DD214380A1

DD214380A1 - CONTROL OF REACTOR PLANTS FOR THE MANUFACTURE OF PHENOL FORMALDEHYDE CONDENSATION PRODUCTS

Info

Publication number: DD214380A1
Application number: DD24784583A
Authority: DD
Inventors: Otto Quast; York Froemel; Klaus Zelta; Reinhard Grubits
Original assignee: Sprela Werke Spremberg Veb
Priority date: 1983-02-10
Filing date: 1983-02-10
Publication date: 1984-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelung von Reaktoranlagen zur Herstellung fester oder fluessiger waermeempfindlicher PF-Produkte, insbesondere diskontinuierlich arbeitende Reaktoranlagen. Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Verfahrensfuehrung,die Verkuerzung der Entwaesserungszeit bei hochviskosen PF-Harzen u.die Senkung der Schadstoffbelastg. in der Abluft bzw.in dem Abwasser. Aufgabe der Erfindg.ist die Aufrechterhaltg.einer konstanten Temperatur u.eines konstanten Vakuums im Polykondensationsreaktor waehrend der Entwaesserung. Erfindungsgemaess wird im Reaktor ein Temperaturmessfuehler angeordnet,derueber einen Regler ein Absperrorgan in der Vakuumleitg.abhaengig von der Temperatur des Reaktorinhalts regelt,wobei das Absperrorgan bei steigender Temperatur oeffnet. Ein weiterer Temperaturmessfuehler in der Vakuumleitung hinter dem Kondensator regelt ueber einen zweiten Regler ein Absperrorgan in der Heizleitung sowie ein Absperrorgan in der Vakuumleitung.The invention relates to a control of reactor plants for the production of solid or liquid heat-sensitive PF products, in particular discontinuously operating reactor plants. The aim of the invention is to improve the Verfahrensfuehrung, the shortening of the dewatering time at high viscosity PF resins u.Die reduction of Schadstoffbelastg. in the exhaust air or in the wastewater. The object of the invention is to maintain a constant temperature and a constant vacuum in the polycondensation reactor during the dewatering. According to the invention, a temperature measuring valve is arranged in the reactor, which regulates via a regulator a shut-off device in the vacuum guide depending on the temperature of the reactor contents, the shut-off device opening when the temperature rises. Another temperature measuring valve in the vacuum line behind the condenser controls a shut-off device in the heating line via a second controller and a shut-off device in the vacuum line.

Description

Regelung von Reaktoranlagen zur Herstellung von Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukten Control of reactor plants for the production of phenol- formaldehyde condensation products

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Regelung von Reaktoranlagen zur Herstellung fester oder flüssiger wärmeempfindlicher Produkte· Besonderen Nutzen bringt die Anwendung der Erfindung im diskontinuierlichen Herstellungsverfahren für Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukte, insbesondere, wenn diese hochviskose Konsistenz haben·The invention relates to a control of reactor plants for the production of solid or liquid heat-sensitive products. The use of the invention in the discontinuous production process for phenol-formaldehyde condensation products brings particular benefits, especially if they have a high-viscosity consistency.

Charakteristik der bekannten technischen !lösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bei der Herstellung von Phenol-^ornialdehyd-Kondensationsprodukten werden gewöhnlich Phenol oder Kresol und wäßrige Formaldehydlösung unter Zusatz eines sauren oder basischen Kondensationsmittels zur Reaktion gebracht· Werden Kondensationsprodukte mit höherem Polymerisationsgrad angestrebt, bezeichnet man diese als Phenol-Formaldehyd-Harze (PF-Harze). Die Herstellung von Harzen kann kontinuierlich durchgeführt werden· Als Beispiel kann das in DD-WP 134354 geschilderte Verfahren dienen. Kontinuierliche Verfahren sind jedoch nur bei angemessenen Losgrößen rentabel. Charakteristisch für PF-Harze ist jedoch, daß meist Produkte in relativ kleinen Losgrößen für vielfältige Anwendungsgebiete und damit diskontinuierlich im Chargenbetrieb hergestellt werden müssen· Die diskontinuierliche Harzherstellung gliedert sich in zwei Phasen:Phenol or cresol and aqueous formaldehyde solution are usually reacted with the addition of an acidic or basic condensing agent in the preparation of phenol / dialdehyde condensation products. If condensation products of a higher degree of polymerization are desired, these are termed phenol-formaldehyde resins (PF resins). , The preparation of resins can be carried out continuously. The process described in DD-WP 134354 can serve as an example. Continuous processes, however, are only profitable if the lot size is appropriate. Characteristic of PF resins, however, is that mostly products in relatively small batch sizes have to be prepared for a variety of fields of application and thus discontinuously in batch mode. The discontinuous resin production is divided into two phases:

1· Die eigentliche Kondensationsreaktion, während der das verdampfende Wasser einschließlich Rohstoffe nach Kondensation in das Reaktionsgefäß zurückgeführt werden· Die1 · The actual condensation reaction, during which the evaporating water including raw materials are returned to the reaction vessel after condensation

1Ö.FEB 1983*0681971Ö.FEB 1983 * 068197

Kondensationsreaktion wird als Rückflußkochung in der Regel unter atmosphärischem Druck ausgeführt·Condensation reaction is carried out as reflux boiling usually under atmospheric pressure.

2. Die Entwässerung, bei der Wasser einschließlich eines Teils der nicht umgesetzten Rohstoffe unter vermindertem Druck verdampft und nach Kondensation abgeführt oder in einer Vorlage gesammelt werden.2. The dewatering, in which water, including part of the unreacted raw materials, is evaporated under reduced pressure and removed after condensation or collected in a receiver.

Die wesentlichen Anlagenteile bei der diskontinuierlichen Harzherstellung sind ein beheizbarer Rührwerksreaktor, ein als Rohrbünde!Wärmeübertrager ausgeführter Kondensator, eine Abwasservorlage und die verbindenden Rohrleitungen mit Absperrorganen* Der Rührwerksreaktor wird üblicherweise mit Temperatur- und Druckmessung meist mit Registrierung (TIR, PIR) sowie mit einer Meßeinrichtung für die Temperatur des Heizmediums bzw. für den Druck des Heizdampfes ausgerüstet. Bei der manuellen Fahrweise wird nach der Kondensation das Absperrorgan für die Belüftung geschlossen und die Vakuumpumpe eingeschaltet oder, wenn mehrere Reaktionsanlageη vorhanden sind, die Vakuum-Ringleitung geöffnet· Erfolgt die Evakuierung der Reaktionsanlage zu schnell, so besteht bei Einsatz von Kolben-Vakuumverdichtern die Gefahr der Beschädigung, ja sogar der Zerstörung der Maschine. Bei Wasserrringpumpen tritt ein erhöhter Schadstoffanteil an Abwasser auf· Die Evakuierung der Reaktionsanlage erfolgt entsprechend der Leistungsfähigkeit des Vakuumverdichters„ Dadurch wird die nachfolgende Entwässerung bei minimalem Druck und damit bei minimaler Temperatur durchgeführt. Da die Viskosität von PF-Harzen bei Temperaturermiedrigung stark ansteigt, erniedrigt sich die Reynoldszahl und damit die liusseltzahl. Das bedeutet, daß die Entwässerung unter schlechten Wärmeübergangsbedingungen durchgeführt wird. Es ist zwar möglich, das Absperrorgan für Vakuum teilweise zu schließen, doch läßt sich erfahrungsgemäß dadurch kein konstanter Druck erhalten.The main parts of the plant during discontinuous resin production are a heatable stirrer reactor, a condenser designed as a pipe collar, a waste water receiver and the connecting pipes with shut-off valves. * The stirrer reactor is usually equipped with temperature and pressure measurement, usually with registration (TIR, PIR) and with a measuring device equipped for the temperature of the heating medium or for the pressure of the heating steam. In the manual mode of operation, after the condensation, the shut-off device for ventilation is closed and the vacuum pump is switched on or, if there are several reaction systems, the vacuum ring line is opened. · If the evacuation of the reaction system is too fast, there is a risk if piston vacuum compressors are used the damage, even the destruction of the machine. In the case of water-ring pumps, an increased pollutant content of wastewater occurs. The evacuation of the reaction plant takes place in accordance with the performance of the vacuum compressor. "As a result, the subsequent dewatering is carried out at minimum pressure and thus at minimum temperature. Since the viscosity of PF resins increases significantly when the temperature is lowered, the Reynolds number and thus the number of pulses decreases. This means that the drainage is carried out under poor heat transfer conditions. Although it is possible to partially close the obturator for vacuum, but experience shows that no constant pressure can be obtained.

In der DE-OS 2114789 ist ein Regelsystem zur Steuerung des Druckes nach vorgegebenem Druck-Zeit-Programm beschrieben. Da sich durch Ablagerung gelierter Harzanteile an den Wärmeaustauschflächen der Wärmeübergang von Charge zu Charge verändert, ist dieses System für die Harzherstellung nicht anwendbar.In DE-OS 2114789 a control system for controlling the pressure according to a predetermined pressure-time program is described. Since the deposition of gelled resin components at the heat exchange surfaces changes the heat transfer from batch to batch, this system is not applicable to resin production.

Nach der DE-OS 2221081 läßt sich der Strom des Heizmediuras über Druckmessung und Temperaturmessung steuern· Dabei wird aus Temperatur und Druck ein Hilfswert berechnet, um die Regelabweichung möglichst gering zu halten· Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit diesem System nicht optimal gelöst· Insbesondere bleibt das Problem der hohen Viskosität bei voll anliegendem Vakuum bestehen·According to DE-OS 2221081, the flow of Heizmediuras can be controlled by pressure measurement and temperature measurement · An auxiliary value is calculated from temperature and pressure to minimize the control deviation · The task of the invention is not optimally solved with this system Problem of high viscosity at fully applied vacuum ·

Object of the invention

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung von Reaktoranlagen sollen die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Im Vordergrund steht die Verbesserung der Verfahrensiührung und die Verkürzung der Entwässerungszeiten bei hochviskosen PP-Harzen· Durch Einhalten weitgehend konstanter Destillationsbedingungen wird eine gleichmäßige Qualität der Harze von Charge zu Charge und damit ein höherer Gebrauchswert erreicht. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist der Schutz der Umwelt vor zu hoher Schadstoffbelastung der Abluft bzw. des Abwassers sowie der Schutz von Vakuumanlagen mit Kolbenverdichtern vor Beschädigungen durch kondensierende Dämpfe, die erfahrungsgemäß zum Totalausfall der Anlage führen können·The inventive method for controlling reactor systems to avoid the disadvantages described. In the foreground is the improvement of the process and the shortening of the dewatering times of high-viscosity PP resins · By maintaining largely constant distillation conditions, a uniform quality of the resins from batch to batch and thus a higher utility value is achieved. Another aspect of the invention is the protection of the environment from excessive pollution of exhaust air or wastewater and the protection of vacuum systems with reciprocating compressors from damage caused by condensing vapors, which experience has shown can lead to total failure of the system.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Regelung von diskontinuierlichen Reaktionsanlagen zur Herstellung von Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukten, wobei beheizte Rührwerksreaktoren mit nachgeschalteten Kondensatoren verwendet v/erden und wo die Kondensationsreaktion am Rückfluß und anschließend die Entwässerung unter vermindertem Druck durchgeführt wird· Durch eine Regelung über zwei Regelkreise ist im Rührwerksreaktor ein konstanter Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, wodurch während Entwässerung die Wärmeübergangsbedingungen verbessert werden· Weiterhin ist die Aufrechterhaltung des vollen Vakuums zum Ende der Entwässerung für das weitgehende Entfernen der Monomeren aus dem Harzprodukt eine besondere technische Voraussetzung·. Aufgabe der Regelung ist auch der Schutz der Vakuumanlage vor nichtkondensierten Dämpfen· Die Gefahr des Durch-The object of the invention is in the control of discontinuous reaction plants for the production of phenol-formaldehyde condensation products, wherein heated stirred reactors with downstream condensers used v / ground and where the condensation reaction at reflux and then the dehydration is carried out under reduced pressure two control circuits a constant temperature range is to be maintained in the agitator reactor whereby the heat transfer conditions are improved during dewatering. Furthermore, the maintenance of the full vacuum at the end of the dewatering for the substantial removal of the monomers from the resin product is a special technical prerequisite. The purpose of the control is also to protect the vacuum system from uncondensed vapors.

schlagens von Dämpfen besteht beim zu schnellen Evakuieren der Reaktoranlage und während der Phase der Entwässerung unter vermindertem Druck durch unerkannte Verschmutzung der Wärmeaustauschflächen des Kondensators.Vaping is the too rapid evacuation of the reactor system and during the phase of dewatering under reduced pressure due to unrecognized contamination of the heat exchange surfaces of the condenser.

Erfindungsgemäß wird durch einen Regelkreis während der Entwässerung bei vermindertem Druck durch Regelung des Vakuums in Abhängigkeit von einer einstellbaren Temperatur die Temperatur des Reaktorinhalts solange konstant gehalten, bis der Reaktorinhalt im wesentlichen wasserfrei ist· In einem zweiten Regelkreis wird die Temperatur in der Vakuumleitung zum Kondensator als Führungsgröße für das Abschalten der Heizmediumszufuhr bei einer vorgewählten Temperatur und für das Schließen der Vakuumleitung bei einer höheren vorgewählten Temperatur gewählt, wodurch sowohl beim Evakuieren der Reaktionsanlage als auch während der Entwässerung unter vermindertem Druck das Durchschlagen unkondensierter Dämpfe zum Vakuumverdichter verhindert wird. In der Reaktionsanlage zur Herstellung von PJ?-Harzen wird ein Temperaturmeßfühler im Reaktor mit einem Regler für das Absperrorgan für Vakuum verbunden· Der Regler öffnet das Absperrorgan bei Überschreiten der eingestellten Temperatur. Durch Verminderung des Druckes sinkt die Verdampfungstemperatur und damit die Temperatur des Reaktorinhalts, so daß das Absperrorgan wieder geschlossen wird. Um die Temperatur während der Entwässerung weitgehend konstant zu halten, wird zweckmäßig ein P-Regler eingesetzt. Wenn die Entwässerung abgeschlossen ist, d.h. wenn im Reaktor neben PF-Harz nur noch Hydroxymethylphenole u.a. niedermolekulare Produkte sowie nicht umgesetzte Monomere vorliegen, wird bei Ansteigen der Temperatur zwar das Absperrorgan geöffnet, jedoch sinkt die Siedetemperatur infolge fehlenden Wasseranteils nicht mehr. So wird die Reaktionsanlage entsprechend der Leistungsfähigkeit der Vakuumanlage evakuiert und es können die nicht umgesetzten Monomere in erwünschter Weise abdestilliert werden. Der Temperaturmeßfühler in der Vakuumleitung ist über einen Regler mit einem Absperrorgan für Heizmedium und mit einem Absperrorgan für Vakuum verbundene Der Regler schließt die zugehörigen Absperrorgane bei Überschreiten der eingestellten Temperaturen. Um das Regelverhalten zu verbessern, wird auch hier zweckmäßig ein P-Regler eingesetzt.According to the invention, the temperature of the reactor contents is kept constant by a control circuit during the dewatering at reduced pressure by controlling the vacuum as a function of an adjustable temperature until the reactor contents are essentially free of water. In a second control loop, the temperature in the vacuum line to the condenser is Reference variable for switching off the heating medium supply at a preselected temperature and for closing the vacuum line is selected at a higher preselected temperature, thereby preventing the passage of uncondensed vapors to the vacuum compressor both during evacuation of the reaction system and during dewatering under reduced pressure. In the reaction plant for the production of PJ? Resins, a temperature sensor in the reactor is connected to a controller for the vacuum shut-off valve. · The controller opens the shut-off valve when the set temperature is exceeded. By reducing the pressure, the evaporation temperature and thus the temperature of the reactor contents decreases, so that the obturator is closed again. In order to keep the temperature during the dewatering largely constant, it is expedient to use a P regulator. When drainage is complete, i. if in the reactor in addition to PF resin only hydroxymethylphenols u.a. Although low molecular weight products and unreacted monomers are present, the obturator is opened when the temperature rises, but the boiling point no longer drops due to lack of water. Thus, the reaction plant is evacuated according to the performance of the vacuum system and it can be distilled off the unreacted monomers in the desired manner. The temperature sensor in the vacuum line is connected via a controller with a shut-off device for heating medium and with a shut-off device for vacuum. The controller closes the associated shut-off devices when the set temperatures are exceeded. To improve the control behavior, a P controller is also used here expediently.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß der Regler für das Absperrorgan für Heizmedium auf eine niedrigere Temperatur eingestellt ist als für das Absperrorgan für Vakuum. Dadurch wird erreicht, daß bei erforderlichem Schließen des Absperrorgan für Vakuum der Reaktorinhalt nicht weiter beheizt und damit der Druck nicht weiter erhöht wird. Damit wird die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit verhindert und die Gefahr des Gelierens des Harzes beseitigt· Der Absolutwert der Temperaturdifferenz ist abhängig von der Trägheit der Regelstrecke, also sowohl vom Heizsystem als auch von der Ausführung der Absperrorgane. Obwohl beide Regelkreise getrennt eingesetzt werden können, ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß beide Regelkreise gleichzeitig Anwendung finden. Um die Harzherstellung weitgehend zu automatisieren, können zusätzlich in bekannter Weise Grenzwert-Steuerungen eingesetzt werden, die die Zufuhr des Heizmediums bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes (z.B. Viskosität, Temperatur) absperren.It is a feature of the invention that the heater control valve is set to a lower temperature than the vacuum valve. This ensures that when required closing the shut-off device for vacuum, the reactor contents are not further heated and thus the pressure is not increased further. This prevents the increase in the reaction rate and eliminates the risk of gelation of the resin. The absolute value of the temperature difference depends on the inertia of the controlled system, ie both the heating system and the design of the shut-off devices. Although both control loops can be used separately, it is an essential feature of the invention that both control loops find application simultaneously. In order to largely automate the resin production, limit value controls can additionally be used in a known manner, which shut off the supply of the heating medium when a predetermined limit value (for example viscosity, temperature) is reached.

embodiment

In der Pig. 1 sind neben den wesentlichen Aggregaten einer Reaktionsanlage zur Herstellung von PP-Harzen die erfindungsgemäßen Regelungen eingezeichnet. Der Regler 4 wird auf 348 K, der Regler 7 in Verbindung mit dem Absperrorgan für das Heizmedium 8 auf 323 K, in Verbindung mit dem Absperrorgan für Vakuum 9 auf 338 K eingestellt.In the Pig. 1, the regulations according to the invention are shown in addition to the essential units of a reaction plant for the production of PP resins. The controller 4 is set to 348 K, the controller 7 in conjunction with the shut-off device for the heating medium 8 to 323 K, in conjunction with the shut-off device for vacuum 9 to 338 K.

KJ 25 Nach der Kondensation ist die Temperatur am Temperaturmeßfühler >348 K, die am Temperaturmeßfühler 6<338 K, die Absperrorgane und 9 sind offen und somit liegt volles Vakuum an. Durch die Verminderung des Druckes wird in zunehmendem Maße Wasser verdampft, so daß schließlich die Wärmeaustauschfläche des Kondensators 2 zur Kondensation der Dämpfe nicht mehr ausreicht und unkondensierte Dämpfe die Temperatur am Temperaturmeßfühler 6 über 338 K erhöhen. Das Absperrorgan 9 wird geschlossen; der Druck wird nicht weiter vermindert, bis die Temperatur am Temperaturmeßfühler 6 unter 338 K gesunken ist. KJ 25 After condensation, the temperature at the temperature sensor is> 348 K, at the temperature sensor 6 <338 K, the shut-off valves and 9 are open and thus there is a full vacuum. By reducing the pressure of water is increasingly evaporated, so that finally the heat exchange surface of the condenser 2 for condensing the vapors is no longer sufficient and uncondensed vapors increase the temperature at the temperature sensor 6 above 338 K. The obturator 9 is closed; the pressure is not further reduced until the temperature at the temperature sensor 6 has dropped below 338 K.

Ist die Temperatur im Rührwerksreaktor 1 auf 348 K abgefallen, so wird durch den Regler 4 das Absperrorgan 5 geschlossen; der Druck wird nicht weiter vermindert. Durch Öffnen des Absperrorgans 8 für das Heizmedium wird die Entwässerung eingeleitet. Steigt dieIf the temperature in the agitator reactor 1 dropped to 348 K, then the obturator 5 is closed by the controller 4; the pressure is not reduced any further. By opening the obturator 8 for the heating medium, the drainage is initiated. Does that rise?

Temperatur über 348 K, so wird das Absperrorgan 5 geöffnet. Dadurch vermindert sich der Druck und die Temperatur sinkt wieder« So wird die Temperatur während der Entwässerung konstant gehalten· Ist das Wasser weitgehend entfernt und steigt die Temperatur, so wird der Druck erniedrigt, die Temperatur fällt aber nicht mehr· Damit liegt zum Ende der Entwässerung in erwünschter Weise das volle Vakuum an und das Harz kann ohne weitere Regelungsgriffe weitgehend von Monomeren befreit wer-Temperature above 348 K, the obturator 5 is opened. This reduces the pressure and the temperature drops again «How to keep the temperature constant during drainage · When the water is largely removed and the temperature rises, the pressure is lowered, but the temperature does not fall anymore · This is the end of drainage desirably the full vacuum and the resin can be largely freed of monomers without further control handles

, den« Steigt während der Entwässerung durch unerkannte Ver- ' schmutzungen des Kondensators die Temperatur am Temperaturmeß-During dehydration due to unrecognized contamination of the condenser, the temperature at the

; fühler 6 über 323 K, wird durch Schließen des Absperrorgans die Zufuhr des Heizmediums abgeschaltet· Dadurch wird das Schließen des Absperrorgans für Vakuum 9 durch zu starke Behei-; sensor 6 above 323 K, the supply of the heating medium is switched off by closing the obturator. As a result, the closure of the obturator 9 for vacuum 9 is prevented by overheating.

^ zung, was Ursache für eine Havarie sein könnte, verhindert· Die Funktion der Absperrorgane 5 und 9 kann auch von einem einzigen Absperrorgan übernommen werden, auf das die gegenläufigen Impulse von Regler 4 und Regler 7 aufgeschaltet werden können·The function of the shut-off devices 5 and 9 can also be taken over by a single obturator, to which the opposing impulses of controller 4 and controller 7 can be connected.

Claims

- 7.- ... claim for promotion

Control of reactor systems for the production of phenol-formaldehyde condensation products, wherein heated stirred reactors are used with downstream condensers and where the condensation reaction at reflux and then the dehydration is carried out under reduced pressure, characterized in that in the agitator reactor (1) a Temperaturme ßfühler ( 3) is arranged, which regulates via a regulator (4) a shut-off device (5) in the vacuum line depending on the temperature of the reactor contents, wherein the obturator (5) opens with increasing temperature, and a temperature sensor (6) in the vacuum line behind the Condenser (2) is arranged, which regulates via a regulator (7) a shut-off device (8) in the heating line and a shut-off device (9) in the vacuum line so that the obturator (8) and the obturator (9) close with increasing temperature ·

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