DE19631628A1 - Mischvorrichtung für Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung und eine vorteilhafte Anwendung dieser Mischvorrichtung im Rahmen der Herstellung von Acrylsäure durch katalytische Gasphasenoxidation von Propen.

Bei einer Vielzahl technischer Verfahren müssen mehrere Flüssigkeiten miteinander vermischt werden. Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion eines Stoffes aus einer Lösung muß zum Beispiel ein Extraktionsmittel mit der Lösung möglichst intensiv vermischt werden, um zunächst einen schnellen und vollständigen Stoffaustausch und anschließend eine vollständige und rasche Phasentrennung zu gewährleisten. Um eine gute Phasentrennung zu erreichen, ist man dabei um eine schonende Durchmischung bemüht, d. h. es darf beim Rühren nicht zuviel Energie zugeführt werden.

Das Problem der Mischung von Flüssigkeiten ist zum Beispiel auch bei der Acrylsäureherstellung durch katalytische Gasphasenoxidation von Propen von besonderer Bedeutung. Bei diesem Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure wird das zu oxidierende Propen häufig mit einem Verdünnungsgas oder mit einem nicht umgesetzte Edukte enthaltenden Kreisgas vermischt und dann der Gasphasenoxidation zugeführt. Das Reaktionsgemisch der Gasphasenoxidation wird dann zur Abtrennung der Acrylsäure in eine Absorptionskolonne geleitet. Dort wird der überwiegende Teil der entstandenen Acrylsäure mit Hilfe eines Lösungsmittels aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt. Die nicht absorbierten Komponenten werden gasförmig aus der Absorptionskolonne entnommen und einer Kondensationsstufe zugeführt. Der kondensierbare und kondensierte Teil dieses Gasgemischs wird abgetrennt und als sogenanntes Sauerwasser abgeleitet. Der nicht kondensierbare gasförmige Teil wird teilweise wieder in die Gasphasenoxidation zurückgeführt und bildet das sogenannte Kreisgas. Das Sauerwasser wird im Regelfall verbrannt. Im Lösungsmittel verbleiben nach der Absorption unerwünscht hohe Mengen an Mittelsiedern, zum Beispiel Maleinsäureanhydrid. Diese Mittelsieder können sich ohne Gegenmaßnahmen im Lösungsmittel aufpegeln. Das kann dadurch vermieden werden, daß in einer zusätzlichen Extraktionsstufe Mittelsieder mit Hilfe von Sauerwasser aus dem Lösungsmittel extrahiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Mischvor­ richtung für Gemische von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, die zur intensiven Durchmischung und leichten Trennbarkeit führt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Abtrennung von organischen Lösungsmitteln aus einer wäß­ rigen Lösung. Vor allem soll auch das Acrylsäureherstellungsverfahren durch katalytische Gasphasenoxidation von Propen verbessert werden.

Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen beschriebene Misch­ vorrichtung und die dort beschriebenen Verfahren bzw. Verwendungen gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Mischvorrichtung zur Vermischung von minde­ stens zwei flüssigen Phasen bereitgestellt, die ein Gehäuse mit einem Innen­ durchmesser D aufweist, in dem mindestens ein Rührer mit zwei bis fünf, vorzugsweise drei, kreisabschnittsförmigen Flügeln angebracht ist, die einen Krümmungsradius K aufweisen und wobei die durch den Rührer bei dessen Drehung überstrichene kreisförmige Fläche innerhalb des Gehäuses einen Durchmesser E besitzt. Dabei gelten für K und E erfindungsgemäß die folgenden Bedingungen: K beträgt von 0,10*D bis 0,30*D, vorzugsweise von 0,125*D bis 0,25*D, und E beträgt von 0,35*D bis 0,65*D, vorzugs­ weise von 0,45*D bis 0,55*D. Wenn der Rührer, wie bevorzugt, bei seinen Drehungen etwa die Hälfte des Gehäusedurchmessers überstreicht, also D = 2*E gilt, ergibt sich für die Flügel eine bevorzugte Form zwischen einem Viertelkreis und einem Halbkreis. Bei Verwendung des erfindungsgemaßen Mischers erfolgt ein schneller Stoffaustausch und anschließend auch eine rasche Entmischung der Phasen in einem Abscheider. Die Erklärung liegt vermutlich darin, daß der erfindungsgemäße Mischer zu einer einheitlichen Tröpfchengröße, typischerweise unter 1 mm, in den anwesenden Phasen führt, was einerseits zu einem schnelleren Stoffübergang und andererseits zu einer schnelleren Phasentrennung führt. Erhebliche Einsparungen bei der Mischzeit bzw. der Baugröße des Mischers sind damit möglich. Dement­ sprechend kann auch die Abscheidezeit bzw. die Baugröße des Abscheiders verringert werden.

Vorzugsweise ist an der Innenseite des Gehäuses mindestens eine Wand angebracht, welche wiederum vorteilhafterweise senkrecht zum Gehäuse angeordnet ist. Solche Stromstörer sind bekannt und fördern die Verwirbe­ lung des Flüssigkeitsgemisches während der Rotor umläuft. Insbesondere wenn genau so viele Wände vorhanden sind, wie der Rührer Flügel aufweist und diese Wände in regelmäßigen Abständen an der Innenseite des Gehäuses angebracht sind, entstehen mehrmals bei jedem Umlauf Kammern, in denen das Gemisch aufgrund der Bewegung des Rührers stark verwirbelt wird. Vor allem wird damit aber verhindert, daß nach einiger Rotationszeit ein Großteil der Flüssigkeit mit dem Rotor umläuft.

Bevorzugt ist auch eine Mischvorrichtung, bei der im Gehäuse mindestens zwei Rührer auf einer gemeinsamen Rotationsachse nacheinander in etwa regelmäßigen Abständen angebracht sind, wobei der erste und der letzte, bei vertikaler Anordnung der oberste und der unterste Rührer vom Gehäuse entlang der Rotationsachse einen Abstand einhält, der 0,4 bis 0,6 mal, vorzugsweise etwa 0,5 mal, so groß ist, wie der Abstand entlang der Rota­ tionsachse zwischen den Rührern. Der Abstand zwischen den verschiedenen Rührern soll in etwa gleich sein. Dadurch ergeben sich besonders günstige Strömungsverhältnisse, die zu der gewünschten intensiven Vermischung und leichten Trennbarkeit führen.

Die beschriebene Mischvorrichtung kann in einem Verfahren zur Abtrennung eines oder mehrerer organischen Lösungsmittel aus einer wäßrigen Lösung in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, denn mit dem erfindungsgemäßen Mischer kann sowohl die Vermischung und damit der Stoffaustausch, als auch die Abtrennung stark beschleunigt werden. Mit der vorliegenden Erfindung können damit Verfahren der Flüssig-Flüssig-Extraktion erheblich verbessert werden.

Erfindungsgemäß kann der neuartige Mischer auch in einem verbesserten Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch katalytische Gasphasen­ oxidation von Propen verwendet werden, wobei aus dem Reaktionsgemisch der Gasphasenoxidation Acrylsäure in einer Absorptionsstufe mit Hilfe eines ersten Lösungsmittels absorbiert wird, aus dieser Absorptionsstufe ein Gas­ gemisch entnommen wird, das arm an dem ersten Lösungsmittel und an Acrylsäure ist, in einer Kondensationsstufe das Gasgemisch, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20°C bis 60°C abgekühlt wird, die kondensierte Phase des Gasgemisches aus der Kondensationsstufe als Sauerwasser entnom­ men wird, und die gasförmige Phase des Gasgemisches aus der Kondensa­ tionsstufe entnommen und zumindest teilweise als Kreisgas zur Gasphasen­ oxidation zurückgeführt wird. Erfindungsgemäß wird dabei das Sauerwasser, zusammen mit mindestens einem Teilstrom des ersten Lösungsmittels, einer Mischvorrichtung wie oben beschrieben zugeleitet und anschließend einem Abscheider zugeführt, um Mittelsieder, insbesondere Maleinsäureanhydrid, aus dem ersten Lösungsmittel abzutrennen. Das erste Lösungsmittel enthält vorzugsweise mindestens ein substituiertes oder unsubstituiertes Diphenyl, substituierten oder unsubstituierten Diphenylether oder Dimethylphthalat oder Mischungen davon.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 Beispiel einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung in Aufsicht;

Fig. 2 Beispiel einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung mit zwei Rührern;

Fig. 3 Beispiel eines erfindungsgemäß modifizierten Verfahrens zur Herstellung von Acrylsäure.

Fig. 1 zeigt einen Mischer mit einem Gehäuse 1 und einem Rührer 2, der um eine Rotationsachse R drehbar ist. Die Drehrichtung ist mit einem Pfeil in der Skizze angegeben. Die Abmessungen und die Anordnung des Rührers entsprechen den in den Ansprüchen aufgestellten und oben wiedergegebenen Bedingungen für den Krümmungsradius K und den Durchmesser der über­ strichenen Fläche E. Die Flügel des dargestellten Rührers können zum Beispiel einfach durch Teilung, zum Beispiel Viertelung, eines Rohres mit passendem Durchmesser hergestellt werden. Der Mischer nach Fig. 1 weist einen dreiflügeligen Rührer auf, mit dem in der Praxis besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden können. Wie dargestellt, können auch Schottbleche 3 an der Innenwand des Gehäuses angebracht werden, um eine Rotations­ strömung der Flüssigkeit mit dem Rührer zu verhindern oder zu vermindern.

Diese Trennwände 3 brauchen nicht voll an dem Gehäuse anzuliegen, sie können auch einen Spalt an der Gehäusewand frei lassen, was unter Um­ ständen zu einer zusätzlichen Verwirbelung des Flüssigkeitsgemisches führen kann.

In Fig. 2 ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Mischers gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Gehäuse 21 dieses Mischers verfügt über zwei Einläufe 22, 23 für die zu vermischenden Flüssigkeiten und einen Ablauf 24 für das Gemisch. Zwei Rührer 27, 28, sind in dem Gehäuse 21 nach obigen Bedingungen für die Anordnung und Ausbildung des Rührers angebracht, das heißt ihr Krümmungsradius und der Durch­ messer der von ihnen überstrichenen Fläche erfüllt die in den Ansprüchen angegebenen Bedingungen. Die danach noch offenen Parameter, nämlich der Abstand der Rührer 27, 28 von der Oberseite 25 und der Unterseite 26 des Gehäuses 21 entlang der gemeinsamen Rotationsachse R der Rührer 27, 28 sind vorteilhafterweise wie folgt festgelegt: Der Abstand H_O des Rührers 27 zur Oberseite 25 und der Abstand H_U des Rührers 28 zur Unterseite 26 des Gehäuses 21 ist etwa gleich und beträgt etwa die Hälfte des Abstands H der beiden Rührer voneinander. Diese Anordnung führt zu besonders vor­ teilhaften Strömungsbedingungen in dem Mischer, so daß die gewünschte vollständige Vermischung mit einheitlicher Tröpfchengröße sehr gut erreicht wird. Statt zwei Rührern können auch drei oder mehr Rührer in dieser Weise angeordnet werden, wobei der Abstand zweier benachbarter Rührer immer jeweils etwa doppelt so groß ist, wie der Abstand des ersten und letzten bzw. obersten und untersten Rührers von der Gehäusewand.

Fig. 3 stellt schließlich ein Blockbild eines erfindungsgemäß modifizierten Verfahrens zur Herstellung von Acrylsäure durch katalytische Gasphasen­ oxidation dar. Dabei wird Propen über eine Leitung 31 und ein Verdün­ nungsgas, zum Beispiel Luft oder Wasserdampf über eine Leitung 32 einem Reaktor 33 zugeführt, in dem die katalytische Gasphasenoxidation von Propen abläuft. Das dabei entstehende Acrolein kann in einem weiteren, nicht dargestellten Reaktor oxidiert werden. Über eine Leitung 34 gelangt das Reaktionsgemisch der Gasphasenoxidation in einen Quenchapparat 35. Dort wird das Reaktionsgemisch abgekühlt und ein Teil des Absorptions­ mittels (Lösungsmittel) verdampft, das über eine Leitung 317 einer Ab­ sorptionskolonne 37 zugeführt wird und von dort über eine Kühleinheit 36 zum Quenchapparat 35 geleitet wird. Schwersiedende Nebenkomponenten des Lösungsmittels werden im Quenchapparat 35 kondensiert und über eine Entnahmeleitung 319 abgezogen. Sie werden, gegebenenfalls nach einer Abdestillation von Lösungsmittel, entsorgt, zum Beispiel verbrannt. Das bereits stark abgekühlte Reaktionsgemisch wird vom Quenchapparat 35 weiter zur Kühleinheit 36, die zum Beispiel aus Kühlkreisläufen besteht, geleitet, wo es auf die geeignete Absorptionstemperatur gekühlt wird. Anschließend wird das Reaktionsgemisch in die Absorptionskolonne 37 geleitet. Dort wird durch Gegenstromabsorption mit dem über Leitung 317 zugeführten Lösungs­ mittel Acrylsäure aus dem Reaktionsprodukt der Gasphasenoxidation ab­ getrennt. Das Lösungsmittel kann zum Beispiel aus einem Gemisch aus 75 Gew.-% Diphenylether und 25 Gew.-% Diphenyl bestehen. Es kann darüber hinaus auch bis zu 25 Gew.-% polare Lösungsmittel zur Reduktion des Feststoffanfalls aufweisen, zum Beispiel Dimethylphthalat. Das mit Acrylsäure beladene Lösungsmittel wird in Kühleinheit 36 geleitet und aus dieser über einen Seitenabzug 318 zur weiteren, hier nicht dargestellten Aufbereitung abgezogen. Diese Aufbereitung enthält regelmäßig eine Leichtsiederstrippung und notwendigerweise eine Lösungsmitteldestillation oder ein vergleichbares Verfahren. Die von Acrylsäure weitgehend befreiten Reaktionsprodukte werden aus der Absorptionskolonne 37 über Kopf abgezogen und in einen Quenchapparat 38 geleitet und dort, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20°C bis 60°C, abgekühlt. Der nicht-kondensierbare Teil dieser Reaktions­ produkte wird über eine Leitung 39 entnommen und, nach der Abtrennung und Ableitung von Inertgaskomponenten über eine Leitung 311, als Kreisgas über eine Leitung 310 zur Gasphasenoxidation von Propen zurückgeführt. Dieses Kreisgas enthält unter anderem nicht umgesetzte Edukte der Gaspha­ senoxidation, Stickstoff und Kohlenstoffoxide. Der kondensierbare Teil der von Acrylsäure befreiten Reaktionsprodukte wird über eine Leitung 312 entnommen. Dieses als Sauerwasser bezeichnete Kondensat besteht aus einer wäßrigen Lösung, die neben Acrylsäure noch relevante Mengen an Essig­ säure, Maleinsäure und Formaldehyd, sowie weitere Säuren enthält. Das Sauerwasser wird dann über Leitung 312 einer erfindungsgemäßen Misch­ einheit 313 zugeführt. Dort wird das Sauerwasser mit einem Teilstrom des ersten Lösungsmittels, der über Leitung 320 herangeführt wird und von der Aufbereitung des mit Acrylsäure beladenen Lösungsmittelstroms kommt, vermischt. Mit dem erfindungsgemäßen Mischer wird eine sehr homogene Mischung der verschiedenen Phasen und eine einheitliche Tröpfchengröße erzeugt. Danach wird das Gemisch einem Abscheider 314 zugeleitet. Aus dem Abscheider werden dann die getrennten Phasen über Leitungen 315 und 316 entnommen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Mischers konnte die Rührzeit bei gleichzeitig verbesserter Phasentrennung etwa um den Faktor 10 verringert werden. Dementsprechend kann auch die Baugröße des Mischers reduziert werden.

Die dargestellten Hauptschritte der Acrylsäureherstellung können durch eine Vielzahl weiterer Schritte ergänzt werden, die jedoch die Bedeutung der vorliegenden Erfindung nicht mindern. So kann die Aufbereitung des aus der Absorptionskolonne abgezogenen, mit Acrylsäure beladenen Lösungsmittels in vielfältiger Weise erfolgen, genauso wie das resultierende Sauerwasser vor oder nach der Mittelsiederextraktion einer weiteren Aufbereitung unterzogen werden kann.

Claims (8)

1. Mischvorrichtung zur Vermischung von mindestens zwei flüssigen Phasen, die ein Gehäuse (1) mit einem Innendurchmesser D aufweist, in dem mindestens ein Rührer (2) mit zwei bis fünf kreisabschnittsförmigen Flügeln angebracht ist, die einen Krümmungsradius K aufweisen, wobei die durch den Rührer (2) bei dessen Drehung überstrichene kreisförmige Fläche innerhalb des Gehäuses (1) einen Durchmesser E besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß K von 0, 10*D bis 0,30*D, vorzugsweise von 0,125*D bis 0,25*D, und E von 0,35*D bis 0,65*D, vorzugsweise von 0,45*D bis 0,55*D, beträgt.

2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührer 2 drei kreisabschnittsförmige Flügel besitzt.

3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Gehäuses (1) mindestens eine Wand (3), vorzugs­ weise senkrecht zum Gehäuse (1), angebracht ist.

4. Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß genau so viele Wände (3) in regelmäßigen Abständen an der Innenseite des Gehäuses angebracht sind, wie der Rührer (2) Flügel aufweist.

5. Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) mindestens zwei Rührer (2) auf einer gemeinsamen Rotationsachse R nacheinander in regelmäßigen Abständen angebracht sind, wobei der erste und der letzte Rührer (2) vom Gehäuse (1) entlang R jeweils einen Abstand einhält, der 0,4 bis 0,6mal, vorzugsweise 0,5mal, so groß ist, wie der Abstand entlang R zwischen den einzelnen Rührern (2).

6. Verwendung einer Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Verfahren zur Abtrennung eines oder mehrerer organischen Lösungsmittel aus einer wäßrigen Lösung.

7. Verwendung einer Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch katalytische Gasphasenoxidation von Propen, wobei
aus dem Reaktionsgemisch der Gasphasenoxidation Acrylsäure in einer Absorptionsstufe mit Hilfe eines ersten Lösungsmittels absorbiert wird, aus der Absorptionsstufe ein Gasgemisch entnommen wird, das an dem ersten Lösungsmittel und an Acrylsäure arm ist,
in einer Kondensationsstufe das Gasgemisch, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20°C bis 60°C, abgekühlt wird,
die kondensierte Phase des Gasgemisches aus der Kondensationsstufe als Sauerwasser entnommen wird,
die gasförmige Phase des Gasgemisches aus der Kondensationsstufe entnommen und zumindest teilweise als Kreisgas zur Gasphasenoxidation zurückgeführt wird, und
das Sauerwasser zusammen mit mindestens einem Teilstrom des ersten Lösungsmittels der Mischvorrichtung und anschließend einem Abscheider zugeleitet wird, um Mittelsieder, insbesondere Maleinsäureanhydrid, aus dem ersten Lösungsmittel abzutrennen.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lösungsmittel mindestens ein substituiertes oder unsubstituiertes Diphe­ nyl, einen substituierten oder unsubstituierten Diphenylether oder Di­ methylphthalat enthält.