DE2363888A1 - Vorrichtung mit rotierenden werkzeugen zur kontinuierlichen behandlung von stoffen in fliessfaehiger form - Google Patents

Vorrichtung mit rotierenden werkzeugen zur kontinuierlichen behandlung von stoffen in fliessfaehiger form

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DE2363888A1
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AUER HANS HEINRICH
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    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
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    • B01J8/0015—Feeding of the particles in the reactor; Evacuation of the particles out of the reactor

Description

PATENTANWÄLTE
DR-JNG-VONKREISLfR DR.-ING. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH DIPL-ING. SELTING
5,KÖLN 1, DEICHMANNHAUS
20.12.1-975
Sch/Sd
Hans Heinrich Auer, 5038 Rodenkirchen, Oberbuschweg 227 Friedrich J. Zucker, 4o4l Norf, St. Andreas-Straße 16
Vorrichtung mit rotierenden Werkzeugen zur kontinuierlichen Behandlung von Stoffen in fließfähiger Form
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit rotierenden Werkzeugen zur kontinuierlichen Behandlung von Stoffen in fließfähiger Form zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter Verwendung eines Katalysators, gegebenenfalls unter erhöhter Temperatur und unter Druck.
Es sind sogenannte Kreiselhomogenisiermaschinen bekannt, bei denen in einem Gehäuse ein umlaufender Rotor angeordnet ist, dessen Stirnfläche mit Kränzen von Vorsprüngen versehen ist, die zwischen Kränzen von Vorsprüngen umlaufen, welche an einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Gehäuses angeordnet sind (Stator). Die Zuführung des Gutes erfolgt in der Mittelachse der Zahnkränze, wobei das Zulaufrohr zentrisch die Stirnfläche des Rotors mündet.
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Solche Kreiselmaschinen dienen einerseits als Zerkleinerung s- und Mischgeräte für verschiedene Flüssigkeiten oder pastose Massen, andererseits zur Herstellung von Emulsionen bzw. Suspensionen bzw. einer Dispersion, wo-
. 5 bei Feststoffe und Flüssigkeitsphase innig miteinander -vermischt werden. Die Werkzeuge der Vorrichtung bzw. des Kreiselgerätes arbeiten hierbei in rein mechanischer Weise, indem das zentral eingeführte Gut durch die rotierenden Werkzeugkränze unter Einfluß der Fliehkraft hindurchgetrieben und hierbei einer kontinuierlichen Schlag- und Scherwirkung ausgesetzt wird. Als Ergebnis erhält man eine Emulsion, eine Dispersion bzw. Suspension. In bezug auf den Werkstoff der Werkzeuge arbeitet das Kreiselgerät im wesentlichen chemisch neutral.
Viele chemische Reaktionen laufen nur in Gegenwart von Katalysatoren mit ausreichender Geschwindigkeit ab. Zu diesen Reaktionen gehört beispielsweise*die katalytische Hydrierung von hydrierbaren Materialien, wobei meist erhöhte Temperatur und ein Überdruck vorbestimmter Größe anzuwenden ist. Ein solches Hydrierungsverfahren geht im allgemeinen so vor sich, daß die Reaktanzen einem Reaktor zugeführt werden, in welchem sie mit einem in . dem Behälter eingesetzten Katalysator in Berührung gebracht werden. Das entstehende gewünschte Endprodukt wird alsdann von dem Reaktor abgezogen. Entsprechendes gilt für andere katalytische Verfahren.
Eine solche Apparatur ist verhältnismäßig aufwendig. Bei der kontinuierlichen Durchführung besteht die Gefahr, daß die Katalysatoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit verändern oder auch die Reaktionen in bestimmte =
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Richtungen lenken, an Aktivität dadurch verlieren, daß c-berf lächliehe- Ablagerungen iron harzigen !Reaktionsprodukten entstehen. . - .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Yorriehtung zur kontinuierlichen Behandlung von "Stoffen in fließfähiger Form zur DurcMührung von eheimiselaeia Meakfionen unter Verwendung eines Katalysators zu schaffen, die in baulicher Hinsieht weniger aufwendig ist, dabei jedoch einen großen Durchsatz ermöglicht und bei dter die .Aktivität des
3.0 Katalysators während des Prozesses weltgehend unverändert erhalten bleibt. Die Erfindung zeichnet sieh hierzu dadurch aus, daß ein an sich bekanntes Mreiselhomogenisiergerät axt rotierenden Werkzeugen, toei dem ein Rotor und ein Stator mit koaxialen Zahnkränzen gestaffelten Durchmessers zusammengreifen und auf das zwischen diesen Zahnkränzen hindurehgeführte Gut einwirken, verwendet wird, und ,daß der Katalysator ^mittelbar in der durch die Zahokräaaze verursachten Seher- nand Sehlagzone an den Zahnkränzen angeordnet· ist.
Durch die Vereinigung eines Kreiselgerätes alt rotierenden Merkzeugen und die Unordnung des Katalysators bzw. des katalytischem Materials unmttelbar in der durch die rotierenden Werkzeuge sieh ergebenden Seher- und Sehlagzone werden wesentliche Vorteile verschiedener Art für die Durchfuhrung von chemischen Reaktionen., die von der Verwendung des Katalysators abhängig sind, erzielt. In
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bezug auf die.Durchführung heterogen katalysierter Hydrierungen kann die Hydrlerleistung Insofern wesentlich verbessert werden, als bei einer vorgegebenen Hydrierleistung man mit einem weniger aktiven Katalysator bzw. Katalysatorsystem auskommt. Mittels der rotierenden Werkzeuge, die eine hohe .Umdrehungszahl haben können, wird das Reaktionsgemisch aus dem zu hydrierenden Einsatzmaterial, Wasserstoff und Katalysator sowie gegebenenfalls Begleitstoffen wie Verdünnungsmittel für das zu hydrierende Einsatzmaterial oder das Wasserstoffgas, einer raschen Aufeinanderfolge von starken Kompressionen und Dekompressionen bei gleichzeitiger Einwirkung hoher Scherkräfte unterworfen, wodurch sich die Geschwindigkeit katalytischer Hydrierungen erheblich erhöhen läßt. Innerhalb des Reaktionssystems der katalytischen Hydrierung werden höchste Drücke lokal erzielt. Auf diese Weise stehen Höchstdrücke für die Druckhydrierung innerhalb des Systems zur Verfugung, ohne daß es notwendig ist, von außen hohe Drücke in die Vorrichtung hereingeben zu müssen, Dabei entspricht die vom Gehäuse der Apparatur zu tragende Druckbelastung nicht etwa dem in der Kompression erreichten Maximaldruck, sondern einem viel geringeren Wert. Durch die schnelle Aufeinanderfolge von Hochdruck und Niederdruck innerhalb der Vorrichtung mit rotierenden Werkzeugen läßt sieh die Adsorption der zu hydrierenden Verbindung sowie des Wasserstoffs am Katalysator erheblich fördern. Die in der Scher- und Schlagzone sich ergebenden Turbulenzen in dem Gut, die durch kavitationsartige Schlagerscheinungen begünstigt werden, intensivieren die chemische Reaktion in erheblichem Umfange. Darüber hinaus hat die Scher- und Schlagwirkung, die " zwischen den rotierenden Werkzeugen auf das Gut ausgeübt wird, den weiteren Vorteil, daß diese Wirkung sich auch
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auf den in dieser Zone befindlichen Katalysator günstig auswirkt. Eine Beeinträchtigung der Aktivität des Katalysators durch oberflächliche Ablagerungen von harzigen Reaktionsprodukten od.dgl. wird vermieden. Dadurch, daß innerhalb der Scher- und Schlagzone auf eine Kompression unmittelbar wieder eine Dekompression folgt, hat dies zur Folge, daß etwa gebildete Verunreinigungen höher molekularer Art von dem festen Katalysator abgerissen werden. Die Oberfläche des Katalysators bleibt stets blank und damit hoch aktiv. Die beiden Merkmale bedingen sich zur Optimierung der Wirkung gegenseitig.
Die vorstehenden Zahnkränze, die bei dem Kreiselgerät miteinander zusammenwirken, können ganz oder teilweise aus dem katalytisch wirkenden Material bestehen. Zumindest weisen die Oberflächen der Zahnkränze das katalytisch wirkende Material in ausreichendem Maße auf. Dabei können sämtliche Zahnkränze aus dem gleichen katalytisch wirkenden Material gefertigt sein. Es können auch verschiedenartige katalytisch wirkende Materialien an den Zahnkränzen vorgesehen sein, so daß einige Zahnkränze bzw. deren Zähne oder VorSprünge mit dem einen katalytisch wirkenden Material überzogen bzw. aus diesem gefertigt sein, während bei den anderen Zahnkränzen bzw. Zähnen ein anderes katalytisch wirkendes Material vorgesehen ist. Die vorspringenden Kränze, die einerseits an dem Rotor und andererseits an dem Stator angeordnet sind, können durchgehende ringförmige Rippen sein, die in entsprechender Weise mit Lochungen bzw. Unterbrechungen versehen sind. Sie können aber auch aus einzelnen Zähnen verschiedener Gestaltung gebildet sein.
Soweit die Katalysatoren eine ausreichende mechanische
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Festigkeit aufweisen, können die Werkzeuge des Kreiselgerätes massiv aus diesen Katalysatoren bestehen oder zumindest eine genügend dicke Randzone aus dem Katalysatorwerkstoff besitzen. Die Auflageschicht kann durch - Aufdampfen, galvanisch oder durch Plattieren vorgenommen sein. Für solche Katalysatoren kommen insbesondere Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium in Frage, aber auch Molybdän, Chrom und Wolfram.
Wenn das katalytisch wirkende Material keine ausreichende Festigkeit zur Verwendung in dem Kreiselgerät besitzt, so werden diese katalytisch wirkenden Materialien zweckmäßig in einer Halterung aus inertem Werkstoff vorgesehen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Halterung aus einer korbartigen Umhüllung aus Stahl, z.B. ein Maschengewebe od.dgl., besteht, wobei im Innern dieses Korbes sich.das katalytische Material in Form eines Preßlings od.dgl. befindet. Für die Werkzeuge, d.h. für die Kränze, Zähne u.dgl., kann man auch einen Korb aus einem Material aus durchlochtem Blech verwenden.
Die verwendete Art des Katalysators hängt von der durchzuführenden Reaktion ab. So sind als katalytisch wirkende Materialien beispielsweise auch Oxyde und Sulfide von Molybdän und Wolfram, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Anwendung von Halogenwasserstoffen, z.B. für die Kohlehydrierung geeignet. Es kommen auch Eisenoxidmassen in Frage, die als wesentliche Komponente Eisenoxid, daneben die Oxide anderer Elemente wie Magnesium, Calcium, Titan, Mangan, Silicium, Aluminium, sowie der Alkalimetalle enthalten. Sofern solche katalytisch wirkenden Materialien nicht geeignet sind, daß daraus Preßlinge mit einer gewissen Formbeständigkeit gefertigt werden
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können, können solche katalytisch wirkenden Materialien : in flüssiger oder pastöser Phase an den Stellen des Kreiselgerätes, an denen die Zahnkränze von Stator und Rotor miteinander zusammenwirken, dadurch gegenwärtig gehalten 5- werden, daß das katalytisch wirkende Material durch Bohrungen im Bereich der vorspringenden Werkzeuge wie Zahnkränzen, Zähnen u.dgl. oder in diesen selbst zugeführt wird. Dies ist besonders vorteilhaft bei den am Stator sitzenden Werkzeugen.
Das katalytisch-wirkende Material, sofern es sich in flüssiger oder 'pastöser und damit fließfähiger Form befindet, kann auch dem Kreiselgerät zentral vor Beginn der Werkzeug'ringe zugeleitet werden, wofür eine gesonderte Zuführungsleitung vorgesehen sein kann, die konzentrisch zu dein Rohr angeordnet wird, in dem die Reaktanten dem Kreiselgerät zugeführt werden. Es ist.hierbei ferner möglieh, für das austretende Produkt eine Zurückführung vorzusehen, so daß ein Teil des Produktes im Kreislauf das Kreiselgerät mehrfach durchlaufen kann, um die Verweilzeit des zu behandelnden Stoffes an dem katalytisch wirkenden Material zu verlängern.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit rotierenden Werkzeugen gemäß der Erfindung im Schnitt, schematisch.
Pig. 2 stellt einen Ausschnitt der Werkzeuge in dem Rotor im Schema dar, wobei die Zähne oder Vorsprünge den Katalysator in Form eines Preßlings aufweisen.
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Fig. 3 ist eine- Ansicht in Richtung des Pfeiles III der .: Fig.' 2. ..*.:■■.■ -.'-.. ■ ;
In Fig.: 4 ist eine weitere Ausführungsform für die Zu-. ! führung des katalytisch wirkenden Materials zu der Scher- ; zone im Ausschnitt und schematisch veranschaulicht. ·
Die Vorrichtung, mit rotierenden Werkzeugen zur kontiriu- \ ierlichen Behandlung von Materialien in fließfähiger Form j unter Verwendung eines Katalysators ist in Form eines \ Kreiselgerätes 1 ausgebildet, in dessen Gehäuse 2 eine j Welle 3 in. Lagern 4 drehbar gelagert ist. Die Welle 3 ! wird von einem Motor 5 angetrieben, dessen Gehäuse das
Gehäuse 2 des Kreiselgerätes mittels der Arme 6 trägt.
Auf dem vorderen Rand der Welle 3 befindet sich eine ; Rotorscheibe 7. Die Stirnfläche des Rotors 7 ist mit meh- !
reren ringförmig verlaufenden vorstehenden Kränzen 8 ver- ί sehen. Diese Kränze 8 können ringförmig ununterbrochen ] ausgebildet und mit Lochungen versehen sein. Bei den Kränzen kann es sich auch um Zahnkränze handeln, wobei die · ; Zähne als· Vorsprünge beliebiger Art in Ringform angeord- j
net sind. Den Zahnkränzen 8 sind Zahnkränze 9 gegenüber- !
• liegend versetzt vorgesehen, die fest mit dem entsprechen-!
den Gehäuseteil 2a verbunden sind-und den Stator bilden, j Hierbei rotieren die Zahnkränze 8 zwischen den ortsfest j verbleibenden Zahnkränzen 9 des Gehäuses 2a. Das Gut wird I durch den Einlauf 10 zugeführt und durch den Auslauf 11 J abgeleitet. Es kann eine Umführungsleitung 12 mit Absperrorgan 13 für das Gut von der Auslaufseite 11 zu der Ein- ' | laufseite 10 vorgesehen sein. Durch die Drehung des Rotors 7 wird das zentral eintretende' Produkt radial beaufschlagt!
und zwischen den rotierenden und stationären Kränzen 8, j 9 hohen Scher-, Prall- und Kavitationskräften ausgesetzt. |
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Bei Verwendung von Katalysatoren fester, z.B. metallischer Art, können die Vorsprünge des Rotors und des Stators, die beispielsweise als Zähne, Stifte od.dgl. oder durch Lochungen in durchgehenden ringförmigen Rippen ausgebildet sind, ganz aus dem Katalysatorwerkstoff bestehen. Die VorSprünge können auch aus einer Außenschicht hinreichender Dicke aus dem katalytisch wirkenden Material gebildet sein, was durch Plattierung, Aufspritzen od.dgl. erfolgen kann. ·
Wenn das katalytisch wirkende Material in einer solchen Phase vorliegt, daß es sich zu hinreichend festen Preßlingen verpressen läßt, können dip Vorsprünge 14 für die Zahnkränze u;dgl. aus Halterungskörben 15 aus durchlochtem Blech, steifem Maschendraht od.dgl. bestehen. Diese Halterungen bilden Körbe, in denen die Preßlinge 16 aus katalytisch wirkendem Material in ihrer Lage gesichert werden. Die Körbe 15 können durch ringsherum verlaufende Fußleisten 15a mit dem Träger 17 fest und auswechselbar verankert sein.
Bei katalytisch wirkenden Materialien, die in mehr oder weniger niedrig-viskoser Phase sind, z.B. in flüssiger oder pastöser Phase, wird der Katalysator durch Bohrungen 18 den Vorsprüngen 9 des Stators 2a zugeführt. Diese Bohrungen können Verzweigungen I8a,b,c im Kopfteil der Vorsprünge aufweisen, so daß das katalytisch wirkende Material zu allen Stellen zwischen den Rotor- und Sta- ■ torspalten in ausreichendem Maße zugeführt werden kann. Die Bohrungen 18 sind an ein Verteilstück 19 angeschlossen, das in geeigneter Weise mit einer Pumpe 20 in Verbindung steht, durch die das katalytisch wirkende Material unter entsprechendem Druck in die Scher-, Prall- und Kavitationszone zwischen Rotor und Stator zugeführt wird.
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Die Reaktanten des zu behandelnden Produktes werden zweckmäßig durch getrennte Zulaufrohre 21 und 22 gegen die Stirnfläche 7a des Rotors 7 zugeleitet.
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Claims (6)

A ή s ρ r ü σ h. e
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von Stoffen in fließfähiger Form zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter Verwendung eines Katalysators, gegebenenfalls'unter erhöhter Temperatur und unter
- Druck, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes Kreiselgerät (1) mit rotierenden Werkzeugen, bei dem ein Rotor (7) und ein Stator (2a) mit koaxialen Zahnkränzen u.dgl. (8,9) gestaffelten Durchmessers zusammengreifen und auf das zwischen diesen Zahnkränzen u.dgl. hindurchgeführte Gut einwirken, verwendet wird, und daß der Katalysator bzw. das katalytisch wirkende Material unmittelbar in der durch das Zusammenwirken der Zahnkränze od.dgl. verursachten Scher-, Schlag- und Kavitationszone an den Scherwerkzeugen angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden Werkzeugkränze bzw. ein Teil davon unmittelbar aus katalytisch wirkendem Material bestehen bzw. zumindest die Oberflächen der Werkzeuge katalytisch wirkendes Material in haftfester Form aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge des Rotors und/oder Stators das katalytisch wirkende Material in Form eines Preßlings (16) od.dgl. enthalten, und daß die Preßlinge von einem porösen Mantel bzw. Korb (15) aus inertem Material, z.B. aus durchlochtem Blech bzw. Maschengewebe, in ihrer Lage an dem Träger gesichert sind.
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4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die die Preßlinge haltenden Körbe (15) auswechselbar an dem Träger angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet, daß die Scherwerkzeuge in Form einer massiven ringförmigen Rippe oder als Zähne mit nach außen führenden Bohrungen (18, I8a,b,c) versehen sind, durch die ein in fließfähigem Zustand befindliches katalytisch wirkendes Material unter Druck der Scherzone zugeführt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherwerkzeuge aus vorstehenden Ringen aus katalytisch wirkendem Material bestehen, und daß diese Ringe mit Lochungen versehen sind.
7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaufstutzen des Kreiselgerätes durch eine Rücklauf leitung (12) mit dem Είη^μΐ-stutzen zur ein- oder mehrmaligen Rückführung des behandelten Produktes verbunden ist.
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L e e r s e i t e
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