DE4242425A1 - Flüssigphasereaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Reaktor für die Kontaktierung eines Gases oder Dampf es mit einer Flüssigkeit zur technischen Reaktionsführung auch unter Beteiligung von Feststoffanteilen. Besondere Anwendungsgebiete sind die Biotechnologie, die Carbochemie, insbesondere bei der Umsetzung von Synthesegas zu flüssigen Produkten und die Anwendung bei der Flüssig-flüssig-Extraktion.

Es sind bereits Flüssigphasereaktoren bekannt, die zur Erreichung eines vollkommenen Umsatzes von Einsatzprodukten bzw. einer hohen Selektivität von Zielprodukten mehrstufig (L. K. Doraiswamy, M. M. Sharma, Heterogeneous Reactions-Analysis, examples and reactor design, J. Wiley and sons, New York 1984) ausgeführt sind, wobei ein effektives Gegenstromprinzip der zu kontaktierenden gasförmigen mit den flüssigen Komponenten realisiert wird. Die einzelnen Stufen sind mit Rühreinrichtun­ gen ausgerüstet, die Zonen erhöhter Zwangshomogenisierung und Dispergierwirkung in ihrer Nachbarschaft ausbilden und somit dazu beitragen, eine möglichst große Grenzfläche für einen begünstigten Stoffübergang zwischen den Phasen, auch durch Reduzierung unerwünscht großer Dicken der Diffusionsgrenz­ schichten, zu erreichen. Ausgehend vom makroskopischen Vermi­ schungszustand werden für einzelne Prozeßstufen die beiden Grenzfälle ideales Rührkessel- und ideales Strömungsrohrver­ halten unterschieden, wobei mehrere hintereinandergeschaltete, vollständig durchmischte Zonen bezüglich der Effektivität des Stoffaustausches zwischen den Phasen durch einem Strömungsrohr äquivalente Kriterien beschreibbar sind. Ein wichtiges Kri­ terium für den Wirkungsgrad des Stoffaustausches stellt die durch hydrodynamische Vorgänge bestimmte Verweilzeit im realen Apparat dar.

Laufen im Bilanzierungsraum zusätzlich chemische Reaktionen mit der ihnen eigenen Reaktionskinetik ab, so muß in dem nun als Reaktor bezeichneten Apparat die Reaktionszeit als weiterer Parameter berücksichtigt werden.

Bei den meisten bekannten Reaktortypen für Flüssigphaseprozesse sind keine besonderen Maßnahmen vorgesehen, um die hydrodyna­ misch bestimmte Verweilzeit der Reaktionszeit anzupassen und somit optimale Raum-Zeit-Ausbeuten, insbesondere für Zielpro­ dukte, zu erreichen. Zumindest für Blasensäulenreaktoren wird jedoch gelehrt (DD-PS 2 36 461 und 2 36 462), daß vertikale raumveränderliche Leiteinrichtungen dazu dienen können, eine Regelung von Strömungszuständen zwischen den beiden idealen Be­ triebsweisen herbeizuführen. Regelgrößen sind dabei die Temperatur- bzw. die Flüssigkeitsdurchsatzabhängigkeit. Für Rührreaktoren, die zusätzlich mit ihrem Antrieb mindestens durch einen damit zusammenhängenden Parameter charakterisiert werden können und somit mindestens einen weiteren Freiheitsgrad für reaktionstechnische Untersuchungen besitzen, ist eine miteinander gekoppelte Regelung von hydrodynamischer Verweil­ zeit und Reaktionszeit nicht bekannt. Das wird erst bei Rührkesselkaskaden über eine Zwischenregelung von Stoff- und Wärmeströmen möglich, die jedoch den Nachteil einer Nichtkom­ paktheit des gebildeten Reaktorverbundes besitzen. Eine bereits vorteilhafte Lösung stellen kaskadierte und gerührte Blasen­ säulenreaktoren dar (Verfahrenstechn. Berechnungsmethoden, Teil 5: Chem. Reaktoren - Ausrüstung und ihre Berechnung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981. Kap. 19 - Biochem. Reaktoren, wie auch z. B. die Schriften DD-PS 2 73 207 und 2 73 208). In ihnen befinden sich mehrere Rührorgane, auch in übereinanderliegenden Prozeßstufen, auf einer gemeinsamen Antriebswelle. Es wurden jedoch noch keine kaskadierten Blasen­ säulenreaktoren bekannt, in denen einzelne Rührorgane auch gemeinsam auf einer Welle angebracht, so beweglich angeordnet sind, daß die weiter unten ausgeführten Vorteile erreicht werden.

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines mehrstufigen Re­ aktors für die Kontaktierung eines Gases mit einer Flüssigkeit oder von zwei nichtmischbaren Flüssigkeiten unter Einsatz eines beweglichen Rührantriebes, durch den die hydrodynamische Ver­ weilzeit der Phasen der Reaktionszeit von Stoffkomponenten optimal angepaßt werden kann.

Aufgabe ist die Anpassung der Rotoren eines Rührantriebes eines mehrstufigen Reaktors an Böden und Leitflächen einer jeweiligen Prozeßstufe, dergestalt, daß die Strömung innerhalb des Reak­ tors einem Gegenstromprozeß beider Phasen wahlweise ohne und mit internen Rezirkulationskonturen entspricht. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß das Rührwerk der Vorrichtung mit axial verschiebbaren, auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Rotoren versehen ist. Das Rührwerk ist in der Regel axialsymme­ trisch so im Reaktor eingesetzt, daß jeweils ein Rotor einer Stufe zugeordnet ist. Einzelne, einander benachbarte Stufen kommunizieren flüssigkeits- und gasseitig miteinander. Ein be­ sonderer Erfindungsgedanke besteht darin, daß die dispergie­ rende und gleichzeitig das Zweiphasengemisch pumpenartig för­ dernde Wirkung der Rotoren - in Abhängigkeit von ihrer einstellbaren Höhenversetzung - um Leitflächen herum in einem wahlweise links- oder rechtsdrehenden Sinne erfolgt. Bei einer Stellung des Rotors oberhalb einer Leitfläche einer Stufe und unterhalb eines Bodens der nächsthöheren Stufe bewirkt eine linksdrehende Zirkulation um die Leitflächen herum und oberhalb des Bodens der nächsttieferen Stufe eine direkte Zuleitung des strömenden Mediums auf den am nächsten tiefer gelegenen Rotor. Im Ergebnis wird ein Kreuz-Gegenstrom der Phasen eingestellt, der bei schneller ablaufenden Reaktionen zu einer guten Ausnut­ zung der vorhandenen Konzentrationstriebkräfte führt und insge­ samt eine hohe Effektivität beim Stoffumsatz bewirkt. Wird ein Rotor hingegen so zwischen die Leitflächen und den Boden einer Stufe versetzt eingestellt, daß der Förderstrom in diesen ent­ sprechend gebildeten Strömungsraum gerichtet wird, so erfolgt eine Rezirkulation auf jede Stufe im rechtsdrehenden Sinne. Der Kreuz-Gegenstrom beider Phasen wird durch Rezirkulationsströ­ mungen überlagert, deren Rezirkulationsgrad über die Drehzahl des Rührwerkes gesteuert wird. Im Extremfall kann für eine Stu­ fe eine vollständige Rückvermischung eingestellt werden, wobei die Vorrichtung den Strömungscharakter eines Zellenreaktors ausbildet.

Zur optimalen Steuerung aufeinanderfolgender Schritte bei kom­ plizierten Reaktionsabläufen kann es zweckmäßig sein, das Rühr­ werk zu unterteilen und einander benachbarte Stufen gruppen­ weise zu steuern, d. h. es aufeinanderfolgend im nahezu idealen Kreuz-Gegenstrom zu betreiben. Es ist auch möglich, einzelne Rotoren unabhängig von anderen auf der gemeinsamen Welle zu verstellen, um diesen gruppenweisen Betrieb von Prozeßstufen zu ermöglichen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen zylindrischen Flüssigphasereaktor mit axial ver­ schiebbarer Welle und darauf starr angeordneten Rotoren im Kreuz-Gegenstrombetrieb der Phasen, linksseitig - ohne und rechtsseitig - mit Rezirkulation innerhalb einer Stufe,

Fig. 2 Eine Variante nach Fig. 1, für besonders gut koales­ zierende Medien,

Fig. 3 Eine entsprechende Variante für schaumausbildende Medien.

Gemäß Fig. 1 bis 3 sind in einem Behälter 1 im Wechsel Böden 2 und Leitflächen 3 angeordnet. Je Prozeßstufe befinden sich Ro­ toren 4 auf einer gemeinsamen Welle 5. Linksseitig abgebildet sind Rotoren 4, die sich im Zwischenraum unterhalb eines Boden 2 und einer Leitfläche 3 befinden, rechtsseitig Rotoren 4, die unterhalb einer Leitfläche 3 und oberhalb eines nächst tiefer liegenden Bodens 2 positioniert sind.

Das Gas durchdringt blasenförmig und überwiegend vertikal auf­ wärtssteigend die vorzugsweise vertikal abwärts fließende Flüs­ sigkeit (Pfeile) in einem Kreuz-Gegenstrom. Die Rotoren 4 sor­ gen für eine intensive Dispergierung der Gasphase in Nähe der axial verschiebbaren Welle 5, wohingegen in strömungsberuhigten Zonen Blasenkoaleszenz auftritt. Beides fördert intensive Aus­ tauschprozesse. Die Strömung ist auf den linksseitigen Abbil­ dungen so gerichtet, daß die Pumpwirkung der Rotoren 4 die Ab­ wärtsbewegung der Flüssigkeit fördert. Die rechtsseitigen Ab­ bildungen zeigen hingegen eine Rezirkulationsströmung, die der Abwärtsbewegung der Flüssigkeit überlagert wird. Damit wird die Verweilzeit beider Phasen in einer Prozeßstufe insgesamt ver­ größert. Mittels Bewegung der Welle 5 können beliebige Zwi­ schenzustände der Strömung eingestellt werden. Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flüssigphasereaktors nach Fig. 1 ergeben sich aus dem reaktionskinetisch bedingten Ver­ hältnis von Verweilzeit und Reaktionszeit. Der Reaktor nach Fig. 2 erlaubt bei kurzen Transportwegen für die Flüssigkeit die Einstellung auch kleiner Verweilzeiten und wird für schnel­ le Reaktionen eingesetzt. Der Reaktor gemäß Fig. 3 ist dagegen für die Durchführung langsamerer Reaktionen vorgesehen. Für schäumende Medien (ebenfalls Fig. 3) wird ein größerer Raum ge­ bildet, der für den Ablauf von Koaleszenzprozessen wesentlich ist und diese Reaktorvariante für einen Einsatz besonders in der Biotechnologie auszeichnet.

Claims (4)

1. Flüssigphasereaktor für die Kontaktierung eines Gases mit einer Flüssigkeit in mehrstufiger Ausführung mit Zonen ver­ stärkter Dispergierung der Phasen durch Rührantrieb, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Behälter (1) einzelne Böden (2) angeordnet sind, zwischen denen sich Leitflächen (3) befinden, jeweils eine Prozeßstufe bildend, je Prozeßstufe ein Rotor (4) vorgesehen ist, sich die Rotoren (4) mindestens zweier Prozeßstufen auf einer ge­ meinsamen Welle (5) befinden und die Rotoren (4) auf der Welle (5) für einzelne Prozeßstufen in Zwischenräumen

• - entweder vorzugsweise zwischen einem oberen Boden (2) und einer darunter liegenden Leitfläche (3)
• - oder zwischen gleicher Leitfläche (3) und einem darunter lie­ genden Boden (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (3) an den Böden (2) in ihren überwiegenden Flächen­ anteilen zueinander parallel angeordnet sind, wobei räumlich

• - entweder eine vertikale Vorzugsrichtung
• - oder eine horizontale Vorzugsrichtung
• - oder eine Richtung anders als vertikal oder horizontal bezüg­ lich dieser Flächenanteile vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (4) mit der Welle (5) vertikal positionierbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Rotoren (4) auf einer Welle (5)

• - einzeln positionierbar oder
• - gruppenweise gemeinsam positionierbar sind.