DE19905572A1 - Vorrichtung zum Mischen und Reagieren mehrphasiger gasförmiger und flüssiger Gemische und Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen und Reagieren mehrphasiger gasförmiger und flüssiger Gemische, wobei homogen nicht mischbare flüssige homogene Lösungen mit homogenen Lösungen, in denen mehrere feste oder flüssige Stoffe bzw. mehrere Gase gelöst sind, in intensiven Kontakt miteinander gebracht werden, sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung und mit Hilfe der Vorrichtung hergestelltes Diphenylcarbonat und Polycarbonat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen und Reagieren mehrphasiger gasförmiger und flüssiger Gemische, wobei homogen nicht mischbare flüssige homo­ gene Lösungen mit homogenen Lösungen, in denen mehrere feste oder flüssige Stof­ fe bzw. mehrere Gase gelöst sind in intensiven Kontakt miteinander gebracht werden, sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung und mit Hilfe der Vorrichtung her­ gestelltes Diphenylcarbonat und Polycarbonat.

Es ist bekannt, miteinander unlösliche homogene Lösungen zu vermischen, um die Reaktion der einzelnen Stoffe miteinander in den Lösungen zu beschleunigen. Dieses Mischen erfolgt durch Rühren, mechanisches Mischen oder dergleichen, wie dies beispielsweise in der EP 0 228 670 A2 beschrieben ist, wo ein Verfahren zur Her­ stellung von Diarylcarbonaten beansprucht wird.

Nachteilig beim Einsatz von Rührern oder anderen mechanischen Mischern ist das Einbringen von Wellenlagern in den Rührkessel bzw. Reaktor sowie die Wellen­ durchführung aus dem Rührkessel bzw. Reaktor, einerseits im Hinblick auf die Ab­ dichtung und andererseits bezüglich der Reinigung der bekannten Mischer. Daher ist die konstruktive Ausführung der Wellenlager als Wellendurchführung bei großen Rührkesseln sehr aufwendig und mit einem großen Kostenaufwand verbunden.

Darüber hinaus lassen sich die bekannten Rührkessel bzw. Mischer nicht beliebig vergrößern, da häufig beim Mischen auch eine chemische Reaktion erfolgt, so daß beim Mischvorgang im Reaktor Misch- und/oder Reaktionsenthalpie frei wird bzw. benötigt wird. Zum Abführen der Enthalpie nach außen bzw. zu ihrer Zuführung in den Reaktorinnenraum sind bei sehr großen Mischern zusätzliche Wärmeaustauscher notwendig, da das Verhältnis von Wärmeaustauschfläche zum Reaktorvolumen mit wachsendem Rührkesselradius immer kleiner wird. In diesen Fällen muß das Rühr­ kesselvolumen durch Erweiterung der Rührkesselanzahl verringert oder der Wärme­ transport durch Anbringen zusätzlicher Wärmeaustauscher im Nebenstrom intensiviert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte und zuvor näher be­ schriebene Vorrichtung zum Mischen und Reagieren mehrphasiger gasförmiger und flüssiger Gemische so zu verbessern, daß bei geringem konstruktiven Aufwand ein klein bauender Mischer bereitgestellt wird, der ohne Wellenlager und Wellendurch­ führungen auskommt, um die zuvor geschilderten Nachteile zu vermeiden. Des weiteren soll die Qualität des Gemisches verbessert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Düsenmischer als Reaktor mit einem zylindrischen Raum für den Eintritt der ersten Lösung, wenigstens einer gegenüber dem Raum verjüngten zylindrischen Kammer, in der das Mischen und Reagieren von mindestens zwei Lösungen erfolgt, einem zum Raum senkrecht angeordneten zylin­ drischen Raum für den Zulauf der zweiten Lösung und einem Raum für den Austritt der gemischten und reagierten Lösungen aus dem Düsenmischer. Zur Herabsetzung des Druckverlustes ist der Austrittsraum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit einem sich konisch erweiternden Querschnitt versehen.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere getrennte homogene Stoffströme, die miteinander zu einer homogenen Lösung nicht lösbar sind, innig miteinander vermischt werden können. Dabei werden hohe Mischgrade erzielt, wodurch anschließend eine schnelle Reaktion der Reaktanden ermöglicht wird. Des weiteren läßt mit der erfindungsgemäßen Bauart sich auf konstruktiv einfache Weise ein klein bauender Mischer realisieren.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß der Übergang zwischen dem zylin­ drischen Raum und der verjüngten zylindrischen Kammer scharfe Kanten aufweist. Der erste Flüssigkeitsstrom tritt in den Düsenmischer über die zylindrische Kammer in Richtung des konischen Raums, der zweite Strom senkrecht in die mittlere zylindrische Kammer des Düsenmischers. Der senkrechte Eintritt der zweiten Lösung in den Düsenmischer erfolgt dabei über mehrere Öffnungen, die nach einer weiteren Lehre der Erfindung in der Innenwand der Kammer gleichmäßig über den Umfang verteilt auf einer Linie angeordnet sind. Bevorzugt verlaufen die Öffnungen senkrecht oder unter einem beliebigen flachen Winkel zur Längsachse der Kammer. Die Mischintensität und die Reaktionsgeschwindigkeit wird dadurch wesentlich ge­ steigert.

Ein Teil der homogenen Lösungen aus festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen kann in einem oder mehreren vor dem Düsenmischer angebrachten Mantel­ mischer/n hergestellt werden. Jeder Mantelmischer weist dabei einen zylinder­ förmigen Mischraum auf, durch den die homogene Flüssigkeit geleitet wird und es ist eine Vielzahl von symmetrisch um den Mischraum angeordneten Einlaufrohren zum Eintragen der zu lösenden zweiten Flüssigkeit oder des Gases in den Mantel­ mischer vorgesehen. Des weiteren können Mittel zum pulsartigen Eintragen der Flüssigkeit oder des Gases in den Mantelmischer vorgesehen sein, um den Durch­ mischungsgrad weiter zu verbessern.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß der zylindrische Mischraum einen äußeren Ringraum aufweist und daß die Einlaufrohre als Bohrungen in der Reaktor­ wandung ausgeführt sind. Bevorzugt laufen die Bohrungen in der Reaktorwandung unter einem flachen Winkel zur Strömungsrichtung des Reaktors. Als besonders vor­ teilhaft hat sich ein Winkel von 45° erwiesen.

Zur Erzielung eines hohen Mischgrades sieht eine weitere Ausgestaltung der Er­ findung vor, daß die Bohrungen in der Mischerwandung ringförmig angeordnet sind, wobei zweckmäßigerweise die Bohrungen gleichmäßig über den Umfang eines jeden Rings verteilt angeordnet sind. Eine besonders gute Durchmischung ergibt sich dann, wenn auf jeden Ring acht Bohrungen angeordnet sind und die Bohrungen jeweils benachbarter Ringe in Strömungsrichtung um einen Winkel von 45° gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Mit dem beschriebenen Mantelmischer gelang es überraschend, Flüssigkeiten oder Gase in Flüssigkeiten so zu mischen, daß im sich anschließenden Düsenmischer die Lösungen mit hohen Mischgraden gewonnen werden konnten.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung können der Vorrichtung zum Mischen und Reagieren Wärmeaustauscher vor- und nachgeschaltet werden, um den not­ wendigen Wärmeaustausch mit dem Misch- und Reaktionsraum zur Aufrechter­ haltung der geforderten Misch- bzw. Reaktionstemperatur bei Mischvorgängen und Reaktionen mit Enthalpieänderungen zuverlässig sicherzustellen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem Produktionsprozeß eine Mehrzahl er­ findungsgemäßer Mischer in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet ange­ ordnet sind. Damit wird das Entmischen der heterogenen Gemische in Strömungs­ richtung zuverlässig vermieden.

Eine weitere Lehre der Erfindung besteht in der Verwendung der vorgenannten Vor­ richtung zum Mischen von wässrigen alkalischen Phenolat-, Bisphenolat-Lösungen bzw. anderen mehrwertigen Phenolat-Lösungen mit im Lösungsmittel gelösten festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen.

Eine weitere Lehre der Erfindung betrifft noch Diphenylcarbonat und Polycarbonat, jeweils hergestellt nach dem Phasengrenzflächenverfahren aus einem durch Mischen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten heterogenen Gemisch aus einer wässrigen alkalischen Phenolat- bzw. Bisphenolatlösung mit in Dichlormethan ge­ löstem gasförmigen oder flüssigen Phosgen, wobei das Gemisch einen sehr kleinen Restgehalt an Phenylpiperidylurethan von < 20 ppm aufweist.

Schließlich ergibt sich aus der Erfindung, daß die Reaktorvolumina infolge inten­ siverer Vermischung und Reaktion deutlich kleiner ausfallen als beim Einsatz von Rührkesseln. Infolge geringeren hold-up stellt sich der stationäre Zustand relativ schnell ein. Das hat zur Folge, daß auch Zielprodukte mit gewünschten Eigen­ schaften und Qualität nach dem Anfahren innerhalb kürzester Zeit anfallen. Daraus resultiert weiterhin, daß unerwünschte Nebenprodukte, die es zu entsorgen gilt, in geringerer Menge anfallen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert.

Zur Herstellung von Diphenylcarbonat mit herkömmlichen Mischern wird eine Kaskade aus vier Rührkesseln mit einem Gesamtvolumen von 23 m³ von einem wässrigen Reaktionsgemisch bei 30°C mit einem Durchsatz von 4.500 kg/h durch­ strömt, wobei in den ersten Reaktor kontinuierlich Phosgen und Dichlormethan ein­ gespeist werden. Die wässrige Phenolatlösung wird ebenfalls kontinuierlich in einem dem ersten Rührkessel der Kaskade vorgeschalteten Mischkessel hergestellt.

Das Reaktionsgemisch wird nach dem vierten Rührkessel der Kaskade in einem Trennbehälter in zwei Phasen getrennt, die organische Phase gereinigt, anschließend das Lösungsmittel und schließlich das Diphenylcarbonat destilliert.

Dabei ergab sich eine Ausbeute von 92% und eine Konzentration von Nebenpro­ dukten gemäß der folgenden Aufstellung:

Zum Vergleich ist nun mit gleichem Durchsatz das Reaktionsgemisch durch die er­ findungsgemäße Vorrichtung gefördert worden, wobei im Mantelmischer die Lösung von Phosgen in Dichlormethan kontinuierlich hergestellt wurde. Die wässrige Phenolatlösung wurde kontinuierlich in einem Mischkessel gefertigt.

Die Reaktion zum Diphenylcarbonat lief in einem erfindungsgemäßen Düsenmischer ab, wobei die Aufarbeitung und Gewinnung des Diphenylcarbonats genau wie beim Verfahren mittels der Rührkesselkaskade erfolgte.

Hierbei konnte eine Ausbeute von 98% Diphenylcarbonat erreicht werden. Die Konzentration der Nebenprodukte betrug dabei:

Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Diphenylcarbonat konnte der Anteil von Phenylpiperidylurethan sicher auf Werte unter 20 ppm reduziert werden, wodurch eine bessere Qualität des Diphenylcarbonats erzielt werden konnte.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird schließlich anhand einer lediglich bevor­ zugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Düsenmischer, geschnitten,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Mantelmischer, teilgeschnitten, und

Fig. 3 eine bevorzugte Anordnung der Mischer aus Fig. 1 und 2 in schema­ tischer Darstellung.

In Fig. 1 ist der Düsenmischer dargestellt, dessen zylindrischer Mittelraum zum Mischen zweier Lösungen dient.

Der im dargestellten Ausführungsbeispiel bevorzugte vierteilige Düsenmischer D enthält einen zylindrischen Raum 1, in den eine erste Lösung F₁ eintritt. Eine zweite Lösung F₂ strömt über den zylindrischen Raum 2 in eine mittlere zylindrische Kammer 3. Als Auslaß dient ein konischer Raum 4. Um die Mischintensität zu er­ höhen und die Reaktion zu beschleunigen, besitzt die mittlere Kammer 3 einen kleineren Durchmesser als der zylindrische Raum 1 und der Übergang zwischen Raum 1 und Kammer 3 ist mit scharfen Kanten versehen. Mit Hilfe des sich konisch erweiternden Raums 4 des Düsenmischers D ist es möglich, den Druckverlust im System niedrig zu halten.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung tritt die Flüssigkeit, z. B. die Lösung von Phosgen in Dichlormethan F₁ in die mittlere zylindrische Kammer 3 über den zylindrischen Raum 1 und die zweite Lösung, z. B. die Phenolatlösung F₂ über den zum Raum 1 senkrechten zylindrischen Raum 2 ein. Die zweite Lösung wird in die zylindrische Kammer 3 über Öffnungen 5 eingebracht und mit der senkrecht dazu strömenden Lösung aus dem Raum 1 gemischt und der Reaktion unterworfen. Die Öffnungen 5 befinden sich im dargestellten und somit bevorzugten Ausführungsbei­ spiel auf der zylindrischen Ummantelung der mittleren Kammer in einer Linie. Das Gemisch G verläßt nach Mischen und Reaktion den Düsenmischer D über den konischen Raum 4.

In Fig. 2 ist ein dem Düsenmischer D vorzuschaltender zylinderförmiger Mantel­ mischer M gezeigt, der einen zylinderförmigen Mischraum 6 aufweist, dessen Wandung mit einer Vielzahl von Bohrungen 7 versehen ist, von denen der besseren Übersicht wegen nur die ringförmig angeordneten Bohrungen 7 nahe des Eintrags E₁ mit Bezugszeichen versehen sind.

Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind über die Länge des Mantelmischers M ringartig gleichmäßig verteilte Bohrungsreihen, Ringe 7A, 7B und 7C, angeordnet, von denen der besseren Übersicht wegen wiederum nur die linken drei Ringe näher bezeichnet sind. Bevorzugt weist dabei jeder Ring 7A, 7B, 7C acht Bohrungen 7 auf und es sind jeweils die Öffnungen zweier benachbarter Ringe 7A, 7B bzw. 7B, 7C um 45° gegeneinander versetzt angeordnet. Auf diese Weise wird eine optimale Durchmischung im Inneren des Mischraums 6 des Mantel­ mischers M erreicht.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch den Eintrag E₁ eine erste homogene Flüssigkeit, wie beispielsweise Dichlormethan in den Reaktorraum 6 des Mantelmischers M eingespeist.

Über einen Eintrag E₂ wird die zuzumischende zweite Komponente, wie beispielsweise gasförmiges oder flüssiges Phosgen, in einen den Mischraum 6 umgebenden Ringraum 8 geleitet und über die Bohrungen 7, vorzugsweise pulsartig, in die Flüssigkeit eingebracht. Wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt, sind die Bohrungen 7 unter einem Winkel von 45° zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit angeordnet. Auf diese Weise läßt sich eine optimale Durchmischung von Flüssigkeit mit Gas oder einer weiteren Flüssigkeit erreichen. Die Lösung verläßt den Mantelmischer M durch den Austritt A₁.

Auch ist den Fig. 1 und 2 noch zu entnehmen, daß zur Kontrolle von Undichtigkeiten durch Phosgen der gesamte Düsenmischer D und Mantelmischer M mit einem nicht näher bezeichneten Ringraum versehen ist, der mit Stickstoff (N₂) beaufschlagt werden kann.

Schließlich ist aus Fig. 3 eine bevorzugte Anordnung der Mischer der er­ findungsgemäßen Vorrichtung erkennbar, wobei dem Mantelmischer M ein erster Wärmetauscher WT₁ und dem Düsenmischer D ein zweiter Wärmetauscher WT₂ nachgeschaltet sind. Auf diese Weise wird die Aufrechterhaltung der erforderlichen Misch- und Reaktionstemperatur zuverlässig gewährleistet.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Mischen und Reagieren mehrphasiger gasförmiger und flüs­ siger Gemische, wobei homogen nicht mischbare flüssige homogene Lösungen mit homogenen Lösungen, in denen mehrere feste oder flüssige Stoffe bzw. mehrere Gase gelöst sind in intensiven Kontakt miteinander ge­ bracht werden, gekennzeichnet durch einen Düsenmischer (D) als Mischer und Reaktor mit einem zylindrischen Raum (1) für den Eintritt der ersten Lösung, wenigstens einer gegenüber dem Raum (1) verjüngten zylindrischen Kammer (3), in der das Mischen und Reagieren von mindestens zwei Lösungen erfolgt, einem zum Raum (1) senkrecht angeordneten zylindrischen Raum (2) für den Zulauf der zweiten Lösung und einem Raum (4) für den Austritt der gemischten und reagierten Lösungen aus dem Düsenmischer (D).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem zylindrischen Raum (1) und der verjüngten zylindrischen Kam­ mer (2) scharfe Kanten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Raums (4) in Strömungsrichtung konisch erweitert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Eintritt der zweiten Lösung in die Kammer (3) eine Mehrzahl von im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der ersten Lösung angeordnete Öffnungen (5) in der Wandung der Kammer (3) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) in der Innenwand der Kammer (3) gleichmäßig über den Umfang verteilt auf einer Linie angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) senkrecht zur Längsachse der Kammer (3) verlaufen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) unter einem beliebigen Winkel zur Längsachse der Kammer (3) verlaufen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Düsenmischer (D) wenigstens ein Mantelmischer (M) vorgeschaltet ist, in dem gasförmige oder flüssige Stoffe mit flüssigen Stoffen gemischt werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel­ mischer (M) einen zylinderförmigen Mischraum (6) aufweist, durch den die homogene Flüssigkeit geleitet wird und daß eine Vielzahl von symmetrisch um den Mischraum angeordneten Einlaufrohren zum Eintragen der zu lösenden zweiten Flüssigkeit oder des Gases in den Mantelmischer (M) vor­ gesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum pulsartigen Eintragen der zu mischenden Komponenten aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mischraum (6) einen äußeren Ringraum (8) aufweist und daß die Einlaufrohre als Bohrungen (7) in der Reaktorwandung ausgeführt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (7) in der Wandung des Mischraums (6) ringförmig angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (7) gleichmäßig über den Umfang eines jeden Rings (7A, 7B, 7C) verteilt an­ geordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (7) jeweils benachbarter Ringe (7A, 7B bzw. 7B, 7C) in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring (7A, 7B, 7C) acht Bohrungen (7) aufweist und daß die Bohrungen (7) jeweils be­ nachbarter Ringe (7A, 7B bzw. 7B, 7C) um 45° gegeneinander versetzt ange­ ordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (7) unter einem flachen Winkel zur Strömungsrichtung verlaufen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen 30 und 60° beträgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 45° beträgt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Düsenmischer (D) und ggf. dem Mantelmischer (M) Wärmetauscher (WT) vor- und/oder nachgeschaltet sind.

20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Mischen von wässrigen alkalischen Phenolat-, Bisphenolat-Lösungen bzw. anderen mehrwertigen Phenolat-Lösungen mit im Lösungsmittel gelösten festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen.

21. Diphenylcarbonat, hergestellt nach dem Phasengrenzflächenverfahren aus einem durch Mischen in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellten heterogenen Gemisch aus einer wässrigen Phenolatlösung mit in Dichlormethan gelöstem gasförmigen oder flüssigen Phosgen, gekenn­ zeichnet durch einen sehr kleinen Restgehalt an Phenylpiperidylurethan von kleiner 20 ppm.

22. Polycarbonat, hergestellt nach dem Phasengrenzflächenverfahren aus einem durch Mischen in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 her­ gestellten heterogenen Gemisch aus einer wässrigen alkalischen Bisphenolat­ lösung mit in Dichlormethan gelöstem gasförmigen oder flüssigen Phosgen, gekennzeichnet durch eine sehr kleine apparative Misch- und Reaktionsein­ richtung.

23. Polycarbonat, hergestellt nach dem Phasengrenzflächenverfahren aus einem durch Mischen in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellten heterogenen Gemisch aus einer wässrigen alkalischen Bisphenolatlösung mit in Dichlormethan gelöstem gasförmigen oder flüssigen Phosgen, gekennzeichnet durch einen sehr kleinen Restgehalt an Phenyl­ piperidylurethan von kleiner 20 ppm.