DE1542455A1 - Roehrenreaktor zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion - Google Patents

Description

Patentanwalt 8 MOnatai 61, Cosima$tra&· 81 · Telefons (0811) 483820 · Τ·Ι·χι 05-24351

15.4.1966

Gg/Pr L 7^77

Shionogi Seiyaku K.K,

12, 3-chome, Sosho-machi, Higashi-ku, Osaka-shi, Japan

Röhrenreaktor zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röhrenreaktor zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion. Bei den bekannten Reaktoren dieser Art sind im allgemeinen in dem lichten Raum eines Rohres Schrauben oder auf einer Welle mit gegen«· seitigem Abstand angeordnete Rotationsschaufeln vorgesehen, so daß die am einen Ende des Rohres zugeführten Reaktionsstoffe durch die Schraube bzw. durch die Schaufeln zu dem gegenüberliegenden Ende des Rohres befördert werden» wobei die kontinuierliche Reaktion stattfindet. Kommt ein.derartiger Reaktor zum Einsatz, dann ergeben sich dadurch Schwierigkeiten, daß es nicht möglich ist, für eine rasche Lüftung der Gase zu sorgen, die sich auf Grund der stattfindenden Reaktion und der freiwerdenden thermischen Energie innerhalb kürzerer Zeitspanne als vorherberechnet» schlagartig entwickeln. Durch eine solche Bildung von Oasen wird der Druck

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innerhalb des Rohres augenblicklich sehr stark ansteigen, so daß es unmöglich wird, weitere Reaktionsstoffe zuzuführen, es kann auch vorkommen, daß die in dem Rohr vorhandenen Reaktionsstoffe zum Einlaß oder zum Auslaß des Rohres gedrückt werden, so daß sowohl für das Bedienungspersonal als auch für die Vorrichtung gefährliche Situationen entstehen können - auf jeden Fall wird die Reaktion als solche unterbrechen.

Das Rohr bekannter Reaktoren zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion wird im allgemeinen vollständig oder über eine größere Länge mit dem Reaktionsstoff gefüllt, so daß im wesent«· Hohen größe Mengen des Reaktionsstoffes an der Reaktion teilhaben. Es ist dabei festzuhalten, daß die Fläche der Innenwandung des Rohres in bezug auf die Menge des an der Reaktion .■ teilhabenden Reaktionsstoffes verhältnismäßig klein 1st. Soll ;

»■■ der Reaktionsstoff einer exothermischen Reaktion unterzogen "

werden, dann dauert es im allgemeinen eine unerwünscht lange Zeit, um die Wärme durch die Rohrwandung hindurch zur Einwirkung zu bringen, teilweise überhitzungen lassen sich dabei wohl selten vermeiden, so daß es meistens zu unliebsamen Nebenreaktionen kommt.

Vorstehendes soll nun an Hand eines praktischen Beispieles veranschaulicht werden. In der Technik sind seit langem sogenannte Aussetzreaktoren ( reactor of the batch type) bekannt; es sei nun von der Voraussetzung ausgegangen, daß man

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dem in einem solchen Reaktor befindlichen Reationsstoff ein Reagenz tropfenweise oder kontinuierlich zusetzt, so daß eine Reaktion stattfindet, während das Gemisch aus Reaktbnsstoff und Heagenz in Bewegung gesetzt ist. Nachdem eine gewisse Menge an Reagenz zugesetzt worden ist und die Reaktion also bereits für eine bestimmte Zeitspanne stattgefunden hat, wird das frisch zugeführte Reagenz mit dem Teil des Reaktionsstoffes im Gemisch reagieren, der noch nicht mit dem Reagenz reagiert hat. Es ist nun mit bestimmter Sicherheit festzuhalten, daß es eine gewisse Zeit dauern wird, bis die vollständige Reaktion durchgeführt ist, also sämtlicher Reaktionsstoff mit dem Reagenz reagiert hat. Bei einem solchen Verfahren stellen sich unerwünschte Nebenreaktionen ein. Auf einige wurde bereits hingewiesen, so auf einen plötzlichen Druckanstieg in dem Reaktionsrohr, was den Nachteil mit sich bringt, daß die Reaktion unterbrochen wird. Es ist festzuhalten, daß dieser Nachteil allen bekannten Röhrenreaktoren gemeinsam ist.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der vorstehenden Problematik. Es ist demzufolge als eine Aufgabe der Erfindung anzusehen, für eine ausreichende Entlüftung der sich durch die Reaktion zwischen Reaktionsstoff und Reagenz bildenden Gase großer Mengen zu sorgen. Zum Lösen dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße Röhrenreaktor zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion eine Vielzahl von Einlaßöffnungen am einen Ende in einer Horizontalen angeordneter Rohre auf, deren Innenwandung mit geringem Abstand in.Ur^vehung versetzbare, spiralförmig gewundene Drahtelemente und deren Außenwandung ein

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oder mehrere Heiz- und/oder Kühlungsmäntel sowie eine Anzahl von mit gegenseitigem Abstand angeordnete Entlüftungsöffnungen zugeordnet sind. Führt man also Reaktionsstoff und Reagenz durch die Einlaßöffnungen am einen Ende des Röhrensystems ein, dann werden beide über die Länge der Rohre in einem dünnen Film oder in einer dünnen Schicht entlang der Innenwandung der Rohre bewegt, während gleichzeitig die Reaktion stattfindet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig.^A in vergrößertem Maßstab Teilansichten der Reaktions-JB 3° röhre.

In Fig. 1 sind zwei Reaktionsrohre 1 und 2 eingezeichnet, die in diner Horizontalen parallel zueinander angeordnet sind. Im lichten Raum der Rohre 1 und 2 sind, wie insbesondere aus der Fig. J5 ersichtlich, spiralförmig gewundene Drahtelemente J5 und 4 angeordnet, und zwar derart, daß deren äußere Umfangsoberflache nahezu mit der Innenwandung der Rohre 1 und 2 in Berührung steht. Die Enden dieser spiralförmig gewundenen Drahtelemente 3 und 4 durchdringen Stopfbuchsen 5 und 6 am einen Ende der Rohre 1 und 2 und sie stehen mit Rollen 7 und 8 in Verbindung, diese Rollen sind in Umdrehung versetzbar, so daß demzufolge auch die spiralförmig gewundenen Drahtelemente in Umdrehung versetzbar sind. Beide Rohre 1 und 2 sind am ent-

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gegengesetzten Ende verschlossen und sie stehen über ein Verbindungsrohr 9 miteinander in Verbindung. Den Außenwandungen der Rohre 1 und 2 sind eine Vielzahl von sie umfassenden Mänteln 10 zugeordnet, jeder dieser Mäntel 10 ist mit einer Einlaßöffnung 11 und einer Auslaßöffnung 12 für ein Heiz- oder ein KUhlungsmedium versehen. Eine Vielzahl von Entlüftungsleitungen 13 ist außerdem den Außenwandungen der Rohre 1 und 2 im Bereich zwischen den Mänteln 10 zugeordnet, diese Entlüftungsleitungen stehen mit dem Innenraum der Rohre 1 und 2 in Verbindung, so daß sich darin bedingt durch die Reaktion entwickelnde Gase über diese Leitungen entwickelt werden können. Diese Entlüftungsleitungen 13 dienen auch gleichzeitig dem Einführen von Thermometern zur Messung der Reaktionstemperaturen.

Am rechten Ende des Rohres 1 ist nun, wie aus Pig. 1 ersichtlich, eine Leitung 14 zum Einfüllen des Reaktionsstoffes und eine teitung 15 zum Einfüllen eines Reagenz angeordnet; mit der Bezugsziffer l6 ist eine Auslaßöffnung bezeichnet, über welche die einer Reaktion unterzogene Re.akt ions lösung am rechten Ende des Rohres 2 abgeführt werden kann. Während des Betriebes des erfindungsgemäßen Röhrenreaktors werden nun also die Rollen 7 und 8 durch eine geeignete äußere Kraft in Umdrehung versetzt, so daß das spiralförmig gewundene Drahtelement 5 beispielsweise entgegen der Uhrzeigerrichtung und das spiralförmig gewundene Drahtelement 4 in Uhrzeigerrichtung ge.« dreht wird. Über die Einlaßöffnung 14 wird ein Reaktionsstoff und über die Einlaßöffnung 15 ein Reagenz in das Rohr 1 kontinuierlich eingeführt. Das optimale Verhältnis von Reagenz

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und Reaktionsstoff sollte natürlich vorherbestimmt sein und zwar bevor beide Teile"dem Reaktorsystem zugeführt werden. Diese zwei medizinischen Mittel werden dann, nanhdem sie in das Rohrsystem eingeführt worden sind, entlang der Innenwandung des Rohres durch das spiralförmig gewundene Drahtelement J5 verteilt, so daß der Reaktionsstoff in der Form eines dünnen Filmes oder einer dünnen Schicht einer Reaktion unterworfen wird, während er durch das sich entgegen Uhrzeigerrichtung drehende, spiralförmig gewundene Drahtelement nach vorwärts bewegt wird.

Sind die über die Einfüllöffnung 14 zugeführten Mengen an Raaktionsstoff nicht zu groß, dann wird sich der Reaktionsstoff gleichmäßig über die Oberfläche der Innenwandung des Rohres 1 verteilen und zwar in der Form eines dünnen Filmes, wie er beispielsweise in Fig. JA dargestellt ist. Dieser dünne Film wird durch das spiralförmig gewundene Drahtelement zusammen mit der Reaktionslösung 18 nach vorwärts bewegt, diese Reaktionslösung 18 hat sich·in den dreieckförmigen Teilen zwischen dem spiralförmig gewundenen Drahtelement und der Oberfläche der Innenwandung des Rohres 1 abgesetzt, eine Reaktion findet während der Vorwärtsbewegung des Reaktionsstoffes statt. Sollen große Mengen an Reaktionsstoff zugeführt werden, dann kommen spiralförmig gewundene Drahtelemente zum Einsatz, wie sie in den Fig. J5B und 35C dargestellt sind, jede "Windung" besteht dann also aus zwei bzw. drei oder mehr "Windungen". Diese mehrfachen "Windungen" ermöglichen demzufolge die Handhabung größerer Mengen an Reaktionsstoff, well die Menge aioh zwischen dem spiralförmig gewundenen Drahtelement und der

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Innenwandung absetzender Reaktionslösung entsprechend größer ist, es sind zwei, drei oder mehrere dreieckförmige Teile 18 dann vorhanden. Die Anzahl von "Windungen" ist demzufolge bestimmt durch die Menge an zugeführtem Reaktionsstoff, der Geschwindigkeit der Reaktion, des Wirkungsgrades des Wärmeaustausches über den bzw. die Mantel 10, die gewählte Drehzahl, dem Innendurchmesser der Rohre und anderer Paktoren.

Aus dem Vorstehenden kann abgeleitet werden, daß der Reaktions stoff einer Reaktion unterzogen wird, während er nach vorwärts in der Form eines über die Innenwandung des Rohres ausgebreiteten dünnen Filmes verschoben bzw. befördert wird. Der Reaktionsstoff ist dabei angesammelt in dreieckförmigen Räumen\ zwischen dem spiralförmig gewundenen Drahtelement j5 und der Innenwandung des Rohres 1; das spiralförmig gewundene Drahtelement 3 dreht sich entgegen der Uhrzeigerrichtung, so daß sich die Materialien schließlich am linken Ende des Rohres 1 ansammeln. Von diesem Ende werden nun die Materialien über das Verbindungsrohr 9 in das Rohr 2 eingeleitet, in welchem si durch das sich in Uhrzeigerrichtung drehende spiralförmig· gewundene Drahtelement H- nach rechts zur Auslaßöffnung 16 hin bewegt werden.

Sich in den Rohren während der stattfindenden Reaktion bildende Gase nehmen ihren Weg im Innern der Rohre 1 und 2 zu den Entlüftungsöffnungen lji hin, durch welche sie entlüftet werden Auf diese Weise läßt sich vermeiden, daß sich im Innern der Rohre ein hoher Druck bildet, der daau führen könnte, die

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Reaktionsmaterialien aus den Reaktionsrohren ungewollt herauszudrücken. Die in die Leitungen Ij5 einführbaren Thermometer messen die Reaktionstemperaturen innerhalb der Röhren im Bereich der Auslaßöffnungen für die Gase. Dadurch ist es möglich, die Temperatur oder die Menge eines Heizungs- oder Kühlungsmediums zu steuern, das den Mänteln 10 zugeführt wird. Werden jedoch die Mengen an Reaktionsstoff und Reagenz dem System in einem vorherbestimmten Maße kontinuierlich zugeführt und wird während der gesamten Reaktion dieses Maß eingehalten, dann ist es möglich die Reaktion ohne Schwierigkeiten durchzuführen, weil die Temperatur und die Menge des Mediums ebenfalls vorherbestimmbar ist.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß es erfindungsgemäß ermöglicht wird, die Reaktionsmaterialien nicht frei durch den Innenraum der Rohre zu bewegen, sondern vielmehr durch die Anordnung der spiralförmig gewundenen Drahtelemente in einer ganz bestimmten Menge als dünne Schicht über die Innenwandung der Rohre, die Reaktion findet demzufolge während des Vorwärtsschiebens der Materialien statt. Findet eine exothermische Reaktion in -einem kürzeren Zeitraum als erwaret statt, dann ist es möglich, die Temperatur in den Reaktionsrohren innerhalb kürzester Zeitspanne zu erniedrigen und zwar über die Mäntel 10, so daß dadurch unerwünschte Nebenreaktionen vermieden werden.

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Sind die zur Reaktion zu bringenden Reaktionsmaterialien in großer Menge vorhanden, muß also pro Zeiteinheit eine große Menge an Reaktionsstoff und eine ebenso große Menge an Reagenz zugeführt werden, dann werden die Reaktionsmaterialien 17* wie aus Fig. J5A ersichtlich,nicht selbsttätig nach vorwärts geschoben, sie werden vielmehr durch das spiralförmig gewundene Drahtelement 3 erfaßt, so daß sich ein dünner Film an der Innenwandung des Rohres 1 bildet, dieser dünne Film

ist demzufolge eine flächig ausgebreitete Schicht der Reaktbnsmaterialien, die auf diese Art und Weise eine intensive Reaktion miteinander eingehen; als dünner Film werden demzufolge die Reaktionsmaterialien nach vorwärts geschoben, wenn die Tiefe der Reaktionsmaterialien 17 nicht größer ist als der Durchmesser einer "Windung" des spiralförmig gewundenen Drahtelementes ^. Erfolgt eine Reaktion unter dieser Bedingung, dann kann die Menge an zu behandelndem Reaktionsmaterial pro Stunde als Zeiteinheit wesentlich gesteigert werden. Ein charakteristisches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Reaktionsbedingungen über ein breites Feld verändert werden können; nimmt eine Reaktion eine verhältnismäßig lange Zeitdauer in Anspruch, dann kommen längere Rohre zum Einsatz, wobei gleichzeitig die Zahl der "Windungen" der spiralförmig gewundenen Drahtelemente reduziert ist; findet die Reaktion über eine verhältnismäßig kurze Zelt statt, dann werden kürzere Rohre benötigt, bei gleicnzeitig größerer Anzahl von · "Windungen" pro Längeneinheit der spiralförmig gewundenen Drahtelemente. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist nun darin zu suchen, daß der Vorgang kontinuierlloh durchgeführt

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werden kann, so daß die Ausstoßleistung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems relativ groß im Verhältnis zu der Größe des Röhrenreaktors ist. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor findet die Reaktion zwischen Reaktionssrorr una Reagenz axi der Stelle statt, wo beide als dünner Film entlang der Innenwandung der Rohre nach vorwärts geschoben werden, dieser dünne Film wird während seiner Vorwärtsbewegung ständig in Intervallen gekühlt oder erwärmt, so daß dadurch erst ein kontinuierlicher Arbeitsablauf ermöglicht wird; der erfindungsgemäße Röhrenreaktor gestattet demzufolge einen verhältnismäßig raschen Wärmeaustausch pro Zeiteinheit. Außerdem ermöglicht der erfindungsgemäße Reaktor eine Verringerung der Reaktionszeit, weil es ermöglicht wird, daß die Reaktion bei Temperaturen durchgeführt wird, die kleiner sind als die kritischen Temperaturen, bei deren Werten Nebenreakcionen vorkommen können. Der erfindungsgemäße Reaktor ist nicht nur geeignet, Reaktionen zwischen Flüssigkeiten zu. bewirken, sondern auch Reaktionen zwischen einer Flüssigkeit und einem pulverförmigen und/oder körnigen Material.

Bei dem erfindungsgemäßen Röhrenreaktor sind die spiralförmig . gewundenen Drahtelemente im Innern der Rohre derart angeordnet, daß sie gegenüber der Innenwandung der Rohre eine gleitende Bewegung ausführen, die Außenoberfläche der einzelnen"Windüngen" der spiralförmig gewundenen Drahtelemente steht zwar . mit der Innenwandung der Rohre in Berührung, diese Berührung ist aber eine solche, daß es zu keinem Verschleiß kommt, denn

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die Reaktbnsstoffe dienen als eine Art Schmiermittel. Da in dem erfindungsgemäßen Reaktor Rohre zum Einsatz kommen, kann die Innenwandung dieser Rohre,je nach verwendeten Reaktionsnaterialien,mit einer geeigneten Auskleidung, beispielsweise einer Glasauskleidung oder einer Gummiauskleidung, versehen werden. Die spiralförmig gewundenen Drahtelemente können kreisförmige, dreieckige oder quadratische Ouerschnittsform aufweisen, was von der Viskosität und anderen Eigenschaften der zu behandelnden medizinischen Reaktions- ' stoffe abhängt, so daß die Vorwärtsschiebung der Reaktionsmaterialien und das Bewirken der kontinuierlichen Reaktion mit größtem Wirkungsgrad erfolgt. Je r~'.ch gewähltem Querschnitt der spiralförmig gewundenen Drahtelemente kann demzufolge die dreieckförmige Aussparung 1Ö größer oder kleiner werden, der Ausdruck "dreieckförmig" wurde an dieser Stelle deshalb gewählt, weil an anderer Stelle bei der Beschreibung des Ausführungsbeispieles dieser Ausdruck bereits Anwendung fand.

Ein Beispiel einer Reaktion, die mit dem erfindungsgemäßen Röhrenreaktor erwirkt worden ist, wird nachstehend näher beschrieben.

Es wurde eine Reaktion zwischen einem Ester der Malonsäure und einem Stickstoff-Sesquioxyd herbeigeführt. Flüssiges Stickstoff-Sesquioxyd wurde über die Einlaßöffnung 14 in einer Menge von 56 kg/h zugeführt und ein Ester der Malonsäure über die Einlaßöffnung I5 in einer Menge von 25,4 kg/h.

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Bei diesem Beispiel war die Menge der Reaktionslösung eine solche, daß ein Teil der Flüssigkeit am Boden des Rohren stillstehend blieb, diese stillstehende Flüssigkeit wurde jedoch wie vorstehend beschrieben durch die spiralförmig gewundenen Drahtelemente erfaßt und in einem dünnen Film bzw. einer dünnen Schicht über die Innenwandung des Rohres verbreitet; als dünne Schicht wurde dann diese Flüssigkeit nach vorwärts geschoben. Während des Nachvorwärtsschjebens ' stellte sich die Reaktion ein. Der Mantel 10 wurde von warmem

Wasser mit Temperaturen 25° und 80° C durchspült, so daß die Reaktion verhältnismäßig rasch vor sich ging. In den Rohren hatten sich Gase entwickelt, die über die Leitungen Ij5 entlüftet und in einer nicht dargestellten Vorrichtung gesammelt wurden, so daß innerhalb der Rohre kein Druckanstieg erfolgte, ein Druckanstieg hätte erfolgen können, wäre eine Entlüftung nicht vorgenommen worden.

Zum Vergleich wurde derselbe Versuch in einem bekannten Aussetzreaktor (a reactor of the batch type) durchgeführt. Diesem bekannten Reaktor war also ebenfalls ein Ester der Malonsäure und ein Stickstoff-Sesquioxyd in geringen Mengen zugeführt worden, so daß beide Teile miteinander reagieren konnten. Die sich bei der Reaktion entwickelnden Gase wurden abgesaugt und dem äußeren Bad mußte Eis und Salz zugesetzt werden, um eine ausreichende Kühlung der Reaktbnslösung zu bewirken, so daß im Innern des Reaktors Temperaturen von '^0° 0 vorherrschten. Wären diese Temperattaren größer gewesen alH 50° C, dam. hätten die sich entwickelnden Gase ejnen Timen-

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druck erzeugt, der sich auf die Reaktionslösung ausgewirkt hätte, so daß diese Reaktionslösung dann aus dem Reaktor ausgeflossen wäre. Durch die Kühlung wurde also erreicht, daß die Reaktion ohne Zwischenfälle durchgeführt werden konnte.

Es sollte nun darauf hingewiesen werden, daß die Ausbeute
bei dem erfindungsgemäßen Röhrenreaktor 65$ betrug, während sie bei dem gewöhnlichen Reaktor nur 5I/« betrug. Diese Vergleichsziffer soll zeigen, daß der erf indungsgemäße Reaktor dem bekannten Reaktor überlegen ist. Die Steigerung der Ausheute dürfte darauf zurückzuführen sein, daß bei dem erfindungsgemäßen Röhrenreaktor die Gesamtmenge an ^eaktionslösung eine nahezu vollständige Reaktion bewirkt, weil die chemischen
Äquivalente eines Esters der Mäonsäure und eines Stickstoff-Sesquioxyds kontinuierlich miteinander in geringen Mengen
reagieren.

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Claims (1)

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   Hf.

   Patentanspruch

   Röhrenreaktor zum Bewirken einer kontinuierlichen Reaktion, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen für Reaktionsstoff und Reagenz am einen Ende in einer Horizontalen angeordneter Rohre, deren Innenwandurig mit geringem Abstand in Umdrehung versetzbare, - spiralförmig gewundene Drahtelemente und deren Außenwandung ein oder mehrere Heiz- und/oder Kühlungsmäntel sowie eine Anzahl von mit gegenseitigem Abstand angeordnete Entlüftungsöffnungen zugeordnet sind.

   Patentanwalt

   -taO. Heinz Ussef München 6T

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