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Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung von Gasen mit Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur chemischen Umsetzung eines Gases mit einer Flüssigkeit.
Bei vielen Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten, z. B. beim Chlorieren, Sulfatieren und Sulfonieren, wird die Reaktion zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase nur wirkungsvoll, wenn Gas- und Flüssigkeitsmoleküle in innige Berührung gebracht werden und die erzeugte exotherme Wärme oder die erforderliche endotherme Wärme aus bzw. zu der Mischung der Reaktionsteilnehmer entfernt bzw. zugeführt wird, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu regeln oder die Reaktion zu vollenden. Mit derartigen Verfahren befasst sich die Erfindung.
In der USA-Patentschrift Nr. 2,220, 657 wird eine Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten mit Gasen beschrieben. Die Zentrifugalkraft wird dazu verwendet, die Flüssigkeit in einen Film umzuwandeln, jedoch wird im Gegensatz zur Erfindung der Film von einer unebenen Scheibe weggeschleudert, wobei entweder ein Spray oder ein Film, dispergiert im Gas, gebildet wird. Im Gegensatz dazu bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, bei welchem ein dünner kontinuierlicher Flüssigkeitsfilm gebildet wird, so dass er, wenn er über die Oberfläche der Scheibe aufgetragen wird, mit dem Gas reagieren kann, während die exotherme Wärme von der Flüssigkeit durch die Scheibe entfernt oder die endotherme Reaktionswärme durch die Scheibe der Flüssigkeit zugeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur chemischen Umsetzung eines Gases mit einer Flüssigkeit, wobei das Gas mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht wird, während auf die Flüssigkeit Zentrifugalkräfte einwirken, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flüssigkeit durch Einwirkung von Zentrifugalkraft infolge der der Flüssigkeit durch den Reibungsschlepp der Scheibe mitgeteilten Bewegung auf der einen Seite einer schnell rotierenden Scheibe zu einem schnell bewegten dünnen kontinuierlichen Film ausgebreitet wird, wobei der Flüssigkeit über die Scheibe exotherme Reaktionswärme ab-oder endotherme Reaktionswärme zugeführt wird.
Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass es nicht nur eine sehr kurze Verweilzeit, einen sehr dünnen Film der flüssigen Reaktionskomponente und trotz der Dünnheit dieses Filmes einen bemerkenswert hohen Durchsatz von technischer Bedeutung schafft, sondern auch das Wiedervermischen des Reaktionsproduktes mit nichtumgesetztem Material vermindert und somit dazu verhilft, dass die Reaktion vollendet und die Gelegenheit zum Auftreten von unerwünschten weiteren Reaktionen verringert wird.
In der brit. Patentschrift Nr. 835, 055 ist die Anwendung einer drehbaren Scheibe als Wärmeaustauscher beschrieben. Es wird erwähnt, dass das Verfahren dazu verwendet werden kann, schnell Wärme von Flüssigkeiten, die chemisch miteinander reagieren, zu entfernen oder diesen zuzuführen.
Im Gegensatz dazu bezieht sich die Erfindung auf ein heterogenes Reaktionssystem, insbesondere auf ein Gas-Flüssigkeitsreaktionssystem. Es wurde gefunden, dass das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung bei einem derartigen Reaktionssystem überraschende Vorteile bringen. Da der sich rasch bewegende, dünne, kontinuierliche Flüssigkeitsfilm veranlasst wird, sich radial auszubreiten, wenn er über die Oberfläche der Scheibe fortschreitet, wird
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die Flüssigkeit an der Gas-Flüssigkeit-Zwischenfläche in stetiger Weise erneuert, so dass die Konzentration an Molekülen des Reaktionsproduktes an der Zwischenfläche unverzüglich zerstreut wird und weitere Moleküle der flüssigen Reaktionskomponente an der Zwischenfläche für die Reaktion mit dem Gas dargeboten werden.
Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung für das chemische Umsetzen eines Gases mit einer Flüssigkeit, welche umfasst : eine drehbare Scheibe aus wärmeleitendem Material, eine Leitung zum Zuführen einer flüssigen Reaktionskomponente zu der Oberfläche einer Seite der Scheibe und in der Nähe ihres Mittelpunktes, so dass, wenn die Scheibe gedreht wird, die flüssige Reaktionskomponente über diese Oberfläche in einem sich schnell bewegenden dünnen Film durch Zentrifugalkraft infolge der der flüssigen Reaktionskomponente durch den Reibungsschlepp der Scheibe mitgeteilten Bewegung ausgebreitet wird ; eine Leitung zum Zuführen einer gasförmigen Reaktionskomponente zu dem Raum in der Nähe der Oberfläche der Scheibe, auf welcher der flüssige Film zum Aussetzen des flüssigen Filmes der gasförmigen Reaktionskomponente gebildet wird ;
eine Leitung zur Zufuhr eines Wärmeübertragungsmediums zu der Oberfläche der entgegengesetzten Seite der Scheibe ; und eine Leitung zum Sammeln des Reaktionsproduktes vom Umfang der Scheibe.
Um die wirksamste Ausnutzung der Reibungsschleppkräfte zu erzielen, sollten die Oberflächen der Drehscheibe im wesentlichen eben sein. Sein Perimeter braucht nicht kreisförmig zu sein, sondern jegliche äquivalente Gestalt kann benutzt werden. Die Scheibe wird zum Betrieb vorzugsweise mit Geschwindigkeiten von 1000 bis 2500 Umdr/min gedreht. Der Baustoff der Drehscheibe sollte ein solcher mit guter Wärmeleitfähigkeit sein, beispielsweise Flusseisen, Aluminium, Kupfer oder Silber, und in Berührung mit den Reaktionskomponenten kommende Teile sollten aus korrosionsfestem Material bestehen.
Vorzugsweise wird die flüssige Reaktionskomponente der Scheibe über das Ganze einer Fläche auf der Oberfläche der Scheibe zugeführt, welche den Mittelpunkt der Scheibe umgibt, so dass die wirksamste Ausnutzung der Scheibenoberfläche erreicht wird, und die Leitung zum Zuführen der flüssigen Reaktionskomponente zu der Scheibe ist demgemäss eingerichtet. Die Weise, wie die Flüssigkeit auf die Drehscheibe zugeführt wird, beeinflusst die Eigenschaften des gebildeten Filmes und die Leistung des Apparates. Die Flüssigkeit kann vorteilhafterweise flach auf die Scheibe zugeführt werden durch Vorsehen eines Speisekastens am Ende der Flüssigkeitsspeiseleitung, so dass eine kreisförmige Mündung, zentriert auf der Scheibenachse, zwischen Speisekasten und Scheibenoberfläche gebildet wird.
Die Leitung zur Zufuhr der flüssigen Reaktionskomponente bildet zweckmässigerweise einen Kanal in einer feststehenden koaxial mit der Drehscheibe angeordneten Welle.
Vorzugsweise ist die Strömung der gasförmigen Reaktionskomponente im Gleichstrom mit der Strömung derflüssigenReaktionskomponente, aber Gegenstrom kann auch angewendet werden, wenn es vorteilhaft oder nicht nachteilig ist, dass frisches Gas die flüssige Reaktionskomponente, welche einen grösseren Anteil an Reaktionsprodukt enthält, berührt, und es erwünscht ist, das Vollenden der Reaktion zu unterstützen. Die gasförmige Reaktionskomponente kann gewünschtenfalls unter überatmosphärischem oder verringertem Druck sein. Die Zufuhrleitung bildet einen Kanal in einer feststehenden, koaxial mit der Drehscheibe angeordneten Welle, wobei diese Welle vorzugsweise auch eine Zuleitung für die flüssige Reaktionskomponente als einen getrennten Kanal trägt.
Seine Eintrittsgeschwindigkeit sollte nicht so gross sein, um den flüssigen Film von der Drehscheibe abzustreifen. Die gasförmige Reaktionskomponente kann geeigneterweise dem Film der flüssigen Reaktionskomponente in einer Kammer ausgesetzt werden, welche durch die Drehscheibe und ein Gehäuse begrenzt ist, das an dem Perimeter der Scheibe befestigt und drehbar auf der feststehenden Welle angebracht sein kann.
Eine Prellplatte ist vorzugsweise parallel zu und ein wenig abgesetzt von der Drehscheibe vorgesehen, um so den Weg der gasförmigen Reaktionskomponente zu der Oberfläche des Filmes aus flüssiger Reaktionskomponente zu begrenzen, wobei die gasförmige Reaktionskomponente gleichmässig in den Raum zwischen ihnen eingeführt wird, vorzugsweise an einer Stelle in der Nähe der Flüssigkeitszufuhr.
Die Anwesenheit der Prellplatte sichert nicht nur Strömung des Gases parallel zu der Flüssigkeit auf der Drehscheibenoberfläche, sondern vergrössert auch die Turbulenz in dem Gas an der Gasflüssigkeitsgrenzfläche und verbessert somit die Massenübertragungswirkung zwischen Gas und Flüssigkeit.
Mitunter kann Erwärmen der Drehscheibenoberfläche gegenüber derjenigen, auf welcher die flüssige Reaktionskomponente strömt, mittels Strahlungs- oder Konvektionserwärmung erfolgen und das Abkühlen kann mittels Luft oder anderer Gase bewirkt werden. Die exotherme Reaktionswärme wird vorzugsweise entfernt aus oder die endotherme Reaktionswärme zugeführt zu dem Flüssigkeitsfilm dadurch, dass ein Film einer Wärmeübertragungsflüssigkeit veranlasst wird, über die Oberfläche der Seite der
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Drehscheibe zu strömen, welche derjenigen gegenüberliegt, über welche die flüssige Reaktionskomponente strömt. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit strömt über die Scheibenoberfläche durch Zentrifugalkraft infolge der ihr durch den Reibungsschlepp der Scheibe mitgeteilten Bewegung.
Vorteilhafterweise wird die Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die gegenüberliegende Seite der Scheibe über das Ganze einer Fläche dieser Oberfläche zugeführt, welche den Mittelpunkt der Scheibe umgibt. Für die Erzielung schnellen Wärmeaustausches mit dem flüssigen Reaktant ist es nicht nur ausreichend, gute Wärme- übertragung zwischen der reagierenden Flüssigkeit und dem wärmeleitenden Material zu erhalten, sondem auch eine gleich gute Wärmeaustauschwirkung zwischen der Wärmeübertragungsflüssigkeit und dem wärmeleitenden Material ist erforderlich.
Ein besonderer Vorteil der Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines Filmes aus Wärmeübertragungsflüssigkeit besteht darin, dass die durch Verwendung eines stark turbulenten dünnen Flüssigkeitsfilmes erhaltenen Wärmeaustauschvorteile auf beiden Seiten des wärmeleitenden Materials erzielt werden.
Das Reaktionsprodukt kann vom Umfang der Scheibe mittels einer Leitung gesammelt werden, beispielsweise durch ein Tauchrohr, und vorzugsweise aus einem Ringkanal an dem Umfang der Scheibe durch ein Rohr, dessen Einlass innerhalb des Kanals und so hergestellt ist, dass das Reaktionsprodukt durch einen Kanal in einer feststehenden, koaxial mit der Drehscheibe angeordneten Welle strömen kann, welche Welle andere Kanäle trägt, durch welche die gasförmige und flüssige Reaktionskomponente zu der Scheibe zugeführt werden. Ein getrennter Gasauslass aus dem Reaktor kann vorgesehen sein, z. B. in Form eines besonderen Kanals in der feststehenden Welle. Dieses verhindert das Auftreten weiterer Umsetzung zwischen Gas und Flüssigkeit nach dem Verlassen der Drehscheibe.
Diese Einrichtung wird normalerweise nur benutzt werden, wenn eine Prellplatte, wie erwähnt, verwendet wird, da eine Prellplatte dann das Entweichen des Gases aus dem Reaktor verhindern würde, bevor es den flüssigen Film berührt. Die Prellplatte kann Kanäle enthalten, welche zu einem Ende des Umfanges der Scheibe führen und in Verbindung an dem andern Ende mit dem Entleerungskanal durch die feststehende Welle stehen, wobei das Ganze so entworfen und betrieben wird, dass das Reaktionsprodukt aus dem Umfang der Scheibe durch diese Kanäle eher als durch ein Tauchrohr entfernt wird.
Wenn das Reaktionsprodukt durch ein Tauchrohr gesammelt wird, wurde gefunden, dass wegen der dem Reaktionsprodukt durch die Drehscheibe mitgeteilten Zentrifugalkraft die in das Rohr eintretende Flüssigkeit beträchtliche kinetische Energie besitzt. Diese kinetische Energie wird teilweise längs des Rohres zum Überwinden der Behinderung der Bewegung der Flüssigkeit längs des Rohres zu seinem Auslass durch den Reibungsschlepp der Wände des Rohres und der entgegengesetzten Schwerkraft zerstreut.
Es ist erwünscht, das Reaktionsprodukt aus dem Reaktor so schnell wie möglich zu entfernen und darum den Reibungsschlepp so niedrig wie möglich zu halten. Aber wenn dies durch Verwendung eines Rohres von relativ grossen Durchmesser geschieht, wurde gefunden, dass turbulente Strömung in dem Rohr herbeigeführt wird und das Gas innerhalb des Reaktors gleichzeitig eingesaugt werden kann, wodurch die Wirksamkeit des Apparates verringert wird. Turbulente Strömung ist unerwünscht, weil sie grösste Strömung der Flüssigkeit durch das Rohr verhindert.
In einem geschlossenen Reaktor, d. h. einem Reaktor, aus welchem jeder Eintritt oder Austritt von Gas der Kontrolle durch Einschliessung unterworfen ist, wird nicht nur der Druck der gasförmigen Reaktionskomponente mit entsprechender Verringerung in der Massenübertragung zwischen der reagierenden flüssigen und gasförmigen Phase vermindert, wenn Gas in das Rohr eingesaugt wird, sondern die sich ergebende Vakuumwirkung sucht auch die Drehscheibe zu verzerren, welche notwendigerweise dünn ist, um gute Wärmeübertragung zu schaffen.
Wenn der Weg der gasförmigen Reaktionskomponente auf die Oberfläche des Filmes aus flüssiger Reaktionskomponente durch eine parallel zur Drehscheibe, welche die flüssige Reaktionskomponente trägt, angeordnete Prellplatte begrenzt ist, verringert jedoch solche Verzerrung den Spalt zwischen der Drehscheibe und der Prellplatte und stört die Bewegung der flüssigen und gasförmigen Reaktionskomponenten. In der Praxis wurde eine Druckverringerung von bis 710 mm Quecksilber beobachtet. Die Anwesenheit von Gas in dem Flüssigkeitssammelrohr ist insbesondere erwünscht, wenn ein getrennter Auslass für überschüssige gasförmige Reaktionskomponenten und ein Trägergas vorgesehen ist, besonders wenn dies erfolgt, um Fortsetzung der Berührung zwischen dem flüssigen Reaktionsprodukt und dem Gasreaktanten zu vermeiden.
Das Mitnehmen von Gas kann vermieden werden durch Verwendung eines Sammelrohres verhältnismässig engen Durchmessers, aber dessen Reibungsschlepp verhindert die gewünschte rasche Entfernung des Produktes. Daher wird vorzugsweise ein Rohr verwendet, welches so angeordnet oder gestaltet ist, um die Neigung des Rohres zu verringern, mit der Flüssigkeit auch anwesendes Gas mitzuziehen, aber ohne in ernstlicher Weise das rasche Strömen von Flüssigkeit durch das Rohr zu beschränken, besonders wenn der Reaktor geschlossen ist. Vorzugswei-
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se ist das Rohr mit einer solchen Öffnung vorgesehen, dass der Einlass des Rohres eine Querschnittsfläche zur kreisförmigen Strömungsrichtung des flüssigen Reaktionsproduktes darbietet, welche kleiner als die Bohrung des Hauptteiles des Rohres ist.
Dieses kann dadurch bewirkt werden, dass die Öffnung im spitzen Winkel zur kreisförmigen Strömungsrichtung gelegen ist und eine nicht grössere Querschnittsfläche der Öffnung als die Bohrung des Hauptteiles des Rohres besitzt, oder durch Verwenden eines Rohres, dessen Einlassende beschränkt ist, oder durch beide Massnahmen.
Wenn die Öffnung mit spitzem Winkel ausgebildet ist, ist der dargebotene Winkel vorzugsweise zwischen 5 bis 300, besonders zwischen 10 bis 200, und wird eingestellt, um die besten Ergebnisse gemäss der Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsproduktes zu liefern, welche ihrerseits von seiner Viskosität und der Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe abhängt. Die umfängliche Strömungsrichtung an der Öffnung ist eine senkrechte zu der Radiallinie der Drehachse durch die Leitkante des Rohres an seiner Öffnung. Um die Öffnung in einem spitzen Winkel darzubieten, kann die Öffnung in einem geeigneten Winkel zur Rohrachse geschnitten sein. Das Rohr kann gerade gehalten werden oder gekrümmt sein. Vorzugsweise ist es gekrümmt mit Änderung der Richtung hinweg von dem Ringkanal und auf die Drehachse zu.
Vorzugsweise beginnt diese Richtungsänderung an der Öffnung und ist nicht unterbrochen, so dass ihre Krümmung ganz in einer Richtung und in der Drehebene liegt ausser an dem Entleerungsende. Der Krümmungsgrad ist vorzugsweise klein, wenn das Reaktionsprodukt verhältnismässig viskos ist.
Wenn das Einlassende des Rohres beschränkt ist, kann dies durch Vergrössern des Reibungsschlepps bewirkt sein, welchen seine Wand an oder nahe seiner Öffnung ausübt, beispielsweise durch Verkleinern seiner Bohrung oder durch Vergrösserung der Länge des Umfanges seiner Bohrung ohne Vergrösserung der Bohrung selbst.
Die Öffnung ist vorzugsweise eben, aber sie kann auch nicht eben sein, beispielsweise konkav oder konvex im Verhältnis zu der ankommenden Flüssigkeit, wenn im rechten Winkel zur Ebene der Drehung gesehen. Wenn die Öffnung nicht eben ist, ist der dargebotene Winkel bestimmt durch die Linie, welche das vordere und hintere Ende der Öffnung in der umfänglichen Strömungsrichtung verbindet.
Vorzugsweise wird die Öffnung des Rohres der umfänglichen Strömungsrichtung des Reaktionsproduktes mit einer Verlängerung parallel zur Oberfläche des Reaktionsproduktes in der zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene dargeboten. Vorzugsweise ist auch die der umfänglichen Strömungsrichtung dargebotene Öffnung symmetrisch um eine zur Drehachse senkrechte Ebene.
Die zum Sammeln des Reaktionsproduktes beschriebenen Einrichtungen können allgemein fürdas
Sammeln von in einem Ringkanal strömender Flüssigkeit verwendet werden, gleichgültig ob die Bewegung der Flüssigkeit durch den Reibungsschlepp an der Oberfläche einer Drehscheibe oder in anderer Weise mitgeteilt wurde.
In Abhängigkeit von der Reaktionsgeschwindigkeit und der Reaktionswärme kann die flüssige Re- aktionskomponentedurch zwei oder mehr erfindungsgemässe Apparaturen in Reihe geleitet werden. Frische gasförmige Reaktionskomponente kann zu jeder Einheit zugeführt werden oder das Gas kann durch eine Reihe der Einheiten gehen. Verschiedene Flüssigkeitstemperaturen können in den getrennten Einheiten benutzt werden, beispielsweise, um Nebenreaktionen gering zu halten.
Ein Verfahren der Erfindung ist besonders vorteilhaft für das Ausführen von Sulfonierungs- oder
Sulfatierungsreaktionen, worin Schwefeltrioxyd oder Mischungen aus Schwefeltrioxyd und Luft oder einem inerten Gas mit organischen Verbindungen, beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Fettalkoho- len, umgesetzt werden.
Beispiele von Kohlenwasserstoffen, welche unter Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens sulfoniert werden können, sind die aromatischen und aliphatisch-aromatischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche Alkylbenzole, welche beim Sulfonieren Produkte mit oberflächenaktiven Eigenschaften ergeben. Beispiele aliphatisch-aromatischer Kohlenwasserstoffe sind die alkylierten Benzole mit
9 bis 18 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe. Andere ausführbare Sulfonierungsreaktionensind Sul- fonieren von C8 - C22 Fettsäuren unter Entstehung von (X- Sulfofettsäuren.
Fettalkohole, welche leicht gemäss der Erfindung sulfatiert werden können, sind beispielsweise die geradkettigen Alkohole mit8 bis 20, vorzugsweise 12 bis 18 Kohlenstoffatomen. Äthylenoxyddderivate, beispielsweise Alkylphenoläthylenoxydkondensate, z. B. mit 9 bis 12 Kohlenstoffatomen in der Alkyl- gruppe, oder Äthylenoxydderivate von Cg-Cgo Fettalkoholen können auch unter Verwendung der Er- findung sulfatiert werden.
Beispiele anderer Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten, wobei die Erfindung angewendet werden kann, sind Chlorierung von Alkali zur Erzeugung von Hypochlorit, die Hydrierung von Speise- ölen und die Erzeugung von Amiden durch Umsetzung von Ammoniak mit Fettsäuren.
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Die gasförmige Reaktionskomponente kann der Dampf eines Stoffes sein, welcher unter normalem atmosphärischen Druck oder normaler Temperatur flüssig ist. Die flüssige Reaktionskomponente kann ein Stoff sein, welcher normalerweise fest ist, aber durch Erwärmen verflüssigt oder in flüssiger Form durch Auflösen in einem geeigneten Lösungsmittel erhalten wurde. Mischungen von Gasen oder von flüssigen Reaktionskomponenten können auch benutzt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, welche darstellen : Fig. 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Umsetzen eines Gases mit einer Flüssigkeit, Fig. 2 und 3,4 und 5,6 und 7 vier abgeänderte Ausbildungen eines Tauchrohres zum Sammeln des Reaktionsproduktes.
Nach Fig. 1 ist eine Scheibe --1-- aus wärmeleitendem Material an ihrem Umfang mit einem Ge-
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--2-- verbunden,Welle --6-- ist eine Stopfbüchse --7-- vorhanden.
In der Welle --6-- sind zwei Stahlrohre-8, 9-untergebracht, welche mit Einlasskanälen --10, 11-- und einem Auslasskanal --12-- versehen sind. Das Rohr --9-.. endet im Durchlass --13--, dessen freier Rand --14-- durch einen engen Spalt --15-- von der Oberfläche--16-- der Scheibe --1-- getrennt
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bildet. Dicht an der Oberfläche --23-- auf der Rückseite der Scheibe --1-- ist ein Zufuhrkasten für Flüssigkeit --24-- vorgesehen, über dessen Ende eine einstellbare Hülse --25-- gleitbar montiert ist, deren freier Rand --26-- durch einen engen Spalt --27-.. von der Oberfläche--23-- der Scheibe --1-getrennt ist. Der Flüssigkeitsspeisekasten --24-- ist mit einem Einlass --28-- versehen und ein Auslass- rohr-29-- erstreckt sich in die Ringrinne --22--.
Im Betrieb wird die Scheibe --1-- mit hoher Geschwindigkeit durch geeignete nicht gezeigte Mit-
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führt und befindet sich unter Druck, so dass am Durchlass --13-- eine Masse der flüssigen Reaktionskomponente A in Berührung mit der Scheibenoberfläche --16-- über eine den Mittelpunkt der Scheibe umgebende Fläche vorhanden ist. Die mit hoher Geschwindigkeit gedrehte Scheibe --1-- zieht die Flüssigkeit A durch den engen Spalt --15-- zwischen dem Rand --14-- des Rohres --9-- und der Oberfläche - heraus und veranlasst sie, über die Oberfläche --16-- der Scheibe --1-- als dünner sich schnell bewegender Film unter den Einfluss der Zentrifugalkraft infolge der der Flüssigkeit durch den Reibungsschlepp der Scheibe mitgeteilten Bewegung zu strömen.
Die gasförmige Reaktionskomponente B wird durch den Kanal --10-- zwischen den Rohren-"'8 und 9-- zugeführt und aus dem Durchlass --17-- heraus in den Raum --18-- zwischen der Scheibe--1-* und dem Gehäuse --2-- geleitet, Hier reagiert das Gas, welches jetzt dem sich über die Scheibenoberfläche - bewegenden flüssigen Film ausgesetzt ist, mit der Flüssigkeit A. Eine sehr rasche und vollständige Umsetzung ist infolge der innigen und gründlichen Berührung zwischen den Molekülen des Gases und den des sich schnell bewegenden flüssigen Filmes möglich.
Das flüssige Reaktionsprodukt C strömt beim Erreichen des Umfanges der Scheibe-l-um den Ringkanal--20-- herum, wird durch das Rohr --19-- gesammelt und geht mit beträchtlicher kinetischer Energie hindurch und durch den Kanal --12-- zwischen dem Rohr --8-- und der Welle--6--. Jegliches nicht umgesetzte Gas wird mit dem Reaktionsprodukt C entfernt.
Die Reaktionswärme wird abgezogen aus oder (wenn die Reaktion endotherm ist) zugeführt zu der Reaktionsmischung dadurch, dass eine Wärmeübertragungsflüssigkeit D veranlasst wird, auf der Oberfläche --23-- der Scheibe --1-- zu strömen. Diese Wärmeübertragungsflüssigkeit wird durch das Einlass- rohr-28-in den Speisekasten --24-- zugeführt, um eine Flüssigkeitsmasse in Berührung mit der Ober- fläche --23-- der Scheibe --1-- über eine die Mitte der Scheibe umgebende Fläche zu halten.
Die Wär- meübertragungsflüssigkeit wird durch den Spalt --27-- zwischen dem Rand der Hülse --26-- und der
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-23--.- 16 und 23-- der Scheibe --1-- strömenden Flüssigkeiten wird erhalten. Die Wärmeübertragungsflüs- sigkeit D strömt beim Erreichen des Randes der Scheibe-l-am Umfang in die Ringrinne-22-und geht durch das Auslassrohr --29-- mit beträchtlicher kinetischer Energie heraus.
Fig. 1 zeigt auch als Wahlmerkmal eine Prellplatte--'30-', welche am Durchlass-'-l' ?"- befestigt ist, sich durch den Raum --18-- parallel zur Scheibe-'l-erstreckt und einen Spalt --31-- zwischen ihrem Umfang und dem Gehäuse --2-- zum Durchführen des Reaktionsproduktes zum Kanal -.. 20-- und Rohr--19-- freilässt.
Fig. 2 ist ein Aufriss im Schnitt, gesehen im rechten Winkel zur Drehebene, eines Teiles der Vorrichtung von Fig. 1 mit Prellplatte --30--, aber mit einem abgeänderten Tauchrohr --19--. Fig.3 ist eine Ansicht des gleichen Teiles, geschnitten im rechten Winkel nach der Radiallinie-X-X--von Fig. 2. Das Reaktionsprodukt --32-- strömt in der Richtung, gezeigt im Ringkanal, welcher durch die Drehscheibe-l-und das Gehäuse --2-- gebildet ist.
Das Rohr --19-- von gleichförmigem Querschnitt, gelegen zwischen dem Gehäuse --2-- und der feststehenden Scheibe --30--, ist nach seinem Einlassende zu ohne Abflachen gebogen und bietet seine kreisförmige Öffnung--'33-der Strömungsrichtung des Reaktionsproduktes als eine Ellipse dar, deren grössere Achse parallel zur Oberfläche des Reaktionsproduktes in der zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene ist, wobei derdargebotene Winkela : etwa 150 be- trägt.
Fig. 4 ist ein Aufriss im Schnitt eines Teiles einer Vorrichtung gemäss Fig. 1, aber mit abgeändertem Tauchrohr und Ringkanal, und Fig. 5 ist ein Aufriss im Schnitt des gleichen Teiles im rechten Winkel längs der Linie-Y-Y-von Fig. 3. Das Reaktionsprodukt --32-- strömt in der Richtung, gezeigt in dem Ringkanal--20--, welcher durch die Drehscheibe-l-und das Gehäuse-2-- gebildet ist. Das Einlassende des Rohres --19-- ist so gekrümmt, um die Öffnung --33-- im rechten Winkel zur Strömung des Reaktionsproduktes --32-- darzubieten und die Öffnung ist oben abgeflacht, so dass das Einlassende des Rohres durch wirksame Verkleinerung seiner Bohrung verengt ist. Die Öffnung ist oben parallel mit der Oberfläche des Reaktionsproduktes in der zur Strömungslinie senkrechten Ebene.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Einlassendes eines abgeänderten Sammelrohres. Oberes und unteres Ende von Rohr --19-- sind an der Öffnung abgeflacht, welche im rechten Winkel zur Strömung des Reaktionsproduktes sich darbietet, und da das Rohr sich von seiner Öffnung hinwegkrümmt, wird sein Querschnitt allmählich kreisförmig. In diesem Fall wird das Einlassende des Rohres durch Vergrössern der Länge des Umfanges seiner Bohrung an oder bei der Öffnung ohne Vergrösserung der Bohrung selbst verengt.
Fig. 7 zeigt einen Aufriss im Schnitt, gesehen im rechten Winkel zur Drehebene, eines Teiles einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 mit einem abgeänderten Tauchrohr --19--mit kreisfönniger Öffnung verringerter Bohrung. Die Öffnung bietet sich der Strömungsrichtung des Reaktionsproduktes als eine Ellipse in der gleichen Weise dar, wie die Öffnung in den Fig. 2 und 3 mit einem Winkel ce von etwa 150. Bei dieser Anordnung ist das Einlassende des Rohres durch Verkleinern der Bohrung der Öffnung verengt und gleichzeitig bietet sich die Öffnung in einem spitzen Winkel der Strömungsrichtung des Reaktionsproduk- tes dar. Das Rohr krümmt sich sanft von dem Ringkanal zur Drehachse hinweg.
Die folgenden Beispiele werden zur Erläuterung der Verwendung der beschriebenen Vorrichtung gegeben, die Beispiele 2 und 3 wurden in einer Vorrichtung mit Prellplatte"-30-'-und Beispiel l ohne eine solche ausgeführt.
Beispiel l : Dieses Beispiel betrifft die Sulfonierung eines handelsüblichen Alkylbenzolkohlenwasserstoffes von durchschnittlichem Molekulargewicht 245, dessen Alkylteil im wesentlichen ein geradkettiges sekundäres Alkylradikal ist, unter Verwendung einer Mischung aus Schwefeltrioxyddampf und Luft als SulfonierungsmitteL Die Scheibe --1-- hatte einen Durchmesser von 32 cm und eine Dicke von 16 mm, war aus Flusseisen und wurde mit einer Geschwindigkeit von 1540 Umdr/mingedreht. Der Kohlenwasserstoff wurde bei 200C und in einer Menge von 41 kg/h durch die Leitung ¯ von etwa 6 mm Durchmesser zugeführt, wobei der Spalt --15-- zwischen dem Ende des Rohres und der Scheibenober- fläche --16-- etwa 0,8 mm war.
Kühlwasser von 200C wurde in gleicher Weisezu der Rückseite --23-der Scheibe in einer Menge von 900 kg/h zugeführt. EineMischung aus Schwefeltrioxyddampf und trokkener Luft in Anteilen von 1 : 2 volumenmässig wurde durch den Kanal --10-- mit einer Geschwindigkeit von 11 m3/h (bei S. T. P. ) zugeführt. Sulfonierung erfolgte auf der Scheibenoberfläche --16-- und das Material verliess die Apparatur mit einer Temperatur von über 1000C und enthielt nach der Analyse 93,7% Alkylarylsulfonat zusammen mit nicht umgesetzten Alkylarylkohlenwasserstoffen. Das aus der Apparatur erhaltene Material war in bezug auf Farbe so befriedigend wie das aus einem üblichen Chargenreaktor mit Rührwerk erhaltene.
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Beispiel 2 : Der handelsübliche in Beispiel 1 verwendete Alkylbenzolkohlenwasserstoff wurde mit unverdünntem gasförmigem Schwefeltrioxyd sulfoniert. Die benutzte Apparatur war die gleiche wie die des Beispiels 1, ausser dass die Flusseisenscheibe-l-einen Durchmesser von 46 cm und eine Dicke von 16 mm besass und mit einer Geschwindigkeit von 2000 Umdr/min gedreht wurde, und die Prellplatte --30-- zugegen war. Der Kohlenwasserstoff wurde bei 26, 50C und in einer Menge'von 68 kg/h und gasförmiges Schwefeltrioxyd in einer Menge von 24,2 kg/h zugeführt. Kühlwasser von 300C wurde in einer Menge von 1360 kg/h zugefügt. Die mittlere Verweilzeit der flüssigen Reaktionskomponente auf der Drehscheibe war etwa 0,04 sec.
Die Reaktionswärme wurde in einer Menge von 8800 Kcal/h entfernt. Das sulfonierte Produkt verliess den Reaktor mit 660C und enthielt gemäss der Analyse 97, 1'% Al- kylarylsulfonat, 1, 6% unsulfoniertes Material und 1, 3% Schwefelsäure, was eine Umwandlung von 97, 90/0 darstellt. Die Farbe des Produktes, gemessen an einer Saigon Lösung in Äthanol in einem LovibondTintometer (1 Zoll-Zelle) war 0,7 Roteinheiten und 2, 1 Gelbeinheiten.
Eine Paste, welche völlig geeignet war zum Einverleiben in weisses, keine Seife enthaltendes Reinigungsmittelpulver, ohne Bleichen zu erfordern, und für flüssige Reinigungsmittel, wurde aus dem Produkt hergestellt.
Beispiel 3 : Der handelsübliche in Beispiel 1 verwendete Alkylbenzolkohlenwasserstoff wurde genau wie in Beispiel 2 sulfoniert, ausser dass die gasförmige Reaktionskomponente aus 24 kg/h Schwefeltrioxyd, verdünnt mit einem gleichen Volumen trockener Luft, bestand. Das Produkt verliess den Reaktor mit 59 C und enthielt 97, 2% Alkylarylsulfonat, 2, 0% unsulfoniertes Material und 0, 8% Schwefelsäure, was eine Umwandlung von 97, 50/0 bedeutet. Die Farbe einer 55eigen Lösung in Äthanol in einer 1-Zoll-Zelle, gemessen in einem Lovibond-Tintometer, war 0,5 Roteinheiten und 1, 1 Gelbeinheiten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur chemischen Umsetzung eines Gases mit einer Flüssigkeit, wobei das Gas mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht wird, während auf die Flüssigkeit Zentrifugalkräfte einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch Einwirkung von Zentrifugalkraft infolge der der Flüssigkeit durch den Reibungsschlepp der Scheibe mitgeteilten Bewegung auf der einen Seite einer schnell rotierenden Scheibe zu einem schnell bewegten dünnen kontinuierlichen Film ausgebreitet wird, wobei der Flüssigkeit über die Scheibe exotherme Reaktionswärme ab- oder endotherme Reaktionswärme zugeführt wird.