Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen.
Bei kontinuierlichen Reaktionen zwischen nichtmischbaren Phasen, die in einem Reaktionsbehälter durchgeführt werden, welchem die Reaktionskomponenten kontinuierlich zugeführt werden und aus welchem das Reaktionsgemisch kontinuierlich abgezogen und einer Trennvorrichtung zugeführt wird, sind die Verweilzeiten der beiden Phasen in der Reaktionszone im allgemeinen gleich.
In der Regel findet die gewünschte chemische Reaktion in einer der Phasen statt, während die andere Phase an die erstgenannte Phase Reaktions komponenten abgibt und'oder Reaktionskomponenten aus derselben aufnimmt. Es ist deshalb zweckmässig, die einzelnen Verweilzeiten der Reaktionskomponenten unabhängig voneinander und vom Verhältnis der Mengen der zugeführten Komponenten zu machen, so dass der gewünschte Materialaustausch zwischen den Phasen gleichzeitig mit den chemischen Reaktionen stattfinden kann.
Eine zur Erwirkung von individuellen Verweilzeiten geeignete Methode besteht darin, einen Teil der die Trennvorrichtung verlassenden Komponenten in den Reaktionsbehälter zurückzubefördern.
Durch diese Massnahme wird sowohl das Mengenverhältnis der Phasen im Reaktionsbehälter als auch die Verweilzeit der Komponenten geändert.
Das vorliegende Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen, wobei sowohl die Ausgangsstoffe als auch die Reaktionsprodukte in zwei flüssigen, nicht vollständig miteinander mischbaren Phasen vorliegen, die in einer Reaktionszone gemischt und einer Abscheidungszone zugeführt werden, und wobei ein Teil der den Abscheider verlassenden Komponenten in die Reaktionszone zurückgeleitet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit aus den mittleren Schichten der Abscheidungszone, wo erst eine teilweise Entmischung der beiden Phasen eingetreten ist, in die Reaktionszone zurückgeführt wird.
Gemäss vorliegender Erfindung können somit das Mengenverhältnis der Phasen sowie die Verweilzeiten der Komponenten nach Belieben ohne Zuhilfenahme von aus der Trennvorrichtung abgetrennten Produkten geregelt werden. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich vorzugsweise zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen im Gegenstromprinzip und kann insbesondere zur Umsetzung von Toluol mit Nitriersäuren angewendet werden.
Es ist zweckmässig, mindestens die Hälfte der Gesamtmengen der aus der Trennvorrichtung austretenden, abgetrennten Produkte in den Reaktionsbehälter zurückzubefördern. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, einen wesentlich grösseren Rückstrom zu verwenden. So hat es sich z. B. gezeigt, dass ein Rückstrom, der gleich gross ist, doppelt so gross oder sogar über zehnmal so gross ist wie die Mengen der die Trennvorrichtung verlassenden, abgetrennten Produkte zweckmässig sein kann, um die Verweilzeit der einen Phase gegenüber derjenigen der anderen Phase zu erhöhen.
Ausser der Möglichkeit, die chemischen und physikalischen Vorgänge durch Regulierung der Verweilzeiten der Reaktionskomponenten sowie anderer Bedingungen zu steuern, schafft die Erfindung noch andere Vorteile, die insbesondere dann in Erscheinung treten, wenn man es mit Reaktionsgemischen zu tun hat, die sich mehr oder weniger schwer zerlegen lassen, wie dies z. B. bei Nitrierreaktionen der Fall ist.
Dadurch, dass eine teilweise entmischte Emulsion, das heisst eine Emulsion, aus welcher die grösseren oder leichter abzutrennenden Tropfen oder emulgierten Partikel entfernt worden sind, zurückgeleitet wird, kann man der Trennvorrichtung wesentlich kleinere Ausmasse geben, wodurch die beim Umgehen mit Explosivstoffen vorhandene Gefahr vermindert werden kann.
Eine für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Apparatur weist einen oder mehrere in Reihe angeordnete Reaktionsbehälter auf, die mit Mischvorrichtungen ausgerüstet sind, wobei jeder Reaktionsbehälter mit einem Abscheider zusammenarbeitet. Die Abscheider besitzen Einlässe, die mit den Reaktionsbehältern verbunden sind, und Auslässe für die abgetrennten Reaktionsprodukte sowie für teilweise entmischtes Reaktionsgemisch. Der Auslass für teilweise entmischte Emulsion ist in einem Abstand von dem mit dem Reaktionsbehälter verbundenen Einlass und auf einer Höhe angeordnet, die zwischen dem Niveau des oberen, für die Ableitung der abgetrennten leichten Phase bestimmten Auslasses und dem Niveau des unteren, für die Ableitung der schweren Phase bestimmten Auslasses liegt.
Der Auslass für die Emulsion ist mit dem Reaktionsbehälter verbunden, so dass teilweise entmischtes Reaktionsgemisch in den Reaktionsbehälter zurückbefördert werden kann. Der Auslass kann gleitbar angeordnet sein, um teilweise entmischte Emulsion von vorgeschriebener Zusammensetzung ableiten zu können.
Es ist zweckmässig, in den Trennvorrichtungen ein Flüssigkeitsniveau aufrechtzuerhalten, das etwas höher liegt als das Niveau im Reaktionsbehälter, da auf diese Weise die abgetrennten Phasen und die teilweise entmischte Emulsion unter der Wirkung der Schwere nach dem Reaktionsbehälter zurückfliessen können. Die Förderung des Reaktionsgemisches aus dem Reaktionsbehälter, z. B. einer Nitriervorrichtung, nach der Trennvorrichtung lässt sich mit Hilfe einer Pumpe oder dergleichen bewerkstelligen. Ein einfacher Weg besteht darin, die im Reaktionsbehälter angeordnete Mischvorrichtung zu benützen, um das Reaktionsgemisch auf ein höheres Niveau zu befördern. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise eine Mischvorrichtung in Form eines Pumpenrades verwenden, dessen Umfang teilweise von einer Druckkammer umgeben ist, welche mit der Trennvorrichtung in Verbindung steht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen U-förmigen Reaktionsbehälter zu verwenden, in dessen einem Schenkel ein Propeller oder ein Turbinenrad eingebaut ist, so dass die Flüssigkeit im anderen Schenkel auf ein höheres Niveau getrieben und dadurch die Förderung der Flüssigkeit in die Trennvorrichtung ermöglicht wird.
Zwecks Regulierung der nach dem Reaktionsgefäss zurückbeförderten Menge der teilweise entmischten Emulsion wird zweckmässigerweise ein Ventil in die Rückförderungsrohrleitung eingebaut. Die Dosierung des Rückstromes kann natürlich auch mittels entsprechend dimensionierten Öffnungen oder durch entsprechende Bemessung des Rohrdurchmessers erzielt werden.
Es ist nicht nötig, den Reaktionsbehälter und die Trennvorrichtung gesondert voneinander anzuordnen. Sie können zu einer einzigen Apparatur vereinigt werden.
In der Regel wird es zweckmässig sein, eine Anlage zu verwenden, die aus mehreren, einen Reaktionsbehälter und eine Trennvorrichtung aufweisenden Einheiten zusammengesetzt ist.
Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in welchen
Fig. 1 ein senkrechter Schnitt durch eine mit einem Abscheider zusammenarbeitende Reaktionsvorrichtung ist,
Fig. 2 ein horizontaler Schnitt der gleichen Reaktionsvorrichtung mit Abscheider ist,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Abscheiders im Längsschnitt darstellt,
Fig. 4 ein transversaler Schnitt des in Fig. 3 gezeigten Abscheiders ist,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Abscheiders, bei welcher die Hülle des Abscheiders die Form eines Doppelkegels aufweist, darstellt,
Fig. 6 eine Draufsicht einer Anlage aus mehreren Einheiten, die je aus einer Reaktionsvorrichtung und einem an die letztere angeschlossenen Abscheider besteht, darstellt und
Fig. 7 ein Aufriss der in Fig. 6 gezeigten Anlage ist.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Reaktionsbehälter R (im folgenden als Reaktor bezeichnet) weist ein U-förmiges Gefäss mit zwei Schenkeln 1 und 2 und einem die beiden verbindenden Rohr 3 auf. An ihren oberen Enden sind die beiden Schenkel durch ein Rohr 6 ebenfalls miteinander verbunden. Die Reaktionskomponenten werden durch die Einlässe 4 und 5 eingeführt. Mittels eines Turbinenrades 8 auf der Triebwelle 7 kann Flüssigkeit aus dem Schenkel 1 in den Schenkel 2 und von diesem in den Schenkel 1 getrieben werden. Durch Regulierung der Geschwindigkeit des Turbinenrades 8 und zweckentsprechende Bemessung des Durchmessers der Rohrteile 3 und 6 ist es möglich, im Schenkel 2 ein Flüssigkeitsniveau aufrechtzuerhalten, das höher liegt als das Flüssigkeitsniveau im Schenkel 1. Der Abscheider S ist durch das Rohr 9 mit dem Reaktor R verbunden.
Der Abscheider weist die Form eines rechteckigen Kastens 10 auf und ist mit einem Verteiler 11 für das aus dem Reaktor strömende Gemisch, einem Auslass 12 für die abgetrennte leichte Komponente und einem Auslass 13 für die schwere Komponente ausgerüstet. In einem Abstand vom Einlass und auf einer Höhe, die sich zwischen den Niveaus der Auslässe der abgetrennten Komponen ten befindet, ist ein weiterer Auslass 14 für teilweise entmischte Emulsion vorgesehen. Dieser Auslass ist mit verstellbaren Flügeln 15 und 16 ausgerüstet, mit welchen die Höhe der Öffnung des Auslasses verstellt werden kann. Die teilweise entmischte Emulsion wird durch die Rohrleitung 18 und das Regulierventil 17 nach dem Reaktor zurückbefördert. Zur Regulierung der Temperatur des Reaktionsgemisches sind Wärmeaustauscher 19 und 20 vorgesehen.
Auch der Abscheider kann mit einem (nicht gezeigten) Wärmeaustauschmantel ausgerüstet sein.
Die oben beschriebene Apparatur arbeitet wie folgt: Die Reaktionskomponenten werden durch die Einlässe 4 und 5 eingeführt, mittels des Turbinenrades 8 vermischt und durch das Rohrsystem 1, 3, 2, 6 getrieben, wobei gleichzeitig die chemische Reaktion und der physikalische Austausch stattfinden. Das Reaktionsgemisch wird in Form einer Emulsion kontinuierlich in den Abscheider S befördert. Im Abscheider trennen sich die Komponente ten unter dem Einfluss der Schwere, wobei die leichte Komponente an die Oberfläche steigt und kontinuierlich durch den Auslass 12 entweicht. Die schwere Komponente sinkt zu Boden und wird durch den Auslass 13 kontinuierlich abgeführt. In dem zwischen den abgetrennten Komponenten befindlichen Raumteil wird teilweise entmischte Emulsion abgezogen, die in den Mischschenkel 1 des Reaktors R zurückbefördert wird.
Die Förderung wird dadurch ermöglicht, dass der Flüssigkeitsspiegel im Abscheider entsprechend dem Flüssigkeitsspiegel im Schenkel 2 höher steht als im Schenkel 1. Die Menge der abgezogenen, teilweise entmischten Emulsion kann nach Belieben mittels des Ventils 17 reguliert werden.
Werden die Flügel 15 und 16 auf ein tieferes Niveau eingestellt, so bildet sich der Rückstrom aus der mit der schweren Komponente angereicherten Flüssigkeitsschicht, so dass die Konzentration der schweren Komponente in der Apparatur steigt.
Die Verweilzeit der schweren Komponente in der Apparatur wird dadurch länger. Gleichzeitig nimmt die Konzentration der leichten Komponente im Rückstrom ab, so dass deren Verweilzeit in der Apparatur kürzer wird.
Die Flügel 15 und 16 können glatt, gerillt oder gelocht sein. Sie können auch aus Drahtgewebe oder Drahtnetz bestehen, um den Durchgang der abgetrennten Phase zu erleichtern. Statt zwei Flügel aus Drahtnetz kann man auch ein Rohr aus Drahtnetz mit einem quadratischen, elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt verwenden, das auf seiner ganzen Länge den gleichen Durchmesser besitzt, oder beim Einlassende einen grösseren Durchmesser aufweist.
Statt durch den Boden des Abscheiders, kann der Auslass für die teilweise entmischte Emulsion auch durch die Endwand des Abscheiders gegenüber dem Einlass für die Emulsion oder durch eine Längswand hindurchgeführt werden. In diesem Fall kann das Drahtnetzrohr mehr oder weniger horizontal und in solcher Weise angeordnet werden, dass das freie Ende des Rohres und die freien Öffnungen in den Seiten des Rohres sich zwischen den Niveaus der Auslässe für die abgetrennten Phasen befinden.
Die eben beschriebene Bauart des Abscheiders ist in Fig. 3 im Längsschnitt und in Fig. 4 im Querschnitt nach der Linie A-A der Fig. 3 gezeigt. Die Emulsion tritt aus dem Reaktor durch das Rohr 9 in den Abscheider ein und wird durch das Organ 11, das aus gelochten Platten mit dazwischen eingesetzter Drahtnetzpackung besteht, verteilt. Die leichte Phase wird durch das Rohr 12 und die schwere Phase durch das Rohr 13 abgeleitet. Teilweise entmischte Emulsion strömt durch das gelochte Rohr 21 nach dem Auslass 14. Während des Durchganges der Emulsion durch das Rohr 21 kann abgeschiedene leichte Phase durch die Löcher des Rohres nach oben entweichen.
In ähnlicher Weise kann abgeschiedene schwere Phase durch die Löcher des Rohres zu Boden sinken.
Wird der Rückstrom durch Öffnen des Ventils 17 verstärkt, so wird die Konzentration der bereits vorherrschenden Phase in der Apparatur noch erhöht.
Bei Abschwächung des Rückstromes wird sich das Mengenverhältnis der Phasen im Rückstrom mehr und mehr dem Mengenverhältnis der abgehenden abgetrennten Produkte annähern.
Die Beförderung des Rückstromes nach dem Reaktor kann statt unter Ausnutzung der Schwerkraft auch z. B. durch Verwendung von Pumpen bewerkstelligt werden.
Die Bauart des Reaktors und auch des Abscheiders kann in verschiedenster Weise modifiziert werden. Der Reaktor kann z. B. die Form eines zylindrischen Gefässes aufweisen, das mit Kühlschlangen, einem Turbinenrad usw. ausgerüstet sein kann.
Ein Teil der durch das Turbinenrad weggeschleuderten Flüssigkeit kann in einer besonderen Kammer aufgenommen und aus dieser in den Abscheider gefördert werden, in welchem der Flüssigkeitsspiegel höher steht als im Reaktor.
In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform des Abscheiders gezeigt. In einem doppelkegelförmigen Behälter 1 wird das Reaktionsgemisch bzw. die Emulsion durch den Einlass 9 tangential in die mittlere Zone eingeleitet. Die sich am oberen Ende des Gefässes abscheidende leichte Komponente wird durch den Auslass 12 abgeführt, während die sich am Boden des Gefässes abscheidende schwere Komponente durch den Auslass 13 abgeleitet wird. Teilweise entmischte Emulsion wird durch den Auslass 14 abgelassen. Die Öffnung des Auslasses 14 kann mittels eines Teleskoprohres in senkrechter Richtung verstellt werden. Es ist zweckmässig, den Abscheider mit einer Wärmereguliervorrichtung, z. B. mit einem Heisswassermantel, auszurüsten.
In den Fig. 6 und 7 ist eine Anlage gezeigt, die aus einer Mehrzahl von aus je einem Reaktor und einem Abscheider von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art bestehenden Einheiten zusammengesetzt ist, und sich für die Nitrierung von Toluol zu Tri nitrotoluol eignet. Die Anlage besteht aus den Reaktoren R1, R2 ... R", Rn+1 und den entsprechenden Abscheidern S1, 52 ... so, Sn+l. Aus dem Behälter 21 wird pro Minute eine bestimmte Menge Toluol in den Reaktor R1 eingeführt, während aus dem Behälter 22 pro Minute eine bestimmte Menge Nitriersäure zugeführt wird.
Die Reaktoren und die Abscheider werden dann derart in Betrieb gesetzt, dass die leichteren Nitrokörper aus dem Abscheider S1 in den Reaktor R2, aus dem Abscheider S2 in den Reaktor R usw. treten, bis sie schliesslich den Abscheider Sn+l in Form von Trinitrotoluol verlassen. Die schwerere Nitriersäure, die sich am Boden des Abscheiders S"+1 abscheidet, strömt in den Reaktor Rn und aus dem Abscheider Sn in den nächstfolgenden Reaktor und so weiter, bis sie schliesslich den Abscheider S1 verlässt.
In jeder Reaktor-Abscheider-Einheit findet ein Rückstrom von teilweise entmischter Emulsion in der oben bereits beschriebenen Weise statt. Es ist zweckmässig, an verschiedenen Stellen der Anlage Salpetersäure, Oleum oder Mischsäure in Form zusätzlicher Säuremengen einzuführen. So kann die im Behälter 22 enthaltene Säure einen verhältnismässig kleinen Salpetersäuregehalt aufweisen, wobei den Reaktoren nach Massgabe des Verbrauches der Salpetersäure bei der Nitn.erungsreaktion frische Salpetersäure zugeführt wird. In gleicher Weise kann man die Konzentration des bei der Reaktion gebildeten Wassers durch Zuführung von Oleum niedrig halten.
Durch das Zurückleiten einer mit Nitriersäure angereicherten Emulsion wird die Verweilzeit der Nitriersäure in der Anlage erhöht, wodurch die Reaktion erleichtert und die Ausbeute erhöht wird.
Es ist zweckmässig, die abgetrennten, aus den verschiedenen Abscheidern abgelassenen Produkte 5 bis 15 Mal zurückzuleiten.
Das Zurückleiten von teilweise entmischter Emulsion bei der kontinuierlichen Nitrierung schafft gegenüber der Methode, bei welcher bereits abgetrennte Produkte zurückgeleitet werden, verschiedene Vorteile.
Die Ausmasse des Abscheiders können kleiner gehalten werden. Ferner lässt sich die ganze Anlage leichter einregulieren, das heisst, dass die bis zur Einstellung des Gleichgewichtes verstreichende Zeit kürzer ist. Die Einstellung der Bedingungen in der einen Einheit beeinflusst die benachbarten Einheiten nicht.
Es ist dies daran erkennbar, dass die austretenden Ströme der abgetrennten Produkte sich nicht ver ändern, wenn die Mengenverhältnisse und Verweilzeiten in den Reaktoren verändert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, der insbesondere im Hinblick auf das Umgehen mit Explosivstoffen von Wichtigkeit ist, beruht darin, dass in der Anlage nur kleine Mengen der abgetrennten Nitrokörper zurückgehalten werden (so lange die Nitrokörper emulgiert sind, ist die Gefahr klein). Sobald sich die leichter abscheidbaren Anteile des Nitrokörpers abgetrennt haben, werden sie abgeleitet, während es bisher nötig war, zu warten, bis sich der Nitrokörper vollständig von der Emulsion getrennt hatte.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf Nitrierungsreaktionen, sondern auch auf zahlreiche andere Verfahren anwendbar, bei welchen chemische Reaktionen zwischen fluiden, nicht homogen mischbaren Komponenten mit verschiedenen spezifischen Gewichten durchgeführt werden sollen.
Als Beispiele solcher Reaktionen sind diejenigen zwischen organischen Estern und wässrigen Lösungen von Säuren und Alkalien, Oxydationen von organischen Substanzen mit Schwefelsäure, Reaktionen mit komplexbildenden, selektiv wirkenden Extraktionslösungsmitteln usw. zu nennen.