DE2016323C3 - Process for carrying out exothermic reactions with a high starting temperature - Google Patents
Process for carrying out exothermic reactions with a high starting temperatureInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung exothermer Reaktionen mit hoher Starttemperatur, wobei das frische Reaktionsgemisch durch Wärmetausch mit ausreagiertem Gemisch auf die erforderliche Starttemperatur gebracht wird, und v>r Reaktionsbeginn gegebenenfalls eine Vorheizung erfolgt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das gesamte ausreagierte Gemisch mit dem frischen Reaktionsgemisch auf der gesamten Länge des Reaktionsraumes unter indirekten Wärmeaustausch im Gleichstrom durch den Reaktor geführt wird, wobei das frische Reaktionsgemisch gegebenenfalls mit ausreagiertem Gemisch verdünnt werden kann.The invention is a method for carrying out exothermic reactions with high Start temperature, the fresh reaction mixture being increased by heat exchange with the fully reacted mixture the required starting temperature is brought, and preheating, if necessary, before the start of the reaction takes place, which is characterized in that the entire reacted mixture with the fresh reaction mixture over the entire length of the reaction space with indirect heat exchange is passed in cocurrent through the reactor, the fresh reaction mixture optionally can be diluted with fully reacted mixture.
Es gibt Reaktionen, die exotherm verlaufen, jedoch zu ihrer Einleitung relativ hohe Starttemperaturen benötigen. Man benutzt deshalb in vielen Fällen Katalysatoren, um die Anregungsenergien und damit die Reaktionstemperaturen zu erniedrigen, wobei oftmals gleichzeitig das Gleichgewicht der Reaktion merklich in die gewünschte Richtung verschoben wird. Dennoch gibt es aber Reaktionen, für die noch keine oder keine genügend wirksamen Katalysatoren gefunden wurden, oder die Benutzung solcher aus Gründen der Wirtschaftlichkeil oder wegen anderer Nachteile umgangen werden sollte.There are reactions which are exothermic, but relatively high starting temperatures for their initiation require. Therefore, in many cases, catalysts are used to generate the excitation energies and thus to lower the reaction temperatures, often at the same time the equilibrium of the reaction is shifted noticeably in the desired direction. Nevertheless, there are reactions for which none have yet or no sufficiently effective catalysts have been found, or the use of such Should be avoided because of the economic wedge or because of other disadvantages.
Exotherme Reaktionen mit Wärmetönimgen von > 10 Kcal/Mol, wie sie beispielsweise beim Öffnen von Doppelbindungen oder Dreiringen sowie bei Halogenierungs-Reaktionen auftreten, bedingen bei äquimolekularen Mischungen der Reaktionskomponenten mitunter Temperaturerhöhungen in flüssiger Phase, je nach der spezifischen Wärme der Reaktionsprodukte, von einigen KKTC; das ist insbesondere dann nachteilig, wenn für die betreffende Reaktion eine relativ hohe Starttemperaiur erforderlich ist und die Reaktionswärme abgeführt werden muß.Exothermic reactions with heat levels of > 10 Kcal / mole, such as when opening double bonds or three rings as well as with Halogenation reactions occur due to equimolecular mixtures of the reaction components sometimes temperature increases in the liquid phase, depending on the specific heat of the reaction products, from some KKTC; this is particularly disadvantageous if for the reaction in question a relatively high starting temperature is required and the heat of reaction must be dissipated.
Diese kann im Prinzip direkt durch das Reaklionsmedium oder indirekt über Wärmetauschflächen abgeführt werden, und zwar in Form von spezifischerIn principle, this can be done directly through the reaction medium or indirectly through heat exchange surfaces be discharged, in the form of specific
ίο Wärme oder Verdampfungswärme.ίο heat or heat of vaporization.
Sofern es die Betriebbedingungen gestatten, ist es gebräuchlich, die Reaktionskomponenten zu verdünnen, wobei das Verdünnungsmittel inert sein oder den Überschuß einer Reaktionskomponente oder des Reaktionsproduktes darstellen kann. Letzteres wird z. B. in der deutschen Patentschrift 843 842, Seite 2, Zeile 81 bis 97 beschrieben.If the operating conditions permit, it is customary to dilute the reaction components, wherein the diluent be inert or the excess of a reaction component or the Can represent reaction product. The latter is z. B. in German Patent 843 842, page 2, Lines 81 to 97 described.
Gleichermaßen kann die Reaktionswärme auch in Form von Verdampftingswärme einer überschüssigenEqually, the heat of reaction can also be an excess in the form of heat of evaporation
so Reaktionskomponente abgeführt werden, wie es die USA.-Patentschrift 3 117 998, S. 2, Zeile 33 ff. bei der Herstellung von Polypropylenglykol vorschlägt.so reaction component can be discharged, as is the US Pat. No. 3,117,998, p. 2, line 33 et seq proposes the production of polypropylene glycol.
Weiterhin kann die Reaktionswärme in Form vonFurthermore, the heat of reaction can be in the form of
spezifischer Wärme mittels relativ hoher Umlaufmengen eines Kühlmittels indirekt abgeführt werden. Bei Anwendung einer Festbcttkaialyse mit definiertem Reaklionsraum eignet sich gegebenenfalls das Rohstoffgemisch als Wärmeüberträger, dessen Temperatur außerhalb der Austauschzone geregelt wird (schweizerische Patentschrift 145 140). Es kann auch ein artfremdes Medium als Wärmeüberträger verwendet werden, gemäß Verfahren zur Anlagerung von Alkylenoxiden an hydroxylgruppenhaltige organische Verbindungen (deutsches Patent 735 418, S. 2, Zeile i8 ff.). Die gewünschte Konstanz des Wärmebades wird noch besser erreicht, wenn ein verdampfendes Kühlmittel eingesetzt wird, dessen VerdampfungstemperaUir durch Druckhaltung gesteuert wird (britische Patentschrift 736 991, USA.-Patentschrift 2 988 572, deutsche Auslegeschrift 1 255 653).specific heat can be indirectly dissipated by means of relatively high circulating quantities of a coolant. When using solid alkali dialysis with a defined reaction space, the raw material mixture may be suitable as a heat exchanger, the temperature of which is regulated outside the exchange zone (Swiss Patent specification 145 140). A foreign medium can also be used as a heat exchanger are, according to processes for the addition of alkylene oxides to hydroxyl-containing organic Compounds (German Patent 735 418, p. 2, line i8 ff.). The desired constancy of the heat bath is achieved even better if an evaporating coolant is used whose evaporation temperature is controlled by maintaining pressure (British Patent 736 991, U.S. Patent 2 988 572, German interpretative document 1 255 653).
Den Verfahren dieser Prinzipien liegt die gleichlautende Aufgabe zugrunde, eine Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten, die einerseits für die Reaktionsführung, andererseits für die Beständigkeit der Reaktionsteilnehmer, Qualität der Reaktionsprodukte oder die technische Ausführung der Apparaturen einen Grenzwert darstellt. Die Schwierigkeit besteht darin, den Grenzwert für eine maximale Raum-Zeit-Ausbeute gefahrlos auszuschöpfen. Dabei ist es erforderlich, daß technisch bedingte Schwankungen der Regelgrößen aufgenommen werden.The processes of these principles are based on the same task, a reaction temperature to maintain, on the one hand for the conduct of the reaction, on the other hand for the stability of the Reactants, quality of the reaction products or the technical design of the equipment Represents limit value. The difficulty is to get the limit for maximum space-time yield safe to use. It is necessary that there are technically caused fluctuations in the controlled variables be included.
Der indirekte Wärmetausch kann durch einen dem Reaktionsgefäß vorgeschalteten Gegenstromwärmetauscher erreicht werden, wobei das ausreagierle heiße Reaktionsprodukt dazu ausgenutzt wird, um das Rohstoffgemisch im Gegenstrom auf die erforderliche Starttemperatur zu bringen. Letzteres Verfahren wird häufig für flüssige Medien angewendet, so z. B. bei der Herstellung von Glykol durch Anlagerung von Äthylenoxid an Wasser (s. Ost-Rassow. Chem. Technologie, 27. Auflage, S. 1104 bis 1105) und ist nur geeignet, solange die adiabatische Temperaturerhöhung unter etwa 150"C bleibt. Dennoch besteht der Nachteil eines solchen Verfahrens darin, daß bei der Aufheizung des Rohgemisches im Gegenstrom ein sehr enger Temperaturbereich eingehalten werden muß, innerhalb dessen Grenzen die Reaktion hinreichend schnell anspringt, d. h. in Gang kommt, aberThe indirect heat exchange can be carried out using a countercurrent heat exchanger connected upstream of the reaction vessel can be achieved, wherein the fully reacting hot reaction product is used to the Bring raw material mixture in countercurrent to the required starting temperature. The latter procedure will often used for liquid media, e.g. B. in the production of glycol by the addition of Ethylene oxide in water (see Ost-Rassow. Chem. Technologie, 27th edition, pp. 1104 to 1105) and is only suitable as long as the adiabatic temperature increase remains below about 150 "C. Nevertheless, it still exists the disadvantage of such a process is that when the raw mixture is heated in countercurrent a very narrow temperature range must be maintained, within the limits of which the reaction is sufficient starts quickly, d. H. gets going, but
noch nicht im Wärmetauscher durchgehl und zum wesentlichen Teil unter Erreichen unerwünscht hoher Temperaturen abreagiert. In Erkenntnis dieser Schwierigkeit wurde auch schon vorgeschlagen, im Reaktionsteil zusätzliche Wärmetauschflächen anzuordnen, um im Bedarfsfall von außen her heizen oder kühlen zu können (s.Ullmann, Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, 3. Bd., 1953, S. 137 und 138). Diese Maßnahme ist unwirtschaftlich und regeltechnisch wegen der Phasenverschiebung kaum durchführbar. not yet passed through in the heat exchanger and to a large extent, reaching undesirably higher levels Temperatures reacted. Recognizing this difficulty it has also already been proposed to arrange additional heat exchange surfaces in the reaction part to be able to heat or cool from outside if necessary (see Ullmann, Encyclopedia of Technical Chemie, 3rd Edition, 3rd Vol., 1953, pp. 137 and 138). This measure is uneconomical and controls hardly feasible because of the phase shift.
Auch wurde vorgeschlagen, exotherme Reaktionen in röhrenförmigen Reaktoren durchzuführen, wie in der deutschen Auslegeschrift 1 061 764 beschrieben ist, zur Herstellung von Alkylenglykolen bzw. deren Monoäthern zwecks Vermeidung von Rückmischungen, die zur Bildung unerwünschter höherer Polymerisationsgrade führen.It has also been proposed to carry out exothermic reactions in tubular reactors, as in the German Auslegeschrift 1 061 764 is described for the production of alkylene glycols or their Monoethers in order to avoid backmixing, which leads to the formation of undesirable higher degrees of polymerization to lead.
AU diese bekannten Verfahren beinhalten die Notwendigkeit, dk Reaktionskomponenen vorzu- : heizen und die Reaktionswärme hinreichend schnell abzuführen. Zum Teil werden die Vorgänge räumlich definiert getrennt, zum Teil wird ein Wärmemedium benutzt, das auf einem annähernd gleichbleibenden mittleren Temperaturniveau gehalten wird, das geeignet ist, sowohl die Reaktionskomponenten vorzuheizen, wie auch das Reaktionsgemisch abzukühlen. Daraus resultiert, daß sowohl für die Aufheizung wie auch für die Abkühlung eine nur relativ unbefriedigende Temperaturdifferenz zur Verfügung ^eht. Um die Wärme dennoch in technisch ausreichendem Maße abführen zu können, werden sehr große Mengen Kühlmittel umgewälzt oder Wärmebäder mit siedenden Flüssigkeiten benutzt, deren Siedetemperatur durch Einstellung des korrespondierenden Sättigungsdampfdruckes geregelt wird.AU of these known processes include the need to propose dk Reaktionskomponenen: heat and quickly dissipate the heat of reaction sufficiently. In some cases, the processes are spatially separated, in some cases a heating medium is used that is kept at an approximately constant mean temperature level that is suitable for both preheating the reaction components and cooling the reaction mixture. As a result, only a relatively unsatisfactory temperature difference is available for both heating and cooling. In order to still be able to dissipate the heat to a technically sufficient extent, very large amounts of coolant are circulated or heat baths with boiling liquids are used, the boiling temperature of which is regulated by setting the corresponding saturation vapor pressure.
Die vorliegende Anmeldung befaßt sich nun mit der Aufgabe, ein System zu finden, das imstande ist, mit möglichst geringem technischen Aufwand sehr schnell aufzuheizen und im Moment des Einsetzens der stark exothermen Reaktion intensiv zu kühlen. Die abzuführende Wärmemenge pro Zeiteinheit beträgt:The present application is now concerned with the task of finding a system which is able to heat up very quickly with as little technical effort as possible and at the moment of use the strongly exothermic reaction to cool intensively. The amount of heat to be dissipated per unit of time amounts to:
Produkt im Gleichstrom führt, Damit Funktionen des •'Wärmetauscher^, und de gleitend in einem »Gleichstromre*KioiProduct leads in direct current, so that Functions of the • 'heat exchanger ^, and de gliding in a "direct current re * Kioi
übergeführt. . 71ir Durch-convicted. . 71ir through
Ein bevorzugter Gleichstromreaktor zurA preferred cocurrent reactor for
führung des erfindungsgemaße^™nzenlrisch im Prinzip-aus zwei 'm *e*f"1^n »Mantelrohr, angeordneten Rohren - im, folp:nden ^.^Execution of the ^ ™ nzenlri sch according to the invention in principle - from two ' m * e * f " 1 ^ n » jacket pipe, arranged pipes - im, folp: nden ^. ^
genannt _, die «> angeordnet jmd dau „ Gemisch in e.nes de,"Rohre rrtt;called _, which «> arranged jmd last "Mixture in e.nes de," tubes rrtt;
Rohr durchfließt und dieses alsPipe flows through and this as
lUerFi^lUerFi ^
dargestellt. Er besteht aus
dem Innenrohr 1 und dem
über den Stutzen 3 tnit
das Außenrohr 2 e.n, verlaßtshown. It consists of
the inner tube 1 and the
over the nozzle 3 tnit
the outer tube 2 en, leaves
wird.will.
|J emisch in 4 Sd gelangt| J emisch got in 4 Sd
I. Ta tI. Ta t
Tu, = Te + Tau Tu, = Te + Tau
3030th
β =A-FJ7-β = A-FJ7-
F- \TF- \ T
wobei Q die Wärmemenge, / die Zeiteinheit, A: der Wärmedurchgang, F die Austauschfläche, AT die Temperaturdifferenz, \, und \2 die Wärmeübergangszahlen an den Phasengrenzflächen Produkt ^-r Rohrleitung sowie Rohrleitung ■*—?■ Wärmebad, c/die Rohrwandstärke und / die Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung darstellt. Es ist hieraus leicht zu ersehen, daß die Verbesserung der Wärmeübergangszahl \2 im Falle der Verdampfungskühlung nur wenig zur Beschleunigung der Wärmeabführung beitragen kann, sofern *i relativ klein ist und nicht verbessert werden kann. Dagegen geht AT direkt proportional in die Gleichung ein. Deshalb wurde ein Weg gesucht, ein möglichst großes .17" bei turbulenter Strömung innerhalb der Reaktionsstrecke selbstregelnd sicherzustellen. Es wurde nun gefunden, daß diese technisch so erstrebenswerte Bedingung nahezu erreicht wird und man die Reaktion in hohem Maße isotherm, mithin auch gefahrloser ablaufen lassen kann, wenn man mit Hilfe von Wärmetausch ein frisches und ausreagiertes Dabei bedeuten:where Q is the amount of heat, / the unit of time, A: the heat transfer, F the exchange area, AT the temperature difference, \, and \ 2 the heat transfer coefficients at the phase interfaces Product ^ -r pipe and pipe ■ * -? ■ heat bath, c / the pipe wall thickness and / represents the thermal conductivity of the pipe wall. It is easy to see from this that the improvement in the heat transfer coefficient \ 2 in the case of evaporative cooling can only contribute little to the acceleration of heat dissipation, provided that * i is relatively small and cannot be improved. In contrast, AT is directly proportional to the equation. Therefore, a way was sought to self-regulate as large a .17 "as possible with turbulent flow within the reaction section. It has now been found that this technically desirable condition is almost reached and the reaction can be made to a high degree isothermally and therefore also more safely , if one means with the help of heat exchange a fresh and fully reacted thereby:
Ta Anfangsiemperalur, Ta initial temper,
Tad adiabatische Temperaturerhöhung, Tad adiabatic temperature increase,
Tf. Endtemperauir. Tf. Endtemperauir.
Tau Temperaturabsirahlung. Dew temperature protection.
Dabei hängt die adiabatische Temperaturerhöhung Tad bei gegebener Wärmetönung wesentlich vom Verdünnungsgrad und der spezifischen Wärme des Reaktionsgemisches ab. Die Abstrahlungswärme Tau \o wird man im Sinne einer maximalen Energierückgewinnung durch entsprechende Isolierung kleinhalten. Bei den folgenden Betrachtungen wird sie deshalbThe adiabatic temperature increase Tad for a given heat tone depends essentially on the degree of dilution and the specific heat of the reaction mixture. The radiated heat Tau \ o will be kept small in terms of maximum energy recovery through appropriate insulation. In the following considerations it will therefore
vernachlässigt.neglected.
In den F i g. 1 und 2, bei denen die Gleich- und Gegenstromfahrweise bei gleichen Durchsätzen für den Fall der Glykolherstellung aus Äthylenoxid und Wasser verglichen werden, ist der Temperaturverlauf über den durchschrittenen Reaktionsvolumen aufgetragen, wobei Fiel den in den genannten Literaturstellen gegebenen Verhältnissen entspricht. Bei der Gegenstromfahrweise wird das Rohstoffgemisch im Abschnitt A aufgeheizt, d. h. gegen das ausreagierte Reaktionsprodukt wärmegetauscht, !m Bereich B reagiert das Gemisch, im Bereich C — dieser ist gespiegelt übei bereich A wiedergegeben - wird Wärme im Austausch gegen A abgegeben. Es ist hieraus abzulesen, daß der Übergang A -*■ B definiert erfolgt, indem das Rohstoffgemisch den Gegenstrom-Wärmetauscher verläßt und in den Reaktor eintritt. Da die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante progressiv mit der Temperatur zunimmt, muß ein relativ großes Reaktionsvolumen als Reaktor bereitgestellt werden, weil die soeben angesprungene Reaktion sich anfangs nur langsam entfalten kann. F 1 g. 2 gibt den Tempera-65 turverlauf in einem Gleichstromreaktor wieder. Der Teil A zeigt den Wärmetausch, der wesentlich kürzer ist als in Fig. 1. Die Erwärmung des Rohstoffgemisches erfolgt anfänglich durch Austausch vonIn the F i g. 1 and 2, in which the cocurrent and countercurrent mode are compared with the same throughputs for the case of glycol production from ethylene oxide and water, the temperature profile is plotted over the reaction volume passed through, with Fiel corresponding to the ratios given in the references mentioned. In the countercurrent procedure, the raw material mixture in the section A is heated, that is heat exchanged against the fully reacted reaction product, m area B react the mixture in the range C - this is · when mirrored area A shown - heat is given off in exchange for A. It can be seen from this that the transition A - * ■ B takes place in a defined manner, in that the raw material mixture leaves the countercurrent heat exchanger and enters the reactor. Since the reaction rate constant increases progressively with the temperature, a relatively large reaction volume must be made available as a reactor, because the reaction that has just started can initially develop only slowly. F 1 g. 2 shows the temperature curve in a direct current reactor. Part A shows the heat exchange, which is significantly shorter than in FIG. 1. The raw material mixture is initially heated by exchanging
spezifischer Wärme. Beim Überschreiten der Anspringtemperalur Tu Überlager1, sich die Reaktionswärme additiv bis zum Punkt Λ'. Der Schnittpunkt X stellt für den Temperaturverlauf des Rohstoffgeniisches a den Wendepunkt und für den Temperalurverlauf des Reaktionsproduktes b das Minimum dar. Der Wärmetausch kehrt sich um. Im Teil B findet der Haiipiantcil der eigentlichen Reaktion statt. Am Ende dieser Strecke bildet sich das Temperaturmaximum aus als Tcilstück des größten Umsatzes pro laufendem Meter. Das Maximum am Punkt )' ergibt sich zwangläufig, weil die Reaktionsgeschwindigkeit proportional der Verarmung der Reaktionskomponenten abnimmt, jedoch mit der Temperatur im Sinne einer überproportionalen Funktion zunimmt. Der Teil C dient einem weitgehenden Temperaturausgleich. Der nochmalige Durchlauf des Reaktionsproduktes im Mantelrohr dient zusätzlich der Vervollständigung der Reaktion.specific heat. When the start-up temperature Tu overlay 1 is exceeded, the heat of reaction is additive up to point Λ '. The intersection point X represents the turning point for the temperature curve of the raw material gene a and the minimum for the temperature curve of the reaction product b . The heat exchange is reversed. In part B the shark piantcil of the actual reaction takes place. At the end of this distance, the temperature maximum is formed as part of the greatest turnover per running meter. The maximum at point) 'arises because the reaction rate decreases proportionally to the depletion of the reaction components, but increases with the temperature in the sense of a disproportionate function. Part C is used for extensive temperature compensation. The repeated passage of the reaction product in the jacket tube also serves to complete the reaction.
Die Umkehr des Wärmetausches am Punkt A' hat zur Voraussetzung, daß die Reaktion anspringt, d. h.. daßThe reversal of the heat exchange at point A 'has the prerequisite that the reaction starts, d. h .. that
7".υ =7 ".υ =
Ta τTa τ
Tn ist. Ist Tm > Tn T n is. If Tm > T n
wird der Teil A sehr kurz sein. Der Übergang von Teil A nach Teil B ist ausschließlich von der Umkehr des Wärmclausches abhängig. Hier liegt ein wesentliches Merkmal d?r Erfindung. Beim herkömmlichen Verfahren wird die zum Anspringen der Reaktion notwendige Wärmemenge empirisch zugeführt. Prozeßstörungen durch bereits geringe ■Regelschwankungen von Rohstoffzufuhr, Temperatur u. a. können leicht zum »Einschlafen« oder »Durchgehen« der Reaktion führen. Um solche extremen Reaktionsbedingungen wieder ins Gleichgewicht zu bringen, müssen die im Reaktor angebrachten Wärmetauschrohre mit Dampf oder mit Kühlwasser betrieben werden.Part A will be very short. The transition from part A to part B depends exclusively on the reversal of the heat exchange. This is an essential feature of the invention. In the conventional process, the amount of heat necessary to start the reaction is supplied empirically. Process disruptions due to even slight fluctuations in the ■ control of raw material supply, temperature, etc. can easily lead to the reaction "falling asleep" or "running away". In order to bring such extreme reaction conditions back into equilibrium, the heat exchange tubes installed in the reactor must be operated with steam or with cooling water.
Das soeben am Beispiel der Glykolherslcllung geschilderte Verfahren ist anwendbar zur Herstellung von Produkten, die aus ihren Komponenten exotherm entstehen und eine rclatix hohe Starltcmperalur erfordern. Auf diese Weise können Gasreaktionen durchgeführt werden, z. B. die Chlorierung von Methan: der größere Anwendungsbereich liegt auf dem Gebiet der Reaktionen in flüssiger Phase, z. B. Alkylierung mit olefinen, weiterhin die Umsetzung von Epoxiden, wie Äthylenoxid, Propylenoxid, Butylcnoxid, Epichlorhydrin u. a.. mit Verbindungen mit aktivem Wasserstoff, wie Wasser, Alkohole, Phenole. Ammoniak und Amine oder auch Phosphoroxychlorid.The process just described using the example of glycol preparation can be used for production of products that arise exothermically from their components and a rclatix high starl performance require. In this way gas reactions can be carried out, e.g. B. the chlorination of Methane: the larger area of application is in the field of reactions in the liquid phase, e.g. B. Alkylation with olefins, continue the implementation of Epoxides, such as ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, Epichlorohydrin and others with compounds with active hydrogen such as water, alcohols, phenols. Ammonia and amines or phosphorus oxychloride.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem ausgewiesenen Stand der Technik folgende Vorteile:The method according to the invention offers the following compared to the stated prior art Benefits:
Die mittels des beschriebenen Glcichstromrcaktors erzielte Reaktionsführung vermeidet regcltcchnischc Unsicherheiten und gewährleistet Stabilität des Systems gemäß Gleichung i. Die räumliche Ausdehnung der Zonen A1 B und C richtet sich selbstregelnd nach den gewählten Reaktionsbedingungen, woraus sich grundlegende Vorteile gegenüber den bisher geübten Verfahren ergeben.The reaction management achieved by means of the described direct current converter avoids regulatory uncertainties and ensures the stability of the system according to equation i. The spatial extent of zones A 1 B and C is self-regulating according to the selected reaction conditions, which results in fundamental advantages over the previously practiced processes.
Die Raum-Zcit-Ausheutc ist unter sonst vergleichbaren Bedingungen mehrfach so groß wie bei der Cicgcnstrom-Fahrwcisc. weil die Aufheizzone sehr kurz ist. Am Ende der Reaktionsstrecke treten /wangläiilig relative tlbcrhit/imgen auf, deren Höhe gesteuert werden kann. Dies bedingt in idealer Weise eine Beschleunigung der Reaktion, die sonst isotherm infolge von Verarmung an Reaktionskomponenten sehr langsam ausklingen müßte. Demzufolge kann auch der Nachreaktionsraum sehr klein gehalten werden, zumal das umgesetzte Produkt durch die nochmalige Parallelführung zusätzlich Zeit gewinnt, um mit Sicherheit vollständig auszureagieren. Die Produktqualität wird durch kurze ReaktionszeitenThe Raum-Zcit-Ausheutc is among otherwise comparable Conditions several times as great as with the Cicgcnstrom-Fahrwcisc. because the heating zone is very is short. At the end of the reaction path, relative periods of time occur, their height can be controlled. This ideally requires an acceleration of the reaction that is otherwise isothermal would have to fade out very slowly as a result of the depletion of reaction components. As a result, can also the post-reaction space can be kept very small, especially since the converted product through the repeated parallel guidance also gains time in order to be able to react completely with certainty. the Product quality is ensured by short response times
ίο in den meiste" Fällen verbessert.ίο improved in most "cases.
Für homogen katalysierte Reaktionen ist es meist erwünscht, wenig Katalysator zu verwenden, ohne die Temperatur steigern zu müssen. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Reaktors ist es infolge der Flexibilität der Bauelemente innerhalb weiter Grenzen möglich, zwei von den drei Variablen — Durchsatz, maximale Temperatur und angewandte Katalysatorkonzentration — zu variieren.For homogeneously catalyzed reactions it is usually desirable to use little catalyst without the Having to increase the temperature. With the help of the proposed reactor, it is due to the flexibility of the Components are possible within wide limits, two of the three variables - throughput, maximum Temperature and applied catalyst concentration - to vary.
Da die Reaktionskomponenten in dem beschriebenen Reaktor mil relativ hohen Geschwindigkeiten durch die Rohre geführt werden, ergibt sich ein äußerst günstiger Wärmetausch. Gleichzeitig wird dadurch weitgehend vermieden, daß Rückmischlingen stattfinden; Mischungen zwischen Anteilen verschiedenen Reaktionsfortschritts können zu Qualitätsminderungen oder zu unerwünschtem Verteilungsspektrum führen. Infolge der Reaktionsführung gemäß Gleichung I fällt das Reaktionsprodukt, im Gegensatz zur Gegenstrom-Fahrweise, mit einer relativ hohen Endtcmperatur an. Das ist besonders bei solchen Reaktionen von Bedeutung, bei denen eine Destillation nachgeschaltel ist, wie beispielsweise bei der Alkylierung von Phenolen mit Olefinen oder bei der Umsetzung von Alkylenoxide!! mit Wasser, Alkoholen. Ammoniak oder Aminen zu niedermolekularen Produkten. In solchen Fällen wird man die möglichst heiße Reaktionslösung direkt über einen Mehrslufcinerdampfcr entspannen.Since the reaction components in the reactor described mil relatively high speeds the pipes are guided, there is an extremely favorable heat exchange. At the same time it becomes largely avoided that remixings take place; Mixtures between proportions different The progress of the reaction can lead to a reduction in quality or an undesirable distribution spectrum. As a result of the reaction procedure according to equation I, the reaction product falls, in contrast to the countercurrent procedure, with a relatively high final temperature. This is especially true with such reactions of importance, in which a distillation downstream is, as for example in the alkylation of phenols with olefins or in the reaction of alkylene oxides !! with water, alcohols. Ammonia or amines to form low molecular weight products. In In such cases, the reaction solution as hot as possible is sent directly through a multi-air steam generator relax.
Die apparative Gleichheit der Teile A. B und C gestalte! es. den Reaktor in seiner Kapazität nach Art des Baukastenprinzips zu variieren. Auf diese Weise ist die Frage kurzfristiger Kapazitätserweiterungen stufenlos möglich, unter Verwendung aller bereits investierten Bauteile. Auch der Aufwand für meßtechnische Regel- und Kontrollfunkiionen ist wesentlich kleiner als bei der Gegenstromfahrweise. Make sure that parts A, B and C are identical in terms of equipment! it. to vary the capacity of the reactor according to the modular principle. In this way, the question of short-term capacity expansion is continuously possible, using all components that have already been invested. The effort for metrological regulation and control functions is also significantly smaller than with the countercurrent mode of operation.
In einem Mantelrohr \on einer Gesamtlänge von 200 m, einem Durchmesser des Innenrohres \ on 50 mm und einem Durchmesser des Außenrohres von SO mm wird Äthylenoxid mit Wasser im Voluinenvcrhältnis von 1 : 7 unter Verwendung von NaOH als Katalysator umgesetzt. Der Wärmelauscher ist als Paket waagrecht angeordneter Rohre ausgebildet, mit einsprechenden Umlenkungcn; das Paket ist im ganzen isoliert. Es wird eine Vorheiztemperatur von 160 C eingestellt. Das Produkt verläßt den Reaktor mit 220 C. Im Innenrohr wird das Alhylcnoxid-Wasser-Geniiseh. im Mantelrohr die Reaktionslösung geführt. Bei Inbetriebnahme des Reaktors ist das System mit Wasser von ^ 200 C gefüllt. Bei einem Durchsatz von 2000 l/h Oxid kehrt sich der Wärmetausch nach etwa (ι? lfdin des Mantelrohres um. Das Tempcraturniavimuni :m Innenrohr wird nach etwa 120 1fdm erreicht, es Heul bei 22l) C. Nach 150Ifdm ist ein Um>atz im Innenrohr von J?1^.*)",, erreicht. Der Tcmner.iturverlaui ist in I i e. 4 wicdcnieeebcn.In a jacket tube with a total length of 200 m, a diameter of the inner tube 50 mm and a diameter of the outer tube of 50 mm, ethylene oxide is reacted with water in a volume ratio of 1: 7 using NaOH as a catalyst. The heat exchanger is designed as a package of horizontally arranged tubes with corresponding deflections; the package is isolated on the whole. A preheating temperature of 160 ° C. is set. The product leaves the reactor at 220.degree. C. The alcohol and water are mixed in the inner tube. the reaction solution passed in the jacket tube. When the reactor is started up, the system is filled with water at ^ 200 C. At a throughput of 2000 l / h oxide, the heat exchange returns to approximately (ι lfdin of the jacket pipe to the Tempcraturniavimuni:. M inner pipe is achieved after about 120 1fdm, it howl at 22 l) is C. After 150Ifdm a Um> atz in the inner tube of J? 1 ^. *) ",, reached. The Tcmner.iturverlaui is in I i e. 4 wicdcnieeebcn.
Verfährt man in gleicher Weise, wählt jedoch einen Durchsatz von 3200 l/h Oxid, wird die Umkehrung des Wärmetauschers bei etwa lOOIfdm erreicht. Nach 200 lfdm beträgt der Umsatz 981Yn- Die restlichen 2°/0 werden in der Mantelrohrführung umgesetzt. Für den Wärmetausch ist die entsprechende Wärmetönung von 1,3°C unwesentlich.If one proceeds in the same way, but chooses a throughput of 3200 l / h oxide, the reversal of the heat exchanger is achieved at around 100 lfdm. After 200 linear meters of the conversion 98 is 1 Y n - The remaining 2 ° / 0 are implemented in the cladding tube guide. The corresponding heat tone of 1.3 ° C is not important for the heat exchange.
In einem Mantelrohr der Gesamtlänge von 100 m, einem Durchmesser des Innenrohres von 65 mm und einem Durchmesser des äußeren Rohres von 100 mm wird Propylenoxid mit Wasser im Volumenverhältnis von 1:4 umgesetzt. Die Anordnung der Wärmetauscher entspricht dem Beispiel 1. Es wird mit KOH katalysiert und eine Vorheiztemperatur von 1200C eingestellt. Das Produkt verläßt den Reaktor mit 210°C. Beim Durchsatz von 1600 l/h Propylenoxid kehrt sich der Wärmetausch nach 35 lfdm um. Das Temperaturmaximum wird nach 60 lfdm erreicht in Höhe von 2300C.Propylene oxide is reacted with water in a volume ratio of 1: 4 in a jacket tube with a total length of 100 m, an inner tube diameter of 65 mm and an outer tube diameter of 100 mm. The arrangement of the heat exchanger corresponds to the example 1. It is catalyzed with KOH and set a preheating temperature of 120 0 C. The product leaves the reactor at 210.degree. With a throughput of 1600 l / h propylene oxide, the heat exchange is reversed after 35 running meters. The maximum temperature is reached after 60 running meters in the amount of 230 ° C.
Unter Verwendung einer technischen Apparatur gemäß Beispiel 1 wird Äthylenoxid mit Methanol im Volumenverhältnis von 1:10 umgesetzt. Die Vorheiztemperatur beträgt 1500C. Als Katalysator wird KOH benutzt. Das Produkt verläßt den Reaktor mit etwa 220°C. Nach 180 lfdm ist ein Umsatz von > 99,9% erreicht.Using a technical apparatus according to Example 1, ethylene oxide is reacted with methanol in a volume ratio of 1:10. The preheating temperature is 150 0 C. As the catalyst KOH is used. The product leaves the reactor at about 220.degree. After 180 running meters, a conversion of> 99.9% is achieved.
In einem kupfernen Mantelrohr der Länge von 6 m, einem lichten Durchmesser des Innenrohres von 6 mm, einem lichten Durchmesser des Außenrohres . von 10 mm bei einer Wandstärke von I mm wird Äthylenoxid mit Tributylphenol im Molverhältnis 1,8:1 umgesetzt. Die Rohstoffe werden bei Zimmertemperatür gemischt und in das Mantelrohr eingeführt. Der Reaktor wird vor Inbetriebnahme mittels Reakdonslösung auf 150°C vorgeheizt. Als Katalysator wird KOH oder NaOH benutzt. Die Reaktion setzt sofort e;n ßej cmem Durchsatz von 2 l/h Äthylenoxid tritt vollständiger Umsatz ein.In a copper jacket tube with a length of 6 m, a clear diameter of the inner tube of 6 mm, a clear diameter of the outer tube. of 10 mm with a wall thickness of 1 mm, ethylene oxide is reacted with tributylphenol in a molar ratio of 1.8: 1. The raw materials are mixed at room temperature and fed into the jacket pipe. Before being put into operation, the reactor is preheated to 150 ° C. using a reaction solution. KOH or NaOH is used as a catalyst. The reaction starts immediately e; n ß e j CMEM flow rate of 2 l / h of ethylene oxide occurs a complete conversion.
Re- ' 15Re- '15
In einem Mantelrohr der Abmessungen gemäß Beispiel 4 wird Phosphoroxichloiid mit ÄthylenoxidIn a jacket tube of the dimensions according to Example 4, phosphorus oxychloride is mixed with ethylene oxide
1S im Verhältnis 1: 3 zu Tris-(/?-chloräthyi)-phosphat umgesetzt. Der durch die Reaktionswärme bedingte Temperaturanstieg wird durch Verdünnung der Rohstoffe mit der 8fachen Menge Fertigprodukt entsprechend verringert. Bei einer Anfangstemperatur von 200C wird unter Berücksichtigung der Ab-Strahlungswärme eine Endtemperatur von 80°C erreicht. Als Katalysator wird TiCl4 verwendet. Bei einem Durchsatz von 3 l/h Äthylenoxid erreicht man vollständigen Umsatz. 1 S in a ratio of 1: 3 converted to tris - (/? - chloräthyi) phosphate. The temperature rise caused by the heat of reaction is reduced accordingly by diluting the raw materials with 8 times the amount of finished product. At an initial temperature of 20 0 C to a final temperature of 80 ° C is achieved in consideration of the Ab-radiant heat. TiCl 4 is used as the catalyst. Complete conversion is achieved at a throughput of 3 l / h of ethylene oxide.
In einem Mantelrohr gemäß Beispiel 4 wird Pheno mit einem Gemisch von λ- und /?-ButyIen zu Tri-sek.-Butylphenol umgesetzt. Als Katalysator dient BF3. Die Rohstoffe werden mit dem 2,5fachcn Volumen des Reaktionsprodukte5 gemischt und bei Zimmertemperatur in den auf 1800C vorgeheizten Reaktor eingeführt. Bei einem Durchsat von 2 I/h Butylen erreicht man vollständigen Umsatz.In a jacket tube according to Example 4, pheno is reacted with a mixture of λ- and /? - butylene to give tri-sec-butylphenol. BF 3 serves as the catalyst. The raw materials are mixed with the 2,5fachcn volume of the reaction products 5 and introduced at room temperature in a pre-heated to 180 0 C reactor. Complete conversion is achieved at a throughput of 2 l / h of butylene.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |