DE1542456A1

DE1542456A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer und elektrochemischer Reaktionen und von Austauschreaktionen

Info

Publication number: DE1542456A1
Application number: DE19661542456
Authority: DE
Inventors: Winsel Dipl-Phys Dr August
Original assignee: Siemens AG; VARTA AG
Current assignee: Siemens AG; VARTA AG
Priority date: 1966-04-16
Filing date: 1966-04-16
Publication date: 1970-06-18
Also published as: DE1542456C3; NL6703071A; GB1183356A; CH485481A; DE1542456B2; SE347436B

Description

Reg.-yr. BSP 40 a Frankfurt/Main, den 14-4.1966

HPT- Fnn/sl

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft Berlin und Erlangen

VARTA AKTIENGESELLSCHAFT 6 Prankfurt/Main, Neue Mainzerstrasse 54

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer und elektrochemischer Reaktionen und von Austauschreaktionen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung chemischer Reaktionen zwischen zwei nicht vollständig ineinander löslichen flüssigen Phasen bzw. zwischen einer flüssigen Phase und einem Gas.

In derartigen Systemen ist die Reaktionsgeschwindigkeit etwa proportional der Berührungsfläche zwischen den beiden Phasen. Deshalb muss man durch Emulgieren oder ähnliche Schritte eine möglichst grosse gegenseitige Berührungsfläche schaffen. Dieser Vorgang benötigt Energie wie oftmals auch die anschliessende Auf-

trennung der Phasen.

Ist die eine Phase ein Gas, so wird dieses mittels einer feinen Düse in Form kleiner Bläschen durch die Flüssigkeit geleitet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Flüssigkeit durch eine Füllkörperkolonne zu leiten, wo sie auf den Füllkörpern eine grosse Oberfläche gegen das entgegenströmende Gas annimmt, /

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Handelt es eich um eine homogen katalysierte Reaktion, so kann der Katalysator der einen Phase beigegeben werden; handelt es sich hingegen um eine heterogen katalysierte Reaktion, so wird der Katalysator auf die Füllkörper aufgebracht oder in kolloidaler Form einer der Phasen beigegeben.

Beispiele für derartige Reaktionen und für deren zweckmässige Durchführung sind den Lehrbüchern für Verfahrenstechnik und chemische Technologie zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden dagegen die beiden miteinander reagierenden Phasen innerhalb der Poren eines porösen Körpers in innigen Kontakt gebracht.

Das Prinzip der Erfindung ist am einfachsten am Beispiel zweier Phasen zu erläutern, von denen die eine die Oberfläche des porösen Körpers gut, die andere diese Oberfläche schlecht benetzt. Bringt man zunächst die gut benetzende Flüssigkeit mit dem porösen Körper in Berührung, so dringt sie unter dem Einfluss der Kapillarkräfte in die Poren ein und erfüllt diese vollständig. Bringt man danach den porösen Körper mit der schlecht benetzenden Phase in Berührung, so kann diese nur dann in die Poren eindringen, wenn sie gegenüber der gut benetztnden Phase unter einem hydrostatischen Überdruck steht. Dabei werden um so mehr Poren erfüllt, je grosser dieser Überdruck ist.

Bezeichnet Δ ρ den hydrostatischen Druckunterschied, O*die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten, θ den G-renzflächenwinkel an der Festkörperoberfläche und r den Porenradius,

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so sind diejenigen Poren von der schlecht benetzenden Phase er-

20" füllt, für die r _m — cos θ ist,

Unter diesen Bedingungen enthält der poröse Körper zwei Systeme sich durchdringender Poren, von denen das eine mit der gut benetzenden, da* ander· Bit der schlecht benetzenden Phase erfüllt ist und in denen beide Subetaasen unter dem Einfluss von hydrostatischen Druckgefällen innerhalb der einzelnen Phasen strömen können. Auf diese Weise haben die Phasen eine grosse gegenseitige Oberfläche, die überdies ständig durch die Strömung erneuert wird.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgenäese Verfahren durchgeführt werden kann. Hierin ist 1 die Wandung des Reaktionsgefäeses, 2 der poröse Körper, 3 sind feinerporige Deckschichten. 4*ist ein Rohr, das in den gröber porösen ": per führt; über 4 wird die schlecht benetzende Komponente zu- und über das gleichartige Rohr 5 abgeführt. Mit 6 ist der Bereich beceichnet, über den die bei 7 flieseende gut benetzende Phase zugeführt wird. Um den erfindungsgemässen Reaktionsablauf zu erzielen, wird bei 6 ein leichter Überdruck gegenüber Raum 7 in der gut benetzenden flüssigen Phase erzeugt. Unter diesem Druckgefälle strömt diese durch die Deckschichten 3 und die Poren des Körpers 2. Gegenüber der gut benetzenden Komponente steht die schlecht benetzende Komponente insgesamt unter einem Überdruck Δ ρ, unter aessem Einfluss sie einen Teil der Poren von 2 erfüllt. Durch Einstellung eines Druckgefälles zwischen 4 und 5 strömt die schlecht benetzende Komponente vorzugsweise im Gegenstrom zu der gut benetzenden durcn

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Durch die auseerordentlich feine Verteilung besitzen die beiden reagierenden Phasen eine sehr grosee gegenseitige Berührungsfläche. Handelt es sich um eine Reaktion, bei der der Katalysator in einer der Komponenten gelöst ist, so findet die Reaktion über der gesamten Meniskenfläche zwischen den beiden Phasen statt. Hierbei ist es gleichgültig, ob die beiden Phasen unmittelbar miteinander reagieren oder ob die Reaktion zwischen in den Phasen gelösten Stoffen stattfindet. Insbesondere gehören auch Austauschreaktionen hierzu, in deren Verlauf eine gelöste Komponente aus der einen Phase in die andere unter dem Einfluss eines chemischen Potentialgefälles übertritt.

Bei heterogen katalysierten Reaktionen kann der poröse Körper aus dem Katalysatormaterial selbst bestehen oder dieses kann in ihm eingebettet sein. In diesem Fall findet die Reaktion dort statt, wo die drei Phasen zusammenstossen, also an den Dreiphasengrenzen zwischen dem Katalysator und der gut und schlecht benetzenden Phase.

In den meisten Fällen wird es sich um metallische poröse Körper handeln, bei denen die Reaktionswärme besonders leicht zu- bzw. abzuführen ist, wenn auch die Wandung des Reaktionsgefässes aus

Metall besteht. Biesen kann man dann aussen mit einer Heiz- oder

Kühlwicklung oder mit Rippen zum besseren Wärmeaustausch versehen. Auf diese Weise kann man in einem langgestreckten Reaktionsgefäss auch ein Temperaturgefälle in Plussrichtung einer der beiden Komponenten erzeugen, wenn dies für eine bessere Reaktionsführung wünschenswert ist.

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BAD ORtGINAL

Figur 2 aeigt die Kombination zweier erfindungsgemäeser Vorrichtungen zur Übertragung einer in der Phase 8 gelbsten Komponente Λ auf eine Phase 10 mit Hilfe einer gut benetzenden Übertragungsflüssigkeit 9. Die schlecht benetzende Phase 8 wird unter Überdruck bei 15 zugeführt und durchfliesst auf dem Wege zum Ausläse 14 die Poren des Körpers 12 im Gegenstrom zur Phase 9_} die bei 17 ein- und bei 16 austritt. 13 sind Deckschichten, 11 ist das Reaktionsgefäss. Die Phase 9 wird auf ihrem Wege an der gelösten Komponente A angereichert und über Rohr 18.der Pumpe 19 zugeführt, aus der sie über Rohr 20 in den Raum 26 einfließet. Von hier aus fuhrt die Strömung über die feinporige Schicht 23 in den Körper 22» wo die gelöste Komponente A auf die im Gegenstrom zu Phase 9 fliessende Phase 10 übertragen wird. Diese Phase 10 wird bei 24 su- und bei 25 abgeführt. 21 ist das Reaktionsgefäss. Bei 27 flieaat die an A verarmte Phase 9 über Rohr 28 in Raum 17 zurück.

Statt eines gemeinsamen Kreislaufs der benetzenden Phase 9 kann auch eine schlecht benetzende Phase zu einem gemeinsamen Kreislauf zwischen zwei derartigen Reaktionsgefässen dienen, um eine Substanz von einer schlecht benetzenden Phase auf eine andere zu übertragen. Es kann vorkommen, dass die im Kreislauf geführte Phase den einen porösen Körper relativ gut, den anderen porösen Körper im Vergleich zu der*im Gegenstrom fliessenden Phase relativ schlecht benetzt. In diesem Fall wird Rohr 28 mit 24 und Rohr 20 mit 25 verbunden und durch geeignete Wahl der Systemdrucke der Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens gewährleistet. Im übrigen sei bemerkt, dass die Trennung der beiden Phasen im porösen Reaktionskörper immer dann mit einer stabilen Grenzfläche in den Poren erfolgt, wenn eine unterschiedliche Kapillarwirkung der beiden Phasen im Kontakt

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mit dem Reaktionskörper auftritt. Die Begriffe "schlecht" und "gut" benetzend sind in diesem Sinne relativ aufzufassen. *

Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch unter Einwirkung elektrischer Energie durchgeführt werden. In diesem Falle strömt der Elektr< Iyt durch die feinen Poren, die schlecht benetzende Phase durch die gröberen Poren einer Elektrode.

Figur 3 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des eriindungsgemässen elektrochemischen Veriahrens. 31 ist die Wandung des Reaktionsgefässes, in dem sich der Reaktionskörper 32 befindet. Dieser ist zur umgebenden Elektrolytflüssigkeit in den Räumen 36 und 37 hin mit feinporigen Deckschichten 33 versehen. Zwischen den Räumen 34 und 33 strömt die schlechter benetzende Komponente. Die Gegenelektroden befinden sich in den Räumen 36 und 37. 38 ist der elektrische Kontakt, über den die Elektronen als Reaktionspartner zu- oder abgeführt werden. Da der Transport der Reaktionspartner durch Ionenwanderung im elektrischen Feld erfolgt, braucht der Elektrolyt bei genügend schneller Diffusion der Reaktionspartner innerhalb der elektrolyterfüllten Poren des Reaktionskörpers nicht unbedingt zu strömen.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen einige Beispiele.

Beispiel 1:

Die Versuchsanordnung zur CO₂-Wasehe eines Hp/COp-Gemisches mit 25 Vol.96 CO₂ entspricht Figur 2. Als gut benetzendes Absorptionsmedium verwendet man 8n Diäthanolamin-Lösung, die dem unter 1 atü Überdruck stehenden Gasgemisch in den Poren entgegenfliesst. Als Reaktionskörper dient ein poröser Nickelkörper, der bei 35O⁰C mit

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BAD ORfGfNAi. " ⁷ " ·

1 t/cm aus einem Carbonylnickel-KGl-Pulvergemisch hergestellt worden war. Der Körper hat bei 40 mm Durchmesser eine Höhe τοπ 30 mn und trägt an beiden Stirnflächen o,5 mm dicke Deckschichten, die ohne KCl-Zusatz allein aus Cabonylnickelpulver gefertigt worden waren. Nickelrohre von 3 mm Durchmesser reichen durch die Deckschichten in den Rotationskörper, der im übrigen von einem Plexigua-Mantel umpresst iot_e Beim Versuch werden gemäes Figur 2 zwei, derartige Körper verwendet, die von der Diäthajaolamin-Lösung (Phase S] durchflossen werden. Die Temperatur beträgt im Eeaktionskörper 22, den das su reinigende Gasgemisch durchströmt (Phase 10), 25⁰C₁ im ' Reakti -»körper 12, aus dem das COg aus der Lesung ausgetrieben und auf *ua«n unter 0,2 atü stehenden Luftstrom (Phase 8) übertragen wlrdt .5⁰C. Der aus dem Reinigungsprozess heraustretev.'.e Wasserstoff besass nur noch eine geringe CO^-Konzentr

Beispiel 2: '

Dieseii Beispiel schildert die chemische Reaktion aw:.._;. ... . eliiä-iii gasförmigen Reaktionspartner und einer wässrigen Lösung« Die Yer~ suohsanordnung entspricht Figur 1 mit einem der in Beispiel 1 geschilderten Reaktionskörper. Als gasförmiges Medium dient ein CO/Hg-Gemisch mit 25?t CO, als flüssige Phase eine 5n KQH-Lösung. Bei der Reaktionstemperatur von 90⁰C bildet sich Kaliumformiat, das in der im Gegenstrom zum Gas fliessenden.Lauge gelöst ist und aus dieser abgetrennt werden kann.

Beispiel 3; Beispiel 3 betrifft die Übertragung von Brom aus einer wässrigen Lösung auf Chloroform. In diesem Fall wird die wässrige Lösung als

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gut benetiendes Medium durch den Reaktionekörper nach Figur 1 geführt und flieset dabei im Gegenstrom zu dem unter o,5 atü Überdruck stehenden Chloroform. Dabei wird das Brom weitgehend vom Chloroform aufgenommen.

Patentansprüche

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Claims

Reg.-Nr. BSP 40 a Prankfurt/Main, den H.4.1966 HPT-Pnn/Sl Paten tansprüch e

1. Verfahren zur Durchführung von chemischen oder elektrochemischen Reaktionen bzw. Austauschreaktionen zwischen unterschiedlich benetzenden, nicht vollständig mischbaren Phasen oder zwischen den in ihn«» gelösten Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Poren eines Körpers mit einem Spektrum unterschiedlich grosser Poren die schlechter benetzende Komponente gegenüber der besser benetzenden unter einen hydrostatischen überdruck gesetzt wird, so dass ein zusammenhängender Teil der grösseren Poren von der schlechter benetzenden, ein zusammenhängender Teil der kleineren Poren von der besser benetzenden Phase erfüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer oder beider Phasen durch hydrostatische Druckgefälle die Phasen in den unterschiedlichen Porensystemen zum Strömen gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen in G-egenstrom zueinander bewegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase nacheinander zwei oder mehr Reaktionskörper im Kreislauf zugeführt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 Ms *^_% dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen in den Foren des Körpers mit Katalysatormaterial in Berührung gebracht werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des in den vorhergehenden Ansprüchen geschilderten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Reaktionskörper zumindest einen Bereich aufweist, der zwischen feinerporigen Deckschichten liegt, die der Zu- bzw. Abführung der besser benetzenden Phase dienen, dass zwei oder mehr Rohrleitungen durch die Deckschichten in den porösen Reaktionskörper hineinragen, über die die schlechter benetzende Phase unter Überdruck stehend zu- bzw. abströmt, während die übrigen Oberflächenbereiche zwischen den eingrenzenden Deckschichten für die Phasen undurchlässig sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionskörper aus einem katalytisch aktiven Material besteht oder dieses an den Porenwänden enthält.

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