CS212214B2 - Způsob kontinuálního provádění chemických reakcí, katalyzovaných iontoměniči, a reaktor k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká kontinuálního provádění chemických reakcí v reaktoru za přítomnosti měniče iontů, při kterém je zajiětován stálý účinný odvod reakčního tepla. Podstata způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že iontoměnič se uvnitř válcového svislého prostoru reaktoru rozděluje na dvě části, na spodní fluidní vrstvu a na horní nehýbnou vrstvu, přičemž reakční směs se přivádí do spodní čésti reaktoru a cirkuluje ve fluidní vrstvě za současného odebírání tepla vnějším nebo vnitřním výměníkem tepla, popřípadě přímým přestupem do přiváděné reakční směsi. Podstata reaktoru, vytvořeného ve tvaru dutého válcového tělesa se svislou osou a horními a spodními filtračními tryskami, spočívá v tom, že je opatřen v jedné třetině až dvou třetinách své výšky sadou štěrbinových filtračních trysek pro odebíráni části reakční směsi do cirkulačního obvodu, přičemž pod sadou trysek je umístěna dělicí stěna pro zmenšení plochy příčného průřezu reaktoru.

Description

Vynález se týká způsobu kontinuálního provádění chemických reakcí, katalyzovaných iontoměniči, zejména reakcí s velkým tepelným účinkem, při kterém jsou použité reakční složky při reakčních podmínkách kapalné, a reaktoru k prováděni tohoto způsobu.

Iontoměniče se používají hlavně pro změkčování vody a odstraňování solí z vody a jsou obvykle vytvořeny ve formě válcových nádob se svislou osou, ve kterých je vrstva měniče iontů uložena na dně, opatřeném oky nebo hubicemi. Pracovní proces probíhá cyklicky, přičemž v prvním cyklu probíhá výměna iontů a v následujícím cyklu probíhá regenerace měniče iontů, přičemž mezi za sebou následujícími cykly jsou zařazeny vložené operace, při kterých se provádí proplachovéní a promíchávání vrstvy měniče iontů, aby se ovlivnila hydraulická struktura vrstvy měniče iontů.

Zařízení pro výměnu iontů nebo jiné zařízení, která mají vzhledem k činnosti tlakového filtru podobný charakter, nebyla dosud považována za vhodné k provádění chemických reakcí s měničem iontů jako katalyzátorem, zejména k provádění reakcí s velkým množstvím reakčního tepla.

Tento poznatek byl odvozován z toho, že je zásadní rozdíl mezi chemickým procesem, probíhajícím za přítomnosti měniče iontů a při kterém dochází k velkému tepelnému efektu, a. požadavky, které má splňovat měnič iontů ve srovnání s reaktorem pro výměnu iontů. Je třeba pamatovat na to, že například regenerace měniče iontů, které tvoří základní pracovní operaci při měněni iontů, se v reaktoru pro měnění iontů neprovádí nebo se provádí jen v omezeném rozsahu jako operace s vedlejším významem. Naproti tomu u měničů iontů nevzniká žádný problém s odvodem tepla, který u reaktorů tvoří jednu ze základních funkcí.

Je známo, že největšího výtěžku chemických reakcí, katalyzovaných iontoměniči, se obecně dosáhne u takových reaktorů, jejichž konstrukce zaručuje jednoduchý průtok reakční směsi pevnou vrstvou iontoměniče, při nepříliš velkém promíchávání v osovém a příčném směru. Použití pevné vrstvy měniče iontů v reaktoru, ve kterém dochází k přívodu nebo odvodu reakčního tepla, je podmíněno výměnou tohoto tepla, aby se zajistila odpovídající a rovnoměrná teplota v celé vrstvě měniče iontů, přičemž je třeba přihlédnou k tomu, že taková vrítva má nízký činitel tepelné výměny. Kromě toho je třeba zajistit rovnoměrnou strukturu vrstvy měniče iontů i při dlouhotrvajícím průtoku reakční směsi vrstvou. Tyto podmínky je možno dodržovat jen velice obtížně, zejména při proudění reakční směsi směrem dolů.

Jednou z charakteristických vlastností vrstvy měniče iontů je přemístovánl zrn, ke kterému dochází v průběhu proudění tekutiny směrem nahoru a při kterém se zvyšuje průtočný odpor, který se také stává nerovnoměrným a kromě toho dochází k vytváření kanálků ve vrstvě a k ucpávání otvorů nebo hubic dna; tyto jevy mají za následek vznik neaktivních částí vrstvy, ve kterých se shromažďují reakční látky a v případě exothermní reakce dochází k neregulovatelnému zvýšení teploty, protože reakční teplo není odváděno v potřebném rozsahu společně s reakčními složkami. Po překročení maximální přípustné pracovní teploty zrn vrstvy měniče iontů dochází v důsledku tepelného rozkladu a desulfurování k desaktivaci měniče iontů. Tento jev se projevil u kyselého měniče iontů, mimořádně odolného proti vyšším teplotám a tvořeného ze sulfonovaného kopolymeru styrénu a divinylbenzenu již při 140 °C, přičemž u jiných typů měničů iontů k tomuto rozkladu dochází při ještě nižších teplotách.

Základním požadavkem, kterému proto má vyhovět měnič iontů v reaktoru, je proto udržení optimální reakční teploty v celé vrstvě měniče iontů. Pro selektivitu procesu je častěji rozhodující hodnota vyskytujících se teplot, přičemž charakteristickými znaky četných chemických reakcí, probíhajících za přítomnosti měniče iontů, nejsou jen tepelné účinky, ale také hodnoty teplot, při kterých je průběh chemické reakce nejpříznivějěí a které se jen nepatrně liší od maximálně přípustných hodnot měniče iontů. Dostatečná selektivita procesu je dosažitelná jen v úzkém rozsahu pracovních teplot.

Pro řešení tohoto problému byly vyvinuty četné metody a reaktory pro chemické reakce, prbbíhající za přítomnosti měniče iontů, které byly rovněž použity v průmyslovém měřítku.

Podle dosavadního stavu techniky je znám způsob, při kterém chemická reakce probíhá v míchacím zařízení, které zajištuje potřebný odvod tepla; v tomto míchacím zařízení vSak dochází k mechanickému rozrušování zrn měniče iontů a přitom výtěžek na jednotku prostoru reaktoru je poměrně nízký.

Pro tento účel byla také použita skupina dvou nebo i více reaktorů, opatřených pevnou vrstvou měniče iontů a zařazených za sebou, mezi nimiž byly jako mezistupně umístěny výměníky tepla. Také byly používány různé filtrační prostředky, jimiž byl vnitřní prostor reaktoru rozdělen na oblasti s pevnou vrstvou měniče iontů a na mezistupně, ve kterých se zajištoval odvod tepla. Takové řešení nejsou přes řadu předností hospodárná, protože je třeba vytvořit složitou reaktorovou soustavu, která se při proměnlivých provozních, podmínkách jen obtížně reguluje.

Umístěné odváděčích prostředků do vrstvy pevného měniče iontů, například chladicích hadů, se v širším měřítku nepoužívá, protože pro zajiětění výměny tepla tímto způsobem jsou potřebné velké plochy, přičemž průtok reakční směsi vrstvou měniče iontů je nerovnoměrný.

Jiné známé metody regulace tepelných podmínek při chemických reakcích, probíhajících za přítomnosti katalyzátoru ve formě měniče iontů, jsou založeny na tom, že se jedna z výhozich látek použije v nadměrném množství nebo se složky směsi zředí inertními látkami.

Tato opatřeni umožňuji sice odvod reakčního tepla vrstvou měniče iontů a udržení potřebné teploty k proběhnuti chemické reakce, ale snižuji současně výtěžnost na jednotku prostoru reaktoru.

Z polského patentního spisu č. 94 770 je znám způsob provádění chemických reakcí, při kterém se reakční směs nechá proudit vrstvou měniče iontů takovou rychlostí, aby došlo k výměně tepla mezi proudem reakčnich složek v normálním směru a mezi opačně směřujícím recirkulujícím proudem reakčnich složek.

Tento způsob umožňuje další regulaci stupně konverze v závislosti na době oběhu, má však na druhé straně všechny nedostatky periodicky prováděných procesů.

Nedostatky dosud známých postupů jsou odstraněny způsobem kontinuálního provádění chemických reakcí podle vynálezu, při kterém je chemická reakce katalyzována iontovými měniči a při kterém jsou reakční složky vedeny za reakčnich podmínek ve formě svislého válcového sloupce. Podstata způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že iontoměnič se rozděluje v reaktoru proudem reakční směsi na dvě části, jejichž vzájemný poměr odpovídá reakčním podmínkám, přičemž první část tvoří vířivou vrstvu ve spodní části reaktoru, ve které se proud reakční směsi obrací a ve které probíhá předběžná chemická reakce za současného předávání reakčního tepla do proudu reakční směsi. Druhou část iontoměniče tvoří pevná vrstva v horní části reaktoru, kde probíhá další část chemické reakce, přičemž průtoková rychlost reakční směsi pevnou vrstvou iontoměniče je nejméně pětkrát menší než ve vířivé vrstvě. Reakční složky se přivádějí do spodní části a zreagované složky opouštějí horní část odkud jsou také odváděny.

Reaktor k provádění způsobu podle vynálezu je vytvořen ve formě svislého válcového sloupce, vyplněného ve spodní i v horní části filtračními prostředky a ve zbývající části mimo filtrační prostředky je umístěna soustava štěrbinových filtračních trysek pro usměrňování proudu reakční směsi. Podstata reaktoru podle vynálezu spočívá v tom, že štěrbinové filtrační trysky jsou umístěny ve výšce, která je rovna jedné třetině až dvěma třetinám celkové výšky reaktoru, a pod štěrbinovými tryskami je umístěna dělicí stěna, zmenšující plochu příčného průřezu reaktoru.

Podle konrkétního výhodného provedení reaktoru podle vynálezu sestává dělicí stěna z prvků upravených pro výměnu tepla, které jsou rozmístěny po celé ploše příčného průřezu reaktoru, popřípadě jsou pi-vky pro výměnu tepla umístěny na spodní části štěrbinových trysek, popřípadě tvoří přímo spodní část těchto trysek.

Protože pevná vrstva měniče iontů v horní části reaktoru, není oddělena filtračními prostředky od spodní části reaktoru, obsahující vířivou vrstvu, ale protože tato vrstva je zdržována pouze proudem reakční směsi ve spodní části reaktoru, může se rozdělení reaktoru na dvě oblasti měnit podle potřeby v průběhu procesu, přičemž změna může probíhat v širokých mezích.

Celkový objem měniče iontů po nabobtnéní, charakteristickém pro podmínky příslušné chemické reakce, je větší než polovina celkového vnitřního prostoru reaktoru a objem měniče iontů v pevné vrstvě je větší než objem měniče iontů ve vířivé vrstvě. Naproti tomu není poměr zvětšení tlouštky pevné vrstvy měniče iontů v horní části reaktoru vůči původní tlouštce větší než 15 %, aby nedocházelo k nepříznivému vlivu axiálního promíchávání vrstvy.

Reakční teplo se převádí z proudu reakční směsi ve spodní části reaktoru, kde je v důsledku velké rychlosti průběhu chmické reakce odvod tepla nejintenzivnější, přímo nebo nepřímo do proudu látek, přiváděných do reaktoru.

U způsobu podle vynálezu, prováděného v reaktoru podle vynálezu je zajištěno účinné odvádění reakčního tepla při zachováni potřebných . podmínek pro plynulý průběh chemického procesu a je udržována optimální teplota pro danou chemickou reakci. K dalším přednostem vynálezu patří velký výkon na jednotku prostoru, možnost regulace provozu reaktoru v širokých mezích při nízkých pořizovacích a provozních nákladech zařízení. Regulovatelností provozu reaktoru je získána možnost získávání výsledných reakčních směsí,potřebného složení bez ohledu na proměnlivost mnohých parametrů, zejména katalytické aktivity měniče iontů, složení přiváděné směsi, přítomnosti inertních složek apod. Přesné složení výsledné směsi bez ohledu na časový okamžik jejich získávání je podmíněno odpovídajícím prováděním základních pracovních operací, zejména odlučování a čištění látek.

Reaktor k provádění způsobu podle vynálezu je vytvořen ve tvaru svislého dutého válcového tělesa, jehož vnitřní prostor odpovídá předpokládanému výkonu. Je důležité, aby reaktor měl s ohledem na jeho rozdělení do dvou nad sebou umístěných částí odpovídající štíhlostní poměr, vyjádřený poměrem jeho výšky k průměru, který se mé pohybovat v rozsahu 3 až 5:1, s výhodou 3 až 4:1.

Příklad provedení reaktoru podle vynálezu je zobrazen ve svislém řezu na výkresu.

V horní a dolní části reaktoru jsou vestavěny soustavy vstřikovacích filtračních jednotek 2, £, tvořených zejména štěrbinovými filtračními tryskami, kterými se přivádí a odvádí tekutá reakční směs. Konstrukce trysek má být taková, aby zajištovala bezporuchovou činnost trysek a rovnoměrný průtok reakční směsi. Uvnitř reaktoru je v jedné třetině nebo ve dvou třetinách jeho výšky vestavěna sada £ filtračních trysek, kterými je přiváděna tekutá látka z výtlačné strany oběhového čerpadla 3, na jehož sací stranu je napojen výměník 6 tepla.

Při provádění způsobu podle vynálezu se v reaktoru provádí chemická reakce za přítomnosti iontoměniče jako katalyzátoru následujícím postupem. Do reaktoru se přivádí zdola oběhovým čerpadlem cirkulující směs a dávkovacím čerpadlem £ se přivádí směs výchozích látek pro chemickou reakci, přičemž tato směs vstupuje do reaktoru prvními vstřikovacími filtračními jednotkami 2. Cirkulující směs, přiváděná oběhovým čerpadlem 3, 3^e dodávána do reaktoru současně. Proud cirkulující tekuté směsi má být přiváděn v nejméně pětinásobném množství než proud výchozích látek, přiváděných dávkovacím čerpadlem £, aby vrstva měniče iontů udržovala ve spodní části reaktoru ve fluidním stavu.

V této části reaktoru se dosahuje asi 50 % přeměny výchozích látek, přičemž množství měniče iontů nepřekračuje v objemovém množství 30 % celkové hmotnosti iontoměniče v reaktoru. Teplo vyvíjené v této části reaktoru chemickou reakcí se odvádí cirkulující částí směsi, odebíranou sadou £ filtračních trysek a odváděnou do výměníku 6 tepla.

2,2214

Reakční směs postupuje z fluidní oblasti do oblasti s nepohyblivou vrstvou měniče iontů a množství postupující směsi je rovno množství přiváděné surové směsi. Aby se umožnil průtok postupující reakční směsi, je měnič iontů udržován v nepohyblivé vrstvě v rozvolněném stavu, kdy jsou mezi jeho částicemi průchody pro reakční směs. Lineární rychlost postupu reakční směsi nemá být přitom vyšěí než 5 metrů za hodinu. Odvádění tepla v této části reaktoru probíhá pouze stěnami reaktoru.

Aby se zamezilo propadnutí částic iontoměniče do spodní částí reaktoru, musí se lineární rychlost proudění reakční směsi ve fluidní části udržovat na hodnotách od 5 do 15 metrů za hodinu a nejvýše 25 metrů za hodinu, v závislosti na druhu iontoměniče a hydrodynamických vlastnostech tekuté reakční směsi. Je-li třeba udržovat rychlost postupu reakční směsi na nižších hodnotách, pak musí mít reaktor v oblasti střední sady £ filtračních trysek menší plochu příčného průřezu, aby se v této části lineární rychlost postupu reakční smě si zvýšila.

K tomuto účelu mohou být do reaktoru vestavěny dělicí stěny, které mohou být tvořeny destičkovými částmi, do kterých se rozšiřuji spodní části trysek, nebo mohou být ke středním tryskám připevněny děrované destičky. Dělicí stěnou může být také spirálová trubka g, tvořící vnitřní výměník tepla, nebo může být tvořena plochými prvky, připevněnými na sadu 4 středních filtračních desek.

Způsob podle vynálezu, prováděný v reaktoru podle vynálezu;,· je podrobněji popsán pomocí příkladu provedeni, týkajícího se alkylace fenolu pomocí trimeru propylenu a výroby difenylpropanu kondenzací fenolu s acetonem za použití směsného polymeru styrenu s divinylbenzenu jako katalyzátoru.

Příklady však neomezují rozsah použití způsobu podle vynálezu a způsob může být prováděn s řadou dalších vhodných iontoměničů jako katalyzátorů chemických procesů.

Příklad 1

Reaktor, mající vnitřní průměr 100 mm a výšku 1 000 mm se naplnil 3,0 litry předem aktivovaného, sušeného a sulfonovaného směsného polymeru styrénu a divinylbenzenu.

Střední sada 4 filtračních trysek byla v reaktoru umístěna v polovině výšky.

V reaktoru byla prováděna alkylace fenolu pomocí trimeru propylenu při 120 až 122 °C.

Směs sestávající z trimeru a fenolu v molárním poměru 1:2 byla přiváděna spodní soustavou vstřikovacích filtračních jednotek 2, tvořených štěrbinovými tryskami, rychlosti 1,8 litru za hodinu. Cirkulující směs byla dopravována oběhovým čerpadlem takovou rychlostí, že směs byla přiváděna v množství 175 litrů za hodinu, což odpovídá lineární rychlosti pohybu kapaliny ve spodní části reaktoru kolem 22 metrů za hodinu.

Zreagované směs byla z reaktoru odebírána horní soustavou filtračních jednotek g, tvořených štěrbinovými tryskami. Lineární rychlost tekutiny v horní části reaktoru byla 0,20 metrů za hodinu. Ve fluidní vrstvě došlo k přeměně 48,6 % trimeru propylenu, na výstupu z reaktoru bylo přeměněno 92,3 % trimeru propylenu.

Příklad 2

Difenylenpropan byl vyráběn v reaktoru kondenzací fenolu s acetonem podobným postupem jako v příkladu 1, přičemž teplota reakce se pohybovala od 80 do 83 °C. Směs fenolu a acetonu, vytvořená v poměru 6:1, byla plynule přiváděna tryskami do spodní části reaktoru rychlosti 0,8 litru za hodinu. Průtokové rychlost cirkulující části směsi byla udržována na hodnotách, při kterých se přepraví v cirkulačním obvodu reaktoru 86 litrů eaěsi ze hodinu. Hmotnostní koncentrace 2,2'-di/4-hydroxyfenyl/-propanu v cirkulující směsi ve fluidní vrstvě byla 11,3 % n na výstupu z reaktoru 18,2 %. Výsledný produkt, oddělený krystalizací θ destilací, měl následující vlastnosti: obsah nečistot v hmotnostním poměru 0,2 % a barvu, která v třicetiprocentním roztoku produktu v metanolu překročila 25 jednotek APHA stupnice.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT V YNÁLEZU

   1. Způsob kontinuálního provedení chemických reakcí, katalyzovaných iontoměniči, zejmé na reakcí s vývinem reakčního tepla, při němž se reakční složky udržují při vzestupném postupu reakční směsi svislým válcovým prostorem v tekutém stavu, vyznačující se tím, že iontoměnič se rozděluje v reaktoru proudem reakční směsi na dvě části v poměru, odpovídajícím podmínkám probíhající reakce, z nichž první část vytváří fluidní vrstvu ve spodní části reaktoru, kterou cirkuluje reakční směs a ve které probíhá první část chemické reakce za současného odebíráni reakčnlho tepla z proudu reakční směsi, zatímco druhou částí iontoměnlče se vytváří v horní části reaktoru nehybná vrstva, ve které probíhá další část chemické reakce, přičemž rychlost postupu reakční směsi iontoměničem se udržuje nejméně pětkrát menší v nehybné vrstvě než ve fluidní vrstvě a reakční složky se přivádějí do spodní části reaktoru a výsledná směs se odvádí z horní části reaktoru.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že při prostupu reakční směsi horní nehybnou vrstvou iontoměniče se udržuje nárůst výěky horní vrstvy pod 15 %.
3. 3. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že reakční teplo se odnímá z reakční směsi ve spodní části reaktoru pomocí vnějšího nebo vnitřního výměníku tepla, popřípadě přímým převodem tepla do proudu reakční směsi, přiváděné do reaktoru.
4. 4. Reaktor k provádění způsobu podle bodů 1 až 3 s plynulým průběhem zejména exothermních chemických reakcí, katalyzovaných iontoměničem, při vzestupném postupu reakční směsi, tvořený svislým dutým válcovým tělesem, opatřeným ve spodní a horní části filtračními prvky, vyznačující se tím, že je opatřen sadou (4) štěrbinových filtračních trysek, umístěných v jedné třetině až dvou třetinách výěky reaktoru, pro odvádění části proudu reakční směsi z vnitřního prostoru reaktoru, přičemž pod sadou (4) štěrbinových trysek je umístěna dělicí stěna, zmenšující plochu příčného průřezu reaktoru.
5. 5. Reaktor podle bodu 4, vyznačující se tím, že dělicí stěna pro zmenšení příčného průřezu reaktoru v její úrovni je tvořena teplosměnnými prvky, rozmístěnými zejména rovnoměrně po ploše příčného průřezu reaktoru, přičemž teplosměnné prvky jsou připevněny na spodní část štěrbinových trysek, popřípadě jsou tvořeny přímo spodní části štěrbinových trysek.
6. 6. Reaktor podle bodu 4, vyznačující se tím, že jeho poměr výšky k vnitřnímu průměru je větší než 3:1.