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"Reaktionsbehälter für chemische Reaktionen" Die vorliegende Erfindung
betrifft einen Reaktionsbehälter für eine chemische Reaktion, der einen dicht schließenden
Bottich aufweist und mit einer Entleervorrichtung für den behandelten Stoff versehen
ist, der im Innern ein Rührwerkzeug mit senkrechter Achse und mit entfernt voneinander
angeordneten Schaufelblättern aufweist und der mit einem thermischen Wärmeaustauscher
ausgerüstet ist, welcher sich im wesentlichen über die ganze Höhe der Seitenwand
des Bottichs erstreckt.
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Bei bekannten Reaktionsbehältern hat der Bottich eine zylindrische
Seitenwand und einen gewölbten Boden, der im Schnitt als Korbbogen ausgebildet ist.
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In solchen Behältern kann nur ein bestimmtes Volumen eines Stoffes
mit optimalem Wirkungsgrad behandelt werden, wobei das Volumen nicht wesentlich
geändert werden darf.
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Tatsächlich ist es einerseits notwendig, daß die Rührschaufelblätter
vollständig in den Stoff eintauchen, damit das Rührwerkzeug unter günstigen Bedingungen
arbaitet, d.h. zur Sicherung eines für den zu behandelnden Stoff wirksamen Rührvorganges
und'zur Verhinderung insbesondere von Kavitationserscheinungen. Andererseits ist
es auch notwendig, daß die wärmeaustauschende Fläche in einem bestimmten Verhältnis
zum Volumen des Stoffes steht.
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Wegen der Bauform der bekannten Reaktionsbehälter ist die Kapazität
des Bodens des Bottichs und demzufolge das Mindestvolumen, das durch die unteren
Schaufeblätter und die Rührvorrichtung wirksam gerührt werden kann, verhältnismäßig
groß in bezug auf die gesamte Kapazität des Bottichs.
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Es folgt hieraus, daß die wärmetauschende Fläche, die sich längs der
zylindrischen Wand des Bottich erstreckt aber nicht über dessen Boden, und das Volumen
des behandelnden Stoffes als Funktion der durch den Stoff erreichten Höhe in verschiedenen
Verhältnissen variieren. Es gibt also nur ein bestimmtes Niveau, bei dem die wärmetauschende
Fläche und das Volumen des Stoffes unter sichftn dem gewünschten Verhältnis stehen,
damit die Reaktion unter günstigen Bedingungen ablaufen kann. Praktisch ist'es nicht
möglich, sich mehr als 50% vom optimalen Niveau zu entfernen.
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Aus diesen Gründen ist man-also entsprechend den in Aussicht genommenden
Anwendungen gezwungen, eine Reihe von Reaktionsbehältern unterschiedlicher Kapazitäten
vorzusehen, was eine Herstellung in Serien begrenzt Und erhöhte Kosten für die Ausrüstung
von Fabriken zur Herstellung chemischer Stoffe bedingt.
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larüberhinaus ist es notwendig, wenn der behandelte Stoff in dem Reaktionsbehälter
verdünnt werden muß, für jeden Behälter einen getrennten Verdünnungebottich von
zum Reaktiotisbehälter analoger Bauart. aber mit wesentlich größerer Kapazität mid
eine
Verbindung zu diesem durch eine Vorrichtung zur Förderung vorzusehen, welche eine
PUmpe aufweist. In diesem Fall sind die Kosten der Einrichtung und deren Raumbedarf
beträchtlich erhöht.
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Die Erfindung hat die Beseitigung dieser Nachteile durch Verwirklichung
eines Reaktionsbehälters zur Aufgabe, der bei praktisch konstanten Bearbeitungs-
und Wärmeaustauschverhältnissen die Verarbeitung unterschiedlich großer Stoffmengen
in sehr weiten Grenzen erlaubt, die vom 1- bis 10-fachen und weiter reichen können,
und der demzufolge Verdünnungen ohne Zuhilfenahme eines getrennten Verdünnungsbehälter
ermöglicht und nur einen geringen Raumbedarf hat.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Bottich
im wesentlichen die Form eines umgekehrten, leicht abgestumpften Kegels hat, dessen
Scheitelwinkel vorzugsweise in der -Nähe von 450 liegt.
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Dank-dieser Vorrichtung ist einesteils das Volumen des Bodens des
Behälters, d.h. das Volumen des Stoffes, das durch die unteren Schaufelblätter des
Rührwerkträgers wirksam gerührt werden kann, wobei es einem geeigneten thermischen
Wärmeaustausch ausgesetzt ist, sehr stark verringert und andernteils ändern sich
ausgehend von diesem Kleinstvolumen bis zu einem beträchtlich größeren geeigneten
Volumen, das z.B.
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zehnfach oder mehr sein kann, die wärmetauschende Fläche und das Volumen
des Stoffes praktisch in gleicher Weise in bezug auf das Niveau des Stoffes derart,
daß in dem selben Reaktionsbehälter,ohne sich fühlbar von den günstigen Bedingungen
des Rührvorganges und des Wärmeaustausches zu entfernen, sehr unterschiedliche Mengen
des Stoffes behandelt werden können, die praktisch vom Einfachen bis zum Zehnfachen
oder mehr reichen.
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Es ist also nicht mehr notwendig, eine Reihe von Reaktionsbehältern
vorzusehen, deren Kapazitäten aneinander anschließen, wie es bei den bekannten Reaktionsbehältern
der Fall list,~4~
was sich als eine außerordentlich wirtschaftliche
Herstellung herausstellt.
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Dies schließt außerdem ein, daß in dem selben Bottich des Reaktionsbehälters
nach der Erfindung sehr starke Verdünnungen vorgenommen werden können, ohne daß
getrennte Verdünnungsbehälter und das notwendige Zubehör zu Hilfe genommen werden
müssen, woraus sich eine neue bedeutende Wirtschaftlichkeit in der Herstellung und
ein gleicherweise sehr beachtlicher Raumgewinn ergibt.
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Esistdaraufhinzuweisen, daß unter der VOraussetzung, daß das Volumen
des Stoffes in dem kegelförmigen Bottich des Reaktionsbehälters entsprechend der
Erfindung sehr viel stärker als das Niveau wächst und daß der Bottich nicht raumaufwendiger
als der des bekannten Reaktionsbehälters der gleichen optimalen Kapazität ist.
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Es ergibt sich schließlich, daß, wenn eine minimale Menge des Stoffes
in einem Reaktionsbehälter entsprechend der Erfindung behandelt wird, oberhalb des
Niveaus des Stoffes ein Volumen und eine beträchtliche wärmetauschende Fläche verbleiben,
so daß beim Erwärmen des unteren. Teiles des Bottichs und beim Abkühlen seines oberen
Teiles in diesem Bottich ein gegebenenfalls ohne Zuhilfenahme einer getrennten Kühlung
auftretender Wärmefluß erzeugt. werden kann, was bei einem Reaktionsbehälter bekannter
Bauart offensichtlich unmöglich ist.
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Eine Bauform der Erfindung ist als Ausführungsbeispiel in der beigefügten
Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Reaktionsbehälter
nach der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Reaktionsbehälters
bekannter Bauart, Fig. 3 eine graphische Darstellung der Änderungen des Volumens
des Stoffes und der wärmetauschenden Fläche als Funktion des Niveaus in dem Reaktionsbehälter
bekannter
Bauart, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Reaktionsbehälters
entsprechend der Erfindung, Fig. 5 eine graphische Darstellung der Änderungen des
Volumens des Stoffes und der wärmetauschenden Oberfläche,-abhängig von dem Niveau
in dem Reaktionsbehälter nach der Erfindung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Reaktionsbehälter weist im wesenteinen
Bottich 1 auf, der mit einem Deckel 2 versehen ist, welcher eine dichte Schließeinrichtung
3 hat, und der in seinem Innern ein Rührwerkzeug 4 mit senkrechter Achse aufweist,
das im Abstand voneinander angeordnete Schaufelblätter 5,6 und 7 hat.
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Der Bottich 1 hat im wesentlichen die Form eines umgekehrten Kgels,
der leicht abgestumpft ist und dessen Spitzenwinkel etwa 450 beträgt.
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Der enge Boden des Bottich ist mit einem Entleerhahn 8 versehen und
an eine Entleerleitung 9 angeschlossen.
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Die kegelförmige Wand des Bottichs 1 ist an der Außenseite mit einem
doppelten Wärmeaustauscher versehen, der aus zwei aneinander anschließenden Serpentinen
10 und 11 gebildet ist, von denen jede einen Einlaß 12 bzw. 13 und einen Auslaß
14 bzw. 15 für eine wärmetauschende Flüssigkeit aufweist.
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Der in Fig. 1 rechts dargestellte Maßstab zeigt das entsprechende
Volumen bei unterschiedlichen Höhen des Stoffes an unter der Annahme, daß der Bottich
eine Füllmenge von 200 Litern aufweist.
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Es ergibt sich, daß bei einem Volumen von 10 Litern die unteren Schaufelblätter
5 des Rührwerkzeuges vollständig in den Stoff eingetaucht sind und daß dieses von
mehreren Windungen des Wärmeaustauschers umgeben ist. Bei einem Volumen von 50 Litern
sind
die mittleren Schaufelblätter 6 ihrerseits vollständig eingetaucht und bei einem
Volumen von 150 Litern trifft dies für die oberen Schaufelblätter 7 zu.
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Die schematischen Darstellungen in den Fig. 2 und 4 und die graphischen
Darstellungen in den Fig. 3 und 5 erlauben den Vergleich von Verhältnissen zwischen
dem Volumen des behandelten Stoffes und der entsprechenden wärmetauschenden Fläche
in dem Fall eines Reaktionsbehälters bekannter Bauart und im Fall eines solchen
Behälters entsprechend der Erfindung.
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In den Diagrammen sind auf den Abszissen die Höhen des Stoffes in
dem Bottich in dm und davon abhängig das Volumen und die wärmetauschende Fläche
als Funktionen dieses Niveaus in dm3 bzw. dm2 dårgestellt.
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Es ergibt sich, daß die beiden Funktionen im Falle des bekannten Behälters
(Fig. 3) in sehr unterschiedlicher Weise variieren, während sie im Palle des Behälters
entsprechend der Erfindung (Fig. 5) ziemlich nahe beieinander liegen. So hat im
Falle des bekannten Behälters (Fig. 3) für ein optimales Niveau von 4,5 dm das Volumen
und die wärmetauschende Fläche ein Verhältnis von etwa 2,5. Dieses Verhältnis ändert
sich beträchtlich bei der Entfernung vom optimalen Niveau. Z.B. bei einem Niveau
von 2,5 dm ist dieses Verhältnis.in der Größenordnung von 5 und bei einem Niveau
von 6,5 dm liegt es etwa bei 2.
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Im Falle des Behälters nach der Erfindung-dagegen (Fig. 5) liegen
die Verhältnisse bei den gleichen Niveaus von 4,5; 2,5 und 6,5 dm zwischen dem Volumen
und der wärmetauschenden Fläche etwa bei 1,7; 1,9 bzw. 1,6.
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Es ergibt sich darüberhinaus, daß bei einem Niveau von 2 dm, das ist
das kleinste Niveau, in dem die unteren Schaufeln des RUhrwerkzeuges unter guten
Bedingingen arbeiten, das entsprechen de Volumen des Stoffs in dem Bottich des Reaktionsbehälters
gemäß
der Erfindung in derGrößenordnung von 10 dm3 liegt (das Volumen der-Schaufelblätter
des Rührwerkzeuges inbegriffen), während bei dem Reaktionsbehälter bekannter Bauart
dieses Volumen in der Größenordnung von 40 dm3 liegt.
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Diese Vergleiche zeigen, daß der Reaktionsbehälter entsprechend der
Erfindung die Behandlung von vom Ein- bis zum Zehnfachen sich erstreckende Volumina
der Stoffe unter günstigen Bedingungen des RührvorgangeE und des Wärmeaustausches
zu behandeln erlaubt, während die bekannten Reaktionsbehälter nur bei Stoffmengen
verwendet werden können, die sich vom Einfachen bis zum Doppelten ändern.
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Es ergibt sich auch, daß mit dem Reaktionsbehälter nach der Erfindung,
wenn mit einem kleinen Stoffvolumen gearbeitet wird, oberhalb des Niveaus des Stoffes
ein beträchtliches Volumen und eine beträchtliche wärmetauschende Fläche vor-.
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handen sind, was z.B. die Wirksammachung eines Wärmeflusses erlaubt,
indem der untere Teil des Bottichs erwärmt und dessen Oberteil abgekühlt wird, und
in dem gleichen Bottich des Reaktionsbehälters auch die Vornahme sehr starker Verdünnungen
möglich ist, ohne daß es notwendig wäre, dem Reaktionsbehälter ein getrenntes Verdünnungsgefäß
zuzuordnen.
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Die Erfindung ist nicht auf das als Bauform beschriebene und dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt. So können z.B.
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noch sehr gute Ergebnisse mit von 450 beträchtlich unterschiedlichen
Winkeln erzielt werden, die z.B. in der Größen-0 ordnung von 35 bis 55 liegen. -