DE1253679B - Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchfuehrung von chemischen Reaktionen und physikalisch-chemischen Prozessen zwischen fluessigen und gasfoermigen Stoffen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung von chemischen Reaktionen und physikalisch-chemischen Prozessen zwischen flüssigen und gasförmigen Stoffen Es ist bekannt, die kontinuierliche Durchführung chemischer Reaktionen und physikalisch-chemischer Prozesse, beispielsweise Absorptionsprozesse, an denen flüssige und gasförmige nicht oder nur wenig miteinander mischbare Phasen beteiligt sind, wobei die flüssige Phase auch dispers sein kann, eventuell bei erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur in Reaktionsbehältern vorzunehmen, in denen die Phasen im Gegenstrom zueinander geführt werden. Vorzugsweise langgestreckte senkrecht stehende Reaktionsbehälter sind für die Umsetzung von Flüssigkeiten mit Gasen auch schon mit Einbauten versehen oder mit Füllkörpern gefüllt worden, um eine innigere Durchmischung zwischen der im Kopf des Behälters aufgegebenen flüssigen Phase und der aufsteigenden gasförmigen Phase zu erreichen. Die hierbei erzielbaren Durchsatzgeschwindigkeiten lassen jedoch zu wünschen übrig.
• Es ist auch bekannt, Reaktionen und Prozesse zwischen flüssigen und gasförmigen nicht oder nur wenig miteinander mischbaren Phasen in Umlaufreaktoren vorzunehmen, in denen die Phasen durch geeignete mechanische oder thermische Maßnahmen im Gleichstrom geführt werden. Hierbei hat man auch schon das im Reaktor umlaufende Gut durch Einblasen von Gasen nach dem Prinzip der Mammutpumpe umgewälzt. Auch hierbei sind, bedingt durch die Führung der Phasen im Gleichstrom, die bei einem gegebenen Raumbedarf derAnlage erzielbaren Umsetzungsgrade und Durchsatzgeschwindigkeiten nicht befriedigend. Dies ist besonders bei der Behandlung mit Gasen nachteilig, die wie z. B. Wasserstoff oder Sauerstoff in den meisten flüssigen Phasen nur physikalisch und damit wenig löslich sind.
• Es ist auch bekannt, das zum Betrieb der Mammutpumpe erforderliche Gas mit einem Strahlapparat zu verdichten und mehrere Mammutpumpen in einem Gefäß anzuordnen. Solche Vorrichtungen werden für die Herstellung von Calciumchlorat aus Chlor und Kalkmilch vorgeschlagen, also für eine Reaktion, bei der das Gas leicht in der Flüssigkeit absorbiert wird.
• Zur Durchführung eines Stoff- und/oder Wärmeaustausches zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit ist auch eine Bodenkolonne bekanntgeworden, bei der die Böden aus gefrittetem keramischem Material, Glas oder Metall bestehen. Bei dieser Kolonne soll die von einem Boden ablaufende Flüssigkeit durch einen Teilstrom des Gases auf den nächstniederen Boden gefördert werden. Zu diesem Zweck sind zwischen zwei Kolonnenböden Ablaufrohre für den Transport der Flüssigkeit angeordnet, die in der Nähe des unteren Bodens über einer Ringdüse enden, die von einem weiten Rohr umgeben ist. Die Verteilung des Gases in der Flüssigkeit soll durch die porösen Gasverteilerkörper vorgenommen werden, durch die der Hauptstrom des Gases hindurchströmt. Bei dieser Vorrichtung ist es nicht möglich, die Flüssigkeit beliebig lange in einem Behandlungsabteil zu halten.
• Es wurde nun gefunden, daß bei einem gegebenen Raumbedarf der Anlage gegenüber den Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Phasen im Gegenstrom oder im Gleichstrom geführt werden, eine höhere Durchsatzgeschwindigkeit und ein höherer Umsetzungsgrad und reinere Endprodukte erzielt werden können. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Flüssigkeit beliebig lange in einem Behandlungsteil gehalten werden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung von chemischen Reaktionen oder physikalisch-chemischen Prozessen zwischen einer flüssigen, gegebenenfalls dispersen Phase und Gasen, vorzugsweise solchen Gasen, die in der flüssigen Phase wenig löslich sind, bei normaler oder erhöhter Temperatur und bei normalem oder erhöhtem Druck, eventuell in Gegenwart eines Katalysators. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kolonne durch Zwischenböden mehrere hintereinandergeschaltete Behandlungsräume abgeteilt werden und daß in jedem Behandlungsraum ein aus zwei konzentrischen Rohren bestehender Einbau angeordnet ist, dessen kürzeres inneres Rohr eine im Zwischenboden angebrachte Öffnung fest umschließt und dessen äußeres Rohr mit dem Zwischenboden einen kreisförmigen Schlitz bildet oder dessen äußeres Rohr fest mit dem Zwischenboden verbunden ist und am unteren Ende Öffnungen aufweist, und daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsräumen überlaufvorrichtungen angeordnet sind.
• In den einzelnen Behandlungsräumen können mehrere parallel und/oder hintereinandergeschaltete, aus je zwei konzentrischen Rohren bestehende Einbauten angeordnet sein.
• Die einzelnen Behandlungsräume der Kolonne können mit Zuleitungsvorrichtungen zur Einspeisung von Reaktionspartnern und/oder von Katalysatoren versehen sein.
• Das Gas wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit in die flüssige Phase eingeführt, daß die Bewegung der Flüssigkeit im Bereich einer turbulenten Strömung erfolgt. Hierzu sind Gasgeschwindigkeiten im flüssigkeitserfüllten Raum zwischen etwa 4 und 10 cm/Sek., bezogen auf den flüssigkeitsfreien Querschnitt, erforderlich.
• ZurAufrechterhaltung einer konstanten Reaktionstemperatur kann die Reaktionsmischung auf ihrem Weg von einem Reaktionsraum zum nächsten gekühlt oder geheizt werden. Sie kann aber auch in jedem Reaktionsraum durch eine Zirkulation über Kühl-oder Heizelemente mittels einer Kreislaufpumpe auf konstanter Temperatur gehalten werden. Die in einen Reaktionsraum eintretende Reaktionsmischung kann in indirekten Wärmeaustausch mit der den Reaktionsraum verlassenden Reaktionsmischung gebracht werden.
• Gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen und physikalisch-chemischer Prozesse zwischen nicht oder nur wenig ineinander löslichen Phasen wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Stoffaustausch zwischen den Phasen intensiviert. Diese Intensivierung des Stoffaustausches ist zurückzuführen unter anderem auf die starke turbulente Strömung und die hierdurch bedingte rasche Ausschaltung der durch die gebildeten Reaktionsprodukte hervorgerufenen Reaktionshemmung. Bei einem gegebenen Raumbedarf der Anlage werden bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung reinere Endprodukte erhalten und außerdem die Reaktions-oder Behandlungszeit auf einen Bruchteil der bisher üblichen abgekürzt. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Behandlung bzw. die Reaktion in einer unkompliziert gebauten Apparatur durchgeführt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur kontinuierlichen Durchführung von chemischen Reaktionen oder physikalisch-chemischen Prozessen zwischen flüssigen, gegebenenfalls auch dispersen Phasen, bei normaler oder erhöhter Temperatur und bei normalem oder erhöhtem Druck, eventuell in Gegenwart eines Katalysators benutzt werden. In solchen Fällen werden die flüssigen Phasen im Gegenstrom zu einem gegebenenfalls inerten Gas durch mehrere hintereinandergeschaltete Reaktionsräume geleitet und Gas und flüssige Phasen im Gleichstrom durch jeden Reaktionsraum nach dem Prinzip der Mammutpumpe geführt.
• An Hand der Abbildungen sei die Erfindung in beispielsweiser und schematischer Darstellung des näheren erläutert.
• A b b. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt mit vier hintereinandergeschalteten Behandlungsräumen; A b b. 2 zeigt den Teil eines Längsschnittes durch eine andere erfindungsgemäße Kolonne; A b b. 3 zeigt ein Fließschema mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• In A b b. 1 ist die Kolonne 1 durch die Zwischenböden 2 in vier Behandlungsräume 3 unterteilt, in denen je ein Einbau angeordnet ist, der von den beiden Rohren 4 und 5 gebildet wird. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird eventuell zusammen mit einer Katalysatorsuspension am Kopf der Kolonne durch die Leitung 6 und die Verteilungsvorrichtung 7 aufgegeben. Das Behandlungsgas wird am Fuß der Kolonne durch die Leitung 8 und das Steigrohr 4 in die Kolonne und in die zu behandelnde Flüssigkeit eingeführt und sprudelt durch seine hohe Geschwindigkeit von z. B. 4 bis 10 cm/Sek. die im Behandlungsraum vorhandene Flüssigkeit über den oberen Rand des Rohres 5. Durch den Zwischenraum 9 oder durch Öffnungen, die am unteren Ende des Rohres 5 angebracht sind, fließt ständig Flüssigkeit aus dem Reaktionsraum in das Rohr 5 nach, um durch das Behandlungsgas hochgesprudelt zu werden. Das Gas tritt durch die Öffnungen 10 in die Flüssigkeit des darüberliegenden Behandlungsraumes ein, wo sich derselbe Behandlungsvorgang wiederholt. Nach Durchströmen aller Behandlungsräume wird das Gas durch die Leitung 11 am Kopf der Kolonne abgeführt. Durch die Überläufe 12 fließt die flüssige Phase von einem Behandlungsraum in den jeweils Barunterliegenden Behandlungsraum und wird am Fuß der Kolonne durch die Leitung 13 entnommen. Bei manchen Prozessen kann es vorteilhaft sein, die Reaktionspartner und bzw. oder die Katalysatoren durch Leitungen 14 direkt in die einzelnen Behandlungsräume einzuspeisen. Sofern dies erwünscht erscheint, können auch Leitungen und Vorrichtungen zur Entnahme von Reaktionsmischung aus den einzelnen Behandlungsräumen angebracht werden.
• In den einzelnen Behandlungsräumen können auch mehrere hintereinander oder parallel geschaltete Einbauten der beschriebenen Art angeordnet sein. Durch die parallele Anordnung von Einbauten ist es möglich, den erreichbaren Durchsatz durch die Kolonne den jeweils vorliegenden betrieblichen Erfordernissen anzupassen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform einer Kolonne mit mehreren parallel angeordneten Einbauten in den einzelnen Behandlungsräumen ist in A b b. 2 ausschnittsweise im Längsschnitt gezeigt. Hierbei sind in den Reaktionsräumen je fünf Einbauten angeordnet, die jeweils wieder aus den beiden Rohren 4 und 5 gebildet werden. Das Behandlungsgas durchströmt die Kolonne von unten nach oben, wobei es durch die Öffnungen 10 und die Steigrohre 4 in die Flüssigkeit eintritt und in den einzelnen Behandlungsräumen nach dem oben geschilderten Prinzip eine intensive Durchwirbelung und Durchmischung bewirkt. Die flüssige Phase durchströmt die Kolonne von oben nach unten und fließt von einem Behandlungsraum durch die Überläufe 12 in den jeweils Barunterliegenden Behandlungsraum.
• A b b. 3 zeigt ein Fließschema für die Behandlung einer Flüssigkeit mit einem Gas in einer erfindungsgemäßen Kolonne 1 mit fünf Behandlungsräumen 3, die mit je zwei parallel angeordneten Einbauten der schon beschriebenen Art versehen sind.
• Das Gas-die Leitungen für dieses sind gestrichelt gezeichnet - wird durch die Leitung 15 vom Verdichter 16 angesaugt, durch Leitung 17 in den Unterteil 18 der Kolonne 1 gefördert. In diesem fließt ihm über Waschböden oder Füllkörpereinsätze 19 die noch warme Reaktionsflüssigkeit entgegen, wobei es sich nahezu auf Reaktionstemperatur anwärmt.
• Unter intensiver Durchwirbelung der zu behandelnden Flüssigkeit in den einzelnen Reaktionsräumen 3 wird die Umsetzung der Flüssigkeit bzw. der Suspension mit dem Gas bewirkt, das durch den obersten Reaktionsraum unter Passieren der Sprühabscheidezone 20 und als noch unverbrauchter Anteil über die Leitung 21 vom Zirkulationsgebläse 22 über den Kühler 23 mit Abscheider 24 im Kreislauf geführt wird und durch Leitung 17 wieder in den Unterteil 18 der Kolonne 1 zurückkehrt.
• Während der Reaktion zwischen Gas und Flüssigkeit macht die Flüssigkeit folgenden Weg: Aus dem Vorratstank 25 wird sie mittels Pumpe 26 durch die Leitung 27 in den Wärmeaustauscher 28 und den obersten Reaktionsraum eingeführt und fließt von diesem von oben nach unten nacheinander durch die Reaktionsräume 3 der Kolonne. Die Flüssigkeit fließt von einem Reaktionsraum in den jeweils Barunterliegenden Reaktionsraum durch die Überläufe 12, wobei die Flüssigkeit die Zwischenkühler oder -heizer 30 passiert. Im Abscheider 24 abgeschiedene Flüssigkeit gelangt durch die Leitung 31 in den obersten Reaktionsraum. Zuletzt fließt sie in den mit Böden 19 versehenen Unterteil 18 der Reaktionskolonne 1 und verläßt diese durch Leitung 32 über den Wärmeaustauscher 28 und das Entspannungsventil 33 zur Weiterverarbeitung. mit vier Behandlungsräumen, von denen jeder drei Einbauten der beschriebenen Art enthält, gegen einen im Reaktor aufrechterhaltenen Wasserstoffdruck von 150 at eingepumpt. Die Aufschlämmung wurde vor Eintritt in den Reaktionsraum auf 105° C erhitzt. Gleichzeitig wurden in jeden Reaktionsraum der Reaktionskolonne dosierte Mengen geschmolzenen Natriums eingepumpt, so daß jeder Reaktionsraum einen überschuß an Natrium, bezogen auf den Bedarf durch die Reaktion, enthielt. Im Gegenstrom zum Fluß der Aufschlämmung durch die Kolonne wurde auf 150 at verdichteter Wasserstoff durch die Kolonne geleitet und im Kreislauf geführt. Der Wasserstoffverbrauch, der stündlich 210 Mol betrug, wurde laufend durch Nachspeisen ergänzt. Am Ende der Reaktionskolonne konnte eine Tetrahydrofuranlösung von Natriumaluminiumhydrid entnommen werden. Beispiel 1 Zur Darstellung von Phthalsäureanhydrid wurde o-Xylol, dem ein in Eisessig gelöster Oxydationskatalysator zugesetzt war, durch Einpumpen mit einer Druckpumpe nach Erwärmung auf 190° C in einen Reaktor mit sechs hintereinandergeschalteten Behandlungsräumen, von denen jeder mit einem Einbau der beschriebenen Art versehen war, in einer solchen Menge eingepumpt, daß die Durchflußgeschwindigkeit 28 1/Std., entsprechend 0,05 cm/Sek., betrug. Gleichzeitig wurde auf 16 at verdichtete Luft mit einer Geschwindigkeit von 0,21 NI/Sek. durch die Reaktionskolonne geleitet, wobei eine turbulente Durchmischung der zu oxydierenden organischen Substanz stattfand. Die bei der Oxydation auftretende Oxydationswärme wurde durch Kühlung der durch die zwischen den einzelnen Kammern befindlichen Überläufe ablaufenden Flüssigkeit abgeführt. Im Sumpf der Kolonne wurde ein Gemisch von restlichem Einsatzprodukt, Katalysatorflüssigkeit und Phthalsäureanhydrid entnommen, von denen die letzte 24 kg/Std. ausmachte. Beispiel 2

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung von chemischen Reaktionen oder physikalisch-chemischen Prozessen zwischen einer flüssigen, gegebenenfalls auch dispersen Phase und Gasen, vorzugsweise solchen Gasen, die in der flüssigen Phase wenig löslich sind, bei normaler oder erhöhter Temperatur und bei normalem oder erhöhtem Druck, eventuell in Gegenwart eines Katalysators, dadurch gekennzeichn e t, daß in einer Kolonne (1) durch Zwischenböden (2) mehrere hintereinandergeschaltete Behandlungsräume (3) abgeteilt werden und daß in jedem Behandlungsraum (3) ein aus zwei konzentrischen Rohren (4 und 5) bestehender Einbau angeordnet ist, dessen kürzeres inneres Rohr (4) eine im Zwischenboden (2) angebrachte Öffnung (10) fest umschließt und dessen äußeres Rohr (5) mit dem Zwischenboden (2) einen kreisförmigen Schlitz (9) bildet oder dessen äußeres Rohr (5) fest mit dem Zwischenboden (2) verbunden ist und am unteren Ende Öffnungen aufweist, und daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsräumen überlaufvorrichtungen (12) angeordnet sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Behandlungsräumen (3) mehrere parallel und/oder hintereinandergeschaltete aus zwei konzentrischen Rohren (4 und 5) bestehende Einbauten angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsräume (3) mit Zuleitungsvorrichtungen (14) zur Einspeisung von Reaktionsteilnehmern oder von Katalysatoren versehen sind. Zur Herstellung von Natriumaluminiumhydrid 55 wurden 351/Std. einer Aufschlämmung von 3 Mol/1 kolloidal feingemahlenem metallischem Aluminium in Tetrahydrofuran in den Oberteil eines Reaktors In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 446163; deutsche Auslegeschrift Nr. 1058 025.