Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen eines Smart-Scale-Prozesses zur Intensivierung der Emulsionspolymerisation

Die Entwicklung von modularen, milli-skaligen Produktionsprozessen ist aufgrund der derzeitigen globalen Marktentwicklung für die europäischen Bauer und Betreiber von Chemieanlagen eine attraktive Alternative zu den bislang entwickelten World Scale Anlagen. Durch die Struktur und die hohe spezifische Oberfläche dieser milli-skaligen kontinuierlichen Smart Scale Reaktoren kann ein hohes Maß an Prozessintensivierung realisiert werden, nicht zuletzt durch die Erschließung von neuen Prozessfenstern in Bezug auf Druck und Temperatur. Stoff- und Wärmetransport sind die wesentlichen limitierenden Faktoren für eine Vielzahl von chemischen Prozessen, wie zum Beispiel bei der Herstellung von wasserbasierten Dispersionen durch Emulsionspolymerisation. Deren Durchführung mit Hilfe von Smart Scale Technologie ist daher eine hoch interessante Fallstudie. Darüber hinaus müssen bei der kontinuierlichen Emulsionspolymerisation weitere limitierende Faktoren, wie zum Beispiel die Stabilität von Emulsion und Dispersion beziehungsweise die Belagsbildung auf der Reaktoroberfläche, berücksichtigt werden. Phasenproblematiken, Stofftransport zwischen den Phasen und die Wärmetransporteigenschaften des Reaktors können durch die gezielte Beeinflussung der Strömungseigenschaften im Reaktor gelöst beziehungsweise verbessert werden. Die Kombination aus experimentellen Untersuchungen und numerischer Strömungssimulation in PTFE-Rohren mit unterschiedlichen Geometrien unter Ausnutzung von spezifischen Wirbelphänomenen erlaubt interessante Einblicke in die Hydrodynamik kontinuierlicher Reaktoren. Die Reaktorgeometrie unter Berücksichtigung der verfahrenstechnischen Prozessparameter kann so für die Emulsionspolymerisation optimiert werden, sodass die kontinuierliche Herstellung von Dispersionen mit bis zu 50 % Gewichtsanteil Festkörper bei einer Verweilzeit von wenigen Minuten bei Produktionsraten im kg/h-Maßstab möglich ist.