DE4436064A1

DE4436064A1 - Verfahren zum Durchführen einer Gas-Flüssigkeits-Reaktion

Info

Publication number: DE4436064A1
Application number: DE19944436064
Authority: DE
Inventors: Achim Dr Bartsch
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1994-10-10
Filing date: 1994-10-10
Publication date: 1996-04-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Reaktion zwischen einer Flüssigkeit und einem darin in Form von Gasbläschen dispergierten Gas. Dabei läßt man zur Verbesserung des Stoffaustausches Schallwellen auf das Gas-Flüssigkeits-Gemisch einwirken.

Bei vielen chemischen Reaktionen zwischen nichtmischbaren Phasen ist es wichtig, einen möglichst guten Stoffaustausch zwischen den Phasen zu erzielen. So laufen Reaktionen zwischen Flüssigkeiten und den darin dispergierten Gasen an der Phasengrenzfläche ab, und die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit ist häu fig durch den Stoffübergang des Gases in die flüssige Phase limitiert.

Bekannt sind Verfahren, die den Stofftransport eines Gases in eine Flüssigkeit beschleunigen und damit Energiekosten senken und/oder die Raum-Zeit-Ausbeu te erhöhen sollen. So wurde vorgeschlagen, die Reaktionsgeschwindigkeit in ei nem Verfahren zum Härten von ungesättigten Fetten durch katalytisches Hydrie ren mit Wasserstoff zu erhöhen, indem man Ultraschall hoher Leistung auf das Reaktionsgemisch einwirken ließ. Es wurden hohe Umsatzsteigerungen gemes sen (Moulton, K.J., S.Koritala, E.N. Frankel, JAOCS 60 (1983) 1257), die allerdings nicht auf eine Verbesserung des Stofftransports zurückzuführen sind (Jadhav, S.V., V.G. Pangarkar, JAOCS, 66 (1989) 362). Diese Erhöhung der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit durch Ultraschallwellen hoher Leistung beruht nach Untersuchungen des Erfinders vielmehr auf einer Temperaturerhöhung des Reaktionsgemisches. Vergleichende Messungen mit und ohne Einwirkung von Ultraschall hoher Leistung unter isothermen Bedingungen zeigten nämlich keine Unterschiede in den Gesamtreaktionsgeschwindigkeiten.

Der Anwendung dieses Vorschlags für industrielle Zwecke stehen weitere Nachteile entgegen. Die im Verfahren nach Moulton, Koritala und Frankel eingesetzte Schalleistungsdichte beträgt mehr als 100 Watt pro Liter Reaktionsvolumen und ist damit für industrielle Zwecke viel zu hoch. Zum anderen werden Ultraschallwellen in Gas-Flüssigkeits-Dispersionen sehr stark gedämpft, so daß die Beschallung größerer, für industrielle Zwecke geeigneter Reaktoren unwirtschaftlich ist.

Aus der Veröffentlichung von Jameson, G.J. in Trans. Instn. Chem. Engrs. 44 (1966) T91 ist ein weiteres Verfahren zum Steigern des Stoffaustausches in Gas-Flüssigkeits-Dispersionen durch Schallwellen bekannt. Hier wird eine Gas- Flüssigkeits-Säule mit niederfrequentem Schall in Resonanzschwingungen ver setzt. Auch dieses Verfahren ist für industrielle Zwecke nicht geeignet, da man im Falle größerer Reaktoren und damit hoher Gas-Flüssigkeits-Säulen mit sehr niedrigen Frequenzen, die unterhalb von 10 Hz liegen, und Amplituden von mehr als 0,5 m arbeiten müßte, um den Stofftransport in nennenswertem Umfang zu verbessern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge nannten Art zu entwickeln, das einerseits in industriellem Maßstab einsetzbar ist und andererseits wirtschaftlich arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenz des Schalls im wesentlichen gleich einer der Resonanzfrequenzen der Phasengrenz fläche zwischen den Gasbläschen und der Flüssigkeit ist und die Leistungsdichte des Schalls unterhalb des zur Entgasung der Flüssigkeit ausreichenden Werts liegt. Unter diesen Bedingungen wird der Stoffaustausch im Gas-Flüssigkeits- Gemisch deutlich verbessert und die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit bei einer Flüssigkeits-Gas-Reaktion wesentlich gesteigert.

Als Erklärung für die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird vermu tet, daß die Resonanzschwingungen an der Phasengrenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit zu einer intensiven und innigen Durchmischung von Gas und Flüssigkeit führt. Dabei können unterschiedliche Schwingungsformen an der Oberfläche der Gasbläschen angeregt werden. Besonders energiegünstig lassen sich die einzelnen Schwingungsmoden anregen, wenn man die Resonanzfre quenzen dieser Moden einstrahlt.

Die Resonanzfrequenzen der Oberflächenschwingungen von Gasbläschen in Flüssigkeiten können berechnet werden (Lamb, H., "Hydrodynamics" Cambridge University Press, 6th. ed. (1975) S.475). Sie sind abhängig vom Schwingungs mode, vom Bläschenradius, von der Oberflächenspannung und von der Dichte der Flüssigkeit. Alternativ lassen sie sich auch experimentell für die vorgegebe nen Verfahrensbedingungen ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet außerdem wirtschaftlich. Hohe Schall intensitäten sind unerwünscht. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es wichtig, daß die eingebrachte Schallenergie unterhalb einer bestimmten Schwel lenenergie liegt, um die Entgasung der Flüssigkeit zu vermeiden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Schallfrequenz so weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Volumenschwingung der Gasbläschen liegt, daß im wesentlichen keine Volumenschwingungen auftre ten. Die Resonanzfrequenz der Volumenschwingung der Gasbläschen kann nach bekannten Verfahren berechnet werden (Minneart, M. Philosophical Magazine Ser. 7, Vol. 16 (1933) 253).

Schallwellen in Gas-Flüssigkeits-Dispersionen werden nämlich besonders stark absorbiert, ohne zur Verbesserung des Stoffaustausches beizutragen, wenn die Frequenz der eingestrahlten Schallwelle größer oder gleich der Resonanzfre quenz der Volumenschwingung der Gasbläschen ist. Diese Volumenschwingung führt zu einer starken Energieabsorption. Werden Resonanzfrequenzen niedriger Oberflächen-Schwingungsmoden eingestrahlt, so kann diese Ausgestaltung der Erfindung realisiert werden, da diese Frequenzen im Fall üblicherweise auftretender Bläschengrößen weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Volumenschwingung liegen. Da die Schallwellen bei zunehmenden Abstand von der Schallquelle nur geringfügig an Intensität verlieren, läßt sich die Erfindung mit Vorteil also auch in besonders großen Reaktoren einsetzen.

In einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens wird die Erfindung zum Erhö hen des Stoffaustausches beim Härten von ungesättigten Fetten, Ölen, Fettsäu reestern und anderen Fettsäurederivaten, insbesondere nativen Ölen und Fetten durch katalytisches Hydrieren mit Wasserstoff eingesetzt. Dabei kann man das Verfahren in einer Blasensäule durchführen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnung beschrieben.

In diesem Versuchsbeispiel wird die Auswirkung von niederfrequentem Schall auf den Stoffaustausch und die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Härtung von Sojaöl in einer üblichen Blasensäule demonstriert. Die Reaktion wurde bei 180 °C und einem Wasserstoffdruck von 1 bar mit verschiedenen Konzentrationen eines handelsüblichen Härtungskatalysators (Typ G 53, Südchemie, München) im Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-% durchgeführt. Die Leistung der eingestrahlten Schallwelle betrug etwa 0,01 Watt und die Frequenz 230 +/- 20 Hz. Bei dieser Frequenz wurden die Oberflächen der Wasserstoffbläschen zu Resonanzschwin gungen angeregt. Es wurden Messungen mit und ohne Beschallung durchge führt und der jeweilige Umsatz gemessen.

Die Resonanzfrequenzen der Oberflächenschwingungen wurden bestimmt, indem der Klirrfaktor in Abhängigkeit von der Schallfrequenz gemessen wurde. Da die Bläschenoberflächen bei Resonanz verstärkt nichtlinear schwingen, liegen die Resonanzfrequenzen an den Maxima des Klirrfaktors.

Die Meßergebnisse sind in Fig. 1 graphisch dargestellt. Der Quotient aus der Wasserstoffkonzentration in der Gasphase und der Reaktionsgeschwindigkeit wurde über dem reziproken Wert der Katalysatorkonzentration aufgetragen.

Der Stoffaustauschparameter kLaG wurde aus den Meßwerten mittels der ebenfalls in Fig. 1 dargestellten Beziehung ermittelt. Dabei bedeuten

CG die Wasserstoff-Konzentration in der Gasphase,
rV die Reaktionsgeschwindigkeit,
kL der flüssigkeitsseitige Stofftransportkoeffizient,
kc der Stofftransportkoeffizient am Katalysator,
H die Henry-Konstante (= 6,27 im vorliegenden Fall),
Ccat die Katalysatorkonzentration,
aG die Phasengrenzfläche der Gasbläschen,
k die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und
A eine Konstante.

Aus den Messungen wurde der Stoffaustauschparameter kLaG zu 7,6 min-1 bei Durchführung der Reaktion ohne Schalleinwirkung und zu 10,4 min-1 mit Schall einwirkung bestimmt. Die Beschallung entsprechend der Erfindung verbessert damit den Stoffaustausch um 37%.

Claims

1. Verfahren zum Durchführen einer Reaktion zwischen einer Flüssigkeit und einem darin in Form von Gasbläschen dispergierten Gas, wobei man zur Verbesserung des Stoffaustausches Schallwellen auf das Gas-Flüssigkeits- Gemisch einwirken läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Schalls im wesentlichen gleich einer der Resonanz frequenzen der Phasengrenzfläche zwischen den Gasbläschen und der Flüssigkeit ist und die Leistungsdichte des Schalls unterhalb des zur Ent gasung der Flüssigkeit ausreichenden Werts liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfrequenz so weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Volu menschwingung der Gasbläschen liegt, daß im wesentlichen keine Volu menschwingungen auftreten.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Härten von ungesättigten Fetten, Ölen, Fettsäureestern und anderen Fettsäurederivaten, insbesondere nativen Ölen und Fetten durch katalyti sches Hydrieren mit Wasserstoff.

4. Anwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren in einer Blasensäule durchführt.