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Hintergrund
der Erfindung
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Industrielle
Reaktionen zwischen Reaktandgasen und Flüssigkeiten wie die Hydrierung
ungesättigter organischer
Verbindungen und solcher, die funktionelle Gruppen aufweisen, die
zur Kondensation fähig
sind, werden oft unter Verwendung feinverteilter pulverförmiger Katalysatoren
in Form dünnflüssiger Aufschlämmungen
in gerührten
Tankreaktoren durchgeführt.
Diese Suspensionsphasen-Reaktionssysteme sind von Natur problematisch
hinsichtlich der Sicherheit, der Führbarkeit und der Produktivität des chemischen
Prozesses. Die feinverteilten pulverförmigen Katalysatoren sind oft
selbstentzündlich
und erfordern aufwendiges Eingreifen des Bedienungspersonals während der
Reaktorbeschickung und der Filtration. Aufgrund der Eigenheiten ihrer
Heizzyklen zum Anfahren und Herunterfahren begünstigen Systeme in Form dünnflüssiger Aufschlämmungen
die Bildung von Nebenprodukten, welche die Standzeit des Katalysators
verkürzen
und die Ausbeute des erwünschten
Produkts vermindern.
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Eine
Möglichkeit
der Verwendung feinverteilter pulverförmiger Katalysatoren in gerührten Reaktoren ist
die Verwendung pelletierter Katalysatoren in Festbettreaktoren.
Wenngleich diese Reaktortechnologie viele der Handhabungs- und Abfallprobleme
beseitigt, haben eine Reihe ingenieurwissenschaftlicher Herausforderungen
die Anwendung der Festbettreaktortechnologie auf die Reaktion von
Gasen mit flüssigen
organischen Verbindungen nicht erlaubt. Ein Problem ist die Kontrolle
des Gesamt-Temperaturanstiegs und der Temperaturgradienten im Reaktionsprozess.
Ein zweites Problem ist, dass in gepackten Festbettreaktoren ein
signifikanter Druckabfall aufgrund der für die Hydrierung erforderlichen
hohen Fließgeschwindigkeiten
auftritt. Ein drittes Problem ist, dass die Gas/Flüssigkeit-Verteilung
problematisch ist und somit häufig
zu geringer Umsetzung und örtlichen
Konzentrationsgradienten führen.
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Monolith-Katalysereaktoren
sind eine Alternative zu Festbettreaktoren und haben gegenüber konventionellen
Festbettreaktoren eine Reihe von Vorteilen. Diese Reaktoren weisen
einen geringen Druckabfall auf, der es erlaubt, sie mit höheren Gas-
und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
zu fahren.
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Diese
höheren
Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
begünstigen
hohen Stoffaustausch und Mischen und die Parallelkanalauslegung
eines Monolithen verhindert das Zusammenfließen von Gas in der flüssigen Phase.
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Die
folgenden Patente und Artikel sind beispielhaft für den Stand
der Technik, da sie sich auf Gas/Flüssigkeit-Reaktionen beziehen.
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US 5,763,687 offenbart eine
Vorrichtung zur Herstellung von aromatischen Mononitro-Verbindungen. Der
Reaktor umfasst eine Röhre,
die mehr als ein verdrehtes, in Folge angeordnetes flaches Einsatzelement, so
dass ein vorderer Rand eines verdrehten flachen Einsatzelements
im wesentlichen rechtwinklig zum hinteren Rand des vorangehenden
Einsatzelements ist. Vorzugsweise umfasst der Reaktor eine Röhre und
eine hohlen Röhre
ohne flache Einsatzelemente darin.
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Patrick
et al., AICHE Journal, Band 41, Nr. 3 (März 1995) offenbaren einen Monolith-Reaktor
aus unbeschichtetem Cordierit und seine Verwendung bei der Bestimmung
der Verweilzeitverteilung und beim Entwerfen von Gas/Flüssigkeit-Reaktionen.
Flüssigkeit
und Gas werden in Fließrichtung
oberhalb durch den Monolith-Reaktor eingespeist, wobei das Reaktandgas
durch eine poröse
Glasfritte geleitet wird. Die durch das Leiten des Gases durch die
Glasfritte erzeugten Gasblasen sind typischerweise größer als
die Weite der Monolith-Kanäle.
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US 6,005,143 bezieht sich
auf eine Verbesserung eines Prozesses zur Hydrierung einer nitroaromatischen
Zusammensetzung, nämlich
Dinitrotoluol, indem das Dinitrotoluol mit Wasserstoff in einem
Reaktor unter Verwendung eines Monolith-Katalysereaktorsystems in
Kontakt gebracht wird. Allgemein beruht die Verbesserung auf der
kontinuierlichen, im Wesentlichen lösungsmittelfreien adiabatischen
Hydrierung von Dinitrotoluol zu Toluoldiamin in einem Monolith-Katalysereaktor,
der im Propfenstrom gefahren wird.
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US 4,428,922 offenbart eine
Methode zur Herstellung von Wasserstoffperoxid in einem Festbettreaktor
durch Verwendung eines statischen Mischers, um Wasserstoff mit der
Flüssigkeit
vor der Reaktion in einem Festbettreaktor vorzumischen.
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US 4,552,748 offenbart einen
Prozess zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, bei dem eine Arbeitslösung und
Wasserstoff in einer Aufwärtsströmung durch
einen Reaktor geführt
werden, der parallele Kanäle umfasst,
die ein daran befestigtes katalytisch aktives Material aufweisen.
Das Reaktionsprodukt wird aus dem oberen Teil des Reaktors abgezogen
und wieder verwendet.
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US 5,688,047 offenbart einen
statischen Mischer mit Mischelementen. Er umfasst ein Rohr und ein Mischelement,
das um einen Winkel von 90° um
die Rohrachse gedreht ist.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend einen Monolith-Katalysereaktor,
der einen Einlass und einen Auslass aufweist, und einen statischen
Mischer, der einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der
Auslass des genannten statischen Mischers mit dem Einlass des genannten
Monolith-Reaktors in Verbindung steht. Die Erfindung betrifft ebenfalls
eine Verbesserung eines Verfahrens, mit dem die Reaktion zwischen
einem Reaktandgas und einer Reaktandflüssigkeit in einem Monolith-Katalysereaktor
bewirkt wird. Die Verfahrensverbesserung beruht auf Einführen des
Reaktandgases und der Reaktandflüssigkeit
in den Einlass des statischen Mischers, Mischen des Reaktandgases
und der Reaktandflüssigkeit
darin, Ablassen der resultierenden Mischung aus Reaktandgas und
Reaktandflüssigkeit
durch den Auslass des statischen Mischers in den Einlass des Monolith-Katalysereaktors
und anschließendes
Reagierenlassen der resultierenden Mischung von Reaktandgas und
Reaktandflüssigkeit.
Die Mischung aus Reaktandgas und Reaktandflüssigkeit hat besondere Vorteile
hinsichtlich der Sicherheit bei der Hydrierung von Dinitrotoluol,
wenn sie in einer Aufwärtsströmung durch
den Monolith-Katalysereaktor geführt
wird.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren weisen beträchtliche Vorteile auf, welche
- • eine
Eignung, den Stoffaustausch von Reaktandgas und Reaktandflüssigkeit
in einem Monolith-Katalysereaktor zu erhöhen;
- • eine
Eignung, kurze Kontaktzeiten der Reaktanden zu ermöglichen
und dadurch Nebenprodukte zu minimieren und auch die Besorgnis über Zersetzung
des Reaktanden, des Reaktionsprodukts oder des Nebenprodukts zu
minimieren, wenn Regionen hoher Konzentrationen gebildet werden;
- • eine
Eignung, die Blasengröße des Reaktandgases
zu kontrollieren, die notwendig ist, um Taylor-Fluss in dem Monolith-Katalysereaktor
auf einer beständigen
Basis zu erreichen;
- • eine
Eignung, im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung
der schaumigen Gas/Flüssigkeit-Mischung über den
gesamten Querschnitt des Monolith-Katalysereaktors zu erreichen;
- • eine
Eignung, die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Produktivität zu erhöhen; und
- • eine
Eignung, den Durchsatz und die Effizienz des Monolith-Katalysereaktors
zu erhöhen,
einschließen.
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Kurzbeschreibung
mehrerer Ansichten der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines mit einem Monolith-Katalysereaktor gekoppelten
statischen Mischers.
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2 ist
eine isometrische Ansicht eines statischen Mischers, die ineinander
greifende und sich überschneidende
Furchen und Fließmuster
der einzelnen Mischelemente zeigen.
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3 ist eine Querschnittsansicht, die Fließsysteme
von Reaktandgas und Reaktandflüssigkeit
in den Kapillaren des Monolith-Katalysereaktors unter verschiedenen
Bedingungen veranschaulichen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung in einer
Vorrichtung für
Gas/Flüsskeit-Reaktionen
unter Verwendung eines Monolith-Katalysereaktors, insbesondere solche,
die zur industriellen Anwendbarkeit geeignet sind, z.B. solche,
die einen Durchmesser von 2–8
Fuß aufweisen.
Die Verbesserung in der Vorrichtung beruht auf die Koppelung des
Auslasses eines statischen Mischers an den Einlass eines Monolith-Katalysereaktors.
Im Hinblick auf die Prozessführung
werden Reaktandgas und Reaktandflüssigkeit in den Einlass des
statischen Mischers geführt
und in einer Aufwärtsströmung durch
diesen hindurch geführt, gemischt, über den
Auslass des statischen Mischers entfernt und dann in den Einlass
des Monolith-Katalysereaktors eingespeist werden. Die Reaktion zwischen
dem Reaktandgas und der Reaktandflüssigkeit findet in dem Monolith-Katalysereaktor
statt und das Reaktionsprodukt wird über den Auslass des Monolith-Katalysereaktors
abgezogen.
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In
vielen Fällen,
in denen im Stand der Technik die Verwendung von Monolith-Katalysatoren
in Festbettreaktoren versucht worden ist, wurde abwärts gerichtete
Strömung
verwendet. Es wurde gefunden, dass diese Flussrichtung bei manchen
Fließgeschwindigkeiten
zu stockendem oder umgekehrtem Fluss führen kann, insbesondere bei
den während
des Anfahrens erforderlichen. Solches Fließverhalten macht einen Abwärtstrom-Prozess
für Reaktionen
wie die Umwandlung von Dinitrotoluol zu Toluoldiamin nicht wünschenswert.
Die Bedingungen im Reaktor können
zu einem außer
Kontrolle geratenden Reaktor führen.
Jedoch sichert das Führen
von Reaktandgas und Dinitrotoluol-Reaktandflüssigkeit in einer Aufwärtsströmung durch
den statischen Mischers und den Monolith-Reaktor einen stabilen
Schaumfluss aus dem statischen Mischer und einen stabilen Taylor-Fluss
durch die Monolith-Kanäle des Reaktors
und minimiert dadurch die Möglichkeit
einer außer
Kontrolle geratenden Reaktion.
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Statische
Mischer sind bekannt und umfassen typischerweise parallele Platten,
die zueinander winklig eingefügt
sind. Insbesondere umfassen sie eine Vielzahl von Abteilungen, die
ein röhrenförmiges Gehäuse umfassen,
das eine Flussrichtung entlang einer Achse aufweist, die stationäre, starre Elemente
trägt,
die in der Flussrichtung ineinander greifende und sich überschneidende
Kanäle
bilden. Diese Kanäle
definieren einen gewundenen Weg vom Einlass zum Auslass des röhrenförmigen Gehäuses. Dieser
Weg ist so gestaltet, dass die ineinander greifenden und sich überschneidenden
Kanäle
eine Spaltung der Fluidströme,
eine Änderung
der Fluidströme
und dann ein Vereinigen dieser Fluidströme bewirken, während die
Flüssigkeiten
durch das röhrenförmige Gehäuse laufen.
Die Winkel, unter denen sich die abwechselnd parallelen Kanäle schneiden,
können
unterschiedlich sein, liegen aber typischerweise im Bereich von
45° bis
90°.
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Ein
Typ der statischen Mixer umfasst ein röhrenförmiges Gehäuse, das eine Wand aufweist,
eine Achse und eine Flussrichtung, wobei die Achse das Innere des
Gehäuses
in einen sich in Längsrichtung
erstreckenden ersten und zweiten Gehäuseinnensektor. Ein Mischelement
beinhaltet wenigstens zwei Mischabteilungen, von denen eine in einem
Gehäusesektor
angeordnet ist. Die Flussrichtung in den Mischabteilungen wird durch
parallele, in regelmäßigen Abständen angeordnete
Streifen festgelegt, die sich in der Flußrichtung nicht parallel zur
Gehäuseachse
erstrecken. Sobald das Fluid die Wandoberfläche berührt, wird sie aufwärts in den
nächsten
parallelen Streifen fließen
gelassen und in einen entgegengesetzten Fluss nicht parallel zu der
Achse gerichtet.
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Die
Form der Wände
der starren Elemente, welche die Kanäle definieren, kann variieren
und manche sind in Form von Furchen, Waffeln oder sie können gerade
sein. Die Kanäle
führen
Flüssigkeit
und Gas in dem statischen Mischer radial nach außen und dann radial nach innen,
wobei diese Fluide an den Schnittpunkten mit anderen in Kontakt
kommen und eine Aufteilung stattfindet. Typischerweise ist ein statischer
Mischer durch Kombination einer Vielzahl von einzelnen Abteilungen
zusammengesetzt, wobei die Abteilungen typischerweise um Inkremente
von 45° bis
90° um die
Längsachse
gegenüber
der vorhergehenden Abteilung gedreht sind, wie in 2 durch
die Pfeile gezeigt wird, so dass das Fließmuster verändert wird, wenn die Fluide
von Abteilung zu Abteilung strömen.
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Der
hier verwendete statische Mischer ist so gestaltet, dass die Verteilung
von Reaktandgas mit Reaktandflüssigkeit
durch die Kontrolle der Blasengröße bewirkt
wird. Die Blasengröße reicht
von 0.1–15
mm Durchmesser. Der Sollwert der Blasengröße reicht vom 0.5 bis 5-fachen
Wert der Kanalbreite oder des hydraulischen Durchmessers der Zelle,
vorzugsweise wird die 1 bis 3-fache Kanalbreite für Monolith-Katalysereaktoren
eingesetzt, wobei die Anzahl der Zellen pro Quadratzoll (cpi) 100
bis 1200, vorzugsweise 200 bis 600 cpi beträgt. (Der hydraulische Durchmesser
der Zelle ist definiert als die 4-fache Querschnittfläche eines
Kanals oder einer Zelle dividiert durch den benetzten Umfang.) Kontrolle
der Blasengröße wird
weitgehend vorgegeben durch die Gestaltung der Kanäle in dem
statischen Mischer und durch die Kontrolle der Fluidgeschwindigkeit
durch den statischen Mischer.
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Die
Blasengröße kann
vorbestimmt werden, indem veröffentlichte
Information verwendet wird, welche die Fließgeschwindigkeiten von Gas
und Flüssigkeit
gleichsetzt. Typischerweise werden in solchen Testverfahren Luft
und Wasser verwendet und für
die Bestimmung der Blasengröße auf Basis
einer Luft/Wasser-Mischung wird angenommen, dass sie mit der Blasengröße der Reaktandgas
und der Reaktandflüssigkeit
unter Prozessbedingungen korrelieren. Alternativ gibt es Wege, die
Blasengröße in dem
Reaktor zu messen, wie etwa Computer-Tomographie oder durch die
Verwendung von Laser-Analysatoren. Um einheitliche Reaktion zu erreichen,
sollte der Monolith-Katalysereaktor durch Messung der Basengröße kalibriert
werden.
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Monolith-Katalysatoren,
die in dem hier beschriebenen Prozess verwendet werden, bestehen
aus einem anorganischen, porösen
Material, einem metallischen Substrat oder einem modifizierten Substrat,
d.h. einem Monolithträger,
der mit einem katalytischen Metall beschichtet worden ist. Die Modifizierung
kann aus einer Beschichtung bestehen, die von einem Kohlenstoffpolymer
oder hitzebehandelten vernetzten Polymer abgeleitet sind. Oftmals
sind die Monolithen aus Waben von langen, engen Kapillarkanälen aufgebaut,
die eine kreisförmige,
quadratische, rechteckige oder eine andere geometrische Form haben,
wobei Gas und Flüssigkeit
gleichzeitig unter Bedingungen laminarer Strömung durch die Kanäle geführt werden.
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Der
Gas- und Flüssigkeitsstrom
in diesen begrenzten Kanälen
bei diesen Bedingungen fördert
den erwünschten "Taylor"-Fluss, bei dem H2-Gasblasen
durch die Flüssigkeit
gepresst werden. Diese Kapillarwirkung fördert sehr hohen Gas/Flüssigkeit-
und Flüssigkeit/Feststoff-Stoffaustausch. Taylor-Fluss
eines Gas/Flüssigkeit-Systems
ist derart, dass die Gasblasen eine im Wesentlichen einheitliche
Größe aufweisen
und von einem dünnen
Flüssigkeitsfilm
umgeben sind.
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3 veranschaulicht die Unterschiede hinsichtlich
der Blasen-Charakteristika
unter verschiedenen Flussbedingungen. Ziel ist es, im Wesentlichen
einheitliche Gasblasen zu erzeugen, die von einem dünnen Flüssigkeitsfilm
umgeben sind, wie in Ansicht (d). Andere Ansichten, wie etwa (a),
(b) und (c) zeigen variierende Gasblasengrößen, bei denen kleine Gasblasen
von großen
Mengen Flüssigkeit
umgeben sind, bis hin zu großen
Blasen wie in (e), (f), (g) und (h), die von nicht ausreichenden
Mengen Flüssigkeit
umgeben sind.
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Der
Druckabfall innerhalb eines effektiven Monolith-Katalysereaktors
kann von 2 kPa/m bis zu 200 kPa/m bei gemeinsamen Gas/Flüssigkeit-Oberflächengeschwindigkeiten
zwischen 0,1 bis 2 m/s und 50% Gas-Stillstand in einem Monolith-Katalysereaktor,
der 400 cpi (Zellen pro Quadratzoll) aufweist, reichen. Typische
Größenordnungen
des Wandabstands einer Monolithzellen mit Wabenstruktur reichen
von 0,5 bis 5 mm zwischen den Platten. Alternativ kann der Monolith
100 bis 1200, vorzugsweise 200 bis 600 cpi haben. Die Kanäle können quadratische,
sechseckige, kreisförmige,
elliptische usw. Form haben.
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Katalytische
Metalle, die für
die Reaktion geeignet sind, hängen
offensichtlich vom Reaktionstyp ab, der bewirkt werden soll. Beispielsweise
nutzen Hydrierungen organischer Verbindungen katalytische Metalle, mit
denen ein monolithisches Substrat imprägniert oder grundiert wird
oder die direkt auf ein monolithisches Substrat aufgetragen werden.
Die katalytischen Metalle umfassen solche der Gruppe VIb, Gruppe
VIIb, Gruppe VIII und Gruppe Ib des Periodensystems und die herkömmlich in
Hydrierungsreaktionen genutzt werden. Beispiele katalytischer Metallverbindungen
umfassen Kobalt, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Rhodium, Ruthenium,
Rhenium, Iridium usw. Oftmals wird eine Mischung von Metallen verwendet,
für die
ein Beispiel Palladium und Nickel sind. Für einen Monolith-Katalysator,
der mit einer Grundierung imprägniert
ist, wird die Zusammensetzung der katalytischen Metalle typischerweise
in Gewichtsprozent in der Grundierung selbst gekennzeichnet. Die
Grundierung kann in einer Menge von 1 bis 50% des Gesamtgewichts
des Monolithen angewendet werden. Typische Metallbeladungen liegen
dann in einem Bereich von 0,1 bis 25 Gew.-% und vorzugsweise von
1 bis 20 Gew.-% der Grundierung. Die katalytischen Metalle können auf
in der Technik anerkannte Weise in den Monolith eingebaut werden.
Anfängliche
Nässe einer
Salzlösung
des katalytischen Metalls stellt ein Beispiel einer Methode zum
Einbau einer katalytischen Metallkomponente in das Monolithsubstrat
oder den modifizierten Monolithen.
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In
bestimmten Hydrierungsreaktionen mit nicht miteinander mischbaren
Phasen kann ein Monolith-Substrat, beispielsweise ein anorganisches
oder auf Basis von Kohlenstoff, mit einem vernetzten Polymerfilm
beschichtet werden, das als Träger
für das
Metall dient. Für
hohe Reaktionsgeschwindigkeit und lange Katalysatorstandzeit ist
es bei nicht mischbaren flüssigen
Phasen vorteilhaft, eine Mikroporosität der Kohlenstoffoberfläche des
Polymerfilms zu beseitigen. Kleine und mittlere Porengröße in der
Oberfläche
neigen zu einer Deaktivierung des Katalysators, indem die Poren
mit Nebenprodukten höherer
Molmasse verstopft werden. Daher sollte ein Kohlenstoffmonolith,
ein mit Kohlenstoff beschichteter Monolith oder ein Monolith, der
mit Kohlenstoff und einem vernetzten Polymer beschichtet ist, eine
sehr niedrige Oberfläche
zur Erzielung optimaler Aktivität
haben, d. h. eine N2 BET von ungefähr 1 bis
15 m2/g totaler Oberfläche des Monolith-Katalysators.
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Um
einen mit Kohlenstoff und einem vernetzten Polymer beschichteten
Monolithen zu erhalten, der eine niedrige Oberfläche hat, können Polymerlösungen auf
die Wandoberfläche
aufgebracht werden und unter üblichen
Verkokungstemperaturen erhitzt werden. Beispiele von Polymerlösungen umfassen
Furfurylalkohol und Furfurylalkohol mit anderen Additiven, wie Pyrrol
und Polyethylenglykolmethylether, Epoxyharze mit Aminen, Epoxyharze
mit Anhydriden, gesättigte
Polyester mit Glyzerin oder anderen multifunktionalen Alkoholen, ölmodifizierte
alkydgesättigte
Polyester, ungesättigte
Polyester, Polyamide, Polyimide, Phenol/Formaldehyd, Harnstoff/Formaldehyd,
Melamin/Formaldehyd und andere. Das obige Vorgehen kann modifiziert
werden, indem ein handelsübliches
Furfuryl-Oligomer oder -Copolymer verwendet wird.
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Verkokung
der Polymerbeschichtung wird bei relativ niedrigen Temperaturen
bewirkt. Temperaturen zur Verkokung reichen von 250 bis 350°C gegenüber 550–900°C wie sie
gewöhnlich
im Stand der Technik verwendet werden.
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Zahlreiche
Reaktionstypen können
in dem Monolith-Katalysereaktor durchgeführt werden, aber hauptsächlich sind
Hydrierung und Oxidation die Schlüsselreaktionen. Hydrierung
einer großen
Vielzahl von Verbindungen kann durchgeführt werden, beispielsweise
von nitroaromatischen Verbindungen, Nitrilen, ungesättigten
organischen Verbindungen, wie beispielsweise ungesättigten
Aminen. Organische Verbindungen, die funktionelle Gruppen aufweisen,
können über eine
Kondensationsreaktion hydriert werden. Bevorzugte Verbindungen sind
nitroaromatische Verbindungen und diese umfassen Nitrobenzol, Nitrotoluole,
Nitroxylole, Nitroanisole und halogenierte nitroaromatische Verbindungen,
wobei das Halogen Cl, Br, I oder F ist.
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Um
das Verstehen des Betriebs der Kombination statischer Mischer/Monolith-Katalysereaktor
besser zu verstehen, wird auf die 1 verwiesen.
Der statische Mischer 1 umfasst eine Vielzahl von Abteilungen 3 und
ist an einen Monolith-Katalysereaktor 4 gekoppelt. Reaktandgas,
Reaktandflüssigkeit
und wahlweise ein Rücklauf
wird über
die Einlassleitungen 5, 7 und 9 in ein
Kreuzungselement eingeleitet. Die drei Fluide werden in dem Kreuzungselement
leicht gemischt und durch Leitung 11 abgezogen. An diesem
Punkt werden sie in den Einlass des statischen Mischers eingeleitet.
Während
die Fluide durch den statischen Mischer laufen, werden sie in einen
wechselnden winkelförmigen
Fließweg
geleitet, indem sie die Vielzahl von Abteilungen durchlaufen. Wie
gezeigt ist die Eingangsabteilung um die Längsachse des Fließwegs gegenüber der
nächsten
angrenzenden Abteilung 3a) orientiert, beispielsweise 3a (gezeigt
durch den Zwischenraum zwischen der Eingangsabteilung 3 und
der nächsten
angrenzenden Abteilung 3a). Eine schaumige Mischung aus
Gas und Flüssigkeit
wird durch den Auslass 13 abgezogen (wie durch den kleinen
Zwischenraum zwischen der letzten Abteilung 3 des statischen
Mischer 1 und Monolith-Katalysereaktor 4), der
ausreichend weit ist, um eine zuverlässige gleichmäßige Verteilung
des resultierenden Gas/Flüssigkeit-Schaums über den
Querschnitt des Monolith- Katalysereaktor 4 zu
gewährleisten.
Gleichmäßige Verteilung
erlaubt, dass alle Regionen des Monolith-Katalysereaktors 4 beständig Taylor-Fluss
erreichen und dadurch höheren
Stoffaustauschgeschwindigkeiten als andernfalls möglich wären. Die
Reaktion läuft
in der Vielzahl von Zellen 15 ab. Das Reaktionsprodukt wird
aus dem Monolith-Katalysereaktor 4 über die Leitung 17 zur
Gewinnung von Reaktionsprodukt und zur Rückgewinnung von nicht-reagiertem
Material.
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2 ist
eine isometrische Darstellung des statischen Mischers 1,
der eine Vielzahl von Mischabteilungen 3 aufweist. Das
Fließmuster
ist derart, dass im Wesentlichen parallele Kanäle 19 eine Mischung
aus Reaktandgas und Reaktandflüssigkeit
durch jede Abteilung leiten, zunächst
in einem Winkel radial auswärts und
dann einwärts,
während
sie in Fließrichtung
entlang der Längsachse
des statischen Mischers vom Einlass zum Auslass laufen (wie durch
die Pfeile A angedeutet). An den Schnittpunkten der Kanäle werden
die Fluide aufgrund der hervorgerufenen Turbulenzen in stärkerem Ausmaß gemischt,
als es in einem geradlinig durchlaufenden Fließschema erzielt würde. Um
den Mischprozess weiter zu verbessern, wird jede Abteilung gedreht,
typischerweise von 45° bis
etwa 90°,
und, wie durch die Pfeile B gezeigt wird, von einer vorhergehenden Abteilung
im Fließweg
um die Längsachse
des statischen Mischers 1, so dass es eine Flussumkehr
von Abteilung zu Abteilung gibt.
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Die
folgenden Bespiele dienen dazu, die verschiedenen und bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen, und sollen ihren Umfang nicht
beschränken.
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Beispiel 1
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Hydrierung von Dinitrotoluol
in einem System umfassend einen statischen Mischer und einen Monolith-Katalysereaktor
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Bei
der Durchführung
der Hydrierung von Dinitrotoluol wird ein Reaktor verwendet, der
aus einem zylindrischen Monolith-Reaktorbett besteht, das etwa 100'' hoch ist und 1'' Durchmesser
aufweist. Das Katalysatorbett wird aus einem handelsüblichen
Cordierit-Monolithträger
mit 40 Zellen pro Quadratzoll (cpi) hergestellt, der Zellen mit
quadratischem Querschnitt und einer 25%-igen Aluminiumoxid-Grundierung
und einer Katalysatorbeladung auf Basis von 20% Ni und 1% Pd auf
der Grundierung aufweist. Das Reaktorsystem wir ähnlich wie in 1 aufgebaut,
wobei das überschüssige Wasserstoffgas
unter Verwendung eines Kompressors zum Einlass des Reaktors zurückgeführt wird.
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Wasserstoff
wird im Vergleich zum stöchiometrischen
Bedarf für
die Hydrierung von Dinitrotoluol im Überschuss eingespeist. Das
Dinitrotoluol wird kontinuierlich als geschmolzene Flüssigkeit
ohne Verwendung von Lösungsmittel
eingespeist. Sowohl das eingespeiste Dinitrotoluol als auch der
zurückgewonnene
Wasserstoff werden in die Reaktionsmischung am Eingang des statischen
Mischers an einem Mischkreuz in die zurückgeführte Reaktionsmischung eingespeist.
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In
dieser Vorführung
wird der statische Mischer des Modells Nr. 1'' L4B8
verwendet, der aus 8 Elementen des Typs SMVL besteht, die jedes
1'' lang und 1'' im Durchmesser sind und von Koch-Glitsch,
Inc., hergestellt werden. Der statische Mischer des Typs SMVL erzielt
intensive Vermischung auf kurze Rohrlänge mit einem minimalen Druckabfall.
Mischer dieses Typs sind zweckmäßig gestaltet
für das
Mischen niederviskoser Flüssigkeiten
mit Flüssigkeiten,
Gasen mit Flüssigkeiten
und nicht mischbarer Fluiddispersionen und besteht aus gestapelten
gefurchten Blechen, die so orientiert sind, dass eine große Zahl
sich schneidender Fließkanäle entsteht.
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Das
Toluoldiamin und das Reaktionswasser werden kontinuierlich aus dem
Reaktorsystem entfernt. Die Arbeitsbedingungen der unten genannten
Läufe wurden
aus Daten für
Luft/Wasser ausgewählt,
um Taylor-Fluss zu erhalten. In den Monolith-Kanälen werden Gas- und Flüssigkeitsoberflächengeschwindigkeiten
im Bereich von 30–35
cm/sec angewendet. Typischerweise wird der Zulaufkonzentration an
Dinitrotoluol (DNT) im Bereich 0,5–2 Gew.-% gehalten, um eine
Umsetzung von mehr als 90% des DNT über das Monolithbett zu erreichen
und den adiabatischen Temperaturanstieg der Mischung zu begrenzen.
Die Zulauftemperatur wird ebenfalls angepasst, um diese Reaktionsgeschwindigkeit
zu erzielen.
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Der
verwendete statische Mischer ist so gestaltet, dass die erwünschten
Wasserstoffblasen der Größe 1 bis
3 mm einheitlich über
den Querschnitt des Reaktors bereit gestellt werden, um den Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch
zu erhalten, die benötigt
werden, um diese lebhafte Reaktion zu unterstützen. Wenn eine Wasserstoffgesamtkonzentration
von null angenommen wird, ist der niedrigste Mittelwert des Gas/Flüssigkeit-Stoffaustauschkoeffizient
kLa 1 sec–1.
In der Realität
wird die Wasserstoffgesamtkonzentration in solchen Verfahren selten
auf null getrieben, so dass der Mittelwert kLa
im Bereich 2–5
sec–1 erwartet
wird, einem exzellenten Ergebnis. Dies ist ein Beweis dafür, dass
der statische Mischer die notwendigen Flussbedingungen bereitstellt und
DNT und die Größenverteilung
der DNT- und Wasserstoffblasen, um kommerziell brauchbare Reaktionsgeschwindigkeiten
zu unterstützen.
Der Druckabfall über
den statischen Mischer liegt generell unter 2 psig und der Druckabfall über das
gesamte Monolithbett liegt unter 15 psig, was auch die Anwendbarkeit
dieses Prozesses erhöht,
indem die erforderliche Energiezufuhr für die Pumpe zur Rückführung der
Flüssigkeit
und den Kompressor zur Rückführung des
Wasserstoff reduziert wird.
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Jeder
Einspeisungsstrom wird in einer Aufwärtsströmung durch den statischen Mischer
und in den Monolith-Katalysereaktor geleitet. Das Reaktionsprodukt,
das Produkt und nicht abreagierte Einspeisung enthält wird
vom Reaktor abgefangen. Nicht abreagierte Verbindungen im Reaktionsprodukt
werden in den statischen Mischer und dann durch den Reaktor zurückgeführt. Die
folgende Tabelle legt Bedingungen repräsentativer Läufe dar.
- 1
gph bedeutet Gallone/Stunde
- 2 acfh bedeutet effektive Kubikfuß/Stunde
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Wie
man sieht, werden hervorragende DNT-Umsetzungen erhalten, ohne dass über einen
längeren Zeitraum
Prozessabweichungen beobachtet werden.
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Wenn
der Prozess in Abwesenheit des statischen Mischers gefahren wird,
treten erheblich Schwierigkeiten auf, während des Anfahrens Taylor-Fluss
im Monolith-Katalysereaktor zu erreichen. Zahlreiche Prozessabweichungen
werden beobachtet, die den Prozess hinsichtlich der Sicherheit und
der Ausbeute unbefriedigend machen.
