DE1667041A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Stoffaustausch zwischen gasfoermigen und fluessigen Phasen im Gegenstrom - Google Patents

Description

A 5 B V/ E R K E HOECHST AG. 1 βΚ7Π '■ Λ

vormals Heister Lucius £c Brüning I OP/U-* I

Frankfurt (M)-Höchst, 15. I-Tärz 1967 DI.Ba/zdl

A IT L A G E I

zur Latentanmeldung Fw 5344 = Gm 774

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Gtoffaustausch zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Stoffaustausch zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom in einer senkrechte" Kolonne hei langsamer Austauschgeschwindigkeit und großer Korrosivität.

Bisher konnten bestimmte Stoffaustauschvorgänge zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen nicht kontinuierlich und nicht im vorteilhaften Gegenstrom durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um Austauschvorgänge mit großer Austauschzeit zwischen stark korrosiven Stoffen. Für diese AuDtauschvargänge läßt sich weder die Rieselkolonne verwenden - die Rieselzeit ist zu kurz - noch die Glockenbodenkolonne * sie x^ird durch die korrosiven Stoffe angegriffen. Wegen der Korrosivität entfällt auch die Möglichkeit, die Rieselzeit in der Rieselkolonne durch den Einbau feiner Drahtnetze zu verlängern. Außerdem gibt es

*) aus Metall

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Fälle, bei denen selbst "bei normaler Austauschgeschwindigkeit die Rieselkolonne nicht zu verwenden ist, nämlich dann, wenn die Rieselzeit infolge mangelnder Ben· tzung extrem kurz ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine Gruppe von Stoffaustaunchvorgängen im Gegenstrom durchzuführen, die bisher diesem Verfahren nur bedingt oder überhaupt nicht zugänglich waren.

Erfindungngemäi3 wird der kontinuierliche Gtoffaustausch im Gegenstrom so durchgeführt, da.1 die gasförmige Fhaje nur in Form von Blasen durch ii'j zusammenhängend herabfliegende flüssige Fhase nuffit· igt, wobei Füllkörper, Packungen oder andere Einbauten die Rückverminchung dor flüssigen Phase in vertikaler Richtung hemmen.

Es handelt sich bei der Erfindung demnach um eine im Grgenstrom betriebene Blasensäule, die dadurch zum multiplikativ wirkenden Gegenstromapparat wird, daß man nie: mit geeignet dimensionierten Füllkörpern hinreichend hoch ausfüllt. Die Füllkörper hemmen die durch das Aufstoigen der Blasen verursachte Konvektionströmung, die sonst eine rasche vertikale Rückvermischung bewirkt. Zu- und Abflu2menge der flüssigen Phase wird vorteilhaft so reguliert, dcß die Füllkörperhöhe mit dem Flüssigkeitsspiegel gleich iat.

selbstverständlich kann die gasförmige Phase auch ein Dampf sein. Als besonders vorteilhaft hat sich nämlich dan erfindungsgemäße Stoffaustauschverfahren für ein Stoffsystem erwiesen, bei dem die flüssige Phase ein siedenden Reaktionsgomisch von Naphthalin und Schwefelsäure und die aufsteigende gasförmige Phase überhitzter Vasaerdnmpf mit etwa der Temperatur der flüssigen Phase iat. Bt⁵I diooora Stoffsvstem int die Rieselzeit in Säulen mit Keramikfüll-

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körpern wogen schlechter Benetzung extrem kurz, und unzureichend, während Metslldrahteinbauten wegen der Korrosivität ausscheiden. Die im Reaktionsgemisch enthaltene 1-Naphthalinsulfonsäure wird dabei weitgehend in Naphthalin und Schwefelsäure hydrolysiert. Der aufsteigende Dampfblasenstrom reichert sich mit dem Naphthalin an und trägt dieses aus dem Reaktionsgemisch aus. Durch die Gegenstromwirkung wird erreicht, daß der Gehalt an 1-Naphthalinsulfonsäure unter 1 Gew.^ gesenkt werden kann und daß der Verbrauch an Dampf minimal ist.

Das erfindunfT-sgemäße Verfahren wird vorzugsweise unter Verwendung einer senkrechten Rohres durchgeführt, dessen Länge groß gef5en den Durchmesser ist und das mit Füllkörpern angefüllt ist, die kleiner sind nls 1/10 des Rohrdurchmessers.

Die überrssehend einfache erfindungsgemäße Verfahrensweise und Vorrichtung macht es erst möglich, das Gegenstromverfohren in solchen Fällen anzuwenden, bei denen Glockenboden notwendig schienen, aber aus Werkstoffgründen nicht realisierbar waren. Bekanntlich sind den Abmessungen von Glockenbodenkonstruktionen aus beständigem Steingut oder Graphit Grenzen gesetzt, während das erfindungsgemäß verwendete Rohr s. B. durch Ausmauerung in jeder Größe leicht hergestellt werden kann. Die Beschaffung keramischer Füllkörper bereitet auch keinerlei Schwierigkeiten.

Kit der Glockenbodenkolonne hat die erfindungsgemäße Verfahrensweise und Vorrichtung gemeinsam, daß jede beliebige Verweilzeit der Flüssigkeit im Apparat eingestellt werden kann. Während ein Korrosionsangriff bei einer Glockenbodenkonstruktion diese schnell unbrauchbar macht, kann man bei dem erfindungsgemäfi verwendeten Rohr einen Angriff häufig in Kauf nennen·, s. B. ist ein gußeisernes Rohr gegenüber einer gußeisernen Glockenbodenapparatur unvergleichlich

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billiger. Das Rohr kann leicht dickwandig hergestellt und auch leicht ausgetauscht v/erden,

Verstopfungen und Ablagerungen können in der erfindungsgemäßen Apparatur leichter behoben werden als in einer Glockenbodenapparatur.

Wie weitgehend die Rückvermischung erfindungsgemäß unterdrückt und damit die Gegenstromwirkung erreicht wird, zeigen Figur 1 und Figur 2.

Figur 1 zeigt die Abhängigkeit der Rückvermischungszeit von der Gasgeschwindigkeit, der Füllhöhe und der Füllkörperform. Figur 2 zeigt den Zusammenhang von Rückvermischungszeit und Füllhöhe bei verschiedenen Gasgeschwindigkeiten und verschiedenen Füllkörperformen.

Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Beispiel.

Auf der Abszisse der Figur 1 ist die auf den leeren Querschnitt des 150 mm weiten Glasrohres bezogene Geschwindigkeit von Luft in cm/s aufgetragen, die in das mit Füllkörpern und Wasser angefüllte Rohr von unten eingedrückt wurde. Auf der Ordinate sind die Zeiten in Minuten aufgetragen, nach denen eine Ro saver färbung des Wassers am unteren Ende der Kolonne nach dem AufgabeZeitpunkt einer konzentrierten Kaliumpermanganat-Lösung bei der angegebenen Füllhöhe in m der Füllkörper-Flüssigkeit-Gassäule gerade eben wahrnehmbar wurde.

In Figur 2 ist diese Rückvermicchungszeit auf der Abszisse in Minuten gegen die Füllhöhe in m für Raschigringe von 15 und 8 mm Durchmesser dargestellt. Es ergeben sich für die variierten Luftgenchwindigkeiten die schraffierten Bereiche. In diesen Fällen ist di·:¹ Rückverminchungszoit proportional dem Quad-^t der Füllhöhe.

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Han kann die Erfindung nicht nur als modifizierte Blasen-Bäule, sondern auch als eine zu völliger Durchflutung entartete Rieselkolonne ansehen, bei der sich die Flüssigkeit langsamer abwärts bewegt als bei der Rieselkolonne.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf solche physikalischen und chemischen Vorgänge, bei denen die Fhasenmengen erhalten bleiben. V/ird wie z. B. bei Hydrolysen, Hydrierungen, Fhosgenierungen, Gasabsorptionen usv/. die Gas- oder Dampfphase verringert, so kann es zweckmäßiger sein, diese Stoffe an weiteren Stellen in geeigneten Ilöhenabständen zuzuführen, als mrhrere kurze Säulen hintereinander aufzustellen.

Das Volumenverhältnis von Gas zu Flüssigkeit in der Füllkörpersäulo nimmt mit der Gasgeschwindigkeit zu. Im Gegensatz zur Rieselkolonne und zur Glockenbodenkolonne überwiegt die Flüssigkeitsmenge. In dieser Beziehung ähnelt das erfindungsgemäße Verfahren der Blasensäule und der Aufstromkolonne. Zwar ist die Aufstromkolonne auchschonmit Füllkörpern bekannt (Chemie-Ingenieur-Technik 1957» Seite ?73)> aber die Füllkörper dienen dort als Trägerkatalysatoren. Eine größere Gleichmäßigkeit der Verweilzeit tritt als ITebeneffekt auf. Die Füllkörper haben dort also einen anderen Zweck als im erfindungsgemäßen Verfahren, v/o sie dazu dienen, die Rückvermischung der flüssigen Phase in vertikaler Richtung zu hemmen, /ußerdem unterscheidet sich die AufStromkolonne schon prinzipiell von der erfindungsgemäßen Gegenstrcmkolonne, da sich bei ihr Flüssigkeit und Gas im Gleichstrom von unten nach obon bewegen.

Die Erfindung wird durch folgendes Beispiel erläutert. Figur 5 zeigt dabei den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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VAh 2f>0 mm weites Rohr 1 aus gußeisernen ochünsen von insgesamt 10 m Länge ist über eine Höhe von 8 ia mib sattelförmigen Keramik-Füllkörpern 2 von 1f> mm Nenngröße ausgefüllt. Das au« naphthalin und 95 feiger Schwefelsäure im Ho!-Verhältnis 1 : 1,3 hei 163 C in 2 h in an sich bekannter Weise hergestellte) Sulfoniergemisch 3 mit einen Gehalt von 6 Gew.% I-Naphthalinsulfonsäure wird stetig oberhalb der Jüllkörper zügepumpt. Unterhalb der Füllkörper strömt Dampf 4- zu, der auf '175⁰Q bei ca. 2 kp/cra Druck überhitzt ice. Heizungen 5 sorgen dafür, daß sich das Sulfoniergemisch 3 überall auC Siedetemperatur befindet, so daß es keinen Dampf aufnehmen ode¹· abgeben kann. Im stationären Zustand fließen oben 200 kg Sulfonierungsgemisch 3 und strömen unten 20 kg Dampf pro Stunde zu. Flüssige Fhase und Dampfphase stehen so hoch wie die Füllkörper 2, also 3 m. Der Abfluß G wird sogleich neutralisiert!)Das ungebundene und durch die Hydrolyse mit dt-m Dampf 4 entstandene Naphthalin 7 (zusammen 12 ;' der liinnatzmenge)-wird mit dem Dampf ¹V ausgetragen, kondensiert, schmelzflüssig vom V/asser geschieden und zur .Sulfonierung rü ckge führ t.

Bei einem Vergleichsversuch wurde das Sulfonierungngemiscli durch einfaches Einleiten von Dampf in ein tief-^j GvfäC hydrolysiert. Um den Gehalt auf ebenfalls 0,6 3ew..'J 1-Naplibhalinsulfonsäure horabausetzen, v;ar die lüfache Danipfmenge erforderlich und stieg der ITaphthalinnu^trag auf 20 % des Einsatzes von Naphthalin bei der vorausgegangenen Sulfonierung. Der Gehalt an 2-Naphthalinsulfonüäure war entsprechend herabgesetzt. Dieser Vergleichsversuch zeigt die Vorteile der gegenstrommäßigen Verfahrensweise, die sich wegen der bei sparsamem Dampfverbrauch langen Hydrolysezeit von mindestens 30 min und wegen der korrosiven Eigenschaften dos Sulfonierungsgumisches mib bekannten Kolonnen nicht verwirklichen ließ.

*) Er enthält 0,6 Gew.·¹^ der 1-Naphtha! 1 iiau.1 f- -"ure.

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7?pi -ir-e-n Yercleichrv^rrtich z-vioc?- ":'. ?ir.er Glockcr.bocerkolonno mit Γ*Ο Bödon und dor erfind^irigrc;orKu?en Kolonne vor Gleichon Rolircuornchnitt ^T-;n.r dio DurchsstzneEc;2 ο-ι-ε Tetsteror- unter nonrjt el ο j eben BodinguiiGon "ICcial cröE-ir. Die fr firs.tlot ncinr» ErklärunG darin, da.? die erfindixncngeniäSc Kolonne ruf der ganzen Fvülkörpc-r'nöhe ''firk^r.?an ist, 'j'hrnnd dir Glockcnbcdonltclonne konstruktionobedingte Toträumo rv/inchon den mit Fl-'lscigkeit bedeckten Böden aufweist und dir- Höhe der Toträume die der FlüssigkeitroK übortrifft.

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Claims (2)

- 8 - Fv; 534-4 = Gn ηη P a t e η t a η ti ρ r ΰ c h e

1. Verfahren zum kontinuierlichen ütof!"austausch zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom in einer vertikal angeordneten Kolonne, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Phase nur in Form von Blasen durch die zusammenhängend herabfließende flüssige Phase aufsteigt, wobei Füllkörper, Packungen oder andere Einbauton die Rückvermischung der flüssigen Phase in vertikaler Richtung hemmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phrse ein siedendes Reaktionsgoraisch IUS Naphthalin und .Jchtre fei säure und die- Gasphase überhitzter Wasserdampf mit etwa der Temperatur der flüssigen Phar>'' ist.

3· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder .":, bestehend aus einem vertikal angeordneten Rohr, dessen Länge groß gegen seinen Durchmesser ist und welches an seinem oberen Ende Anschlüsse zum Einführen vo" Flüssigkeit und Abführen von Gas und an seinem unteren I'-ide Anschlüsse zum Einführen von Gas und zum Abführen von Flüssigkeit besitzt sowie eine durchlässige Halterung, auf der das Rohr ausfüllende Füllkörper liegen, die kleiner als 1/10 des Rohrdurchmessers sind.

4, Vorrichtung nach Anspruch ?-, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus Gußeisen und die Filikörper du;: Keramik bestehen.

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