DE2149313A1

DE2149313A1 - Verfahren zur kontinuierlichen durchfuehrung chemischer reaktionen sowie eine dafuer geeignete vorrichtung

Info

Publication number: DE2149313A1
Application number: DE19712149313
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Schaupp; Manfred Dr Schulze
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1971-10-02
Filing date: 1971-10-02
Publication date: 1973-04-05
Also published as: IT966107B; FR2154784B1; US3923962A; GB1413493A; JPS4842977A; FR2154784A1; JPS5229711B2

Description

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FARBENFABRIKEN BAYER AG LE V E RK U S E N - Bayerwerk Zentralbereich Patente, Marken und Lizenzen

Br-her

1. OKt. 1971

Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen sowie eine dafür geeigenete Vorrichtung.

Chemische Reaktionen, vor allem solche, die zwischen flüssigen und gasförmigen bzw. leicht flüchtigen Komponenten ablaufen, werden im allgemeinen in Rührkesseln oder ähnlich gebauten Apparaten durchgeführt. Je nach Art der Reaktionskomponenten, der Reaktionsprodukte und der erforderlichen Reaktionführung werden an das Umsetzungsverfahren und an die dafür eingesetzten Vorrichtungen bestimmte Anforderungen gestellt. So ist es z.B. in vielen Fällen notwendig mehr oder weniger erhöhten Druck anzuwenden, um die Reaktion in der gewünschten Richtung und mit der nötigen Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Der erforderliche Druck entsteht dabei durch das Reaktionsmedium selbst (vor allem bei erhöhter Temperatur) oder aber durch Anlegen eines äußeren Druckes. Auf zahlreichen Gebieten werden dazu Druckapparaturen verwendet . Diese erfordern jedoch einen erheblichen technischen Aufwand und sind Im allgemeinen auch sehr störungsanfällig.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen unter

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Druck bei denen die Reaktionsteilnehmer in beliebiger Form vorliegen können., und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reaktion ohne Anwendung eines äußeren Druckes in einer von einer Flüssigkeit durchströmten U-förmigen Reaktionszone durchgeführt wird, wobei die Reaktlonspartner an beliebiger Stelle in den einen Schenkel der Reaktionszone eingeführt und am oberen Ende des anderen Schenkels die Reaktionsprodukte zusammen mit der Flüssigkeit abgeführt werden,

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung drückabhängiger Reaktionen, wobei der die chemische Reaktion günstig beeinflussende Druck durch die Einwirkung einer über der Reaktionszone befindlichen Flüssigkeitssäule erzeugt wird und die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei Rohre, ein Reaktionsrohr und ein Überlaufrohr, nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren verbunden sind, und daß der gewünschte Druck durch eine Flüssigkeitssäule, die einen oder auch mehrere Reaktionsteilnehmer enthält, erreicht wird.

In einer besonderen Ausführungsform - von allem für die Durchführung stark exothermer Reaktionen - kann die Vorrichtung so gestaltet sein, daß dem Überlaufrohr ein Teilstrom der Reaktionsmischung entnommen und über einen Wärmeaustauscher dem Reaktionsrohr wieder zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß stell* im wesentlichen ein U-Rohr dar, das es gestattet, ohne Anwendung von äußerem Druck unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckes der Reaktionsmischung Reaktionen durchzuführen. Reaktionen, die in flüssigem Medium ablaufen und bei denen eine leichtflüchtige oder gasförmige Komponente verbraucht wird sowie Reaktionen, bei denen im Reaktionsbereich während des Reaktionsablaufes eine Siedepunkterhöhung notwendig ist, sind in. der erfindungs-

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gemäßen Vorrichtung besonders vorteilhaft auszuführen. Der technische Aufwand, der üblicherweise für Druckapparaturen erforderlich ist, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung umgangen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich im kontinuierlichen Betrieb auf kleinster Grundfläche in einfacher Weise sehr hohe Raum-Zeit-Ausbeuten bei chemischen .Umsetzungen zu erreichen«,' '

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es ferner ermöglicht, ein besonders günstiges Verweilzeit-Spektrum der an der Reaktion beteiligten Stoffe zu erreichen.

Anhand der beiliegenden Figur 1 soll eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, so wie es z.B. zur Herstellung. von Ammoniumfluorid aus Hexafluorkieselsäure und NH, angewandt wird, dargestellt werden. Die dafür geeignete Vorrichtung besteht im wesentlichen aus 2 Rohren, die an ihren unteren Enden durch ein drittes Rohr miteinander verbunden sind. Je nach dem gewünschten Überdruck wird die Höhe der Schenkel des U-Rohres so gewählt, daß bei senkrechter Aufstellung des Gefäßes ein mehr oder weniger großer hydrostatischer Druck entsteht, der die Umsetzung der Reaktionsteilnehmer im gewünschten Sinne günstig beeinflußt.

In der Figur 1 stellen (1) das Reaktionsrohr, (2) ein Tauchrohr, (3) ein Überlaufrohr, (4) Temperaturmeßstellen, (5), (8) und (9) Zu- bzw. Ableitungen, (6) und (7) Entlüftungen dar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Ammoniumfluorid und SiO₂ wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa wie folgt durchgeführt:

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Eine Lösung von Hexafluorokieselsäure wird am oberen Ende des Reaktionsrohres (1) des U-Reaktors eingeführt und läuft dann dem von unten über ein Tauchrohr (2) gasförmig oder in wäßriger Lösung eintretenden Ammoniak entgegen. Bei Verwendung von gasförmigem Ammoniak muß dieser mit'Luft gemischt werden, um starke Erschütterungen durch Kondensations schläge zu verhindern. Der Reaktionsraum kann durch Variieren der zugegebenen NH-,-Menge in einen gewünschten Bereich des Reaktionsrohres gelegt werden. Es ist jedoch zur Erzeugung eines möglichst hohen hydrostatischen Überdruckes ratsam, die Reaktionszone in den unteren Bereich des Reaktionsrohres zu bringen. Die Ammoniakzugabe wird so dosiert, daß die im dünneren Uberlaufrohr (3) am oberen Ende austretende Suspension von Kieselsäure in Ammoniumfluoridlösung einen pH-Wert von etwa 7 bis 10 aufweist. Es wurde gefunden, daß bei einer Schenkelhöhe von 7 m (was einem Überdruck im Reaktionsbereich von ca. 0,8 ata entspricht) und einem pH-Wert von 8,5 der SiOp-Gehalt der filtrierten Ammoniumfluoridlösung <1,5 g/l war. Die Kieselsäure läßt sich besonders gut filtrieren, wenn die Umsetzung in der erfindungsgemäßen Apparatur bei Temperaturen zwischen 60 und 90⁰C abläuft.

Figur 2 stellt ein Fließschema für die Herstellung von Ammoniumfluorid und Kieselsäure aus Hexafluorokieselsäure und Ammoniak dar, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung als Reaktionsgefäß eingesetzt wird. Nach der Umsetzung in dem Reaktionsgefäß (201) wird in einem Filter (222) die Kieselsäure von der Ammoniumfluoridlösung abgetrennt. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß bei (215) etwa 20 %ige H₂SiFg, bei (217) NH-*-Gas oder eine wäßrige Losung von NH-* in Wasser und bei (216) Luft zugegeben werden. Bei (218) erfolgt die Abnahme von ca. 25 %iger Ammoniumfluoridlösung,

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die weiterverarbeitet werden kann.

Mit einer besonders günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, Reaktionen so zu führen, daß auch größere Wärmemengen entstehen können, weil für einen raschen Abtransport der Wärme gesorgt werden kann.

In der Figur 5 ist eine solche Vorrichtung abgebildet. Wegen der exothermen Reaktion (bei der Umsetzung von H₂SiPg mit NH-, werden pro Mol H₂SiFg ungefähr 50 kcal frei), muß aus dem U-Reaktor Wärme abgeführt werden. Da dies wegen des großen Wärmeanfalls bei entsprechender Reaktionsgeschwindigkeit nicht über die Wand des Reaktionsrohres allein möglich ist, muß aus dem Überlaufrohr ein Teilstrom der Reaktionsmischung über einen Kühler dem Reaktionsgefäß über das Reaktionsrohr wieder zugeführt werden.

Die Hexafluorkieselsäure tritt oben in das Reaktionsrohr des U-Reaktors (301) ein und wird dort im unteren Teil mit dem aus der Leitung (302) austretenden Ammoniak zur Reaktion gebracht. Gleichzeitig wird in die Leitung (302) bei (310) Luft eingeblasen. Bei Verwendung von wäßriger Ammoniaklösung, die über die Pumpe (307) in den Reaktor · über die Leitung (302) hineingedrUckt wird, ist eine Luftzugabe nicht erforderlich. Zur Kühlung der Reaktionsmischung wird diese mit einer Pumpe aus dem Überlaufrohr in den Röhrenkühler (305) gedrückt und von dort in das Reaktionsrohr (301) zurückgeführt. Die Steuerung der Ammoniakzugabe erfolgt über den pH-Wert, der am oberen Ende des Überlaufrohres des Reaktors bei (303) gemessen wird. Von da aus gelangt die in dem Kühler (309) auf 30°C abgekühlte Reaktionsmischung in das mit einer Saugvorrichtung (308) versehene Drehfilter (304), auf dem die Abtrennung und Waschung der Kieselsäure er i'olgt.

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Das Waschwasser wird bei (311) zugeführt. Die dabei anfallende Kieselsäure, die in der Auffangvorrichtung (306) gesammelt wird, hat einen Wassergehalt von ungefähr 40 %. Wegen ihrer hohen Reaktivität ist sie besonders zur Herstellung von Wasserglas geeignet.

Das Filtrat geht vom Filter aus zur Weiterverarbeitung. Der dabei entstehende Ammoniak kann in gasförmigem Zustand (mit Wasserdampf gemischt) oder als etwa 25 - 30 %iges Kondensat wieder über die Pumpe (307) und die Leitung (302) in den U-Reaktor zurückgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mit Rührern versehen werden, die sowohl in einem als auch in beiden Schenkeln der U-förmigen Reaktionszone angeordnet werden können. Derartige Rührvorrichtungen sind erforderlich um eine gute Durchmischung der Reaktionspartner zu gewährleisten und um das Absetzen von Feststoffen zu verhindern. Zusätzlich können auch z.B. an den Rührwellen, Vorrichtungen angebracht werden, die eventuell an den Wänden festhaftende Verkrustungen oder Anbackungen abstreifen und somit den reibungslosen Reaktionsablauf sichern.

Die Konstruktionsmaterialien für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind beliebig; die Auswahl der zu wählenden Baumaterialien richtet sich nach den Reaktionsteilnehmern und den herrschenden Umwelt- und Reaktionsbedingungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich keineswegs nur auf die hier beschriebene Reaktion anwenden. In gleicher Weise können alle

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Reaktionen« die unter ähnlichen Bedingungen ablaufen, erfin dungsgemäß durchgeführt werden. So kann beispielsweise die Umsetzung von Hexafluorkieselsäure mit Aluminiumhydroxid zu Aluminiumfluorid, die Umsetzung von Polyalkoholen mit Äthylenoxid oder mit Propylenoxid nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren erfolgen. Ferner lassen sich auch Polyadditionsreaktionen von Isocyanaten mit Polyhydroxyverbindungen in leicht flüch tigen Lösungsmitteln, oder Quartern!erungsreaktionen mit Äthylbromid erfindungsgemäß durchführen.

Anhand der folgenden Beispiele soll das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert werden:

Beispiel 1

445 kg/h H₂SiF₆ gelöst in 957 kg/h Wasser (31,8 %ige Lösung) wurden bei 70⁰C unter dem hydrostatischen Druck'einer 7m hohen Flüssigkeitssäule mit 1170. kg/h einer 30 ?6igen Ammoniaklösung in dem erfindungsgemäßen U-Reaktor bei einem pH-Wert von 8,7 umgesetzt. Die entstandene NH^F-Lösung (675 kg/h NH₄F) enthielt 0,123 96 SiO₂.

Beispiel 2

Reaktion mit gasförmigem Ammoniak

400 kg/h H₂SiFg in 1600 kg H₂O wurden in dem erfindungsgemäßen U-Reaktor bei einer Temperatur von 70°C und einem pH-Wert von 9 mit 315 kg/h NH, umgesetzt. Mit dem Ammoniak wurden 15 l/h Luft in das U-Rohr eingeleitet. Die vom SiO₂ (160 kg/h) durch Filtration befreite NH^F-Lösung (605 kg/h) hatte einen Gehalt an SiO₂ von 0,145 %.

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Claims

2148313 Patentansprüche:

1) Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck bei denen die Reaktiönsteiihehmer in beliebiger Form vorliegen können, dadurch gekennzeichnet,. daß die Reaktion ohne Anwendung eines äußeren Druckes in einer von einer Flüssigkeit durchströmten U-förmigen Reaktionszone durchgeführt wird, wobei die Reaktipnspartner an beliebiger Stelle in den einen Schenkel der Reaktionszone eingeführt und am oberen Ende des änderen Schenkels die Reaktionsprodukte zusammen mit der Flüssigkeit abgeführt werden.

2) Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen gemäß Anspruch 1, wobei der die chemische Reaktion günstig beeinflussende Druck durch eine über der Reaktionszorle befindliche Flüssigkeitssäule erzeugt wird, bestehend aus zwei Rohren, einem Reaktionsrohr und einem Überlaufrohr die nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren verbunden sind.

J>) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Reaktionsrohr und dem Überlaufrohr ein Teilstrom der Reaktionsmischung entnommen wird und über einen Wärmeaustauscher wieder dem Reaktionsgefäß zugeführt wird,

4) Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3» für die Herstellung von Ammoniumfluorid und Kieselsäure aus Hexafluorkieselsäure und Ammoniak»

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