DE1542456B2 - Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bzw. Austauschreaktionen innerhalb eines porösen Kontaktkörpers - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen bzw. Austauschreaktionen zwischen unterschiedlich benetzenden, nicht vollständig mischbaren Phasen oder zwischen den in ihnen gelösten Stoffen mit einem zwei Systeme unterschiedlich großen Poren aufweisenden Kontaktkörper.

In einem System von mehreren Phasen ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion oder einer Austauschreaktion gelöster Stoffe etwa proportional der Berührungsfläche zwischen den Phasen. Deshalb muß man durch Emulgieren oder ähnliche Schritte eine möglichst große gegenseitige Berührungsfläche schaffen. Dieser Vorgang benötigt Energie und erfordert oftmals auch die anschließende Auftrennung der Phasen.

Ist die eine Phase ein Gas, so kann dieses beispielsweise mittels einer feinen Düse in Form kleiner Bläschen durch die Flüssigkeit geleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Flüssigkeit durch eine Füllkörperkolonne zu leiten, wo sie auf den Füllkörpern eine große Oberfläche gegenüber dem entgegenströmenden Gas annimmt.

Handelt es sich 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.

Aus der US-PS 2 819 887 ist eine Vorrichtung zur Erzielung eines guten Kontaktes zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit bekannt. Dazu werden das Gas und die Flüssigkeit im Gegenstrom durch eine Kontaktkammer geleitet. Die Kontaktkammer ist mit Teilchen aus porösem Material gefüllt. Der Füllstoff sorgt für eine vom Durchmesser der Kontaktkammer unabhängige gleichmäßige Verteilung der von oben nach unten fließenden Flüssigkeit.

In der OE-PS 241660 (entspricht der US-PS 3 207 691) wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung einer ersten Flüssigkeit mit einer zweiten Flüssigkeit zur Durchführung einer Austauschreaktion beschrieben. Dazu fließen die nicht mischbaren Flüssigkeiten unter dem Einfluß der Schwerkraft in parallelen Strömen durch ein Kontaktbett aus porösem faserigem Material, wobei die zu behandelnde Flüssigkeit das Kontaktmaterial vorzugsweise benetzt. Bei diesem Verfahren ist eine völlige Trennung der Phasen nach dem Austauschverfahren schwierig. Weiterhin müssen bestimmte Porositäten am Kontaktbett eingehalten werden und es ist schwierig, das Verhältnis der Durchlaufgeschwindigkeiten gezielt zu beeinflussen.

Aus der DT-AS 1 151 491 ist bekannt, ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch durch ein poröses Kontaktbett zu leiten. Dieses poröse Kontaktbett wird aus Katalysatorpartikeln gebildet, denen gegebenenfalls Partikeln aus inerten Materialien beigemischt sind. Da die in dieser Anordnung verwendeten Katalysatorpartikeln keine eigenen Poren besitzen, wird der Katalysator nur in geringem Maße genutzt und leistungsfähige Anlagen dieser Art müssen sehr groß ausgelegt werden.

Bei Brennstoffzellen ist bekannt, poröse Elektroden als Kontaktkörper für. z. B. eine Flüssigkeit und ein Gas zu verwenden. Dabei können Katalysatoren die elektrochemischen Vorgänge in ihrem Ablauf beschleunigen. Beispielsweise sind in der US-PS 3 280 014 poröse Elektroden, welche mit einem semipermeablen Überzug versehen sind, beschrieben, so daß die Elektrode Bereiche verschiedener Porosität besitzt.

In der Technik der Brennstoffzellen sind weiterhin sogenannte Doppelschichtelektroden bekannt. Wie z. B. auf S. 124 ff. in »Kalte Verbrennung«, Franz-Steiner-Verlag, Wiesbaden, 1962, Verfasser: E. W. J u s t i, A. W. W i η s e 1, beschrieben wird, besteht eine solche Elektrode aus zwei aneinandergrenzenden Schichten, von denen jede homöoporös ist, wobei der Porendurchmesser der einen Schicht größer ist als der der anderen. Die Grenzschicht bildet den Kontaktbereich von Flüssigkeit und Gas.

Naturgemäß ist der für die Reaktion bedeutende Kontaktbereich nur sehr klein, da bei Brennstoffzellen-Elektroden die Reaktion an der Dreiphasengrenze von Gas, Flüssigkeit und Elektrode abläuft.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, in welcher ein quantitativ guter Ablauf chemischer Reaktionen und Austauschreaktionen zwischen nicht vollständig mischbaren Phasen in einem Kontaktkörper gewährleistet wird. Der Aufbau und Betrieb der Vorrichtung soll möglichst einfach sein und insbesondere sollen die Reaktionspartner einfach zuführbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ' löst, daß der Kontaktkörper einen Reaktionsbereich aufweist, der zwischen feinerporigen Deckschichten liegt, wobei diese feinerporigen Deckschichten der Zu- bzw. Abfuhr von besser benetzender Phase dienen, daß zwei oder mehr Rohrleitungen durch die Deckschichten in den porösen Kontaktkörper hineinragen, die der Zu- bzw. Abfuhr der schlechter benetzenden Phase dienen, daß Mittel zum Erzeugen eines Überdruckes der schlechter benetzenden Phase gegenüber der besser benetzenden Phase vorhanden sind und daß die übrigen Oberflächenbereiche des Kontaktkörpers zwischen den eingrenzenden Deckschichten für die Phasen undurchlässig sind.

Das Prinzip der Erfindung ist am einfachsten am Bei-

spiel 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 benetzenden Phase unter einem hydrostatischen Überdruck steht Dabei werden um so mehr Poren erfüllt, je größer dieser Überdruck ist.

Bezeichnet Ap den hydrostatischen Druckunterschied, 0 die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen, 0 den Grenzflächenwinkel an der Festkörperoberfläche und rden Porenradius, so sind diejenigen Poren von der schlecht benetzenden Phase erfüllt, für

^2σ

cos θ

r
ist. Δρ

Unter diesen Bedingungen enthält jeder nicht homöoroporöse Körper zwei sich durchdringende Porensysteme, von denen in Abhängigkeit von θ das eine mit der gut benetzenden, das gröbere mit der schlecht benetzenden Phase erfüllt ist und in denen beide Phasen voneinander getrennt unter dem Einfluß von hydrostatischen Druckgefällen innerhalb der einzelnen Porensysteme strömen können. Auf diese Weise haben die Phasen eine große gegenseitige Berührungsfläche, die überdies ständig durch eine erzwungene Strömung erneuert wird.

. In F i g. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Hierin ist 1 die Wandung des Reaktionsgefäßes, 2 ein poröser Körper, 3 sind feinerporige lyophi-Ie Deckschichten. 4 ist ein Rohr, das in den gröber porösen Körper führt; über 4 wird die schlecht benetzende Komponente zu- und über das gleichartige Rohr 5 abgeführt. Mit 6 ist der Bereich bezeichnet, über den die bei 7 abfließende 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 feineren Poren des Körpers 2. Gegenüber der gut benetzenden Komponente steht die schlecht benetzende Komponente insgesamt unter einem Überdruck Δ ρ, unter dessem Einfluß sie die gröberen Poren von 2 erfüllt. Durch Einstellung eines Druckgefälles zwischen 4 und 5 strömt die schlecht benetzende Komponente im Gegenstrom zu der gut benetzenden durch den Reaktionskörper.

Durch die außerordentlich feine Verteilung besitzen die beiden reagierenden Phasen eine sehr große 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 können auch Austauschreaktionen durchgeführt werden, in deren Verlauf eine gelöste Komponente aus der einen Phase in die andere übertritt.

Bei heterogen katalysierten Reaktionen kann der poröse Körper aus dem Katalysatormaterial selbst bestehen oder dieses enthalten. In diesem Fall findet die Reaktion dort statt, wo die drei Phasen zusammenstoßen, also an den Dreiphasengrenzen zwischen Katalysator sowie gut und schlecht benetzender Phase.

In den meisten Fällen wird man metallische poröse Körper verwenden, bei denen die Reaktionswärme besonders leicht zu- bzw. abzuführen ist, wenn auch die Wandung des Reaktionsgefäßes aus Metall besteht. Diese 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 Flußrichtung einer der beiden Komponenten erzeugen, wenn dies für eine bessere Reaktionsführung wünschenswert ist.

F i g. 2 zeigt die Kombination zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Übertragung einer in der Phase 8 gelösten Komponente A 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 Auslaß 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 Λ angereichert und über Rohr 18 der Pumpe 19 zugeführt, aus der sie über Rohr 20 in den Raum 26 einfließt. Von hier aus führt 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 zu- und bei 25 abgeführt. 21 ist das Reaktionsgefäß. Bei 27 fließt 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 Systemdrukke der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet. Eine Trennung der beiden Phasen im porösen Reaktionskörper erfolgt immer dann mit einer stabilen Grenzfläche in den Poren, wenn eine unterschiedliche Kapillarkraft der beiden Phasen beim Kontakt mit dem Reaktionskörper vorhanden ist. Die Begriffe »schlecht benetzend« und »gut benetzend« sind in diesem Sinne relativ aufzufassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch unter Einwirkung elektrischer Energie betrieben werden. In diesem Falle strömt der Elektrolyt durch die feinen Poren, die schlecht benetzende Phase durch die gröberen Poren einer Elektrode. Da im elektrischen Feld eine Ionenwanderung erfolgt, braucht der Elektrolyt bei genügend schneller Diffusion innerhalb der elektrolyterfüllten Poren des Reaktionskörpers nicht unbedingt zu strömen.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen einige Beispiele.

Beispiel 1

Die Versuchsanordnung zur CO2 — Wäsche eines H2/CO2-Gemisches mit 25 Volumprozent CO2 entsprach F i g. 2. Als gut benetzendes Absorptionsmedium verwendete man 8n-Diäthanolamin-Lösung, die

dem unter 1 atü Überdruck stehenden Gasgemisch in den Poren eintgegenfloß. Als Reaktionskörper diente ein poröser Nickelkörper, der bei 350⁰C mit 1 t/cm² aus einem Carbonylnickel-KCl-Pulvergemisch hergestellt worden war. Der Körper hatte bei 40 mm Durchmesser eine Höhe von 30 mm und trug an beiden Stirnflächen 0,5 mm dicke Deckschichten, die ohne KCl-Zusatz allein aus Cabonylnickeipulver gefertigt worden waren. Nickelrohre, von.3 mm Durchmesser reichten durch die Deckschichten,in den Reaktionskörper, der im übrigen von einem Mähtet aus einem Kunstharz auf Basis von Polymethacrylsäureester umpreßt war. Beim Versuch wurden gemäß Fi g. 2 zwei derartige von der Diäthanolamin-Lösung (Phase 9) durchflossene Körper verwendet. Die Temperatur betrug im Reaktionskörper 22, den das zu reinigende Gasgemisch durchströmt (Phase 10); 25°C, im Reaktionskörper 12, aus dem das CO2 aus der Lösung ausgetrieben und auf einen unter 0,2 atü stehenden Luftstrom (Phase 8) übertragen wird, 75°C. Der aus dem Reinigungsprozeß heraustretende Wasserstoff besaß nur noch eine geringe CO2-Konzentration. . .■■■■.·;.. '.■ .... ■■:, ·■·. --..':.

Beispiel 2

Dieses Beispiel schildert die chemische Reaktion zwischen einem gasförmigen Reaktionspartner und einer wäßrigen Lösung. Die Versuchsanordnung entsprach F i g. 1 mit einem der in Beispiel !.geschilderten Reaktionskörper. Als gasförmiges Medium diente ein CO/N2-Gemisch mit 25% CO, als flüssige Phase eine 5n-KOH-Lösung. Bei: der Reaktionstemperatur von 90°C bildete sich Kaliumformiat, das sich in der im Gegenstrom zum Gas fließenden Lauge löste und aus dieser abgetrennt werden konnte. .-".,"■■.:

, B e i s ρ i e 1 3 ··.'..■::. ■

Beispiel 3 betrifft die Übertragung von Brom aus einer wäßrigen Lösung auf Chloroform. In diesem Fall wurde die wäßrige Lösung als gut benetzendes Medium durch den Reaktionskörper nach F i g. 1 geführt und floß dabei im Gegenstrom zu dem unter 0,5 atü Überdruck stehenden Chloroform. Dabei wurde das Brom weitgehend vom Chloroform aufgenommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Durchführung von chemischen oder elektrochemischen Reaktionen bzw. Austauschreaktionen zwischen unterschiedlich benetzenden, nicht vollständig mischbaren Phasen oder zwischen den in ihnen gelösten Stoffen mit einem zwei Systeme unterschiedlich großer Poren aufweisenden Kontaktkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper einen Reaktionsbereich aufweist, der zwischen feinerporigen Deckschichten liegt, wobei diese feinerporigen Deckschichten der Zu- bzw. Abfuhr von besser benetzender Phase dienen, daß zwei oder mehr Rohrleitungen durch die Deckschichten in den porösen Kontaktkörper hineinragen, die der Zu- bzw. Abfuhr der schlechter benetzenden Phase dienen, daß Mittel zum Erzeugen eines Überdruckes der schlechter benetzenden Phase gegenüber der besser benetzenden Phase vorhanden sind und daß die übrigen Oberflächenbereiche des Kontaktkörpers zwischen den eingrenzenden Deckschichten für die Phasen undurchlässig sind.