Klassischer Taylor-Reaktor
Disperse Systeme: Dana Rüttgers
Reaktorentwicklung – Taylor-Reaktor für kontinuierliche Emulsionspolymerisationen
Kontinuierliche Verfahren gewinnen in der Technik zunehmend an Bedeutung, da sie gegenüber Batch-Prozessen eine Reihe von Vorteilen besitzen (z.B. gleichbleibende Produktqualität). Die Entwicklung neuer Reaktoren ist bei der Optimierung von kontinuierlichen Verfahren von großem Interesse.
Ein möglicher Reaktor für den kontinuierlichen Betrieb ist der "Taylor-Reaktor". Er besteht aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Zylindern. Die (chemische) Reaktion findet im Spalt zwischen den beiden Zylindern statt, wobei der innere Zylinder als Rührer dient. Charakteristisch für diesen Reaktor ist die Ausbildung von kontrarotierenden toroidalen Wirbeln oberhalb einer kritischen Drehzahl (linke Abb.), wobei mit steigender Drehzahl unterschiedliche Wirbelströmungen auftreten.
Dieser Reaktor besitzt ein sehr interessantes Verweilzeitverhalten, das von der Charakteristik dem eines idealen Strömungsrohres, einer beliebigen Rührkesselkaskade oder sogar dem eines kontinuierlichen Kessels entsprechen kann.
Eine transportable kontinuierliche Polymerisationsanlage mit einem solchen Taylor-Reaktor wurde aufgebaut, in der vorwiegend Emulsionspolymerisationen durchgeführt und untersucht werden.
Konischer Taylor-Reaktor
Kontinuierliche Lösungscopolymerisation im Taylor-Reaktor
Der Taylor-Reaktor besteht aus zwei konzentrischen Röhren, von denen die innere als
Rührer dient. Der Ringspalt zwischen den Röhren ist der Reaktionsraum, in dem
sich ab einer bestimmten Rührerdrehzahl zusätzlich zur Couetteströmung eine
Sekundärströmung in Form von Ringwirbeln, sog. Taylorwirbeln, bilden.
Beschrieben wird das Auftreten dieser Strömung durch die dimensionslose
Taylor-Zahl Ta. Bei kontinuierlicher Fahrweise ergeben sich je nach Rührerdrehzahl
und damit Taylorzahl unterschiedliche Verweilzeitcharakteristika von wenigen äquivalenten
Rührkesseln bis annähernd zum Strömungsrohr, die zur Polymerisation
ausgenutzt werden können. Anwendung findet dieses Verfahren im Arbeitskreis zur
kontinuierlichen Bindemittelherstellung von Lacken, die industriell heute größtenteils
diskontinuierlich hergestellt werden. Da bei Lösungspolymerisationen bei
steigendem Umsatz auch die Viskosität zunimmt, ist bei diesem Taylor-Reaktor
der äußere Mantel kein Zylinder, sondern ein Konus. Durch diese Maßnahme wird
erreicht, dass die Taylor-Zahl bei hohen Viskositäten nicht unter einen
kritischen Wert sinkt und die Strömung zusammenbricht. Übliche Parameter sind
mittlere hydrodynamisch Verweilzeiten von 30 min und Umsätze deutlich über 90%
bei Feststoffgehalten von 80% und höher.