DE2157737A1

DE2157737A1 - Kontinuierliche verfahren in einem blasensaeulen-kaskadenreaktor

Info

Publication number: DE2157737A1
Application number: DE2157737A
Authority: DE
Inventors: Eckhart Prof Dr Blass; Wolf Dipl Ing Cornelius; Bodo Dipl Ing Dr Gross; Kurt-Henning Dipl Ing Koch; Jochen Dipl Chem Dr Meiners
Original assignee: Schering AG
Current assignee: Bayer Pharma AG
Priority date: 1971-11-22
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1973-05-30
Also published as: DE2157737B2; DE2157737C3; JPS5543383B2; JPS4863974A; GB1416194A; IT971062B; NL7215759A

Description

Kontinuierliche Verfahren in einem Blasensuulen-Kaskadcnreoktor

Zusatz ζυ DBP (Patentanmeldung^ ^XW lh)

Dem Hauptpatent lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Umsetzung von Flüssigkeiten mit Gasen oder von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit Feststoffen in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit Gasen und Feststoffen zu finden, bei dem durch entsprechenden Flüssigkeits- und Gasdurchsatz ein Verweilzeitverhalten ange- ' strebt wird, das dem einer idealen Rührkesselkaskade nahekommt oder entspricht.

Aus der deutschen Patentschrift 1 028 096 ist bereits der Versuch bekannt, durch Einbau von Siebböden, deren Löcher kleiner als 1 mm im Durchmesser sein müssen, in Strömungsreaktoren unterhalb der Siebböden Gaspolster zu erzeugen. Es konnte aber festgestellt werden, daß in der deutschen Patentschrift 1 028 096 keine Maßnahmen beschrieben worden sind, die zur reproduzierbaren Ausbildung von Gaspolstern ausreichend sind. t

Die Lösung der Aufgabe des Hauptpatentos (Patentanmeldung

ViWIW) ist ein Vorfahren zur kontinuierlichen Umsetzung von Flüssigkeiten mit Gasen oder von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit Feststoffen in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit Gasen und feinverteilten Feststoffen im Durchgang durch Reaktionsströmungsrohre", in die Lochplatten eingebaut sind, wobei Flüssigkeiten und, Gase in aufwärtsgerichtetem Gleichstrom die Rohre durchströmen und wobei durch entsprechenden Flüssigkeits- und

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Gcisdurchsatz ein Verweilzeitverhalten angestrebt wird, dos dem einer idealen Rührkesselkaskade nahekommt oder entspricht, dos dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reakticnsströmungsrohre so ausgebildet sind, daß .

1. das Verhältnis der gesamten freien Lochfläche einer Lochplatte z\m freien Reaktoi-querschnitt maximal 15 %, insbesondere maximal 5 %. beträgt und daß

2. die Lochplatten gegen die Reaktorwand gut abgedichtet sind und daß

3. die Lochplatten genau waagerecht eingebaut sind und daß

4. die einzelnen Löcher der Lochplatten gleichgroß sind und gleichmäßig über die Lochplatte verteilt sind υηά daß

5. der Locheinlouf scharfkantig, abgeschrägt oder düsenförmig ausgebildet ist und daß

6. dor Abstand zwischen zwei Lochp3citten gleichmäßig ist und größer als der dreifache Reaktordurchrnesser ist.

Die erfindungsgemaßü Abänderung des Hauptpatentes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen in Gegenwart von feinverteilten, katalytisch wirkenden Feststoffen vorgenommen wird.

Eine besondere Ausfuhrungsform dos erfindunrjsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der feinverteilt©, katalytisch wirkende Feststoff bis zu maxinal 20 % des Flüssigkeit smassenstroHes- ausmacht."

Bei der erfindungsgemäßen Auslegung dor geometrischen Abmessungen des Reaktors und der Lochplatten sowie bei dazugehörigen VoIu-

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menströmen von Gas und Flüssigkeit oder Suspension wird die axiale Rückvermischung der Phasen zwischen den einzelnen durch die Lochplatten gebildeten Reaktorabschnitten gehemmt bzw* sogar vollständig verhindert, wenn sich unter jeder Lochplatte stabile Gaspolster ausbilden, im folgenden „spezieller Stromunyszustand" genannt.

Durch den hohen Gasdurchsatz und durch die ständige Neudispergierung des Gases an den Lochplatten wird in den einzelnen Reaktcrab- ä schnitten der Flüssigkeits- und Gasinhalt turbulent durchmischt und somit ein hoher Stoffübergang erreicht. Bei Verringerung des Gasdurchsatzes unter den zur Polsterbildung erforderlichen Mindestwert wird /.war die Stoffübergangsintensität vermindert, jedoch wird bei. einer Reduzierung des Gasdurchsatzes, bis auf 50 % dieses Wertes die Rückvertnischung zwischen den Abschnitten noch ausreichend verhindert. Die geringere Stoffübergangsintensität ist bei reaktionsgeschwindigkeitsbestimmten Umsetzungen ohne Einfluß.

Der erfindungsgemäße Blasensäulen-Kaskadenreoktor für die kontinuierliche Umsetzung von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen und in Gegenwart von feinverteilten, katalytisch wirkenden. Feststoffen besteht aus einem Reaktionsrohr, in das Lochplatten eingebaut sind und durch des die Medien geführt werden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß

1. das Verhältnis der g^scmten freien Lochfleiche: einer Lochplatte zum freien Reaktorquercchnitt maximal 15 %, insbeson·

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dere maximal 5 %, beträgt und daß

2. die Lochplatten gegen die Reaktorwand gut abgedichtet sind und daß

3. die Lochplatten genau waagerecht eingebaut sind und daß

4. die einzelnen Löcher der Lochplatten gleichgroß sind und gleichmäßig über die Lochplatte verteilt sind und daß

5. der Locheinlauf scharfkantig, abgeschrägt oder düsenförmig ausgebildet ist und daß

6. der Abstand zwischen zwei Lochplatten gleichmäßig ist und größer als der dreifache Reaktordurchmesser ist.

Jeder Reaktorabschnitt enthält eine Sprudelschicht, deren Gas-Holdup mit zunehmender Höhe des Reaktorabschnittes größer wird. Soll eine Flüssigkeitsrückvermischung vollständig verhindert werden, dann befindet sich über der Sprudelschicht das genannte Gaspolster, das den Raum bis zum nächsten Boden ausfüllt. Jeder der Reaktorabschnitte stellt demnach einen Blasensäulenreaktor dar, so daß man den gesamten Reaktor als Blasensäulen-Kaskadenreaktor bezeichnen kann.

Wird durch das Gaspolster bzw. den entsprechend gewühlten Gasvolumonstrom eine Rückvermischung der Flüssigkeit bzw. der Suspension durch die Bohrungen der Lochplatten auf ein Minimum reduziert bzw. vollständig verhindert, dann zeigt der erfindungs-

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gemäße Blasensäulen-Kciskodanreator da ο gleiche Yorv/eil 20 it vor halten v/ie eine ideale Rührkesselkaskade, da das Gas gleichzeitig eine gute Durchmischung der Flüssigkeit in den einzelnen Rcaktorabschnitteri bewirkt.

Bekanntlich zeichnet sich die ideale Rührkesselkaskade dadurch aus, daß in jedem Rührkessel eine ideale Durchrnischung der Flüs- ^ sigkeit vorliegt und eine Rünkvermischuiig zwischen den einzelnen Rühikessoln nicht möglich ist. Eine geringe Rückvermischung der Flüssigkeit bzw. der Suspension durch die Bohrungen der Lochp.latten hat ebenfalls noch keinen meßbaren Einfluß auf das Verweilzeitverhalten.

Da sich der Blascnsäulen-Kaskadcnreaktor in Hinsicht auf' das Verweilzeitverhalten wie eine Rührkesselkaskade verhält, können zur Bestimmung der mittleren Verweilzeit und damit zur Abhängigkeit des Reaktorinhaltes vom geforderten Produktdurchsatz die bekannten Berechnungsgleichungen herangezogen werden (j. Kardos, Chem. Techn. ' 2/(1969) A₁ 218/220; 5, 275/280). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die gleiche Verweilzeitverteilung mit erheblich geringerem technischen Aufwand erzielt werden. Außerdem ist es möglich, beliebig lange Verwcilzoiten der Flüssigkeit bzw. der Suspension zu erzeugen.

Das erfindungsgei.iäßo Verfuhren wurde zunächst an einem für die Beobachtung der Po! s Lerbi.ld.ung und der Rückvcrtiii.schuna. geeigneten

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durchsichtigsn Modell eines Blasensäulen-Kaskadenreaktors durchgeführt. Abb. 1 zeigt den Reaktor im Zustand der Polstorbildung.

Das Gas strömt bei (a) unterhalb der ersten Lochplatte in den Reaktor. Oberhalb der ersten Lochplatte tritt bei (b) die Flüssigkeit bzw. die Suspension in den Reaktor ein. Die einzelnen Lochplatten (c) sind an einem Zentralrohr (d) verschiebbar befestigt. Abb. 2 zeigt eine Lochplatte mit einer geeigneten Lochteilung. Gegen die Innenwand des Reaktionsrohres (e) sind die Lochplatten durch geeignete Materialien, z.B. durch Ringe aus Viton (Fluorkautschuk, Handelsname der Firma DuPont) oder durch Stahlkolbenringe, abgedichtet (g).

Über der obersten Lochplatte werden Gas und Flüssigkeit bzw. Suspension aus dem Reaktor abgezogen und einem Trenngefäß (h) zugeleitet. Das Gas wird über einen Kreislaufkompressor (k) dem Reaktor wieder zugeführt. Die zur Reaktion notwendige Gasmenge wird bei (l) dem Gaskreislauf ständig zugesetzt. Die Flüssigkeit bzw. Suspension wird bei (in) dem TrenngefcJß entnommen.

Die Höhe der Sprudelschicht (n) und damit des Gaspolsters (o) kann durch Veränderung des Gas- bzw. Flüssigkeitsvolumenstromes (p, q) eingestellt werden.

Im einzelnen wurde der Einfluß von Reaktordurchmesser, Lochplattenabstand,, Lochzahl, Lochdurchmesser, Lochteilung, Plattendicke und Plattenabdichtung einerseits sowie des Flüssigkeits- und Gasvolu-

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menstromes und der Stoffwerte von Gas und Flüssigkeit wie Dichte, Zähigkeit, Oberflächenspannung andererseits auf die Gaspolsterbildung bzw. auf die Flüssigkeitsrückvermischung ermittelt.

Es zeigt sich, daß bei jeder Geometrie von Lochplatte und Reaktor zu jedem Flüssigkeitsdurchsatz ein kennzeichnender Gasdurchsatz gehört, bei dem die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst v/i rc!, daß λ gerade keine Rückvermischung durch die Lochplotten auftritt und daß sich ein Gaspolster unter den Lochplatten ausbildet. Dieser Strömungszustand ist als "spezieller Strö'niungszustand" bezeichnet worden. .. _f

Bei konstantem Lochdurchwesser und konstanter Lochzohl ninimt der zum Erreichen des "speziellen Strümungszustcmdes" erforderliche Gasdurchsatz mit steigendem Flüssigkeitsdurclisatz ab, v«'ährend gleichzeitig der Flüssigkeitsinhalt in den einzelnen Abschnitten zunimmt und die Gaspolstordicke abnimmt.

Mit doit folgenden Definitionen

w , . d «P w ,. d , γ

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gilt als Bedxiiyung für dio Gaspolsterbildung:

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Bei Gasen mit sehr niedriger Dichte zeigt sich eine deutliche Abweichung von der genannten Beziehung. ·

Der Gasdruckverlust des Blasensäulen-Kaskadenreaktors wird für alle untersuchten Stoffpaare und Geometrien für alle möglichen Strb'-mungszustcinde durch die folgende empirische-Beziehung mit einem Fehler von +_ 5 % wiedergegeben:

Mit der Definition

^hrGD

• <v

gilt im Bereich 3 . 10~ < Fr_GD <1O"³

Der Druckverlustbeiwert £ läßt sich durch folgende dimensionslose Beziehung ermitteln:

t - o,ö\ . { _{Fr h}; - υ,υι . ^ _Frh ;

Die in den Gleichungen verwendeten Symbole haben folgende Bedeu-.tungr " -

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d	Lochdur el imssser
D .	Reaktordurchmesser
g	Erdbeschleunigung
h	Lachplattenabstatid.,
η	Anzahl der Reaktorabschnitte
Λ P	Druckverlust
W	Geschwindigkeit
ε	Druckverlustbeivert
I	dynamische Zähigkeit
	Dichte
V\	relative freie Lochfläche
Fr	Froudezahl
Re	Reynoldszahl

Indices:

d · bezogen auf den Lochdurchmesser

D. bezogen auf den ' Reaktordurchmesser

G Gasphase

L Flüssigkeit

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Das erfindungsgemaße Verfahren eignet sich mit besonderem Vorteil zur Polymerisation ungesättigter Fettsäuren mit Hilfe von Tonkatalysatoren. Für dieses Verfahren wei-den ein- und mehrfach ungesättigte natürliche Fettsäuren mit 11 bis 22 Kohlenstoffatomen, insbesondere 18 Kohlenstoffatomen, z.B. Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure oder diese Säure enthaltende Gemische verwendet.

Als Katalysatoren dienen kristalline Tonmineralien, insbesondere solche mit höherem Anteil an Montmorillonit. Diskontinuierliche Verfahren zur Polymerisation von Fettsäuren mit Tonkatalysatoren sind in den deutschen Auslegeschriften 1 134 666 und 1 134 667 enthalten.

Die Tonmineralien können auch durch Zusatz von Alkali- bzw. Erdalkalisalzen, wie in der deutschen Auslsgeschrift 1 280 852 beschrieben, modifiziert sein. Die Modifizierung von Tonkatclysatoren für die Polymerisation von Fettsäuren mit Lithiumcalzen ist in den deutschen Auslegeschriften 1 443 938 und 1 443 968 beschrieben.

Für die erfindungsgsmäße kontinuierliche Polymerisation von Fettsäuren kommen Temperaturen zwischen 200 bis 280 C in Betracht. Um die Decarboxylierung der Fettsäuren bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Umsetzung ir? Gegenwart von 1 bis 5 % Wasser, bezogen auf das Gewicht der Fettsäuren, mitzuverwendon. Die Umsetzung wird vorzugsweise"unter Druck vorgenommen. Es ist auch möglich, die Umsetzung drucklos durchzuführen, wobei

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man dem Inertgas - hier wird Stickstoff bevorzugt -·= einen entsprechenden Anteil V/asserdampf xusetzt.

Der Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens, angewendet auf die Polymerisation von Fettsäuren, ist einmal in den üblichen Einsparungen bei kontinuierlichen Verfahren zu sehen. Ein spezieller Vorteil ist die durch den Gasdurchsatz bewirkte Reinigung des Produktes, die sich auf den Pritnärgeruch der daraus hergestellten Harze auswirkt.

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Tabelle Beispiele mit chemischen Umsetzungen on Blasensäulen-Kaskadenrecktoren

Flüssig-; fceit	Fest stoff	Flüssig- keits- u. Feststoff durchsatz	Gas I ■·	Gas durch satz	Druck/ Tempe ratur	Loeh-0 <oion- nen-0	freier Quer schnitt	mittlere' Verweil zeit	Kolon nenhöhe/ Boden anzahl	Fl'Ussigk. inhalt	Gasspol- ster- höhe
		kq/h		kg/h	cta/°C	mm	%	h	m/-	% ■	tnm
1) FTS	BCX	38 3,8	Stick stoff wasser dampf	14	4/265	4/150	4	1,5	7,6/11	60	20
2) FTS	BCX	.38 3,8	Stick stoff Wasser dampf	5	1/265	4/150	4		7,6/11	.60	20

Lesende; BCX = Ton-Katalysator FTS = TallölfettsGure

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Cs)

Claims

1. Abänderung des Verfahrens zur kontinuierlichen Umsetzung von Flüssigkeiten mit Gasen oder von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit feinverteilten Feststoffen in Gegenwart von Gasen oder von Flüssigkeiten mit Gasen und feinverteilten Feststoffen im Durchgang-durch Reaktionsströmungsrohre, in die Lochplatten eingebaut sind, wobei Flüssigkeiten und Gase in aufwärtsgerichtetem Gleichstrom die Rohre durchströmen, und wobei FlUssigkeits- und Gasdurchsatz so gewählt werden, daß sich unter den Lochböden Gaspolster bilden und das Verweilzeitverhalten dem einer idealen Rührkesselkaskade entspricht, bei dem das Reaktionsstrb'mungsrahr so ausgebildet ist, daß

1. das Verhältnis der gesamten freien Lochfiäche einer Lochplatte zum freien Reaktorquerschnitt maximal 5 % beträgt und daß

2. die Lochplatten gegen die Reaktorwand gut abgedichtet sind und daß

3. die Lochplatten genau waagerecht eingebaut sind und daß

4. die einzelnen Löcher der Lochplatten gleichgroß sind und gleichmäßig übor die Lochplatte verteilt sind und aaS

5. der Lacheiniauf scharfkantig, abgc?schi-ägt oder düsenförmig ausgebildet ist und daß

6. der Abstand zwischen zwei Lochplctten gleichmäßig ist und größer als der dreifache Reaktox-durchciessar ist,

gentöß Hnupfcpqtent , ·*,„ ,,. (Potentanmeldimg . ... ...)

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Patentobtöilung

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dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen in Gegenwart von feinverteilten, katalytisch wirkenden Feststoffen vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feinverteilte, katalytisch wirkende Feststoff bis zu maximal

20 % des Flüssigkeitsmassenstromes ausmacht. %

3. Blasensäulen-Kaskadenreaktor für die kontinuierliche Umsetzung von Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten in Gegenwart von Gasen und in Gegenwart von feinverteilten, katalytisch wirkenden Feststoffen, bestehend aus einem Reaktionsrohr, in das Lochplatten eingebaut sind und durch das die Medien geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

1. das Verhältnis der gesamten freien Lochflache einer Lochplatte zum freien Reaktorquerschnitt maximal 5 % betrügt

und daß (

2. die Lochplatten gegen die Reaktorwand gut abgedichtet sind und daß

3. die Lochplatten genau waagerecht eingebaut sind und daß

4. die einzelnen Löcher der Lachplatten gleichgroß sind und gleichmäßig über die Lochplatte verteilt sind und daß

5. der Locheinlauf scharfkantig, abgeschrägt oder düsenförmig ausgebildet ist und daß

6. der Abstand zwischen; ?weiLochplattsn gleichmäßig ist und größer als der dreifache Realctoruurdame^e* isrt

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