im System und zu einem Zupolymerisieren des Rückflußkühlers führen können. Aufgrund der spektralen Abhängigkeit der gemessenen Werte für die Absorption bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der longitudinalen Ultraschall-
durchschnitts und der Teilengestalt im Polymerisationssystem, und zwar auch bei Strömung im System bietet. Weiter ermöglicht es das Verfahren auch, die Entstehung von Lokalkavitationen und einer gasförmigen Phase des Monomers festzustellen, die zu Schaumung im System und zu einem Zupolymerisieren des Rückflußkühlers führen können. Aufgrund der spektralen Abhängigkeit der gemessenen Werte für die Absorption bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der longitudinalen Ultraschall-
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wellen ist es unmöglich, die optimalen Parameter für den Polymerisationsprozeß bei einzelnen Monomeren festzustellen
und die Endeigenschaften des Polymers vorherzusagen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß
sie mit wenigstens einen Ultraschallwandler aufweist, der auf die Erzeugung und den Empfang von longitudinalen
Ultraschallwellen eingerichtet und akustisch mit einer, in dem Polymerisationssystem angebrachten Ultraschallverzögerungsstrecke
verbunden ist.
Im einfachsten Fall kann ein einziger Ultraschallwandler in reflektierender Anordnung als Sender und zugleich auch als
Empfänger von longitudinalen Ultraschallwellen dienen. Das Polymerisationsmedium bzw. die Wand des Reaktors werden dabei
als Reflektor benutzt.
Im anderen Fall weist die Vorrichtung zwei Ultraschallwandler
auf, von denen der eine zur Erzeugung und der zweite zum Empfang der longitudinalen Ultraschallwellen
dient, wobei beide Ultraschallwandler akustisch mit eigenen Ultraschallverzögerungsstrecken verbunden sind.
Bei der Anordnung mit zwei Wandlern, d. h. bei Wellendurchgang
, kann man wieder zwischen zwei Möglichkeiten wählen: die beiden Ultraschallwandler sind entweder integriert in dem
polymerisierenden Monomer, oder einervon ihnen ist in dem
polymer!sierenden Monomer und der zweite außerhalb des
Reaktors angebracht, wobei der zweite Wandler z. B. mittels des Reaktormantels akustisch mit dem polyirerisierenden
Monomer verbunden ist.
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Die Ultraschallwandler sind bei allen Ausführungsformen vorteilhaft
mit Haltern versehen, die zusammen mit Verzögerungsstrecken einen Elektroisolations- und Druckmantel
für den jeweiligen Wandler bilden.
Die Ultraschallwandler können so schmal als auch breitbandig ausgeführt werden, wobei ihre Frequenz so gewählt
wird, daß die Werte für die Absorption von longitudinalen Ultraschallwellen in dem Polymerisationssystem im Verlauf der
Polymerisation den Meßbereich des benutzten elektronischen Gerätes nicht überschreiten.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vor allem die Verwendung von Ultraschallwandlern zur
Erzeugung und zum Empfang von longitudinalen Ultraschallwellen mittels Ultraschallverzögerungsstrecken. Diese
Wandler ermöglichen nämlich eine kontinuierliche Einführung und Abtastung des longitudinalen Ultraschallzuges in
das Polymerisationssystem und zugleich auch die Messung der Absorption und der Ausbreitungsgeschwindigkeit für
longitudinale Ultraschallwellen in einer Anordnung mit zwei Wandlern (mit Durchgang),sowie auch in einer Anordnung
mit einem Wandler und einem Reflektor (mit Reflexion).
Dabei wird ein möglicher Einfluß von Schichten aus abgesetztem Polymer auf den Stirnseiten der Verzögerungsstrecken auf die Größe der gemessenen Werte wesentlich eingeschränkt,
und diese Werte werden volumenartig genessen, falls die Wellenlänge wenigstens zehnmal größer ist als die Stärke
der abgesetzten Schicht und zehnmal kleiner als der Abstand
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zwischen den dem Sender und dem Empfänger zugewandten Stirnseiten der Ultraschallverzögerungsstrecke. Die gemessenen
Werte für die kontinuierlich abgetastete Größe des Absorptionskoeffizienten für die longitudinalen Ultraschallwellen können auch zur Steuerung des Polymerisationsprozesses verwendet werden. Schon bei der Verwendung von
üblichen Konstruktionsmat.erialien ermöglichen das erfindungsgemäße
Verfahren und die entsprechende Vorrichtung den Bau einer funkensprühsicheren und gegen Drucke von 0,1
bis 500 MPa beständigen Einrichtung.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen
von Änderungen der rheologischen Eigenschaften der Monomere während eines Polymerisationsprozesses anhand der Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen vertikalen Achsenteilschnitt
durch einen Polymerisationsreaktor mit einem
Doppelmantel und einem radialen Rührer, wobei im linken Teil des Reaktors die Ausführung mit zwei integriert angebrachten
Ultraschallwandiern (Variante "A"), und im rechten Teil des Reaktors die Ausführung mit getrennten Wandlern
(Variante "B") dargestellt ist. ·
Die Meßvorrichtung weist bei beiden wahlweisen Ausführungen
zwei Ultraschallwandler auf, von denen der eine als Sende— wandler zur Erzeugung von longitudinalen Ultraschallwellen
und der zweite als Empfangswandler für die Detektion dieser Wellen ausgeführt ist. Die Wandler sind mit elektrischen
Zufuhrleitungen 2 ausgestattet und ine Haltern 3 und 4
gehalten.
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Bei der als Variante "A" bezeichneten Ausführung sind beide Wandler 1 im Polymerisationsmedium innerhalb des mit einem
Rührer 8 versehenen Reaktors 7 angebracht. Bei der zweiten Ausführungsform ist nur einer der beiden Wandler 1 innerhalb
des Reaktors 7 angebracht, während der zweite an der Außenwand des Reaktors 7 festgehalten wird. In beiden Varianten sind die
Wandler 1 akustisch mit Ultraschallverzögerungsstrecken 5 verbunden, die zusammen mit den Haltern 3 und 4 einen
Bestandteil eines Elektroisolations- und Druckmantels 6 bilden.
Die dargestellte Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von Änderungen der rheologischen Eigenschaften von Monomeren,
z. B. von Vinylchlorid, während des Polymerisationsprozesses arbeitet nach folgendem Prinzip:
Die Vorrichtung wird in das Reaktorgefäß 7 in solcher Weise
eingesetzt, daß entweder beide Ultraschallköpfe, d. h. die beiden Wandler 1, oder wenigstens einer von ihnen vollkommen
in dem polymerisierenden System, z. B. in dem Polyvinylchlorid
versenkt sind.
Dem Sendewandler 1 werden radiofrequente Impulse von einer
Trägerfrequenz zugeführt, die gleich einer der harmonischen
Frequenzen des Ultraschallwandlers 1 ist. Im einfachsten Fall werden dem Sendewandler T quasimonochromatische Impulse
mit einer Frequenz 0,35 MHz und einer Impulslänge von 15 -us zugeführt, wobei ihre Dämpfung und bzw. auch die
Ausbreitungsgeschwindigkeit während des Durchganges durch das polymerisierende Vinylchlorid in Abhängigkeit von der
Polymerisationsdauer gemessen werden.
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Die Länge, die Wiederholungsfrequenz und die Schwingungsweite der radiofrequenten Impulse werden dabei so gewählt,
daß die ausgestrahlte Leistung für die in das Polymerisationssystem und dessen Trägermilieu ausgesendeten Ultraschallwellen
den Polymerisationsverlauf nicht beeinflussen kann.
Die gemessenen Werte für die Absorption bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit werden entweder mit den Werten
einer Musterpolymerisation verglichen, oder sie werden elektronisch zur Verwendung für die Steuerung des Prozesses,
die Anzeige von gefährlichen Situationen usw. verarbeitet. Die Messung und die Registrierung der Absorption und der
Ausbreitungsgeschwindigkeit der ultraschallwellen werden mittels bekannter Methoden der physikalischen Akustik und
Elektronik durchgeführt.
Analog wird die Messung auch für longitudinale Ultraschallwellen anderer Frequenzen an dem gleichen Polymerisationszyklus durchgeführt, wobei die Spektralabhängigkeit der
gemessenen Größen und der optimale Wert der Frequenz
erhalten werden.
Weiter ist es möglich, die longitudinalen Ultraschallwellen in Form von Videoimpulsen in das Polymerisationssystem
einzuführen, die nach dem Durchgang durch das Polymerisationsmedium abgetastet und einer schnellen Spektral- und Amplitudenanalyse
unterworfen werden. Dazu i-st allerdings eine kompliziertere elektronische Einrichtung und Ultraschalleinrichtung
nötig.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch zur Messung von Änderungen der Theologischen Eigenschaften
von anderen Monomeren während deren Polymerisation verwendet werden und ist zugleich auch für alle Typen von Polymerisationsprozessen,
wie z. B. für die Emulsions-, Lösungsmittel-, Fällungspolymerisationen, bzw. für die stereospezifischen
Polymerisationen und teilweise auch für die Blockpolymerisationen geeignet.
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Claims (6)
- Patentansprüche1 J Verfahren zum Messen von Änderungen der rheologischen Monomereigenschaften während eines Polymerisationsprozesses, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Polymerisationssystem ein Ultraschallwellenzug von 0,02 bis 100 MHz eingeführt wird und daß im Verlaufe des Polymerisationsprozesses die Absorption und die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses Wellerizuges gemessen wird.
- 2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen Ultraschallwandler (1), der auf die Erzeugung und den Empfang von longitudinalen Ultraschallwellen eingerichtet und akustisch mit einer in dem Polymerisationssystem angebrachten Ultraschällverzögerungsstrecke (5) verbunden ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß sie zwei Ultraschallwandler (1) aufweist, von denen der eine zur Erzeugung und der zweite zum Empfang der longitudinalen Ultraschallwellen dient und beide Ultraschallwandler (1) akustisch mit eigenen Ultraschallverzögerungsstrecken verbunden sind.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet,daß beide Ultraschallwandler (1) integriert in dem polymerisierrenden Monomer angebracht sind.233-(S9593)-DfF030008/0754
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der eine der ültraschallwandler (1) in dem polymerisierenden Monomer und der zweite außerhalb des Reaktors (7) angebracht ist, wobei der zweite Wandler (1) z. B. mittels" des Reaktormantels akustisch mit dem polymerisierenden Monomer verbunden ist.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1) oder die Ultraschallwandler (1) mit Haltern (3, 4) versehen sind, die zusammen mit Verzögerungsstrecken (5) einen Elektroisolations- und Druckmantel für den bzw. die Wandler (1) bilden.
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