DE2107960A1

DE2107960A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermischen eines Gases und einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2107960A1
Application number: DE19712107960
Authority: DE
Inventors: Heribert Dr. 6800 Mannheim; Nagel Otto Dr. 6730 Neustadt; Platz Rolf Dr. 6800 Mannheim; Sinn Richard Prof. Dr. 6904 Ziegelhausen. P Kürten
Original assignee: Badische Anilin and Sodafabrik AG
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1971-02-19
Publication date: 1972-08-24
Also published as: FR2125506B1; GB1370538A; BE779540A; NL7201511A; FR2125506A1; US3833719A; IT948586B; CH535593A

Description

Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG 2107960

Unsere Zeichen: O.Z. 27 352 Ste/Fe 6700 Ludwigshafen, den 16.2.1971

Verfahren und Vorrichtung zum Vermischen eines Gases und einer Flüssigkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermischen eines Gases und einer Flüssigkeit in einem Rohrreaktor.

Bei vielen chemischen Reaktionen, an denen Gase und Flüssigkeiten beteiligt sind, spielt der Mischvorgang eine entscheidende Rolle. Hierzu verwendet man in der Technik im allgemeinen mechanisch angetriebene Rührwerke verschiedenster Bauart. Speziell bei unter Druck durchgeführten Reaktionen sind jedoch Undichtigkeiten an der Rührwelle unvermeidbar. Bevorzugt verwendet man daher Anordnungen, die keine bewegten Teile enthalten. So ist es beispielsweise bekannt, ein Gas und eine Flüssigkeit in der Weise zu vermischen, daß man einen Flüssigkeitsstrahl koaxial in ein Mischrohr eintreten läßt, das auf der ganzen Länge zylindrisch ist oder einen kurzen zylindrischen Hals mit einem anschließenden sich erweiternden konischen Rohr besitzt, wobei sich der Flüssigkeitstreibstrahl im Mischrohr mit einem Gasstrom mischt, der im Ringraum zwischen Treibstrahl und Mischrohrwand zugeführt wird. Derartige sogenannte Ejektorreaktoren sind beispielsweise als Venturi-Absorber in der chemischen Technik bekannt. Häufig ist es erforderlich, den relativ kleinen Ejektorreaktoren für die Durchführung der Hachreaktion einen größeren Reaktionsraum nachzuschalten, der beispielsweise eine Blasensäule sein kann. Nun reicht aber bei vielen Reaktionen zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit die in den Ejektorreaktoren erreichbare Vermischung von Gas und Flüssigkeit nicht aus, um zufriedenstellende Ausbeuten und Umsätze zu erreichen.

Es wurde nun gefunden, daß sich das Vermischen eines Gases mit Flüssigkeiten in einem Rohrreaktor durch Einführen des Gases und der Flüssigkeiten in eine Mischzone, vorteilhaft 101/70 -2-

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durchführen läßt, wenn ein Flüssigkeitsstrom durch, eine oder mehrere Flüssigkeitsdüaen, deren Achsen sich in Richtung der Achse der Mischzone erstrecken, in die Mischzone geleitet wird, wobei die eingedüste Flüssigkeit eine Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec aufweist, und ein zweiter Flüssigkeitsstrom mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit in die die Düsen umgebende Einlaufzone des Rohrreaktors eingeführt wird, sowie das Gas durch eine oder mehrere Gaszuführungen in der Nähe der Öffnungen der Flüssigkeitsdüsen der Mischzone zugeführt wird, wobei die mittlere Querschnittsfläche der Mischzone das 5- bis 500-fache der Querschnittsfläche der Flüssigkeitadüsenöffnung bzw. der Summe der Querschnittsflächen der Flüasigkeitsdüsenöffnungen und die Länge der Mischzone das 2- bis 3O-fs"he seines hydraulischen Durchmessers beträgt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrene besteht darin, daß der durch die Flüssigkeitsdüsen strömenden Flüssigkeit vor dem Austritt aus der Düsenöffnung ein Drall aufgeprägt und bzw. oder dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch in der Mischzone ein Drall aufgeprägt wird.

Nach dem Verfahren lassen sich bei hoher Ausbeute gleichzeitig hohe Raum-Zeit-Ausbeuten erzielen. Da für das neue Verfahren kleinere Rohrreaktoren verwendet werden können, als die Rohrreaktoren, die bei den bekannten Verfahren angewendet werden, z. B. bei Umsetzungen in Blasensäulen, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlich geringeren Aufwand als herkömmliche Verfahren.

Das neue Verfahren ist allgemein geeignet für das Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten sowohl zur Durchführung eines Stoffaustauschprozesses als auch zur Durchführung einer Reaktion zwischen dem Gas und der Flüssigkeit. Besonders ist es zur Durchführung von chemischen Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten geeignet, die rasches und intensives Vermischen erfordern. Selbstverständlich können als Gas und als Flüssigkeit nicht nur reine Stoffe, sondern auch beliebige Stoffgemische verwendet werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch ein Gas mit zwei verschiedenen Flüssigkeiten vermischt werden, wobei die eine Flüssigkeit eingedüst

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wird und die andere Flüssigkeit in die die Düsen umgebende Einlaufzone des Rohrreaktors eingeführt wird. Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren bei solchen Reaktionen zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit durchgeführt, "bei denen das Reaktionsprodukt nicht mehr mit den Ausgangsstoffen in Kontakt kommen soll. Das vorliegende Verfahren wird beispielsweise für die Absorption von Chlor in Wasser oder die Umsetzung von Propylen mit einer wässrigen Ghlorlösung zu Propylenehlorhydrin verwendet. Bei der Anwendung des neuen Verfahrens auf die genannten Reaktionen werden die hierfür üblichen allgemeinen Reaktionsbedingungen wie Katalysator, Druck, Temperatur nicht berührt. Die durch das neue Verfahren bedingte raschere und intensivere Durchmischung erhöht jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit und damit auch den Umsatz. Es kann daher zweckmäßig sein, die Verfahrensparameter, wie mittlere Verweilzeit, Druck, Temperatur und Katalysatormenge, die bei einer technischen Arbeitsweise sich als optimal erwiesen haben, aufgrund der neuen höheren Reaktionsgeschwindigkeit erneut zu optimieren. Das neue Verfahren erlaubt es häufig, Reaktionen zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit bei etwas tieferen Temperaturen durchzuführen und liefert hierbei vielfach höhere Ausbeuten an Reaktionsprodukten. Mit Vorteil wird das Verfahren bei der Oxydation organischer und anorganischer Verbindungen mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, wie luft, angewendet, z. B. für die Oxydation von Natriumsulfit in wässriger Lösung mittels Luft zu Natriumsulfat.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil auch für die Durchführung von Stoffaustauschprozessen angewendet, beispielsweise für die Absorption von Chlor in Wasser oder die Absorption von Phosgen in organischen Lösungsmitteln wie Methylenchlorid.

Es ist ein wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens, daß ein vorzugsweise kleinerer Flüssigkeitsstrom mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec, vorzugsweise 10 bis 30 m/sec, eingedüst wird, und ein zweiter, vorzugsweise größerer Flüssigkeitsstrom mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit

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als die eingedüste Flüssigkeit in die die Düsen umgebende Einlaufzone eingeführt wird. Im allgemeinen beträgt das Verhältnis von eingedüster Flüssigkeit zu der in die die Düsen umgebende Einlaufzone eingeführten Flüssigkeit 1 : 1 bis 1 : 50, vorzugsweise 1 : 1 bis 1 : 10. Zweckmäßig beträgt die Geschwindigkeit der in die die Düsen umgebende Einlaufzone eingeführten Flüssigkeit 0,1 bis 20, vorzugsweise 0,5 bis 5 m/sec.

Die Zuführung der Flüssigkeit in die die Düsen umgebende Einlau fzone des Rohrreaktors kann durch eine oder mehrere Zuleitungen erfolgen; die Zahl der Zuleitungen ist nicht kritisch.

Die mittlere Querschnittsfläche der Mischzone soll das 5- bis 500-fache, vorzugsweise das 10 bis 100-fache der Querschnittsfläche der Flüssigkeitsdüse bzw. der Summe der Querschnittsflächen der Flüssigkeitsdüsen und die länge der Mischzone das 2- bis 30-fache, seines hydraulischen Durchmessers betragen. Die länge und der hydraulische Durchmesser der Einlaufzone können innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Mischzone zeigt im allgemeinen einen konstanten oder sich in der Strömungsrichtung vergrößernden Querschnitt auf und kann konstruktiv in verschiedenen Formen gestaltet werden. Im allgemeinen verwendet man zylindrische Rohre oder ein Mischrohr, das einen kurzen zylindrischen Hals mit einem anschließenden sich erweiternden konischen Rohr besitzt. Auch die Einlaufzone kann konstruktiv in verschiedenen Formen gestaltet werden. Im allgemeinen verwendet man für die Einlaufzone zylindrische Rohre.

Unter hydraulischem Durchmesser einer Zone ist der Durchmesser eines zylindrischen Rohres zu verstehen, das bei gleichen durchgesetzten Mengen und gleicher Länge den gleichen Druckverlust zeigt wie die betreffende Zone.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können eine oder mehrere Flüssigkeitsdüsen, beispielsweise 2 bis 10 Flüssigkeitsdüsen verwendet werden. Bei der Verwendung von mehreren Flüssigkeitsdüsen können diese beispielsweise kranzförmig zusammengesetzt

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sein oder zu Büscheln zusammengefaßt sein. Das Gas wird ebenfalls durch eine oder mehrere z. B. 2 bis 10 Gasdüsen eingeleitet, wobei die Zahl der Gasdüsen der Zahl der Flüssigkeitsdüsen entsprechen oder von der Zahl der Flüssigkeitsdüsen verschieden sein kann. Das Gas wird im allgemeinen in der Nähe der Düsenöffnungen der Flüssigkeitsdüsen eingeführt. Als Düsen sind beispielsweise lochdüsen, Spaltdüsen oder auch Ringspalte geeignet. Die Eintrittsrichtung des Gases entspricht im allgemeinen der der Flüssigkeitsstrahlen, und die Gasgeschwindigkeit wird zweckmäßig nicht höher als die der Flüssigkeitsstrahlen gewählt. Im allgemeinen beträgt die Geschwindigkeit des eingedüsten Gases 5 bis 50 m/sec. Bevorzugt werden Gas und die eingedüste Flüssigkeit durch eine Zweistoffdüse eingeführt, wobei der Flüssigkeitsstrahl bevorzugt innen und das Gas durch .die die Flüssigkeitsdüse koaxial umgebende Ringdüse eingeführt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß man der durch die Flüssigkeitsdüsen strömenden Flüssigkeit vor dem Austritt aus der Düsenöffnung einen Drall aufprägt und bzw. oder daß man dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch in der Mischzone einen Drall aufprägt. Der durch die Flüssigkeitsdüsen strömenden Flüssigkeit wird der Drall beispielsweise aufgeprägt, indem man in die Zuführung der Flüssigkeitsdüse vor der Düsenöffnung einen Drallkörper in Form einer ein- oder mehrgängigen Schnecke einsetzt, oder aber die Flüssigkeit tangential in die Zuführleitung zur Düse einströmen läßt. Dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch in der Mischzone kann der , Drall beispielsweise in der Weise aufgeprägt werden, daß auch dem langsamen Außenstrom in bekannter Weise ein Drall mitgegeben wird, z. B. durch den Einbau einer Drallöffnung. Es ist von besonderem Vorteil, am Ende der Mischzone einen Gegendruck aufrechtzuerhalten. Dies kann beispielsweise durch eine ausreichend hohe Blasensäule erreicht werden, die sich an das Ende der Mischzone anschließt. Man kann jedoch auch der Mischzone eine energieverbrauchende Vorrichtung nachschalten, wie Prallplatten oder Zentrifugalabscheider. Man k^nn jedoch auch den Gegendruck durch Nachschalten eines Druck-

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halteventils aufrechterhalten. Im allgemeinen werden die Mischzonen senkrecht angeordnet, wobei Gas und Flüssigkeiten von unten nach oben geführt werden. Es ist jedoch auch möglich, in den senkrecht angeordneten Mischzonen Flüssigkeit und Gas von oben nach unten zu führen. Ebenso kann die Mischzone auch horizontal angeordnet sein und Zwischenriehtungen einnehmen.

Die Figuren erläutern die Arbeitsweise der Erfindung. Es bedeuten 1 (vgl. Figur 1) die Mischzone, 2 die Düsenaustrittsöffnung für das Gas, 3 die Düsenaustrittsöffnung für die Flüssigkeit, 4 und 5 die Zuführungen für Flüssigkeit und Gas zu den Düsen, 6 die Zuführung von Flüssigkeit zur Einlauf zone 7. Der Übergang on der Anfangszone zur Mischzone erfolgt zweckmäßig allmählich, um eine Strömungsablösung der aus der Einlaufzone in die Mischzone strömenden Flüssigkeit zu verhindern. Figur 2 zeigt die Kombination des Strahlrohrreaktors und einer nachgeschalteten Prallplatte 8 und den Einsatz eines Drallkörpers in die Zuführung der Düse.

Figur 3 zeigt die Kombination des Stcahlrohrreaktors mit einer herkömmlichen Blasensäule 10 mit dem Gasabgang 11 und dem Flüssigkeitsablauf 12. Der Strahlrohrreaktor ist hierbei die Begasungseinrichtung für die Blasensäule.

Beispiel 1

Für die Umsetzung wurde ein Rohrreaktor von 20 mm Durchmesser verwendet. (Figur 1). Die länge der Mischzone betrug 150 mm. Der Durchmesser der Flüssigkeitsdüse betrug 5 mm. Die Flüssigkeitsdüse wurde koaxial von einer Gas-Ringdüse umgeben.

Durch die Flüssigkeitsdüse wurden mit einer Geschwindigkeit von 20 m/sec 1,4 m je Stunde einer wässrigen Natriumsulfitlösung hindurchgeleitet, die eine Konzentration von 600 Mol je nr Natriumsulfit und von 0,27 Mol je nr Kobaltsulfat als Katalysator aufwies. Die Reaktionstemperatur war 20 ⁰C und der pH-Wert war auf 9 eingestellt. Durch die Ringdüse wurden 2 Nnr je Stunde Luft zugeführt. Weiter wurden durch eine weitere Zuleitung in die Einlaufzone 2,0 nr je Stunde an

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wässriger Natriumsulfitlösung der angegebenen Konzentration eingeleitet. Der langsame Flüssigkeitsstrom wies eine Geschwindigkeit von 2,2 m/sec auf. Der Umsatz hei der Oxydation des Natriumsulfits zu Natriumsulfat betrug, bezogen auf den LuftSauerstoff, 52 %.

Führte man die Umsetzung wie beschrieben aus, wobei man {jedoch keine Flüssigkeit in die Anfangszone einführte, so betrug der Umsatz nur 15 # bezogen auf den Luftsauerstoff.

Beispiel 2

Die Umsetzung wurde wie im ersten Absatz von Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, wobei durch eine Schnecke in der Zuführung zur Düse dem Flüssigkeitsstrahl ein Drall aufgeprägt wurde. Der Umsatz von Natriumsulfit zu Natriumsulfat betrug, bezogen auf den Luftsauerstoff 70 i». (Beim Vergleich der Ausbeute von Beispiel 2 mit der Ausbeute in Beispiel 1 ist zu beachten, daß der Gesamtimpuls des Drallstrahls in Beispiel 2 um den Faktor 1,32 kleiner war als der Gesamtimpuls des drallfreien Strahls in Beispiel 1).

Beispiel 3

Die Umsetzung wurde wie in Beispiel 1, erster Absatz beschrieben, durchgeführt, wobei im Abstand von 20 mm hinter der Mischzone eine Prallplatte nachgeschaltet war. Der Umsatz bei der Umsetzung von Natriumsulfit zu Natriumsulfat betrug 80 ^.

Beispiel 4

Für die Umsetzung wurde ein Rohrreaktor von 20 mm Durchmesser verwendet. Die Länge der Mischzone betrug 200 mm. Der Durchmesser der Flüssigkeitsdüse betrug 3 mm. Die Flüssigkeitsdüse wurde koaxial von einer Gas-Ringdüse umgeben.

Durch die Flüssigkeitsdüse wurden mit einer Geschwindigkeit von 15 m/sec 333 1 Wasser je Stunde hindurchgeleitet, wobei das eingedüste Wasser zentral in das Mischrohr eingeführt wurde. Weiter wurden durch eine weitere Zuleitung in die die Düse umgebende Einlaufzone des Rohrreaktors 667 1 je Stunde Wasser mit kleiner Geschwindigkeit eingeleitet. Durch die

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G-as-Ring-Düse wurden 1,5 Nm Chlor je Stunde zugeführt. Das Chlor wurde innerhalb des Mischrohres vollkommen absorbiert und man erhielt eine 70 #ige Sättigung des Wassers.

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Claims

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1. Verfahren zum Vermischen eines Gases mit Flüssigkeiten in einem Rohrreaktor durch Einführen des Gases und der Flüssigkeiten in eine Mischzone, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsstrom durch eine oder mehrere Flüssigkeitsdüsen, deren Achsen sich in Richtung der Achse der Mischzone erstrecken, in die Mischzone eingeleitet wird, wobei die'eingedüste Flüssigkeit eine Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec aufweist, und ein zweiter Flüssigkeitsstrom mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit in die die Düsen umgebende Einlaufzone des Rohrreaktors eingeführt wird, sowie das Gas durch eine oder mehrere Gaszuführungen in der Nähe der öffnungen der Flüssigkeitsdüsen der Mischzone zugeführt wird, wobei die mittlere Querschnittsfläche der Mischzone das 5- bis 500-fache der Querschnittsfläche der Flüssigkeitsdüsenöffnung bzw. der Summe der Querschnittsfläohen der Flüssigkeitsdüsenöffnungen und die Länge der Mischzone das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Flüssigkeitsdüsen strömenden Flüssigkeit vor dem Austritt aus der Düsenöffnung ein Drall auferlegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkeits-Gas-rGemisch in der Mischzone ein Drall aufgeprägt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischzone eine Gegendruck erzeugende Vorrichtung nachgeschaltet wird.

5. Vorrichtung zum Vermischen eines Gases mit Flüssigkeiten gekennzeichnet durch eine oder mehrere Flüssigkeitsdüsen und eine oder mehrere Gaszuführungen in der Nähe der Öffnungen der Flüssigkeitsdüsen, eine Mischzone und eine vor der Mischzone liegende Einlaufzone, deren Achsen sich in

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Richtung der Achse der KLüssigkeitsdüsen erstrecken, wobei die Einlaufzone eine oder mehrere flüssigkeitszuführungen aufweist und die Düsen sich in der Anfangszone befinden und wobei die mittlere Querschnittsfläche der Mischzone das 5- bis 500-fache der Querschnittsfläche der Flüssigkeitsdüsenöffnung bzw. der Summe der Querschnittsflächen der Flüssigkeitsdüsenöffnungen und die Länge der Mischzone das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers beträgt .

Badische Anilin- * Soda-Fabrik AG

Zeichn.

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