DE19647126A1

DE19647126A1 - Mehrstufen-Blasensäule mit Lochplatten

Info

Publication number: DE19647126A1
Application number: DE1996147126
Authority: DE
Inventors: Korekazu Ueyama; Takanori Ito; Nobuhiro Kawara; Hideo Narahara; Susumu Tsukada
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1997-05-22
Also published as: GB2307191A; FR2740990A1; JPH09136029A; FR2740990B1; GB2307191B; GB9623644D0; JP3214320B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrstufen-Blasensäule. Insbesondere betrifft sie eine Mehrstufen-Blasensäule, in deren inneren Lochplatten mit ungleichmäßig verteilten Lochungen eingebaut sind.

Die Mehrstufen-Blasensäule ist eine Vorrichtung mit einer Zellsäule, in deren Inneren Lochplatten eingebaut sind, in deren unteren Teil Gas zugeführt wird, und eine Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit und ein Feststoff in einem Parallel- oder Gegenstrom angelegt werden, wodurch die Vorrichtung ein kontinuierliches Mischen in einem Gas-flüssig- oder Gas- flüssig-fest-Mehrphasensystem bereitstellt.

Beispielsweise ist in "Industrial Reaction Device" (veröffentlicht am 25. Februar 1984, Baifukan), Seite 264, Fig. 6.1 (C) und Seite 266 beschrieben, daß eine Mehrstufen-Zellsäule, in der Mehrstufen-Lochplatten in einer Zellsäule eingebaut sind, für eine Flüssigphasen-Oxidationsreaktion von Olefin verwendet wird, wobei eine Sekundärfolgereaktion erfolgt, oder für einen kontinuierlichen Betrieb einer mikrobiellen Reaktion. In einer herkömmlichen Mehrstufen-Zellsäule eingebaute Lochplatten sind solche, bei denen Lochungen gleichmäßig über die gesamte Lochplatte gemäß Fig. 6 verteilt sind.

Allerdings hat die herkömmliche Mehrstufen-Zellsäule, in der Lochplatten mit gleichmäßig verteilten Lochungen eingebaut sind, ein Problem dahingehend, daß eine Rückmischung (z. B. eine Flüssigkeit oder die Flüssigkeit und ein Feststoff der oberen Stufe fließen von Lochungen der Lochplatte zur unteren Stufe zurück, wodurch ein Fluid der oberen Stufe mit dem der unteren Stufe vermischt wird) leicht zwischen jeder Stufe des Gas-flüssig- oder Gas-flüssig-fest-Mehrphasensystems auftritt und damit die Wirksamkeit der Reaktion nicht gut ist.

Die Erfinder führten umfangreiche Untersuchungen zur Lösung dieser Probleme und zur Bereitstellung einer Mehrstufen- Blasensäule mit guter Reaktionswirksamkeit durch. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß bei ungleichmäßiger Verteilung der Lochungen der Lochplatte sowie bei einem Verhältnis der Gesamtporenfläche zur Zellsäulen-Schnittfläche jeder Lochplatte von höchstens 15% die Rückmischung gehemmt wird und sich die Wirksamkeit des Mischens und die Wirksamkeit der Reaktion stark verbessern. Auf diese Weise kam die Erfindung zustande.

Die Erfindung stellt somit eine Mehrstufen-Blasensäule bereit, die drei oder mehr in ihrem Inneren eingebaute Lochplatten aufweist, wobei jede Lochplatte ungleichmäßig verteilten Lochungen hat und in Berührung mit einer Säuleninnenwand angeordnet ist und das Verhältnis der Gesamtporenfläche zur Zellsäulen-Schnittfläche jeder Lochplatte 15% oder weniger beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Mehrstufen- Blasensäule.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Lochplatte, die in der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung verwendet wird.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Lochplatte, die in der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung verwendet wird.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Lochplatte, die in der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung verwendet wird.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform einer Lochplatte, die in der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung verwendet wird.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine Lochplatte, die in einer herkömmlichen Mehrstufen-Blasensäule verwendet wird.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Lochplatte, die in der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung verwendet wird.

Erläuterung der Symbole:

1 Gaseinlaß
2 Flüssigkeitseinlaß
3 Lochplatte
4 Flüssigphasenauslaß
5 Gasphasenauslaß
6 Mehrstufen-Blasensäule

Das Gas-flüssig- oder Gas-flüssig-fest-Mehrphasensystem, auf das die Zellsäule der Erfindung Anwendung findet, ist ein System, das mindestens eine Flüssigkeit oder mindestens eine Flüssigkeit und mindestens einen Feststoff enthält, es kann aber auch ein Gas-flüssig-Zweiphasensystem mit zwei oder mehr Flüssigkeiten und mindestens einem Gas sein, und es kann auch ein Gas-flüssig-fest-Dreiphasensystem mit einem oder mehreren Gasen, einer oder mehreren Flüssigkeiten und einem oder mehreren Feststoffen sein.

In der Erfindung ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Abstände zwischen den jeweiligen Lochplatten gleich sind. Bei zuführung des Gases und der Flüssigkeit im Parallelstrom in einer Folgereaktion, z. B. der Flüssigphasen-Oxidationsreaktion von Olefin, kann der Abstand zwischen den jeweiligen Lochplatten im unteren Teil der Zellsäule vergleichsweise groß sein, und andererseits kann der Abstand zwischen den jeweiligen Lochplatten im oberen Teil der Zellsäule vergleichsweise klein sein. Normalerweise ist jedoch bevorzugt, daß die Abstände zwischen den jeweiligen Lochplatten gleich sind.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der Durchmesser und die Form aller Lochungen gleich sind. Beispielsweise können kreisförmige Lochungen und quadratische Lochungen, die sich im Durchmesser unterscheiden, gleichzeitig vorhanden sein. Der Durchmesser (mittlere Durchmesser) der Lochungen beträgt normalerweise etwa 0,5 bis 40 mm.

Im Hinblick auf die Reaktionswirksamkeit beträgt das Verhältnis der Gesamtporenfläche jeder Lochplatte zur Zellsäulen- Schnittfläche höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 10%, insbesondere höchstens 5%. Notwendig ist, die Lochplatte in Berührung mit der Innenwand der Säule anzuordnen. Das heißt, der Innendurchmesser der Säulenwand und der Durchmesser der Lochplatten müssen nahezu gleich sein, und gleichzeitig müssen die Lochungen jeder Lochplatte ungleichmäßig verteilt sein. Der Begriff "ungleichmäßig verteilt" bedeutet, daß die Lochungen über die gesamte Lochplatte vorhanden sind - aber unregelmäßig - oder die Lochungen gleichmäßig verteilt sind, aber nicht über die gesamte Lochplatte.

Eine Lochplatte, die die erste Bedingung erfüllt, ist z. B. die Lochplatte gemäß Fig. 4. Lochplatten, die die zweite Bedingung erfüllen, sind z. B. die Lochplatten gemäß Fig. 2, 3, 5 und 7.

Diese Lochplatten können z. B. dadurch hergestellt werden, daß Lochungen gebohrt oder gestanzt werden oder ein Teil der Löcher einer fertigen Lochplatte, in der Lochungen gleichmäßig verteilt sind, durch Schrauben und Muttern verschlossen wird.

Sind die Lochungen teilweise am Umfangsteil des Kreises gemäß Fig. 2 vorhanden, wird die Lochplatte vorzugsweise so hergestellt, daß das Verhältnis des Bereichs, in dem die Lochungen teilweise vorhanden sind, zur Schnittfläche der Zellsäule im Bereich von 35 bis 90% ist. Sind die Lochungen teilweise am Mittelteil des Kreises gemäß Fig. 3 oder 5 vorhanden, wird die Lochplatte vorzugsweise so hergestellt, daß das Verhältnis des Bereichs, in dem die Lochungen teilweise vorhanden sind, zur Schnittfläche der Zellsäule 10 bis 65% wird.

Zur Herstellung der Lochplatte, in der die Lochungen unregelmäßig über die gesamte Lochplatte gemäß Fig. 4 vorhanden sind, werden mehrere Lochungen durch Ausschneiden zahlreicher Platten mit geeigneter Form (z. B. elliptisch oder quadratisch) gebildet, und anschließend können diese Platten in den Kreis eingepaßt werden, in dem die Platte mit der geeigneten Form ausgeschnitten wurde.

Gemäß Fig. 7 erfolgt bei der Lochplatte, deren Lochungen in fächerförmigen Bereichen angeordnet sind, die Herstellung vorzugsweise so, daß das Verhältnis des Bereichs, in dem die Lochungen teilweise vorhanden sind, zur Schnittfläche der Zellsäule etwa 50% ist.

In der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung können Lochplatten mit gleicher oder unterschiedlicher Porenverteilung in Kombination verwendet werden.

Zu Beispielen für die bevorzugte Ausführungsform der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung gehören solche, bei denen einige oder alle Positionen von Lochungen benachbarter Lochplatten unterschiedlich sind, wenn Lochplatten mit ungleichmäßig verteilten Lochungen eingebaut werden. Folglich ist bei der Verwendung benachbarter Lochplatten mit gleicher Porenverteilung bevorzugt, die Lochplatten mit gegenseitiger Winkelverschiebung einzubauen. Zu Beispielen für die besonders bevorzugte Ausführungsform gehören solche, bei denen benachbarte Lochplatten mit unterschiedlichen Porenverteilungen so verwendet werden, daß einige oder alle Lochungen benachbarter Lochplatten unterschiedlich sind.

Als Ausführungsform unter Verwendung der Lochplatten mit unterschiedlichen Porenverteilungen gilt z. B. eine Mehrstufen- Blasensäule, in der Lochplatten, deren Lochungen nur am Mittelteil der Zellsäule vorhanden sind, als die oberen und unteren von drei Lochplatten verwendet werden, die zueinander benachbart sind, und eine Lochplatte, deren Lochungen nur am Umfangsteil der Zellsäule vorhanden sind, als Mittel-Lochplatte verwendet wird, wodurch die durch die Lochplatte des unteren Teils geführte Gasphase eine Ablenkströmung am Umfangsteil der Zellsäule beim Durchlaufen der Mittel-Lochplatte verursachen kann, und die Ablenkströmung dieser Gasphase eine Ablenkströmung am Mittelteil der Zellsäule beim Durchlaufen der oberen Lochplatte verursacht. Alternativ werden Lochplatten, deren Lochungen nur am Umfangsteil der Zellsäule vorhanden sind, als die oberen und unteren Lochplatten verwendet, und nur eine Lochplatte, deren Lochungen nur am Mittelteil der Zellsäule vorhanden sind, als Mittel-Lochplatte verwendet wird, wodurch die durch die Lochplatte am unteren Teil geführte Gasphase eine Ablenkströmung am Mittelteil der Zellsäule beim Durchlaufen der Lochplatte am Mittelteil verursachen kann, und die Ablenkströmung dieser Gasphase eine Ablenkströmung am Umfangsteil der Zellsäule beim Durchlaufen der Lochplatte des oberen Teils verursacht.

In diesem Fall ist eine Mehrstufen-Blasensäule besonders bevorzugt, in der eine Kombination der Lochplatten gemäß Fig. 2 und Fig. 3 (oder Fig. 5) so verwendet wird, daß alle Positionen von Lochungen zweier benachbarter Lochplatten unterschiedlich sind.

Als weitere Ausführungsform unter Verwendung einer Kombination aus den Lochplatten mit unterschiedlichen Porenverteilungen gilt z. B. eine Mehrstufen-Blasensäule, in der drei Arten der Lochplatten gemäß Fig. 2, 3 und 4 eingebaut sind. Zu spezifischen Beispielen dafür gehören solche, bei denen die Lochplatten von Fig. 2, 3 und 4 als die obere, mittlere bzw. untere der drei Porenplatten verwendet werden, die zueinander benachbart sind, und solche, bei denen die Lochplatten von Fig. 3, 4 und 2 als obere, mittlere bzw. untere Platte verwendet werden.

Als Ausführungsform unter Verwendung einer Kombination aus den Lochplatten mit gleicher Porenverteilung gilt andererseits z. B. eine Mehrstufen-Blasensäule, in der die Lochplatten gemäß Fig. 7 mit benachbarten Platten, die um 45 Grad gedreht sind, verwendet werden. Das bedeutet, daß sich die Positionen von Lochungen der Lochplatten des oberen Teils und/oder unteren Teils und jenen der Lochplatte des Mittelteils nicht überlappen, wodurch sich die durch die Lochplatte am unteren Teil geführte Gasphase um 45 Grad verschieben kann, um eine Ablenkströmung beim Durchlaufen der Lochplatte am Mittelteil zu verursachen, und sich die Ablenkströmung dieser Gasphase erneut um 45 Grad verschiebt, um eine Ablenkströmung beim Durchlaufen der Lochplatte des oberen Teils zu verursachen.

Wird das System, das das Gas und die Flüssigkeit oder die Flüssigkeit und den Feststoff enthält, unter Verwendung der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung kontinuierlich gemischt oder zur Reaktion gebracht, beträgt die Zufuhrgeschwindigkeit des Gases normalerweise 0,3 bis 30 cm/s und die Zufuhrgeschwindigkeit der Flüssigkeit 0,02 bis 1 cm/s im Parallelstrom (Geschwindigkeit bei leerer Säule in beiden Fällen).

Erfolgt die Reaktion oder das Mischen unter Verwendung der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung, ist es bevorzugt, die lineare Gasgeschwindigkeit durch die Löcher von Lochplatten auf unter 4 m/s einzustellen, insbesondere auf unter 3,5 m/s. Sind die Porendurchmesser aller Lochplatten und die Gesamtporenflächen aller Lochplatten gleich, ist es gleichermaßen stärker bevorzugt, die lineare Geschwindigkeit der Gasphase und Flüssigphase innerhalb der Zellsäule so einzustellen, daß folgender Ausdruck erfüllt ist:

ReLd/ReGd < 0,1,

worin ReLd gleich wLd · d · σL/ηL und ReGd gleich wGd · d · σG/ηG ist.

In diesem Ausdruck bezeichnen ReLd und ReGd Reynoldssche Zahlen einer Flüssigphase bzw. Gasphase in Lochungen einer Lochplatte, wLd eine lineare Geschwindigkeit einer Flüssigphase in Lochungen (bzw. durch die Lochungen) einer Lochplatte, wGd eine lineare Geschwindigkeit einer Gasphase in Lochungen einer Lochplatte, d einen Porendurchmesser einer Lochplatte, σL eine Dichte einer Flüssigphase, σG eine Dichte einer Gasphase, ηL eine Viskosität einer Flüssigphase und ηG eine Viskosität einer Gasphase.

Die Dicke der Lochplatte kann einer Dicke entsprechen, die genügt, eine ausreichende Festigkeit der Mehrstufen-Blasensäule zu erhalten, und der Abstand zwischen den Lochplatten beträgt normalerweise etwa 200 bis 5000 mm.

Das Material der Lochplatte wird auf geeignete Weise je nach Art des Reaktionsmaterials ausgewählt, auf das die Mehrstufen- Blasensäule der Erfindung Anwendung findet, und normalerweise wird ein korrosionsbeständiges Material verwendet.

Zu Beispielen für die Reaktion, auf die die Mehrstufen- Blasensäule der Erfindung angewendet wird, gehören Reaktionen des Gas-flüssig-Zweiphasensystems zwischen dem Gas und der Flüssigkeit, beispielsweise Luftoxidation von Olefin (z. B. Reaktion zur Herstellung von Ethylenoxid oder Acetaldehyd aus Ethylen usw.), Luftoxidation von Aldehyd (z. B. Reaktion zur Herstellung von Essigsäure aus Acetaldehyd usw.), Luftoxidation von aromatischem Kohlenwasserstoff (z. B. Oxidationsreaktion von Xylol, Cumol usw.), Alkylierung von Phenolen (z. B. Butylierungsreaktion von Phenol usw.) und Naßoxidation von Abwasser; sowie Reaktionen des Gas-flüssig-fest-Mehrphasensystems unter Verwendung von Gas, Flüssigkeit und Feststoff, beispielsweise Verflüssigungsreaktion von Kohle (z. B. Reaktion zum weiteren Hydrokracken eines durch Zersetzen der Kohle erhaltenen verflüssigten Öls unter Verwendung eines festen Katalysators usw.), Polymerisationsreaktion von Olefin (z. B. Reaktion zum Erhalten von Polyethylen unter Verwendung eines Niederdruckverfahrens usw.), Reaktion zur Oxidation von Cyclohexan zu Cyclohexanol, Hydrierungsreaktion von Kohlenwasserstoff (z. B. Reaktion zur Herstellung con Cyclohexan aus Benzol usw.) und Reaktion zur Abwasser-Entsorgungsbehandlung.

In den nachfolgenden Beispielen ist die Erfindung näher veranschaulicht.

Beispiel 1

Eine Mehrstufen-Blasensäule (Durchmesser 1 m ⌀, Abstand zwischen Lochplatten jeweils 509 mm) gemäß Fig. 1 wurde mit Lochplatten gemäß Fig. 2 angeordnet, und Luft und Wasser wurden kontinuierlich aus einem Gaseinlaß und einem Flüssigkeitseinlaß, die am unteren Teil der Säule vorgesehen waren, so zugeführt, daß ihre Oberflächen-Geschwindigkeit in einer Säule 2,12 cm/s bzw. 0,0637 cm/s betrug. Gleichzeitig wurde 27%iges wäßriges Natriumhydroxid kontinuierlich vom Mittelteil der Seitenwand der zweiten Stufe (durch die zweite und dritte Lochplatte von unten abgetrennter Bereich) zugeführt. Proben wurden im zeitlichen Verlauf aus Probenhähnen entnommen, die gegenüber dem Zufuhreinlaß für Natriumhydroxid an den Seitenwandmittelteilen der ersten Stufe (durch die erste und zweite Lochplatte von unten abgetrennter Bereich) bzw. zweiten Stufe vorgesehen waren, und die Konzentration von Natriumhydroxid wurde gemessen. Ein Rückflußverhältnis α, nachdem die Konzentration von Natriumhydroxid einen stabilen Zustand erreichte, wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet, wobei das resultierende Rückflußverhältnis α in Tabelle 1 angegeben ist (ein kleiner werdender Wert für α drückt aus, daß es schwerer wird, die Rückmischung zu bewirken).

α=[Natriumhydroxidkonzentration der ersten Stufe]/[Natriumhydroxidkonzentration der zweiten Stufe - Natriumhydroxidkonzentration der ersten Stufe]

Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß auf die Lochplatte gemäß Tabelle 1 gewechselt wurde, erfolgten Prüfungen. In keinem der Beispiele 1 bis 5 wurde die Bildung eines Gaspolsters beobachtet. Auch bei Änderung der Luftzufuhrgeschwindigkeit auf 3,2 cm/s (Oberflächen-Geschwindigkeit in einer Säule) wurde keine Gaspolsterbildung beobachtet.

Bei gleichem Abstand zwischen den Lochplatten und einer Stufenanzahl der Zellsäule von fünf wurde die Anzahl der Stufen in einem idealen System, in dem keine Rückmischung auftritt und eine vollständige Mischung in jeder Stufe erfolgt, anhand der jeweiligen Rückflußverhältnisse α bestimmt, die im Vergleichsbeispiel 1, Beispiel 1 und Beispiel 2 erhalten wurden. Als Ergebnis betrug sie 2,4 im Fall einer herkömmlichen Zellsäule, in der die Lochplatte von Fig. 6 eingebaut ist. Für die Zellsäule der Erfindung, in der die Lochplatte von Fig. 2 eingebaut ist, betrug sie 2,8. Für die Zellsäule der Erfindung, in der die Lochplatte von Fig. 3 eingebaut ist, betrug sie 3,1. Daraus wird deutlich, daß die Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung, z. B. die in Beispiel 1 und 2 verwendeten Säulen, bezüglich der Stufenzahl im idealen System (anders ausgedrückt der Wirksamkeit der Durchmischung) der im Vergleichsbeispiel 1 verwendeten herkömmlichen Zellsäule um etwa 20 oder 30% überlegen ist. Bei einer weiteren Mehrstufen- Blasensäule der Erfindung, z. B. der Zellsäule, in der die Lochplatte von Fig. 5 als Lochplatte des untersten oder obersten Teils gemäß Beispiel 5 und die Lochplatte von Fig. 2 als Lochplatte des Mittelteils eingebaut ist, ist das Rückflußverhältnis α im Vergleich zur herkömmlichen Zellsäule bemerkenswert klein. Auf die gleiche Weise wie zuvor beschrieben wurde die Anzahl der Stufen im idealen System bestimmt. Als Ergebnis betrug sie 4,1. Daraus wird deutlich, daß die Zellsäule dieses Beispiels im Hinblick auf die Stufenanzahl weit überlegen ist.

Die Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung ist einer herkömmlichen Mehrstufen-Zellsäule in der Wirksamkeit der Reaktion überlegen.

Folgich kann bei Verwendung der Mehrstufen-Blasensäule der Erfindung eine Entschwefelung mit einem Schwefeloxide wie SO₃ enthaltenden Abgas (z. B. Rauchgas usw.) als Gas und durch Zufuhr einer wäßrigen verdünnten Natriumhydroxidlösung als Flüssigkeit im Gegenstrom zum Abgas wirksam durchgeführt werden. Ferner läßt sich ein entsprechendes Hydroperoxid wirksam erhalten, in dem Luft als Gas verwendet und eine wäßrige Natriumhydroxidlösung sowie Isopropylbenzol (oder Isopropyltoluol) als Flüssigkeit im Parallelstrom mit Luft zugeführt und diese bei etwa 100 bis 150°C unter einem Druck von etwa 3 kg/cm² zur Reaktion gebracht werden. Dadurch kann Phenol (oder Cresole) über Spaltung des Hydroperoxids gewerblich vorteilhaft hergestellt werden.

Claims

1. Mehrstufen-Blasensäule mit drei oder mehr in ihrem Inneren eingebauten Lochplatten, wobei jede Lochplatte ungleichmäßig verteilte Lochungen hat und in Berührung mit einer Säuleninnenwand angeordnet ist und das Verhältnis der Gesamtporenfläche jeder Lochplatte zur Zellsäulen- Schnittfläche 15% oder weniger beträgt.

2. Mehrstufen-Blasensäule nach Anspruch 1, wobei sich benachbarte Lochplatten in der Verteilung von Lochungen unterscheiden.

3. Mehrstufen-Blasensäule nach Anspruch 1, wobei benachbarte Lochplatten die gleiche Verteilung von Lochungen haben.

4. Mehrstufen-Blasensäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich einige oder alle Positionen von Lochungen benachbarter Lochplatten unterscheiden.

5. Mehrstufen-Blasensäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verhältnis der Gesamtporenfläche jeder Lochplatte zur Zellsäulen-Schnittfläche 5% oder weniger beträgt.

6. Mehrstufen-Blasensäule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abstände zwischen benachbarten Lochplatten gleich sind.