DE69502284T2

DE69502284T2 - Drehströmungsreaktor

Info

Publication number: DE69502284T2
Application number: DE69502284T
Authority: DE
Inventors: Paul Ayoub; Jean Ginestra
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1994-06-25
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: CN1086309C; CA2193835C; PL179364B1; CA2193835A1; AU2886495A; ES2115388T3; EP0767704B1; CN1151126A; PL317935A1; WO1996000126A1; JPH10502014A; KR970703809A; EP0767704A1; US5518700A; TW284703B; KR100383023B1; DE69502284D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf chemische Reaktoren.
Zu gewährleisten, daß reagierende Spezien einen optimalen physikalischen Kontakt erzielen, kann zu den schwierigsten Herausforderungen bei der Entwicklung chemischer Reaktoren zählen. Wenn es nicht richtig gemacht wird, können zahlreiche unerwünschte Nebenprodukte und ein Überschuß an nicht reagierten Reaktanten die Wirtschaftlichkeit des Systems ernsthaft untergraben. Das Volumen der Reaktionszone, der Reaktortyp (d.h. Chargen-Reaktor, Strömungsreaktor, Rührtankreaktor oder Kombinationen davon), thermische Effekte, Reaktionsmechanismen, Reaktanten- und Produktdiffusion, Druckeffekte und andere Faktoren müssen alle bei der Auswahl und der Herstellung eines Reaktors in Betracht gezogen werden, der für den Einsatz in einer vorgegebenen Reaktion am besten geeignet ist.
Natürlich hat die Art der Reaktion, die in dem Reaktor auftreten soll, viel mit der Wahl des Reaktors zu tun. Wenn ein Reaktionsmechanismus nur die biomolekulare Kollision von kleinen Molekülen verwendet, ist alles, was notwendig ist, ein Kontakt zwischen den beiden Spezien in einem Energiezustand, der eine gute Chance für das Auftreten einer Bindung bietet. Reaktanten mit einer speziellen Verweilzeit in einem Reaktor zur Verfügung zu stellen, kann notwendig sein, um den Prozentsatz an atomaren oder molekularen Kollisionen zu erhöhen. Wenn jedoch einer oder mehrere der Reaktanten in der Lage sind, an mehreren verschiedenen Stellen eine Verbindung einzugehen, kann eine größere Verweilzeit auch zur Erzeugung zahlreicher Nebenprodukte führen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn Diolefine als Reaktanten verwendet werden. Somit muß ein Kompromiß zwischen dem Erreichen einer vollständigen Reaktion und einem Überreagieren oder falschen Reagieren der Reaktanten gesucht werden. Die Kinetik der Reaktionen, welche mehr als bloß einfache bimolekulare Kollisionen erfordern, ist noch komplexer und erhöht die Anzahl der Faktoren, die berücksichtigt werden müssen.
Rückmischung ist ein weiteres Phänomen, das zu einer weiteren Reaktion der Reaktorprodukte beitragen kann. Das Rückmischen ist das Vermischen eines Moleküles oder eines Zwischenproduktes, das im Reaktor über eine vorgegebene Zeitspanne anwesend war, mit einem Molekül oder Zwischenprodukt, das im Reaktor über eine kürzere Zeitspanne vorgelegen ist. Das Ausmaß der Rückmischung, das auftritt, hängt mit der Reaktorgeometrie und -art, der Strömungsdynamik und anderen Faktoren zusammen, die bei den Reaktorvorgängen mitspielen, wie oben erwähnt.
Im kommerziellen Betrieb ist die wirtschaftliche Auswirkung eines speziellen Entwurfsmerkmales kritisch. Diese Faktoren umfassen die theoretische Ausbeute, Nebenreaktionen und den Prozeßfluß. Jeglicher Prozeß, der in Konkurrenz mit der gewünschten Reaktion tritt, führt zu einem Wertverlust bzw. zu erhöhten Kosten, u.zw. auf Grund der Rezirkulation unerwünschter Spezien und der Trennung und Behandlung der Nebenprodukte. Andere Kosten, wie die Kosten einer vermehrten Anlagenwartung auf Grund von Problemen wie Verkokungsbewuchs, können ebenfalls auftreten.
Es ist hinlänglich bekannt, daß der Entwurf von kommerziellen chemischen Reaktoren nicht auf eine rein theoretische Behandlung zurückgeführt werden kann. Typischerweise beginnt man den Prozeß durch Berücksichtigung der Reaktionsart (z.B. Reaktionskinetik), der katalytischen Anforderungen, der involvierten Phasen, der Temperatur- und Druckauswirkungen auf die Reaktion, der Produktionsanforderungen, der Wärme- und Massentransfereffekte auf die Reaktion, und von Hilfsfaktoren wie beispielsweise ob eine Korrosion des Reaktionsgefäßes wahrscheinlich ist. Dann wählt man typischerweise einen idealen Reaktor, der angesichts dieser Faktoren am besten geeignet erscheint. Beispielsweise wird man, wo der Reaktionsmechanismus bereits anregt, daß eine Rückmischung besonders schädlich wäre, mit der Analyse eines Idealströmungsreaktors beginnen. Wo eine Rückmischung erwünscht ist, kann ein Rührtank gewählt werden.
Wenn der ideale Reaktor einmal gewählt ist, bestimmt man dann typischerweise Korrekturfaktoren, um die Abweichungen zwischen dem idealen und dem realen Verhalten der Reaktion zu berücksichtigen. Dies ist notwendigerweise ein experimenteller Vorgang. Sobald die Korrekturfaktoren bestimmt sind, kann der Reaktorentwickler dann Parameter wie die Reaktorgröße und -form bestimmen, ob der Entwurf (die Type) hybridisiert werden sollte, und Steuerungen für die Parameter wie Temperatur und Druck. Zu diesem Zeitpunkt kann man bereits die Information haben, die notwendig erscheint, um einen Versuchsreaktor zu konstruieren. Versuchsreaktoren werden dann hergestellt und getestet.
Der Sprung vom Entwurf eines Versuchsreaktors zum Entwurf und zu der Produktion eines kommerziellen Reaktors im richtigen Maßstab ist notwendigerweise ein schwieriger Schritt. Beispielsweise können alleine Anderungen des Reaktorvolumens die Betriebsparameter gegenüber dem stark verändern, von dem zuvor angenommen wurde, daß es ein gut verstandenes System ist. Strömungsdynamik, die Art der Reaktionsstellen, die Reaktionsarten, und Massen- und Wärmetransportüberlegungen komplizieren weiter das Problem.
Das Ausmaß, in dem die Reaktionsbedingungen gesteuert werden können, wird großteils von der Art von Vorrichtung diktiert, die zur Durchführung der Reaktion verwendet wird. Zahlreiche Reaktoren wurden entwickelt, um spezielle Probleme zu lösen. Beispielsweise beschreibt die US-PS 2 763 699 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer homogenen Turbulenz von gasförmigen Reaktanten in gekrümmten Reaktoren durch tangentiale Positionierung von Einspritzdüsen an der Innenoberfläche des Gefäßes. Es wurde gefunden, daß die Verwendung des darin offenbarten Reaktors die Ausbildung von Kohlenstoffablagerungen herabsetzt, welche die Herstellung von Allylchlorid aus Propylen und Chlor begleitet. Die tangentiale Einspritzung führte im wesentlichen zu einer zweidimensionalen Strömung von Reaktanten, welche der Innenoberfläche des Reaktors folgte.
Die US-PS 4 590 044 ist ein Beispiel eines Reaktors, der zur Verbesserung des Effektes der Temperaturveränderbarkeit in endothermen und exothermen Reaktionen entwickelt wurde. Dies wird mit Hilfe einer Anzahl von Umlenkblechen bzw. Reaktionszonen im Inneren des Reaktors durchgeführt.
Das japanische Patent J73032087-B offenbart einen Reaktor, der speziell für die Gasphasenchlorierung von Kohlenwasserstoffen konstruiert ist. Das zum Mischen der Reaktanten verwendete Gefäß ist länglich mit zwei einander gegenüberliegenden parallelen flachen Oberflächen und zwei einander gegenüberliegenden gekrümmten Oberflächen (im Querschnitt gesehen). Strahlrohre werden verwendet, um den vorerhitzten Reaktanten in das Gefäß tangential und an gegenüberliegenden Seiten einzubringen, so daß sich ein Wirbel bildet. Es wird behauptet, daß dies höhere Reaktionswärmen und eine bessere Vermischung gegenüber der vorhergehenden Reaktorkonstruktion ermöglicht. Die Reaktionszone bzw. die Zone, in welcher die Reaktion im Inneren des Reaktors auftritt, ist im wesentlichen das gesamte Innenvolumen des Reaktors. Obwohl das tangentiale Einbringen der Reaktanten einen Verwirbelungseffekt erzeugt, ist dieser Effekt vorwiegend auch ein zweidimensionaler Effekt. D.h., die Verwirbelung tritt im wesentlichen in einer Ebene auf und folgt der Innenoberfläche des Reaktors. Darüber hinaus kann es, weil die Reaktionszone im wesentlichen das gesamte Innenvolumen des Reaktors umfaßt, nur eine Reaktionszone geben.
Das belgische Patent Nr. 742 356 beschreibt ein Verfahren zum Synthetisieren von Allylchlorid durch Gasphasensubstitutionschlorierung von Propylen. Die in diesem Verfahren verwendeten Reaktoren haben eine Anzahl von Reaktionszonen. Das Verfahren wurde jedoch speziell dafür entwickelt, das zu vermeiden, was der Erfinder als das "komplexe Design" betrachtet, was bei Reaktoren erforderlich sei, die einen Verwirbelungs- bzw. Zykloneffekt für die Reaktanten verwenden. Somit umfaßt auch hier die Reaktionszone in dem System im wesentlichen das gesamte Innenvolumen des Reaktors. Die in dem Patent angeführten Beispiele verwenden eine Anzahl von rohrförmigen Reaktoren, um diese Methode durchzuführen.
Dykyj et al. beschreiben einen Zyklonreaktor in "High Temperature Chlorination of Propylen in a Cyclonic Reactor", International Chemical Engineering (Tschechoslowakei Jänner 1962). Diese Konstruktion verwendet Strahlrohre, die Reaktanten tangential zur Innenoberfläche eines zylindrischen Gefäßes einbringen. Die Strahlrohre liegen einander bezüglich der Mittelachse des Reaktors gegenüber. Sie sind jedoch etwas versetzt, so daß sie einander nicht direkt gegenüberliegen. Dies bewirkt, daß die Reaktanten konzentrisch zur Innenoberfläche des Reaktionsgefäßes wandern, so daß ein Zykloneffekt erreicht wird. Die Autoren nahmen an, daß im Mittelteil des Reaktors keine Vermischung auftreten würde, und füllten diesen Bereich des Reaktors mit einem Metallkern. Die Reaktionszone bei dieser Anordnung erscheint daher als Zylinder mit hohlem Kern (d.h. Donut-förmig). Die Bewegung der Reaktanten erfolgt im wesentlichen in zwei Dimensionen, die sich in einer kreisförmigen Ebene mit einem Loch in der Mitte befinden.
Wenn ein Reaktant gegen eine Oberfläche des Reaktors gerichtet wird, wie im Falle der tangentialen Einspritzung, treten zusätzliche Überlegungen auf. Beispielsweise erfordert der Reaktor, wenn der Reaktant ein korrosives Material wie Chlor ist, eine spezielle Konstruktion. Ein solches Verfahren ist es, die Innenoberfläche des Reaktors mit einer Nickelbeschichtung zu versehen. Solche Maßnahmen können die Kosten des Reaktors dramatisch erhöhen.
Turbulenz-, Wirbel- und Zyklonströmungsreaktoren erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den reagierenden Spezien über das Maß hinaus, das sich ergibt, wenn die Reaktanten in einen Reaktor lediglich eingespritzt werden, ohne eine Bewegung der Reaktanten zu erzwingen. Reaktoren nach dem Stand der Technik führen jedoch hauptsächlich eine Bewegung in einer einzigen Ebene herbei. Im besten Falle erfolgt bei diesen Reaktoren eine Mitstromvermischung. Dies ist vorwiegend ein Makromischeffekt, welcher Schichten faltet oder eine Gesamtströmung dem Strom der Reaktanten erteilt. Einige molekulare Kollisionen treten zwischen den strömenden Ebenen auf, aber sie sind verhältnismäßig wenig in der Zahl und treten eher zufällig als konstruktionsbedingt auf. Die Zufuhr von Wärme und längere Verweilzeiten können verwendet werden, um solche Kollisionen herbeizuführen, aber Ausbeute- und Selektivitätsverluste begleiten im allgemeinen solche Maßnahmen, wie oben erörtert. In vielen Fällen wird ein adiabatischer Reaktionsentwurf vorgezogen, so daß die Zufuhr von Wärme zur Erzielung einer größeren Kollisionsfrequenz nicht möglich ist.
Diese Probleme sind verschärft, wo mehrere mögliche Reaktionsmechanismen zwischen den Reaktanten auftreten können. Die Reaktion zwischen ungesättigten Kohlenwasserstoffen und Halogenen ist ein gutes Beispiel für einen solchen Fall. Es könnten Substitutsreaktionen, Additionsreaktionen oder beides auftreten. Substitutionsreaktionen werden bei der Herstellung von Allylchloriden aus Propylen und Chlor bevorzugt. Höhere Temperaturen sind häufig erforderlich, um Bedingungen zu erzeugen, die für Substitutionsreaktionen günstiger sind als für Additionsreaktionen. Unglücklicherweise können zu hohe Temperaturen zu einer übermäßigen Ausbildung von Verkokung und anderen nicht wünschenswerten Substanzen und Effekten führen. Ein falsches Erhöhen der Verweilzeit kann ebenfalls nicht wünschenswerte Nebenprodukte erzeugen und die Reaktionsselektivität verringern.
Weil die Substitutionsreaktion bei der kommerziellen Herstellung von Allylchlorid wie oben erwähnt bevorzugt wird, verwenden Reaktoren nach dem Stand der Technik höhere Temperaturen, um die Erzeugung des Nebenproduktes 1,2-Dichlorpropan (DCPo) zu vermeiden. Diese Hochtemperaturreaktionen werden typischerweise von der Bildung von Verkokung begleitet. Die Reaktion kann tatsächlich unterschiedliche kinetische Charakteristiken in ein und demselben Reaktor haben, u.zw. wegen der Bildung von heißen Stellen. Zahlreiche andere Reaktionen einschließlich beispielsweise der selektiven Chlorsubstitution von Ethylen, Butylen, Pentenen, Hexenen, Octenen, Cyklohexenen, Acetylenen usw. haben ebenfalls diese Probleme.
Die US-PS 3 054 831 offenbart einen Reaktor zum Herstellen von Allylchlorid, bei welchem ein Reaktant durch eine zentrale Düse und ein weiterer Reaktant durch eine tangentiale Öffnung in das Reaktorgefäß eingespritzt wird. Die US-PS 4 928 481 offenbart einen chemischen Verbrennungsreaktor, bei welchem ein Reaktant durch eine zentrale Düse und ein anderer Reaktant durch zwei beabstandete Reihen von Einspritzöffnungen in das Reaktorgefäß eingespritzt wird.
Die Technik der Reaktorkonstruktion könnte von der Schaffung eines Reaktors in hohem Maße profitieren, welcher den molekularen Kontakt verbessert, eine größere Selektivität ermöglicht und die Reaktionszeit/Verweilzeit beträchtlich reduziert, ohne die Ausbildung von Verkokung und Nebenprodukten. Dies trifft besonders für den Fall der kommerziellen Herstellung von Allylchlorid aus Propylen und Chlor zu.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen chemischen Reaktor zum Reagieren von Gas- oder Dampfphasereaktanten zu schaffen, um hohe Ausbeuten und Selektivitäten für die darin durchgeführten Reaktionen zu erzielen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, einen chemischen Reaktor mit verbesserten Mischeigenschaften zu schaffen.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, einen mehrstufen Reaktor und ein Verfahren zum Herstellen von Allylchlorid zu schaffen.
Es ist noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung, einen Reaktor mit einer Reaktionszone mit einer im wesentlichen dreidimensionalen Strömungscharakteristik zu schaffen.
Die Erfindung schafft daher einen Reaktor, mit:
einem Reaktionsgefäß;
zumindest einem Reaktionszoneneinbringungsmittel mit zumindest zwei Enden, welches Einbringungsmittel mit einer Quelle an Reaktant an einem der genannten Enden und dem Inneren des Reaktionsgefäßes am anderen Ende in Verbindung steht;
zumindest einem Einspritzstrahlrohr in Verbindung mit einer weiteren Quelle an Reaktant, welches Einspritzstrahlrohr im Inneren des Reaktionsgefäßes liegt, so daß die Einbringung der genannten Reaktanten den Reaktanten eine im wesentlichen dreidimensionale Strömung erteilt;
einer gut gemischten Reaktionszone im Inneren des Reaktionsgefäßes, in welcher die Reaktanten gemischt werden;
einem Auslaß mit zwei Enden, von denen das eine in Verbindung mit dem Inneren des Reaktionsgefäßes und das andere in Verbindung mit dem Äußeren des Reaktionsgefäßes steht; und
wobei das Reaktionszoneneinbringungsmittel zumindest zwei Reaktoreinlässe und Sprinkler umfaßt, die an den Reaktoreinlässen befestigt sind, so daß die Sprinkler das Ende des Einbringungsmittels in Verbindung mit dem Inneren des Reaktionsgefäßes umfassen und die Sprinkler einander im wesentlichen gegenüberliegen, und die genannte gut gemischte Reaktionszone den Bereich im wesentlichen zwischen den Sprinklern umfaßt.
Vorteilhafterweise wird eine Strömung mit dreidimensionalen zyklonischen Charakter in der Reaktionszone herbeigeführt.
Der Reaktor dieser Erfindung kann auch eine Stufenkonstruktion haben, so daß die chemische Reaktion in der gut vermischten Reaktionszone, die im wesentlichen den Bereich zwischen den Sprinklern umfaßt, eingeleitet wird, und dann eine gewünschte Verweilzeit in einer Pfropfenströmungszone im Inneren des Reaktors erhält, bevor das Produkt abgezogen wird.
Der Reaktor der Erfindung kann vorteilhafterweise für die Herstellung von Allylchlorid aus Propylen und Chlor eingesetzt werden, so daß die Produktion störender Nebenprodukte gegenüber dem, was sich beim Stand der Technik ergibt, stark reduziert wird.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispieles ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine aufgebrochene Seitenansicht einer Ausführungsform des Reaktors der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht eines bei dem Reaktor der vorliegenden Erfindung verwendeten Sprinklers ist;
Fig. 3 eine Vorderansicht eines Sprinklers ist, der bei dem Reaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zumal ein solcher Sprinkler neben dem Sprinkler von Fig. 2 angeordnet werden könnte;
Fig. 4 einer aufgebrochene Seitenansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5 eine teilweise aufgebrochene Rückansicht der Ausführungsform von Fig. 4 ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Reaktionsselektivitäten, die Reaktionszeit und andere Parameter von chemischen Reaktionen verbessert, indem ein chemischer Reaktor mit einer oder mehreren speziellen Reaktionszonen geschaffen wird. Die Reaktionszonen sind so geformt und beschickt, daß die für die Reaktion erforderliche Energie rasch erreicht wird. Wie sich in der ganzen Beschreibung zeigt, können diese Methoden des Definierens von Reaktionszonen aus der Nebeneinanderanordnung von Strahlrohren, Sprinklern, Düsen und anderen Einrichtungen zum Einspritzen von Reaktanten in einen chemischen Reaktor strukturiert werden.
Der Ausdruck "Reaktionszone", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bedeutet einen Bereich, in dem eine Reaktion oder eine diskrete Phase einer Reaktion in wesentlichen durchgeführt wird. Ein chemischer Reaktor kann mehr als eine Reaktionszone haben.
Eine "gut vermischte Reaktionszone" bedeutet eine Reaktionszone, in welcher Reaktanten gemischt werden, um eine Mischung zu bilden, die mehr homogen ist als nicht-homogen. Ein kontinuierlich gerührter Tankreaktor (CSTR) enthält eine ideale gut durchmischte Reaktionszone.
"Dreidimensionale Strömung" bedeutet eine Bewegung der Moleküle in einer solchen Weise, daß Kollisionen zwischen diesen Molekülen auch außerhalb der Ebene auftreten können, in welcher die Moleküle anfänglich vorliegen, sowie innerhalb der Ebene, in der sie anfänglich sind. Eine im wesentlichen dreidimensionale Strömung ist die Bewegung von Molekülen in einer dreidimensionalen Strömung, jedoch auch teilweise in einer zweidimensionalen Strömung. Beispielsweise zeigt eine Reaktionszone, in der die Reaktanten in drei Dimensionen strömen, außer in den Ebenen an den Rändern der Zone eine im wesentlichen dreidimensionale Strömung.
"Dreidimensional" bezüglich des Mischens bezieht sich auf eine Strömung von Molekülen, die zu einer vollständigen bzw. homogenen Vermischung in allen Richtungen führt. Beispielsweise zeigt ein CSTR eine dreidimensionale Vermischung, wogegen ein Idealströmungsreaktor eine komplette Vermischung nur radial durchführt.
"Sprinkeln" bedeutet das Einspritzen oder Einbringen eines komprimierten oder unter Druck stehenden Fluides durch einen Sprinkler.
Ein "Sprinkler" ist ein Gefäß mit einer Perforation, mit oder ohne Befestigung, das dazu verwendet wird, ein komprimiertes oder unter Druck stehendes Fluid in einen Bereich in einem gasförmigen oder zerstäubten Zustand einzusprühen oder einzubringen.
Eine "Querachse" ist eine Achse entlang der längsten Dimension eines Objektes.
Eine "Querebene" ist eine Ebene, deren Länge durch eine Querachse definiert wird.
Eine "Mittelachse" ist eine Achse, die durch den Mittelpunkt eines Objektes entlang seiner längsten Abmessung verläuft. Die Mittelachse eines Zylinders verläuft durch den Mittelpunkt des seinen Querschnitt enthaltenden Kreises und erstreckt sich über die Länge des Zylinders.
Eine "Längsebene" ist eine Ebene durch ein Objekt entlang seiner längen Abmessung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist Fig. 1 eine aufgebrochene Ansicht eines vorteilhaften Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Reaktionsgefäß 1 ist als länglicher Zylinder gezeigt, die gesamte Körperform ist jedoch nicht kritisch für die Erfindung. Einer oder mehrere Reaktanten werden in das Innere des Reaktionsgefäßes 1 mit Hilfe von Reaktanteneinlässen 2 eingebracht. Die Reaktanteneinlässe 2 sind Rohre, Leitungen, Schläuche oder beliebige Mittel, wie sie typischerweise für das Einbringen von gasförmigen Reaktanten in ein Reaktionsgefäß verwendet werden. Vorteilhafterweise werden zwei einander gegenüberliegende Reaktanteneinlässe verwendet. Es versteht sich, daß, wenn in der ganzen vorliegenden Beschreibung von einem ersten oder anderen Reaktanten gesprochen wird, damit weder eine spezielle Reihenfolge des Einspritzens oder Reagierens der Reaktanten verknüpft ist noch vorgeschlagen wird.
Ein Sprinkler 3 ist am Ende des Reaktanteneinlasses 2 auf der Innenseite O des Reaktors befestigt. Diese Kombination aus Sprinkler und Reaktanteneinlaß bildet ein Beispiel eines Reaktionszoneneinbringungsmittels, es können jedoch zahlreiche andere Mittel anstelle dieses speziellen Mittels verwendet werden. Diese Mittel müssen in der Lage sein, den Reaktanten von einer Quelle zu einem Bereich im Inneren des Reaktionsgefäßes so zu befördern, daß der Reaktant in der Reaktionszone angeordnet wird. Die Sprinkler 3 sind aus Rohren oder anderen im wesentlichen hohlen Gefäßen gebildet, um die Reaktanten Düsen 4 zuzuführen. Letztlich werden die Reaktanten in das Innere des Reaktors über diese Düsen 4 ausgestoßen. Die gezeigten Sprinkler 3 sind im wesentlichen senkrecht oder normal zur Mittelachse der Einlaßenden 2a, obwohl dies nicht ein wesentlicher Aspekt des Positionierens des Sprinklers in jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Vielmehr werden die Anordnung und der Abstand der Sprinkler 3 durch die Eigenschaft der Reaktantenströmung und der Reaktantenvermischung bestimmt, die letztlich gewünscht ist. Dies wird nachstehend ausführlich erläutert.
In einer noch vorteilhafteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die Sprinkler 3 so, daß die an ihnen befestigten Düsen einander im wesentlichen gegenüberliegen. D.h., die Düsen 4 sind aufeinandergerichtet und parallel zur Mittelachse des Reaktors, können jedoch verdreht sein, u.zw. von der Mittelachse des Reaktors um bis zu 150 abgewendet oder zu dieser hin bewegt. Fig. 2 veranschaulicht die Struktur der Sprinkler 3 im Detail. Es ist dort gezeigt, daß die Sprinklerarme 3b sich von einer Sprinklernabe 3a nach außen erstrecken. Düsen 4 liegen entlang der Sprinklerarme 3b.
In dieser Ausführungsform liegen die Sprinkler 3 so, daß die Sprinklerarme 3b eines Sprinklers den Abstand zwischen den Sprinklerarmen eines gegenüberliegenden (d.h. zugewandten) Sprinklers im wesentlichen halbieren. D.h., ein Sprinklerarm liegt so, daß er irgendwo in den Bereich zwischen zwei gegenüberliegenden Sprinklern zeigt. Die relative Winkelstellung eines solchen gegenüberliegenden Sprinklers ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Anordnung trägt zu den wünschenswerten Strömungs- und Vermischungseigenschaften der Reaktanten bei. Sprinkler können auch in Kreisform oder länglicher Form mit zahlreichen Düsen oder darin eingeschnittenen Löchern ausgeführt werden. Ein solcher Sprinkler kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß er das Aussehen eines Duschkopfes hat. Vorteilhafterweise liegen Düsen nicht in der Mittelachse des Reaktors, wo die Turbulenz gering ist. Es ist auch möglich, einen Reaktor gemäß dieser Erfindung zu konstruieren, bei dem nur ein Sprinkler verwendet wird.
Zurückkehrend auf Fig. 1 wird ein zweiter Reaktanteneinlaß 2b verwendet, um einen weiteren Reaktanten in den Reaktor einzubringen. Dieser weitere Reaktant kann aus einer anderen Substanz gebildet sein als jene, die über den Reaktanteneinlaß 2 eingebracht wurde, oder kann die gleiche Substanz sein. Der zweite Reaktanteneinlaß 2b wird ebenfalls aus einem Rohr, einer Leitung, einem Schlauch oder einem anderen hohlen Gefäß gebildet, das zum Transport von Gasen oder Dämpfen verwendet wird. Ein Strahlrohr 5 ist am Ende dieses zweiten Reaktanteneinlasses befestigt. Dieses Strahlrohr 5 ist so ausgebildet, daß der zweite Reaktant in den Reaktor als ein Strom eintritt und im wesentlichen nicht diffundiert wird, bis er in die Nähe der gut durchmischten Reaktionszone 6 gelangt. Der Ausdruck "Strahlrohr", wie er hier in dieser ganzen Beschreibung verwendet wird, bezieht sich auf eine Armatur am Reaktoreinlaß, die es erlaubt, den Reaktanten auf die Reaktionszone zu richten. Im weitesten Sinne kann ein "Strahlrohr" durch die auf die Reaktionszone gerichtete Öffnung des Reaktanteneinlasses 2b gebildet werden. Vorteilhafte Ausführungsformen verwenden jedoch maschinell bearbeitete Düsen. Mehr als ein zweiter Reaktanteneinlaß bzw. mehr als ein Strahlrohr können in einem Reaktor verwendet werden. Tatsächlich können zahlreiche Strahlrohre und Einlässe verwendet werden.
In dem Bereich im wesentlichen zwischen den Sprinklern 3 wird eine gut durchmischte Reaktionszone 6 gebildet. Dieser Bereich wird teilweise durch die Art des Einspritzens der Reaktanten definiert. D.h., der Abstand zwischen den Sprinklern und das Volumen der Reaktanten, für deren Verarbeitung die Zone ausgelegt ist, werden durch die Kinetik der Reaktion so bestimmt, daß molekulare Kollisionen rasch auftreten.
Die Herstellung von Allylchlorid aus Propylen und Chlor in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liefert ein Beispiel, wie der Reaktor arbeitet und wie die Reaktionszonen definiert werden. Der Reaktor ist zylindrisch und besitzt eine Länge von etwa dem Dreifachen seines Durchmessers. Ein erster Reaktanteneinlaß 2 ist so angeordnet, daß die Düsen 4 in einem ersten Sprinkler 3 dafür angeordnet sind, das Eintreten des Reaktanten in die Reaktionszone gerade vor der Ebene des Sprinklers zu ermöglichen. Dies kann relativ nahe einem Ende des Reaktors 9 sein. Chlorgas wird in die Reaktanteneinlässe 2 eingebracht und in den Reaktor eingesprüht. Ein weiterer erster Reaktanteneinlaß 2 liegt so, daß die Düsen eines daran befestigten Sprinklers 3 auf die Düsen des anderen Sprinklers gerichtet sind und nahe genug sind, so daß ein vom Sprinkler ausgestoßener Reaktant den gegenüberliegenden Sprinkler ohne wesentliche Verkleinerung seiner Energie erreicht. Die Sprinkler sind so angeordnet, daß ein Arm des einen den Abstand zwischen den beiden Armen des gegenüberliegenden Sprinklers halbiert. Ein Versetzen der gegenüberliegenden Sprinklerarme, obwohl es nicht kritisch ist, ist vorteilhaft, so daß die Wechselwirkung zwischen den Düsen minimiert wird.
Ein zweiter Reaktanteneinlaß 2b liegt so, daß sein daran befestigtes Strahlrohr 5 unmittelbar hinter dem ersten Sprinkler 3 liegt. Das Strahlrohr ist am besten positioniert, wenn es tangential bezüglich der Wand des Reaktors liegt. Das Strahlrohr kann jedoch auch geneigt sein, um anderen Entwurfsparametern zu entsprechen, was seine Lage bezüglich der Reaktorwand im wesentlichen tangential machen kann. Der Auslaß 8 liegt am Ende 10. Eine gut durchmischte Reaktionszone 6 besteht aus dem Bereich im wesentlichen zwischen den Sprinklern und einer Pfropfenströmungsreaktionszone 7, die aus dem Bereich im wesentlichen zwischen dem zweiten Sprinkler und dem Auslaß besteht. Eine Laminarströmungsreaktionszone kann anstelle der Pfropfenströmungsreaktionszone verwendet werden.
Bei einem Reaktor mit einem Gesamtvolumen von 250 bis 300 cm³ werden etwa 0,59 bis 0,68 kg/h Chlor in die ersten Reaktanteneinlässe mit einem Druck von etwa 1,4 bis 4,9 bar und mit etwa 27ºC bis 94ºC eingebracht. Es wurde gefunden, daß die Verteilung des Chlors zwischen den ersten Reaktanteneinlässen die Selektivität der Reaktion beeinträchtigen kann. Wenn zwei einander gegenüberliegende Sprinkler verwendet werden, um das Chlor einzubringen, sollte die Verteilung zumindest 50:50 zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Spinkler sein. Verbesserte Ergebnisse werden jedoch erhalten, indem die Chloreinbringung in Richtung zum stromaufwärtigen Sprinkler verschoben wird. Diese Verbesserung der Selektivität kann fortgesetzt werden, bis die Verteilung der Reaktanteneinbringung etwa 80:20 beträgt, u.zw. stromaufwärtiger Sprinkler:stromabwärtiger Sprinkler. Der Ausdruck "stromaufwärtiger Sprinkler" bezieht sich auf den Sprinkler in nächster Nähe zum zweiten Reaktanteneinlaß/Strahlrohr, wogegen sich "stromabwär tiger Sprinkler" auf den Sprinkler gegenüber dem stromabwärtigen Sprinkler und näher dem Auslaß des Reaktors bezieht.
Während Chlor in den ersten Reaktanteneinlaß eintritt, werden etwa 0,91 bis etwa 2,7 kg/h Propylen in den zweiten Reaktanteneinlaß (und aus den Strahlrohren heraus) mit etwa 1 bis etwa 3,5 bar und etwa 149ºC bis etwa 371ºC eingebracht. Die Reaktanten werden nicht vorgemischt. Vorteilhafterweise beträgt die Reaktionstemperatur in der gut durchmischten Reaktionszone zwischen etwa 454ºC und etwa 482ºC. Diese Temperaturen und Drücke werden gewählt, um die Mischung mit jener Energie zur Verfügung zu stellen, die erforderlich ist, damit sich die Reaktanten rasch vermischen und die Ausbildung von Nebenprodukten (hier 1,2-Dichlorpropan) minimiert wird. Das Einspritzen dieses ersten Reaktanten, hier Chlor, erfolgt unter Bedingungen, die erforderlich sind, um zu bewirken, daß die eintretenden Reaktantenmoleküle im wesentlichen sofort kollidieren.
Wie zuvor erwähnt, tragen das Anordnen der verschiedenen Mittel zum Einbringen der Reaktanten und die Art und Weise, in welcher die Reaktanten eingebracht werden, zu der Selektivität und Schnelligkeit der im Reaktor erfolgenden Reaktion bei. Ohne auf die Theorie festgelegt werden zu wollen, wird angenommen, daß diese Faktoren ein Vermischen der Reaktanten in einem bevorzugten Energiezustand erzeugen. Die Energie wird dem System auf Grund der Geschwindigkeit und Verteilung des Eintrittes der Reaktanten über die Sprinkler und des Drehimpulses des über das Strahlrohr eingebrachten Reaktanten zugeführt. Diese Beziehung kann durch das Verhältnis des das Strahlrohr verlassenden Reaktanten zu dem Verhältnis der Durchschnittsgeschwindigkeit der reagierenden Mischung im Reaktor definiert werden. Allgemeiner gesagt, ist dies das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit, die von einem der Reaktanten bereitgestellt wird, zu der durchschnittlichen Axialgeschwindigkeit der reagierenden Mischung durch den Reaktor. Dieses Verhältnis wird hier als Verwirbelungszahl bezeichnet. Es hat sich gezeigt, daß Verwirbelungszahlen im Bereich von 3 bis 83 ausreichende Energie verleihen, um die Erfindung auszuführen. Vorteilhafterweise wird die Erfindung im Bereich von etwa 30 bis 40 ausgeführt.
Wiederum wird, ohne auf die Theorie festgelegt werden zu wollen, durch Anordnen der Reaktionszoneneinbringungsmittel wie hier beschrieben der Großteil der zum Antrieb der Reaktion erforderlichen Energie von den über diese Mittel eintretenden Reaktanten geliefert. Dies kann eine Funktion beispielsweise der Positionierung der Sprinkler und der Geschwindigkeit der über sie eingebrachten Reaktanten sein. Darüber hinaus kann die entsprechende Geschwindigkeit durch Regelung des Druckes des eintretenden Reaktanten erreicht werden. Dies bedeutet, daß es nicht notwendig ist, Reaktanten über den zweiten Reaktanteneinlaß 2b mit viel Energie einzubringen, wenn die in den zweiten Reaktanteneinlaß eintretenden Reaktanten dies mit einem Drehimpuls tun, der ihnen so erteilt wurde, daß ihr Kontakt mit den Reaktanten in der Reaktionszone zu einer dreidimensionalen Vermischung führt. Somit können die Positionierung der Reaktanteneinbringungsmittel, die Positionierung der Strahlrohre und der Druck und die Temperatur des Reaktanten dazu verwendet werden, die Energieanforderungen für diesen Reaktor zu beschrieben.
Die Abstände zwischen den Sprinklern können abhängig von der Menge des durch die Sprinkler strömenden Reaktanten und der Geschwindigkeit, die ihm verleiht wurde, eingestellt werden. D.h., der Abstand zwischen den Sprinklern wird auf einen Wert eingestellt, bei welchem man bei einer gegebenen Geschwindigkeit und Volumen des Reaktanten den raschesten Kontakt der in die Reaktionszone eintretenden Reaktanten erwarten kann. Die Abstände werden so eingestellt, daß der Bereich zwischen den Sprinklern zwischen 20% und 50% des Volumens des Reaktionsgefäßes umfaßt.
Um das Erreichen der gewünschten Energiepegel weiter zu erleichtern, sind Düsen 4 an Löchern befestigt, die entlang der Vorderseite des Sprinklerarmes 3b gebohrt sind. Vorteilhafterweise hat jeder Sprinkler zwischen sechs und zehn Sprinklerarme 3b. Die Sprinklerarme erstrecken sich von jedem Reaktanteneinlaß 2 radial nach außen. Diese Konfiguration wird als "Spinnen"-Konfiguration von Sprinklerarmen bezeichnet. Ein Erhöhen der Anzahl von Düsen um den Umfang der Reaktionszone erhöht den Wirkungsgrad der Reaktion. Noch vorteilhafter ist es, wenn alle Düsen zumindest einen halben Reaktorradius von der Mittelachse des Reaktors entfernt sind. Die Düsen sollten jedoch nicht so nahe an der Wand des Reaktors angeordnet werden, daß eine spezielle Metallurgie erforderlich wäre. Daher kann, wenn es wünschenswert ist, eine große Anzahl von Düsen zu haben, die Verwendung einer Ringanordnung anstelle der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Spinnen-Konfiguration wünschenswert sein. Bei einigen Ausführungsformen dieser Erfindung können zahlreiche Düsen auf jedem Sprinklerarm verwendet werden. In diesem Fall liegt vorteilhafterweise die der Mittelachse des Reaktors nächste Düse zumindest einen halben Reaktorradius von der Achse entfernt. Soferne nicht eine entsprechende Metallurgie verwendet wird (wie eine Nickelbeschichtung), ist es auch vorteilhaft, daß die der Reaktorwand (Innenoberfläche) nächste Düse zumindest um ein Drittel des Reaktorradius von der Reaktorwand entfernt liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Allylchlorid aus Propylen und Chlor hergestellt wird, wird Propylen in den Reaktor über den Reaktoreinlaß 2b eingebracht und durch das Strahlrohr 5 als verhältnismäßig kohärenter Strom in die Nähe der Sprinkler 3 gerichtet. Bei einem Reaktordruck von etwa 1 bis 1,4 bar wird Propylen auf Temperaturen zwischen etwa 204ºC und etwa 371ºC eingebracht. Der Vortrieb des Propylens verleiht dem Chlorstrom, den es kontaktiert, einen Drehimpuls und erzeugt eine dreidimensionale Strömung in der gut durchmischten Reaktionszone 6. Vorteilhafterweise ist diese Strömung im wesentlichen zyklonisch, die Winkelgeschwindigkeit ist jedoch nicht so groß, daß sie eine signifikante Rezirkulationsblase um die Mittelachse des Reaktors bilden könnte. Mit "im wesentlichen zyklonisch" ist gemeint, daß die vorherrschende Strömung der Reaktanten im Inneren der gut durchmischten Reaktionszone, in der die Vermischung auftritt, radial und axial ist. Ein solches Vermischungsmuster kann semisphärisch, sphärisch, helixförmig sein, oder eine Kombination daraus. Es versteht sich jedoch, daß nicht alle Reaktanten ein solches Verhalten zeigen werden. Ein kleines Maß an nicht-zyklonischer Strömung kann beispielsweise an der Mittelachse und an den Rändern der gut durchmischten Reaktionszone auftreten.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei Strahlrohren. Fig. 4 zeigt zwei Strahlrohre 5 und ihre Positionierung relativ zur Mittelachse des Reaktors. Die Strahlrohre liegen hinter einem der Sprinkler. Sie sind so gerichtet, daß die Reaktantenströmung zur gut durchmischten Reaktionszone hin erfolgt und daß die Reaktantenströme einander kreuzen. D.h., wenn man eine Linie ausgehend von jedem Strahlrohr und an der Gefäßwand endend zeichnen würde, wären die beiden Linien um die Mittelachse des Reaktors komplementär. Die Strahlrohre können so orientiert sein, daß sie jeweils einen Winkel von mehr als 0 bis weniger als 90º bezüglich einer durch den Reaktor verlaufenden Längsebene bilden. Vorteilhafterweise liegen die Strahlrohre so, daß die Strömung der Reaktanten tangential zur Mittelachse der gut durchmischten Reaktionszone ist.
Fig. 5 veranschaulicht die Ausführungsform von Fig. 4 mit einer weiteren Verdeutlichung der Beziehung der Strahlrohre. Diese Figur zeigt, daß die Strahlrohre so angeordnet sind, daß die das eine Strahlrohr verlassenden Reaktanten mit den Reaktanten des anderen nicht kollidieren, sich damit nicht vermischen bzw. sich gegenseitig nicht stören. Dies wird erreicht, indem die Strahlrohre in verschiedenen Querebenen angeordnet werden. Somit werden, wenn zwei Strahlrohre verwendet werden, diese wie oben beschrieben angeordnet und in verschiedenen Querebenen positioniert, was nicht zu einer gegenseitigen Störung der Reaktanten führt. Falls erforderlich, können mehr als ein zweiter Reaktanteneinlaß 2b verwendet werden. Dies kann erforderlich sein, um ein größeres Reaktantenvolumen zuzuführen oder der gut durchmischten Reaktionszone 6 einen größeren Drehimpuls zu erteilen.
Der dreidimensionale Zykloncharakter, der in der gut durchmischten Reaktionszone herbeigeführt wird, ist hauptsächlich ein Makromischphänomen. Ein Aspekt des erzeugten dreidimensionalen Zykloncharakters ist es, zu gewährleisten, daß eine homogene Mischung durch die Reaktantenströmung, das Rezyklieren und die Rezirkulation des Reaktantenstromes rasch erreicht wird. Dies erleichtert auch die Mikrovermischung. Diese Kombination aus verbessertem Mikrovermischen und Makrovermischung vermeidet anomale heiße Stellen und anomale Reaktionsraten in unterschiedlichen Teilen der Reaktionszonen. Die Reduktion in den heißen Stellen und die Kombination aus verbesserter Mikrovermischung und Makrovermischung reduziert ferner die Verkokung und verbessert somit die Produktionsausbeute, während die Reaktorwartungsanforderungen reduziert werden.
Die Vermischung der Reaktanten ist rasch, direkt, und tritt in dem gesamten Bereich auf, der von dem Propylen und dem Chlor geteilt wird. Es ist dieser Bereich, der die gut durchmischte Reaktionszone enthält. Molekularkollisionen treten in drei Dimensionen in der gut durchmischten Reaktionszone auf. Bei Reaktionen, bei denen hohe Temperaturen günstig sind, um einen speziellen Reaktionsmechanismus voranzutreiben, besitzt die gut durchmischte Reaktionszone ein homogenes Hochtemperaturprofil. Mehrfacheinspritzungen der Reaktanten verbessern dieses homogene Profil durch die Natur der Vermischung, die erreicht wird.
Die gut durchmischte Reaktionszone 6 ist von einer solchen Abmessung, daß die Zyklonvermischung im wesentlichen augenblicklich darin erfolgt. Bei der Reaktion von Propylen und Chlor zur Erzeugung von Allylchlorid liegt diese Reaktionszeit zwischen etwa 500 und 800 ms. Dies bedeutet jedoch nicht notwendigerweise, daß die Reaktion in der Zone zum Abschluß kommt. Bei den meisten exothermen Reaktionen bildet sich eine heiße Stelle irgendwo in der gut durchmischten Reaktionszone 6. Wenn die heiße Stelle zu heiß ist, kann Verkokung und Isomerisation problematisch werden, abhängig von der Kinetik der Reaktion. Natürlich hat die gut durchmischte Reaktionszone der vorliegenden Erfindung ein verhältnismäßig homogenes Hochtemperaturprofil. Nichtsdestoweniger wird es eine oder mehrere Stellen geben, die heißer als der Rest der Reaktionszone sind. Es den Reaktanten zu gestatten, einen rascheren Kontakt herzustellen, während gleichzeitig die potentiell schädlichen Effekte eines langen Aussetzens der Einwirkung der heißen Stellen vermieden werden, kann erleichtert werden, indem die kontaktierten Reaktanten in eine andere Reaktionszone im Reaktor gebracht werden.
In einer vorteilhafteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Reaktor eine Pfropfenströmungsreaktionszone 7 zusätzlich zu der gut durchmischten Reaktionszone 6. Somit bewegt die Strömung der kontaktierten Reaktanten diese Mischung aus Produkten und nicht-umgesetzten Reaktanten zur Pfropfenströmungsreaktionszone 7, wo ihr eine zusätzliche Verweilzeit gegeben wird, um die Reaktion abzuschließen. Weil die Mischung aus Produkten und nicht-umgesetzten Reaktanten außerhalb der Nähe der gut durchmischten Reaktionszone ist, ist sie nicht mehr länger der heißen Stelle und der möglichen Rückmischung darin ausgesetzt. Es versteht sich, daß die Reaktion in wesentlichen in der gut durchmischten Reaktionszone 6 abgeschlossen ist und daß die in die Pfropfenströmungsreaktionszone 7 hineinströmende Mischung hauptsächlich aus Produkten zusammengesetzt ist. Somit stellt die Verweilzeit nur einen kleinen Teil der Reaktion fertig. Die Kombination aus weitgehendem Abschluß der Reaktion zusammen mit Fertigstellung der Reaktion in Abwesenheit einer heißen Stelle gewährleistet, daß die Isomerisation minimiert wird, die Selektivität hoch ist, und die Ausbeute hoch ist. Die Strömung aus der gut durchmischten Reaktionszone zur Pfropfenströmungsreaktionszone ermöglicht es, Produkt einfach durch den Produktauslaß 8 abzuziehen, wo es aufgefangen oder an weitere Prozesse übergeben werden kann.
Wenn Propylen mit Chlor reagiert wird, um Allylchlorid gemäß der Erfindung zu erzeugen, wird eine Ausgangstemperatur von etwa 487-499ºC am Produktauslaß erreicht. Dies ist weniger als die Ausgangstemperaturen bei den Reaktoren nach dem Stand der Technik. Die Reaktion ist im wesentlichen zwischen etwa 500 und etwa 700 ms abgeschlossen, im Vergleich zu 800-1000 ms bei Verwendung von Methoden nach dem Stand der Technik. Ausbeuten von über 85mol-% (auf Basis des Propylens) wurden unter Verwendung des Reaktors der Erfindung bei einem molaren Propylen-zu-Chlorverhältnis von 2,9 erreicht. Ausbeuten von mehr als 88mol-% (auf Basis des Propylens) wurden unter Verwendung des Reaktors der Erfindung bei einem molaren Propylen-zu-Chlorverhältnis von 5,8 erzielt. Ausbeuten von mehr als 90%Mol-% (auf Basis des Propylens) können erreicht werden, indem mehr als ein Reaktor verwendet wird und die Chlorzugabe stufenweise erfolgt. Reaktoren nach dem Stand der Technik erreichen typischerweise molare Ausbeuten von etwa 81 bis etwa 82%Mol-% (auf Basis des Propylens). Unerwünschte Nebenprodukte wie 1,2-Dichlorpropan (DCPo) sind stark reduziert. Bei dieser Konfiguration der Erfindung wird die DCPo-Ausbeute von dem herkömmlichen Pegel von 4-5mol-% (basierend auf den molaren Mengen des vorhandenen Propylens) auf 0,5-2mol-% (basierend auf den molaren Mengen des vorhandenen Propylens) reduziert. Es ist nicht erforderlich, die Oberfläche des Reaktors besonders zu präparieren, z.B. durch Vernickeln od.dgl.
Der oben beschriebene Reaktor kann auch für eine Vielzahl von anderen Reaktionen verwendet werden, bei denen rasche Kollisionen durch eine Kombination aus verbesserter Mikrovermischung und Makrovermischung erleichtert werden können. Dies trifft besonders dort zu, wo die Reaktanten eine Neigung zur Ausbildung von isomeren Nebenprodukten haben.
Die anschließenden Beispiele werden zur besseren Veranschaulichung der Erfindung gegeben. Diese Beispiele dürfen jedoch in keiner Weise als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden.

BEISPIELE

In den folgenden Beispielen wurde ein zylindrischer Reaktor mit einer Länge von 15,24 cm und einem Durchmesser von 5,08 cm verwendet. Chlor wurde durch zwei Sprinkler eingebracht, die voneinander einen Abstand von 6,35 cm hatten. Dies führte zu einer gut durchmischten Reaktionszone (Bereich) mit etwa 40 bis 50% des Reaktorvolumens. Die Sprinkler hatten acht Arme pro Sprinkler, wobei jeder Arm eine Düse mit einem Innendurchmesser von 0,015 cm hatte. Die Düsen und die Sprinklerarme wurden so positioniert, daß die Düsen auf halbem Wege zwischen der Mittelachse des Reaktors und der Wand des Reaktionsgefäßes waren. Die Reaktorkonfiguration war wie in Fig. 4 gezeigt, mit der Ausnahme, daß zwei tangentiale Strahlrohre verwendet wurden, um das Propylen in den Reaktor einzubringen. Der Reaktor wurde mit 1,05 bar betrieben.
In jedem Beispiel war die Reaktion zur Herstellung von Allylchlorid in 500 bis 700 ms abgeschlossen. Der gasförmige Abzugsstoff wurde mittels Gaschromatographie mit einem Flammenionisationsdetektor analysiert.

Beispiel 1

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurden in den Reaktor durch die beiden Sprinkler eingsprüht. Das Chlor wurde mit einer Temperatur von etwa 48ºC und einem Druck von etwa 2,5 bar eingebracht. Die Chloreinspritzung wurde etwa gleich auf die beiden Sprinkler aufgeteilt. D.h., etwa 50% des Gesamtvolumens an Chlor wurden über jeden Sprinkler eingebracht.
Etwa 1,1 kg/h Propylen wurde bei einer Temperatur von etwa 254ºC und einem Druck von etwa 1,25 bar eingespritzt. Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone betrug zwischen 454ºC und 482ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang war etwa 487ºC. Die Wandtemperatur betrug zwischen 454ºC und 472ºC.
Die Reaktion führte zu einem Produkt mit einer Selektivität bezogen auf die Mol an Propylen von 85,6% Allylchlorid, 0,5% 1,2-Dichlorpropan, 7,4% 1,3-Dichlorpropen und 2,7% 2-Chlorpropen.
Dieses Beispiel veranschaulicht die hohe Selektivität und Ausbeute, die durch die Verwendung eines Reaktors gemäß der Erfindung erzielt wurden.

Beispiel 2

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurde in den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 48ºC und einem Druck von etwa 2,8 bar im stromaufwärtigen Sprinkler und 2,3 bar im stromabwärtigen Sprinkler eingesprüht. Etwa 65% des Gesamtvolumens an Chlor wurde über den stromaufwärtigen Sprinkler eingespritzt, und der Rest über den stromabwärtigen Sprinkler.
Etwa 1,1 kg/h Propylen wurden über die beiden tangentialen Strahlrohre mit einer Temperatur von etwa 254ºC und einem Druck von etwa 1,26 bar eingespritzt.
Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone betrug zwischen 454ºC und 482ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang betrug etwa 485ºC. Die Wandtemperatur betrug zwischen 454ºC und 473ºC.
Die Selektivität bezogen auf die Mol an Propylen war 85,5% Allylchlorid, 0,5% 1,2-Dichlorpropan, 7,3% 1,3-Dichlorpropen und 2,8% 2-Chlorpropen.

Beispiel 3

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurden in den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 48ºC und einem Druck von etwa 3,5 bar im stromaufwärtigen Sprinkler und 1,3 bar im stromabwärtigen Sprinkler eingespritzt. Etwa 80% des Gesamtvolumens an Chlor wurden über den stromaufwärtigen Sprinkler eingesprüht, wobei der Rest über den stromabwärtigen Sprinkler eingesprüht wurde. Etwa 1,1 kg/h Propylen wurden über die beiden Tangentialstrahlrohre mit einer Temperatur von etwa 254ºC und einem Druck von etwa 1,26 bar eingespritzt.
Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone betrug zwischen 454ºC und 476ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang war etwa 485ºC. Die Wandtemperatur lag zwischen 454ºC und 471ºC.
Die Selektivität bezogen auf die Mol an Propylen war 84,9% Allylchlorid, 0,8% 1,2-Dichlorpropan, 8,0% 1,3-Dichlorpropen und 2,7% 2-Chlorpropen.

Beispiel 4

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurden in den Reaktor über die beiden achtarmigen Sprinkler mit einer Temperatur von etwa 48ºC und einem Druck von etwa 2,3 bar eingesprüht. Die Chloreinbringung wurde etwa gleich auf die beiden Sprinkler aufgeteilt. Etwa 2,2 kg/h Propylen wurden durch die beiden Tangentialstrahlrohre eingespritzt, u.zw. mit einer Temperatur von etwa 360ºC und einem Druck von etwa 2,1 bar.
Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone betrug zwischen 454ºC und 482ºC. Die Temperatur genau stromabwärts der stromabwärtigen Düse war etwa 498ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang war etwa 480ºC. Die Wandtemperatur betrug zwischen 454ºC und 472ºC.
Die Selektivität auf bezogen auf die Mol an Propylen war 87,7% Allylchlorid, 0,9% 1,2-Dichlorpropan, 2,4% 1,3-Dichlorpropen und 3,6% 2-Chlorpropen.

Beispiel 5

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurden in den im Beispiel 1 beschriebenen Reaktor mit einer Temperatur von etwa 49ºC und einem Druck von etwa 2,8 bar im stromaufwärtigen Sprinkler und 2,3 bar im stromabwärtigen Sprinkler eingesprüht. Etwa 65% des Gesamtvolumens an Chlor wurden über den stromaufwärtigen Sprinkler eingespritzt, und der Rest über den stromabwärtigen Sprinkler. Etwa 2,2 kg/h Propylen wurden durch die beiden tangentialen Strahlrohre mit einer Temperatur von etwa 371ºC und einem Druck von etwa 2,2 bar eingespritzt.
Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone lag zwischen 448ºC und 482ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang betrug etwa 483ºC. Die Wandtemperatur lag zwischen 454ºC und 473ºC.
Die Selektivität bezogen auf die Mol an Fropylen war 88,3§ Allylchlorid, etwa 0,5% 1,2-Dichlorpropan, 4,1% 1,3-Dichlorpropen und 3,7% 2-Chlorpropen.
Dieses Beispiel veranschaulicht, daß das Verschieben der Chloreinbringung zum stromaufwärtigen Reaktionszoneneinbringungsmittel zu einer Verbesserung der Produktselektivität und einer Abnahme der Erzeugung von Nebenprodukten führen kann, die schwierig abzutrennen sind (am merklichsten 1,2-Dichlorpropan).

Beispiel 6

Etwa 0,6 kg/h Chlor wurden in den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 49ºC und einem Druck von etwa 3,5 bar im stromaufwärtigen Sprinkler und 1,3 bar im stromabwärtigen Sprinkler eingesprüht. Etwa 80% des Gesamtvolumens an Chlor wurden über den stromaufwärtigen Sprinkler eingebracht, und der Rest über den stromabwärtigen Sprinkler. Etwa 1,1 kg/h Propylen wurden über zwei tangentiale Strahlrohre eingespritzt, u.zw. mit einer Temperatur von etwa 360ºC und einem Druck von etwa 1,3 bar.
Die Temperatur in der gut durchmischten Reaktionszone lag zwischen 448ºC und 471ºC, und die Temperatur am Reaktorausgang betrug 478ºC. Die Wandtemperatur lag zwischen 454ºC und 478ºC.
Die Selektivität bezogen auf die Mol an Propylen betrug 88,4% Allylchlorid, 1,2% 1,2-Dichlorpropan, 3,7% 1,3-Dichlorpropen und 3,7% 2-Chlorpropen.
Dieses Beispiel zeigt die verbesserte Produktausbeute, die durch Verschieben der Einbringung des Reaktanten zu dem stromaufwärtigen Reaktionszoneneinbringungsmittel erreicht wurde. Zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich sein. Es ist beabsichtigt, daß solche Modifikationen in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.

Claims

1. Chemischer Reaktor, mit:

einem Reaktionsgefäß (9);

zumindest einem Reaktionszoneneinbringungsmittel (2, 3) mit zumindest zwei Enden, welches Einbringungsmittel mit einer Quelle an Reaktant an einem seiner Enden und dem Inneren des Reaktionsgefäßes am anderen Ende in Verbindung steht;

zumindest einem Einspritzstrahlrohr (5) in Verbindung mit einer weiteren Quelle an Reaktant, welches Einspritzstrahlrohr (5) im Inneren des Reaktionsgefäßes (9) angeordnet ist; so daß das Einbringen der Reaktanten diesen eine im wesentlichen dreidimensionale Strömung erteilt;

einer gut gemischten Reaktionszone (6) im Inneren des Reaktionsgefäßes (9), wo die Reaktanten gemischt werden;

und einem Auslaß (8) mit zwei Enden, wobei das eine Ende in Verbindung mit dem Inneren des Reaktionsgefäßes (9) und das andere Ende in Verbindung mit der Außenseite des Reaktionsgefäßes (9) steht;

dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionszoneneinbringungsmittel (2, 3) zumindest zwei Reaktoreinlässe (2) und Sprinkler (3) aufweist, die an den Reaktoreinlässen (2) befestigt sind, so daß die Sprinkler (3) das Ende des Einbringungsmittels in Verbindung mit dem Inneren des Reaktionsgefäßes (9) bilden, und die Sprinkler (3) einander im wesentlichen gegenüberliegen, und die gut gemischte Reaktionszone (6) den Bereich im wesentlichen zwischen den Sprinklern (3) umfaßt.

2. Reaktor nach Anspruch 1, ferner mit einer Pfropfenströmungsreaktionszone (7) im wesentlichen neben der gut durchmischten Reaktionszone (6).

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jeder Sprinkler (3) Sprinklerarme (3b) aufweist, welche Sprinklerarme sich von der zentralen Achse des Reaktoreinlasses (2) nach außen erstrecken, sowie Düsen (4) zum Einsprühen des Reaktanten, die auf den Sprinklerarmen (3b) angeordnet sind.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Einbringen des Reaktanten durch das Einspritzstrahlrohr (5) den Reaktanten in der genannten gut durchmischten Reaktionszone (6) ein dreidimensionales zyklonisches Verhalten erteilt.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Einspritzstrahlrohr (5) so angeordnet ist, daß die Einbringung des Reaktanten in den Reaktor im wesentlichen tangential zur Mittelachse des Reaktors erfolgt.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Vielzahl von Einspritzstrahlrohren (5), wobei jedes der Einspritzstrahlrohre in einem Winkel von mehr als 0º und weniger als 90º bezüglich einer Längsebene des Reaktors angeordnet ist, vorausgesetzt, daß die Strahlrohre in unterschiedlichen Querebenen liegen.

7. Reaktor nach Anspruch 6, bei welchem der Winkel jedes der Einspritzrohre bezüglich der Mittelachse des Reaktors gleich ist.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem jeder Sprinkler (3) einen Ring um die Mittelachse des Reaktors bildet.

9. Verfahren zum Herstellen von Allylchlorid unter Anwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:

Einsprühen von Chlor in den Reaktor,

Einspritzen von Propylen in das versprühte Chlor, um der sich daraus bildenden Mischung von Propylen und Chlor einen zyklonischen Charakter zu erteilen,

Reagieren der Mischung aus Propylen und Chlor zur Herstellung von Allylchlorid, und

Abziehen des Allylchlorids.