Prozessintensivierung einer anionischen Polymerisation von 1,3-Butadien in einem Kapillarreaktor

Abstract

Zur Untersuchung der Prozessintensivierung einer anionischen Polymerisation von 1,3-Butadien wurden zwei experimentelle Aufbauten errichtet. Die Ergebnisse der Experimente, die in einem halbkontinuierlichen Rührkesselreaktor durchgeführt wurden, waren notwendig die Standardbedingungen zu definieren und um eine Rezeptur zur Produktion eines Polybutadiens mit einer Molmasse von 4500 g/mol, einem Vinylgehalt von etwa 75% und einer Polydispersität kleiner als 1.1 zu erstellen. Die Übertragung der anionischen Polymerisation in einen Kapillarreaktor führte zu Polybutadienen mit den geforderten Spezifikationen. Die Mikroreaktionstechnik erlaubt es, die Polymerisation in einem neuen Prozessfenster mit Reaktionstemperaturen über 70°C und Drücken über 15 bar durchzuführen. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand Experimenten, numerischer Modellierung und dem Vergleich idealer Reaktormodelle, dass die fluiddynamischen Eigenschaften den minimal erzielbaren PDI auf 1.04 begrenzen. Zudem wurden die Rahmenbedingungen, wie isotherme Reaktionsführung oder eine vollständige Initiierungsphase durch Simulationen belegt. Zur Bestimmung des Potenzials der Prozessintensivierung wurden die Raum-Zeit-Ausbeuten der beiden Prozesse verglichen. Die Übertragung in einen kontinuierlich betriebenen Flussreaktor und der Einsatz der Mikroreaktionstechnik führen zu einer Intensivierung um etwa den Faktor 100. Im Rahmen des CoPIRIDE-Projekts (unterstützt durch die EU, FP7) flossen die Ergebnisse dieser Arbeit in den Aufbau einer Produktionsstätte im Standard-Container-Format mit ein.

For the investigation of the process intensification of the anionic polymerisation of 1,3-butadiene two experimental setups were errected. The results of the experiments in the semi-batch reactor were necessary to define the standard conditions and to create a recipe for the industrial production of polybutadienes with a specified molar weight of 4,500 g/mol, a vinyl content of about 75 % and a polydispersity below 1.1. The transfer of the anionic polymerisation into a capillary reactor leads to polybutadienes within the recommended specifications. Microreaction technology allows to perform the polymerisation in a novel process window at elevated temperatures higher than 70 °C and pressures of more than 15 bar. This work shows with the help of experiments, numerical modelling and the comparison with ideal reactor models, that there is a limitation by fluid dynamics at a value of 1.04 for the PDI. Furthermore the boundary conditions like isothermal reaction conditions or completed initiation phase were proven by the simulations. To determine the potential of processes intensification the space-time yields of the two processes were compared. The transfer to a continuous flow process and the use of mircoreaction technology results in an intensification factor of about 100. Within the CoPIRIDE-project (funded by the Eurorean Commission, FP7) the results of this work helped to build a standard container sized chemical plant.