LU507957B1 - Schlaufenreaktor und verfahren zur herstellung eines additionsproduktes - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schlaufenreaktor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Additionsproduktes. 

Description

1 LU507957 thyssenkrupp Intellectual Property GmbH 249P 0066

Schlaufenreaktor und Verfahren zur Herstellung eines Additionsproduktes

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schlaufenreaktor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Additionsproduktes.

Chlorierte Alkane, insbesondere 1,2-Dichlorethan (nachfolgend: EDC), fallen überwiegend als Zwischenprodukt der Herstellung von monomerem Vinylchlo- rid (nachfolgend: VCM) an. Bei der Umsetzung von EDC zu VCM entsteht Chlor- wasserstoff HCI. EDC wird daher bevorzugt aus Ethylen C;H4 und Chlor Cl, der- art hergestellt, dass hinsichtlich des bei den Umsetzungen erzeugten und ver- brauchten Chlorwasserstoffes HCI eine ausgewogene Bilanz entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen erreicht, wird:

Cly + CHa > C2HaCl> (Rein-EDC) + 213 kJ/Mol (1)

C2HaClz (Spalt-EDC) — C2HzCI (VCM) + HCI -71kJ/Mol (2)

C2H4+2 HCl+*/202 — C2H4Clz (Roh-EDC)+ H,O +238kJ/Mol (3)

Das Verfahren zur Herstellung von VCM mit ausgewogener HCI-Bilanz, im Fol- genden kurz "ausgewogenes VCM-Verfahren” genannt, besitzt: e eine Direktchlorierung, in der aus Ethylen C2H4 und Chlor Cl, der eine Teil

2 LU507957 des benötigten EDC in Gegenwart eines Homogenkatalysators erzeugt wird und als sogenanntes Rein-EDC abgegeben wird; e eine Oxichlorierung, in der aus Ethylen C2H4, Chlorwasserstoff HCl und Sau- erstoff O2 der andere Teil des EDC erzeugt wird und als sogenanntes Roh-

EDC abgegeben wird; e eine fraktionierende EDC-Reinigung, in der das Roh-EDC zusammen mit dem aus der VCM-Fraktionierung rezirkulierten Rück-EDC und optional zu- sammen mit dem Rein-EDC von den in der Oxichlorierung und von den in der EDC-Pyrolyse gebildeten Nebenprodukten befreit wird, um ein für den

Einsatz in der EDC-Pyrolyse geeignetes, sogenanntes Feed-EDC zu gewin- nen. Wahlweise kann auch das aus der Direktchlorierung stammende Rein-

EDC in der Hochsiederkolonne der EDC-Destillation mitdestilliert werden. e eine EDC-Pyrolyse, in der das Feed-EDC thermisch gespalten wird; das Spalt- gas genannte Reaktoraustrittsgemisch enthält VCM, Chlorwasserstoff HCI und nichtumgesetztes EDC sowie Nebenprodukte; e eine VCM-Fraktionierung, in der das als Produkt gewünschte Rein-VCM aus dem Spaltgas abgetrennt und die anderen wesentlichen Spaltgasbestand- teile Chlorwasserstoff HCl und nichtumgesetztes EDC als Wertstoffe geson- dert zurückgewonnen und als wiederverwertbarer Einsatz als Rück-HCI bzw.

Rück-EDC im ausgewogenen VCM-Verfahren rezirkuliert werden.

Als Reaktionsmedium in der Direktchlorierung dient bei den meisten im indust- riellen Maßstab angewandten Verfahren ein umlaufender Strom des Reaktions- produkts EDC. Dieser kann in einem Schlaufenreaktor mit duRerem oder inne- rem Umlauf erzeugt werden. Weiterhin kann der Umlaufstrom durch Zwangs- umlauf oder Naturumlauf erzeugt werden. Als Katalysator wird vor allem Eisen-

IIl-chlorid verwendet; zusätzlich kann Natriumchlorid, das in der Lage ist, die

Bildung von Hochsiedern zu vermindern, als Additiv verwendet werden.

Als energetisch besonders glinstig erweisen sich solche Verfahren, bei denen das Reaktionsmedium im Naturumlauf gefiihrt wird, da sich hier die Verwen- dung leistungsstarker Pumpen zur Erzeugung des Umlaufstromes erübrigt.

Der Stand der Technik wird z.B. durch DE 27 24 045, EP 1 161 406 und DE 10 2008 020 386 abgebildet.

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Die DE 27 24 045 beschreibt ein Verfahren, bei dem Ethylen und Chlor gasför- mig einem im Naturumlauf geführten Reaktionsmedium zugegeben werden, das neben EDC auch höhere Konzentrationen anderer chlorierter Kohlenwas- serstoffe wie 1,1,2-Trichlorethan, enthalten kann. Die Reaktanden lösen sich in dem umlaufenden Strom und reagieren miteinander unter Bildung von EDC, welches dampfförmig einer Rektifikationszone zugeführt wird. Hierbei wird dem umlaufenden Reaktionsmedium zunächst das Chlor zugegeben, das sich aufgrund seiner guten Löslichkeit schnell im Reaktionsmedium löst. Das Ethylen wird hinsichtlich der Strömungsrichtung des Reaktionsmediums vorteilhafter- weise stromabwärts der Chlorzugabestelle zugegeben, da die Reaktion dann als

Reaktivabsorption geführt wird: Ethylen löst sich und reagiert unmittelbar mit dem bereits in Lösung befindlichen Chlor. Die Zugabe der Reaktanden kann je- doch auch gleichzeitig erfolgen. Der Reaktor dient damit gleichzeitig der Behei- zung der Rektifikationszone, aus der gekühltes EDC in den Reaktor zurückge- führt wird.

Bei dem Verfahren entsprechend DE 27 24 045 wird die gesamte Reaktions- wärme durch Verdampfung von EDC aus dem Reaktor abgeführt. Die ver- dampfte EDC-Menge entspricht einem Mehrfachen der produzierten EDC-

Menge. Die DE 24 27 045 offenbart auch die Einspeisung von Rück-EDC sowie von EDC aus einer Oxichlorierung in die Rektifikationszone um diese beiden

Ströme destillativ aufzureinigen.

EP 1 161 406 und DE 10 2008 020 386 beschreiben Verfahren, bei denen die

Reaktanden Ethylen und Chlor in homogener, flüssiger Phase miteinander rea- gieren. Auch bei diesen Verfahren wird das Reaktionsmedium im Naturumlauf geführt. Als Reaktionsmedium wird EDC mit einem gelösten Katalysator, z.B.

Eisen-Ill-chlorid verwendet — ein größerer Anteil an anderen chlorierten Koh- lenwasserstoffen im umlaufenden Reaktionsmedium, wie in der DE 2427 045 offenbart, ist hier nicht vorgesehen.

Zum Erreichen einer Reaktionsführung in homogener Phase wird dem umlau- fenden Reaktionsmedium zunächst gasförmiges Ethylen zugegeben. Dieses löst sich im weiteren Verlauf im Reaktionsmedium auf und liegt nach einer gewissen

Zeit bzw. nach Durchlaufen einer bestimmten Strecke oberhalb der Ethylen-Zu- gabestelle zum größten Teil in gelöster Form vor.

Gleichzeitig wird an einer geeigneten Stelle des Reaktors ein flüssiger EDC-Teil- strom entnommen. Bei dem Verfahren nach EP 1 161 406 erfolgt die Entnahme im Fallrohr eines Schlaufenreaktors mit externem Umlauf des Reaktionsmedi- ums, bei dem Verfahren nach DE 10 2008 020 386 wird der Strom aus dem äu- ßeren Ringraum eines Schlaufenreaktors mit innerem Umlauf entnommen. Bei beiden Verfahren wird der so entnommene EDC-Teilstrom mittels eines Wär- meübertragers abgekühlt und danach als Treibstrom zum Ansaugen gasförmi- gen Chlors mittels eines Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichters verwendet. Aufgrund der guten Löslichkeit des Chlors im EDC liegt das Chlor am Austritt des Flüssig- keitsstrahl-Gasverdichters schon in gelöster Form vor.

Der mit dem gelösten Chlor beladene EDC-Teilstrom wird nun über eine geeig- nete Verteilvorrichtung dem umlaufenden EDC-Hauptstrom an einer Stelle zu- gegeben, an der das Ethylen ebenfalls schon in gelöster Form vorliegt. Die Re- aktion zwischen Chlor und Ethylen verläuft nun weitestgehend homogen in flüssiger Phase.

Diese, in EP 1 161 406 und DE 10 2008 020 386 offenbarte Reaktionsführung ermöglicht eine im Vergleich zu Verfahren, die als Reaktivabsorption geführt werden, eine wesentlich niedrigere Bildungsrate an hochsiedenden Nebenpro- dukten, insbesondere 1,1,2-Trichlorethan. Die erhaltene Produktqualität ist für einen direkten Einsatz in einer nachgeschalteten Anlage zur thermischen Spal- tung von 1,2-Dichlorethan im Rahmen eines ausgewogenen VCM-Verfahrens geeignet und muss nicht vorher einer destillativen Aufreinigung, insbesondere zur Abtrennung höher als EDC siedender Substanzen, unterworfen werden.

Ein besonderes Merkmal dieser Verfahren ist, dass die hervorragenden Pro- duktqualitäten bei Reaktionstemperaturen von typischerweise 120°C erhalten werden. Dadurch können wirtschaftlich sinnvolle Wärmerückgewinnungsmaß- nahmen realisiert werden.

Das produzierte EDC wird bei den Verfahren nach EP 1 161 406 und DE 10 2008 020 386 dampfförmig am Kopf des Reaktors abgezogen. Der gelöste Katalysator verbleibt dabei im Reaktor.

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In der Regel werden die oben beschriebenen Verfahren bei einem gewissen

Ethylen-überschuss betrieben, um einen Austrag von nicht umgesetztem Chlor am Reaktorkopf zu vermeiden, der zu Korrosion an nachgeschalteten Anlagen- teilen und auch zu einer Verschlechterung der Produktqualität führen würde.

In DE 24 27 045 werden Ethylenüberschüsse zwischen 1 und 10 mol % genannt.

Die zugegebene überschüssige, nicht umgesetzte Ethylenmenge wird gasför- mig am Reaktorkopf ausgetragen und ist Bestandteil des Reaktorabgases.

Weitere Bestandteile des Reaktorabgases sind bezüglich der Direktchlorie- rungsreaktion inerte Beimischungen des Ethylens wie Ethan oder ebensolche

Beimischungen des Chlors wie Sauerstoff oder — je nach Herstellungsprozess des Chlors — Wasserstoff.

Um die aufgrund des Sauerstoffgehalts mögliche Bildung explosionsfähiger

Gasgemische im Reaktorabgas zu vermeiden, wird das Reaktorabgas mit einem

Inertgas verdünnt („Inertisiert“). Hierfür werden meist Stickstoff oder Ethylen verwendet. Die Kriterien für die erforderliche Zugabemenge und den erforder- lichen Zugabeort des Inertgases sind dem Fachmann bekannt.

Insbesondere bei der Verwendung von Ethylen als Inertisierungsmedium ist aus wirtschaftlichen Gründen eine Rückgewinnung des im Reaktorabgas enthalte- nen, nicht umgesetzten Ethylens erforderlich.

Die oben beschriebenen Verfahren werden meist im Rahmen des Anlagenver- bunds eines ausgewogenen VCM-Prozesses betrieben. In diesem Verbund kann die Rückgewinnung beispielsweise bewerkstelligt werden, indem man das ethylenhaltige Abgas der Direktchlorierung dem Ethylen-Feedstrom einer Oxi- chlorierungs-Anlage beimischt, wo er nach Gleichung (3) zu 1,2-Dichlorethan umgesetzt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Rückgewinnung überschüssigen Ethylens ist die

Installation eines Nachreaktors, in dem der ethylenhaltige Abgasstrom noch- mals mit Chlor ungesetzt wird.

Neben den im Anlagenverbund des ausgewogenen VCM-Verfahrens betriebe- nen Direkt-chlorierungsanlagen gibt es sogenannte „Stand-Alone-Anlagen“, die

6 LU507957 sich meist in räumlicher Nähe einer Chlor-Alkali-Elektrolyseanlage befinden und das in Letzterer erzeugte Chlor zu EDC umsetzen. Das so erzeugte EDC kann als ungefährliche „Transportform“ des Chlors zu VCM-Anlagen transportiert werden, die im nicht ausgewogenen Modus betrieben werden. Entweder ent- halten solche nicht ausgewogenen VCM-Anlagen keinen Direktchlorierungsteil oder sie sind dafür ausgelegt, neben dem innerhalb des Anlagenverbunds durch

Direktchlorierung erzeugten EDC zusätzliches EDC von außerhalb der Anlagen- grenze, sogenanntes ,Import-EDC“ zu verarbeiten.

Der Betrieb einer Stand-Alone-Anlage bietet dem Betreiber einer Chlor-Alkali-

Elektrolyseanlage den Vorteil, zur Weiterverarbeitung des anfallenden Chlors keinen vollständigen VCM-Komplex, dem oft auch noch eine Anlage zur Her- stellung von Polyvinylchlorid, PVC, nachgeschaltet ist, errichten zu müssen. Dies kann dann der Fall sein, wenn das Hauptprodukt eines chemischen Anlagenver- bundes Natronlauge ist und kein Interesse des Anlagenbetreibers an der Her- stellung von Polyvinylchlorid besteht.

Da neben einer Stand-Alone-Direktchlorierung keine nachgeschaltete Anlage zur Verarbeitung überschüssigen Ethylens wie beispielsweise eine Oxichlorie- rungsanlage vorhanden ist und die Installation eines Nachreaktors mit den ent- sprechenden zugehörigen Ausrüstungsteilen einen deutlich erhöhten Investiti- onsaufwand bedeutet, wird in solchen Anlagen prinzipbedingt Stickstoff als

Inertisierungsmedium verwendet, um den Ethylenaustrag über das Abgas mög- lichst gering zu halten. Gleichzeitig muss der zur Vermeidung freien Chlors am

Reaktoraustritt erforderliche Ethylenüberschuss so gering wie möglich sein, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu gewährleisten. Ebenso muss die erhal- tene Produktqualität die Verwendung in einer Anlage zur EDC-Spaltung ohne vorherige Destillation zur Abtrennung von Hochsiedern ermöglichen.

Es besteht daher Bedarf an einem verbesserten Direktchlorierungsverfahren, das mit den oben beschriebenen Randbedingungen einen wirtschaftlichen

Stand-alone-Betrieb ermöglicht sowie einer Vorrichtung, mit der sich dieses

Verfahren verwirklichen lässt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa-

7 LU507957 tentanspruchs 1, bezüglich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 16 gelöst. Die jeweilig abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte und optionale Weiterbildungen dar.

Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass sich mit dem erfindungs- gemäßen Schlaufenreaktor und dem erfindungsgemäßen Verfahren die Pro- duktqualität bei den in der EP 1 161 406 und in der DE 10 2008 020 386 be- schriebene Verfahren nochmals deutlich verbessern lässt, wenn diese bei ver- änderten Verfahrensparametern betrieben werden.

Ebenso kann bei Einhaltung der gefundenen Verfahrensparameter der erfor- derliche Ethylenüberschuss für eine vollständige Umsetzung des Chlors, noch- mals verringert und damit die Wirtschaftlichkeit des Prozesses verbessert wer- den.

Die Erfindung betrifft somit in einem ersten Aspekt einen Schlaufenreaktor zur

Herstellung eines Reaktionsprodukts, insbesondere eines chlorierten Alkans, umfassend: a) mindestens ein Fallrohr sowie mindestens ein Steigrohr, wobei das mindestens eine Fallrohr und das mindestens eine Steigrohr an jeweils einem oberen Ende in eine Kopfzone münden und über diese in fluidischer Kommunikation stehen, und an jeweils einem unteren Ende über eine Umlenkungszone miteinander verbunden sind und über diese in fluidischer Kommunikation stehen, b) mindestens eine erste Aufgabevorrichtung eines ersten Reaktan- den und mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung eines zwei- ten Reaktanden, wobei die mindestens eine erste Aufgabevorrich- tung und die mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung die Auf- gabe der jeweiligen Reaktanden in das mindestens eine Steigrohr ermöglichen, wobei die mindestens eine erste Aufgabevorrich- tung unterhalb der mindestens einen zweiten Aufgabevorrichtung angeordnet ist, wobei im mindestens einen Steigrohr unterhalb der mindestens einen ersten

Aufgabevorrichtung mindestens ein Druckverlusterzeuger angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der der mindestens eine

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Druckverlusterzeuger als Strômungsgleichrichter in Form einer mit Aussparun- gen versehenen Platte oder als Kombination einer mit Aussparungen versehe- nen Platte mit weiteren Druckverlust erzeugenden oder die Strômung ver- gleichmaBigenden Elementen wie Wabenstrukturen, Bündeln von kreisfôrmi- gen oder nicht kreisfôrmigen Kanälen, strukturierten oder ungeordneten Pa- ckungen für den Stoffaustausch oder statischen Mischerpackungen ausgebildet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der der mindestens eine Druckverlusterzeuger als Strômungsgleichrichter in Form von Druckverlust erzeugenden oder die Strömung vergleichmäBigenden Elementen wie Waben- strukturen, Bündeln von kreisfôrmigen oder nicht kreisfôrmigen Kanälen, struk- turierten oder ungeordneten Packungen für den Stoffaustausch oder statischen

Mischerpackungen ausgebildet ist.

Insbesondere kann der mindestens eine Druckverlusterzeuger als Lochplatte mit grôBenvariablen Aussparungen ausgebildet sein.

Besonders vorteilhaft umfasst der mindestens eine Druckverlusterzeuger ein

Lochplattenpaar mit oberer und unterer Lochplatte oder ist hieraus gebildet, wobei die jeweils obere und untere Lochplatte in Projektion der oberen und unteren Lochplatte aufeinander zumindest eine Teilmenge an Aussparungen aufweist, bei einer ersten lateralen Stellung der oberen und unteren Lochplatte zueinander in Projektion der oberen und unteren Lochplatte aufeinander ge- öffnet und bei lateralem Verschieben der oberen zur unteren Lochplatte in eine zweite laterale Stellung der oberen und unteren Lochplatte zueinander teil- weise oder ganz verschlossen ist.

Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die obere oder die untere

Lochplatte des Lochplattenpaares fest im Steigrohr angebracht ist und die je- weils andere Lochplatte des Lochplattenpaares lateral beweglich ist, beispiels- weise mittels eines Stellantriebs.

Hierbei kann es vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung vor dem Druckver- lusterzeuger ein Element zur Beeinflussung der Strömung, beispielsweise eine

Begrenzungsblende oder ein steuerbares Stellelement und/oder eine Verjün- gung angeordnet ist.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis einer Querschnittsfläche des mindestens ein Fallrohrs zu der Querschnittsfläche des mindestens einen Steigrohrs 0,07 bis 0,45.

Bevorzugt ist ferner, wenn im mindestens einen Steigrohr zwischen der min- destens einen ersten Aufgabevorrichtung und der mindestens einen zweiten

Aufgabevorrichtung mindestens ein erster statischer Mischer angebracht ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im mindestens einen

Fallrohr eine Entnahmestelle zur Abzweigung mindestens eines ersten Teil- stroms vorgesehen, wobei der mindestens eine erste Teilstrom in einen Mi- scher, in dem ein Einmischen des zweiten Reaktanden in den Teilstrom erfolgt, aufgegeben wird und anschließend über die mindestens eine zweite Aufgabe- vorrichtung im mindestens eine Steigrohr mündet.

Beispielsweise kann hierbei der Teilstrom über mindestens eine Umwälzpumpe und/oder mindestens einen Wärmeübertrager verfügen.

Ebenso ist es möglich, dass der Teilstrom über ein Entspannungsventil und ei- nen nachgeschalteten Entspannungsbehälter verfügt, aus dem über eine Ent- nahmemöglichkeit, die ggf. über ein vorgeschaltetes Druckhalteventil verfügt, gasförmiges oder flüssiges Produkt entnommen werden kann.

Vorteilhaft ist ferner, wenn im mindestens einen Fallrohr eine Entnahmestelle zur Abzweigung mindestens eines zweiten Teilstroms vorgesehen ist, der über mindestens eine Umwälzpumpe und/oder mindestens einen Wärmeübertrager verfügt und in das mindestens eine Fallrohr rückgeführt wird.

Insbesondere ist im mindestens einen Steigrohr oberhalb der mindestens einen zweiten Aufgabevorrichtung ein zweiter statischer Mischer angebracht.

Vorzugsweise weist die Kopfzone des Schlaufenreaktors ferner mindestens ei- nen Abzug zur Entnahme eines gasförmigen Produktes auf.

Beim Schlaufenreaktor kann das mindestens eine Steigrohr innerhalb des min- destens einen Fallrohrs angeordnet sein. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine Steigrohr und das mindestens eine Fallrohr als sepa- rate Elemente ausgebildet sind.

Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Reaktionsprodukts durch Additionsreaktion zweier Edu- kte in einem vertikal ausgerichteten, im Vorangehenden beschriebenen erfin- dungsgemäßen Schlaufenreaktor, bei dem der Schlaufenreaktor mit einem flüssigen Reaktionsmedium sowie ggf. einem homogen darin gelösten Katalysator befüllt wird oder befüllt ist, so dass das mindestens eine Fallrohr, das mindestens eine Steigrohr und die Umlenkungs- zone vollständig und die Kopfzone zumindest teilweise mit dem flüssigen Reak- tionsmedium befüllt sind, über die mindestens eine erste Aufgabevorrichtung ein erster Reaktand und über die mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung ein zweiter Reaktand in das mindestens eine Steigrohr aufgegeben wird, so dass sich ein Naturumlauf ausbildet, wobei im mindestens einen Steigrohr dem das Reaktionsmedium mit den Reaktanden aufsteigt, in der Kopfzone in das mindestens eine Fallrohr um- gelenkt und dort absinkt und in der Umlenkungszone erneut umgelenkt und in das mindestens eine Steigrohr geführt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Umlaufströmung des Reaktionsme- diums bei Eintritt in das mindestens eine Steigrohr durch den mindestens einen

Druckverlusterzeuger beeinflusst wird.

Gemäß eines bevorzugten Aspekts des Verfahrens wird die Strömung über den

Querschnitt des mindestens einen Steigrohrs vergleichmäßigt.

Der erste Reaktand ist bevorzugt ein Alken, insbesondere Ethen, der zweite Re- aktand ein Halogen, insbesondere Chlor, das Reaktionsprodukt ein halogenier- tes Alkan, insbesondere 1,2-Dichlorethan. Bevorzugt sind Reaktionsprodukt und das Reaktionsmedium identisch.

Weiter ist vorteilhaft, dass in einer Strecke im mindestens einen Steigrohr ab der zweiten Aufgabevorrichtung bis zum Austritt aus dem mindestens einen

Steigrohr (Reaktionszone) eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsmediums mit den darin gelösten

Reaktanden als Leerrohrgeschwindigkeit der flüssigen Phase definiert ist, (z.B. basierend auf der so definierten Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsme- diums), und/oder eine Verweilzeit des Reaktionsmediums mit den darin gelösten Reaktanden zwischen 30 Sekunden und 120 Sekunden liegt.

Bezogen auf eine Querschnittsfläche des mindestens einen Steigrohres kann eine Zugaberate des ersten Reaktanden, der insbesondere Ethen ist, zwischen 600 und 3.500 kg/(m?*h), und/oder des zweiten Reaktanden, der insbesondere Chlor ist, zwischen 1.400 und 8.000 kg/(m*h), gewählt werden.

Vorzugsweise wird die umlaufende Menge des Reaktionsmediums, bezogen auf die Menge des zugegebenen ersten Reaktanden zwischen 400 und 750 kg pro 1 kg des ersten Reaktanden gewählt.

Der erste Reaktand kann nach Durchlaufen einer Misch- und Lösezone, die sich von der mindestens einen ersten Aufgabevorrichtung bis zur mindestens einen zweiten Aufgabevorrichtung erstreckt, im Reaktionsmedium vollständig gelöst werden.

Ebenso kann der erste Reaktand in einem Teilstrom des Reaktionsmediums ge- löst und als Lösung über die zweite Aufgabevorrichtung in das mindestens eine

Steigrohr aufgegeben werden, wobei bevorzugt der mindestens eine Teilstrom auf eine Temperatur eingestellt ist, die niedriger ist, als die Temperatur des Re- aktionsmediums im Steigrohr.

Vorzugsweise beträgt die spezifische Produktionsmenge des erzeugten Reakti- onsproduktes, bezogen auf die Querschnittfläche des mindestens einen Steig- rohres am Ort der zweiten Aufgabevorrichtung zwischen 2.000 und 10.500 kg kg/(m?h).

Das Reaktionsprodukt wird bevorzugt gasförmig über den mindestens einen

Abzug der Kopfzone und/oder gasfôrmig oder flüssig über die Entnahmemö6g- lichkeit entnommen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen, in denen spezifische und bevorzugte Ausführungsformen anhand des Beispiels der Addition von Ethylen und Chlor beschrieben werden, näher beschrieben, ohne dass diese einschränkend zu verstehen sind.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Direktchlorierung von

Ethylen mit Chlor unter Einsatz eines im Umlauf geführten Reaktionsmediums sowie eines Katalysators, wobei dem Reaktionsmedium Ethylen und Chlor zu- geführt werden. Hierbei wird - in Umlaufrichtung des Reaktionsmediums gesehen an einer stromauf- wärtigen Stelle Ethylen derart in das umlaufende Medium eingeleitet , dass es nach Durchlaufen einer Misch- und Lösezone in dem Reaktions- mediumstrom vollständig aufgelöst ist, und - das Chlor in einem gekühlten Teilstrom des Reaktionsmediums aufge- löst und dann dem Hauptstrom des Reaktionsmediums weiter stromab- warts zugeführt , wobei die Zugabe des gelösten Chlors an einer Stelle erfolgt, an der das Ethylen ebenfalls in bereits gelöster Form vorliegt.

Der Reaktor weist mindestens ein Steigrohr und mindestens ein Fallrohr auf, wobei das mindestens eine Steigrohr und das mindestens eine Fallrohr am un- teren Ende nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander ver- bunden sind und das mindestens eine Steigrohr und das mindestens eine Fall- rohr an deren oberem Ende in ein Ausdampf — bzw. Ausgasgefäß münden. Die

Zugabestellen flr Ethylen und im Reaktionsmedium gelöstem Chlor sind in dem mindestens einen Steigrohr angeordnet. Insbesondere ist als Länge der Reakti- onszone die Länge des Steigrohres ab der Zugabestelle für gelöstes Chlor defi- niert. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Reaktionszone ist bevorzugt als

Leerrohrgeschwindigkeit der flüssigen Phase definiert. Die auf die Strömungs- geschwindigkeit der flüssigen Phase bezogene Verweilzeit liegt vorzugsweise zwischen 30 Sekunden und 120 Sekunden. Die Chlor-Zugabedichte bezogen auf die Querschnittsfläche des mindestens einen Steigrohres an der Chlor-Zugabe- stelle beträgt bevorzugt zwischen 1400 kg/m?h und 8000 kg/m*h. Die Ethylen-

Zugabedichte bezogen auf die Querschnittsfläche des mindestens einen Steig- rohres an der Ethylen-Zugabestelle beträgt bevorzugt zwischen 600 kg/m*h und 3500 kg/m?h. Weiter bevorzugt liegt die umlaufende EDC-Menge bezogen auf die zugegebene Ethylenmenge zwischen 400 kg EDC/kg Ethylen und 750 kg

EDC/kg Ethylen. Die spezifische EDC-Produktionsmenge bezogen auf die Quer- schnittfläche des mindestens einen Steigrohres an der Chlor-Zugabestelle be- trägt vorteilhaft zwischen 2000 kg EDC/m” h und 10500 kg EDC/m? H. Im min- destens einen Steigrohr kann mindestens eine statische Mischerpackung (Re- aktionsmischer) oberhalb der Chlor-Zugabestelle und mindestens ein Strö- mungsgleichrichter unterhalb der Ethylen-Zugabestelle angeordnet sein. Die oben genannten Betriebsparameter können durch die Dimensionierung von

Druckverlust erzeugenden Einbauten eingestellt werden.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind zur Einstellung der erfindungs- gemäßen Betriebsparameter keine aktiven Stellorgane wie Regelventile, Klap- pen o.Ä. im Strömungsweg des umlaufenden EDC erforderlich. Die Betriebspa- rameter können durch entsprechende Dimensionierung der Druckverlust er- zeugenden Einbauten wie statische Mischerpackungen und Strömungsgleich- richtern eingestellt werden. Der Begriff „Druckverlust erzeugende Einbauten“ erstreckt sich auch auf Verjüngungen bzw. Einschnürungen des Reaktorsteig- rohres und/oder des Reaktorfallrohres. Die Erfindung umfasst jedoch auch An- ordnungen, bei denen im Strömungsweg des umlaufenden EDC zusätzlich ak- tive Stellorgane angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Betriebszustand bezüglich des Naturumlaufs ergibt sich, wenn ein Kräftegleichgewicht zwischen der antreibenden Kraft, bedingt durch den mittleren Dichteunterschied zwischen Steigrohr und Fallrohr einerseits und der Summe der Druckverluste im Strömungsweg des umlaufenden EDC ande- rerseits besteht. Die antreibenden Kräfte können sowohl rechnerisch abge- schätzt als auch experimentell bestimmt werden.

Die durch die Einbauten bedingten Druckverluste können ebenfalls sowohl rechnerisch als auch experimentell bestimmt werden.

Methoden zur Abschätzung bzw. Bestimmung der antreibenden Kräfte bzw. der Druckverluste sind dem Fachmann bekannt.

Im Folgenden bezieht sich der Terminus „Strömungsgleichrichter“ auf ein mit

Aussparungen beliebiger Form versehenes Blech im Strömungsweg des umlau- fenden 1,2-Dichlorethanstromes. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführung. Insbesondere können als Strömungsgleichrichter auch komplexere Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise solche Vorrich- tungen die aus parallelen Kanälen in Form einer Wabenstruktur oder aus paral- lelen Kanälen mit beliebig geformtem Querschnittbestehen. Ebenso können statische Mischerpackungen verwendet werden. Weiterhin können ungeord- nete Packungen für den Stoffaustausch, beispielsweise Füllkörper oder struk- turierte Packungen verwendet werden.

Die oben beschriebenen komplexeren Vorrichtungen können für sich alleine o- der in Kombination mit einer mit Aussparungen versehenen Platte verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine apparative Einheit einer mit

Aussparungen versehenen Platte und einer der oben beschriebenen, komple- xeren Vorrichtungen verwendet, bei der die mit Aussparungen versehene

Platte bezüglich der Strömungsrichtung des Reaktionsmediums stromaufwärts der komplexeren Vorrichtung angeordnet ist.

Weitere Ausführungen von Strömungsgleichrichtern sind dem Fachmann be- kannt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Strö- mungsgleichrichter ein gelochtes Blech analog einem Siebboden einer Destilla-

tionskolonne verwendet. Die Ausführung des Strömungsgleichrichters ist je- doch nicht auf kreisförmige Aussparungen beschränkt, sondern kann Ausspa- rungen beliebiger Form wie beispielsweise Rechtecke, Dreiecke oder andere

Vielecke oder auch Ellipsen umfassen. Bei dieser Ausführungsform übernimmt das gelochte Blech sowohl die Funktion des Strömungsgleichrichters als auch die Funktion des Druckverlusterzeugers.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine

Kombination aus einem mit Aussparungen versehenen Blech und einem weite- ren Druckverlusterzeuger in Reihenschaltung verwendet, wobei das mit Aus- sparungen versehene Blech bezüglich der Strömungsrichtung des umlaufenden 1,2-Dichlorethans stromabwärts des weiteren Druckverlusterzeugers angeord- net ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Funktionen der Strömungsgleich- richtung und der Verlangsamung der Umlaufströmung insoweit entkoppelt, als das mit Aussparungen versehene Blech vorwiegend die Funktion des Strö- mungsgleichrichters übernimmt und der weitere Druckverlusterzeuger vorwie- gend zur Verlangsamung des umlaufenden 1,2-Dichlorethanstromes dient. Bei dem weiteren Druckverlusterzeuger kann es sich sowohl um einen festen Strö- mungswiderstand — beispielsweise eine Begrenzungsblende — als auch um ein aktives Stellelement — beispielsweise eine Klappe oder eine andere manuell o- der mittels Hilfsenergie verstellbare Regelarmatur — handeln.

Insbesondere kann bei dieser Ausführungsform der weitere Druckverlusterzeu- ger auch räumlich getrennt von dem mit Aussparungen versehenen Blech an- geordnet sein. So kann der weitere Druckverlusterzeuger beispielsweise im Re- aktorfallrohr angeordnet sein.

Weiterhin kann der weitere Druckverlusterzeuger auch in einem Reaktorab- schnitt mit einem geringeren Rohrdurchmesser als demjenigen des Reaktor- steigrohres oder aber in einer Einschniirung des Reaktorsteigrohres oder des

Reaktorfallrohres angeordnet sein. Die letzte Ausführungsform bietet den Vor- teil, dass Stellelemente geringeren Durchmessers verwendet werden kénnen, die kostengünstig sind und zu deren Bedienung geringere Stellkräfte erforder- lich sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist oberhalb der

Ethylen-Zugabestelle aber unterhalb der Chlor-Zugabestelle eine weitere stati- sche Mischerpackung als Begasungsmischer angeordnet. Bei Verwendung ei- nes solchen Begasungsmischers ist die Installation eines Strömungsgleichrich- ters unterhalb der Ethylen-Zugabestelle nicht zwingend erforderlich, da die

Funktion des Strömungsgleichrichters sowohl hinsichtlich einer Vergleichmäßi- gung der Strömung als auch hinsichtlich der Einstellung des gewünschten

Druckverlustes in diesem Fall durch die zusätzliche statische Mischerpackung übernommen werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Ver- hältnis der einem Steigrohr zugeordneten Fallrohr — Querschnittsfläche zur

Querschnittfläche des Steigrohres zwischen 0,07 und 0,45.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dampfförmi- ges EDC durch zumindest teilweise Entspannungsverdampfung eines aus dem

Reaktor entnommenen, flüssigen EDC-Stromes erhalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zielt auch auf ein Verfah- ren, bei dem dampfförmiges EDC durch zumindest teilweise Entspannungsver- dampfung eines aus dem Reaktor entnommenen, flüssigen EDC-Stromes erhal- ten wird und der verbleibende, durch Entspannungsverdampfung abgekühlte, flüssige EDC-Strom nach gegebenenfalls weiterer Abkühlung zur Auflösung des bei der Direktchlorierungsreaktion eingesetzten Chlors verwendet wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Strö- mungsgleichrichter mit variablem freiem Querschnitt verwendet, der aus zwei übereinanderliegenden, verschiebbaren Platten mit Aussparungen besteht und dessen freier Querschnitt durch Verschieben einer der Platten durch einen

Stellantrieb variiert wird.

Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Figu- ren dargestellt.

Figur 1a und 1b zeigen den Aufbau eines erfindungsgemäßen Schlaufenreak- tors 2 anhand zweier möglicher Ausgestaltungsformen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei gleiche Vorrichtungsbestandteile.

Figur 1a zeigt einen Schlaufenreaktor mit äußerem Flüssigkeitsumlauf, Figur 1b zeigt einen Schlaufenreaktor 2 mit innerem Flüssigkeitsumlauf. Flüssiges Ethyl- endichlorid 1 (nachfolgend EDC, flüssigen Reaktionsmedium) durchströmt im

Kreislauf in beiden Fällen den Schlaufenreaktor 2 mit einem Fallrohr 3, einem

Steigrohr 4, einer unteren Umlenkzone 5 sowie einer oberen Entgasungs- bzw.-

Verdampfungszone 6. Bei der in Fig. 1b gezeigten Vorrichtung ist das Fallrohr als Ringspalt zwischen der äußeren Behälterwand und dem inneren Ringraum (Steigrohr 4) ausgeführt. Der Begriff „Steigrohr 4“ umfasst somit auch diesen

Ringspalt.

Nach dem Durchströmen der Umlenkungszone 5 durchströmt das EDC 1 zu- nächst einen Strömungsgleichrichter 7, der das Geschwindigkeitsprofil der Strö- mung über den Querschnitt des Steigrohres vergleichmäßigt und dessen Druck- verlust bevorzugt so bemessen ist, dass die Summe der Druckverluste des Strö- mungsgleichrichters 7 und weiterer im Strömungsweg des umlaufenen EDC be- findlicher Einbauten bei Nennlast des Reaktors zur Einstellung der erfindungs- gemäßen Betriebsparameter führen.

In Umlaufrichtung des EDC stromabwärts wird dem EDC gasförmiges Ethylen 8 (erster Reaktand), vorzugsweise über eine Aufgabe- bzw. Verteilvorrichtung 9 zugegeben. Das zunächst gasförmige Ethylen 8 löst sich nun auf dem weiteren

Weg nach oben durch das Steigrohr im umlaufenden EDC 1 auf. Der Lösevor- gang kann durch einen (optionalen) statischen Mischer (z.B. Begasungsmischer, unterhalb der zweiten Aufgabevorrichtung) 10 unterstützt werden.

Aus dem Fallrohr 3 wird mittels einer ersten EDC-Umwälzpumpe 11 ein erster

EDC-Teilstrom 12 abgezogen und mittels eines ersten Wärmeübertragers 13 abgekühlt. Der erste Wärmeübertrager 13 kann hier auch symbolhaft für eine

Kombination aus mindestens zwei in Serie geschalteten Wärmeübertragern 13 stehen, wobei mindestens einer dieser Wärmeübertrager 13 ein Wärmeüber- tragungsmedium aufheizt, das seinerseits geeignete Wärmesenken beheizt und damit zur Rückgewinnung von Reaktionswärme dient.

Der abgekühlte erste EDC-Teilstrom 14 dient nun als Treibstrahl in einem Flüs-

sigkeitsstrahl-Gasverdichter 15 (Mischer), um gasförmiges Chlor 16 (zweiter Re- aktand) anzusaugen und im gekühlten EDC-Teilstrom 14 aufzulösen. Aufgrund der guten Löslichkeit des gasförmigen Chlors in EDC liegt das Chlor — bis auf ggf. enthaltene Inertgase wie Sauerstoff oder Wasserstoff am Austritt des Flüssig- keitsstrahl-Gasverdichters in gelöster Form vor.

Liegt das Chlor bereits in flüssiger Form vor , so kann an Stelle des Flüssigkeits- strahl-Gasverdichters 15 zur Zumischung des Chlors 16 auch ein Verteiler, kom- biniert mit oder ohne statischem Mischer, zur Chlorzugabe 19 verwendet wer- den, wie in Fig. 1c gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird flüssiges Chlor 18 unter Verwendung des statischen Mischers 19 dem ersten abgekühlten EDC-

Teilstrom mit einem Verteiler zugemischt. Auch in dem Fall, dass das zur Verfü- gung stehende Chlor 18 einen ausreichenden Vordruck aufweist, um ohne Ver- wendung eines Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichters 15 in den Reaktor 2 einge- speist zu werden, kann für die Zumischung und Lösung des Chlors 18 ein stati- scher Mischer verwendet werden (in den Figuren nicht dargestellt).

Der Teilstrom 17 mit in EDC gelöstem Chlor wird nun vorzugsweise über eine

Verteilvorrichtung 20 an einer Stelle in das Steigrohr 4 eingespeist, an der das in Umlaufrichtung des EDC stromaufwärts zugegebene Ethylen sich bereits auf- gelöst hat und in gelöster Form vorliegt. Die beiden Einsatzstoffe Ethylen und

Chlor reagieren nun in der Flüssigphase miteinander. Die Reaktion wird durch einen statischen Mischer 21, hier als Reaktionsmischer bezeichnet, unterstützt.

Durch die Reaktionswärme erhöht sich die Temperatur des umlaufenden EDC-

Stromes.

Nach dem Durchlaufen des Reaktionsmischers 21 strömt das Reaktionsgemisch weiter nach oben und beginnt — bedingt durch den abnehmenden hydrostati- schen Druck — zu sieden. In der Verdampfungs- bzw. Entgasungszone 6 (Kopf- zone) findet eine Phasentrennung statt. Dampfförmiges EDC wird als Produkt über den Abzug 22 abgezogen, während das flüssige EDC 1 wieder in den Kreis- lauf zurückströmt.

Zusätzlich zum ersten EDC-Teilstrom 12 können dem Reaktor optional noch ein oder mehrere weitere EDC-Teilströme 23 entnommen, mittels einer oder meh- rerer weiterer EDC-Kreislaufpumpen 24 einer oder mehreren Wärmesenken 25 zur Rückgewinnung von Reaktionswärme zugeführt und wieder in den Reaktor zurückgegeben werden.

Die Menge des Über den Abzug 22 entnommenen, verdampftem EDC am Re- aktorkopf hängt von der über den oder die Flüssig-EDC-Kreisläufe abgeführten

Wärmemenge ab wobei die verdampfte Mindest-EDC-Menge, der durch die Re- aktion produzierten EDC-Menge entspricht. Der Hauptanteil der Auftriebs- kräfte, die den Naturumlauf verursachen und in Gang halten, wird durch das

Vorhandensein von Gasphasen - bedingt durch die Zugabe gasförmigen Ethyl- ens in den unteren Teil des Steigrohres einerseits und die Verdampfung von

EDC im oberen Teil des Steigrohres andererseits verursacht (Prinzip der Mam- mutpumpe bzw. des Gaslift-Reaktors). Der Dichteunterschied zwischen der

Flüssigphase im Steigrohr und im Fallrohr trägt nur zu einem geringen Teil zum

Naturumlauf bei.

Figur 2 zeigt weitere mögliche Ausgestaltungen des Reaktors. Figur 2a und 2b zeigen schematisch Reaktoren mit äußerem Umlauf, bei denen die Umlen- kungszone 5 nicht als „U-Rohr“ ausgebildet ist. In Figur 2a und Figur 2b ist eben- falls angedeutet, dass das oder die die Fallrohre 3 - auch aufgrund der Anord- nung eines Strömungsgleichrichters 7 im Steigrohr 4 - erfindungsgemäß einen deutlich kleineren Durchmesser und damit eine deutlich geringere Quer- schnittsfläche aufweisen können als das Steigrohr 4.

Bei einer deutlichen Verkleinerung des Strömungsquerschnitts des Fallrohres 3 strömt das umlaufende EDC mit hoher Geschwindigkeit in die Umlenkungszone 5 und das Steigrohr 4 ein. Dies würde ohne die Anordnung eines Strömungs- gleichrichters 7 im Steigrohr 4 zu einer stark ungleichmäßigen Geschwindig- keitsverteilung im Bereich der Ethylen-Verteilvorrichtung 9 und damit zu einer negativen Beeinflussung der Ethylen-Auflösung führen. Der Strömungsgleich- richter 7 gewährleistet jedoch eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung, so dass der beschriebene Nachteil beim erfindungsgemäßen Reaktor nicht auf- tritt.

In Figur 2a und 2b ist angedeutet, dass das Reaktorsteigrohr 4 im Bereich der

Ausdampfungs / Entgasungszone 6 optional eine Querschnittserweiterung auf-

weisen kann. Figur 2b zeigt exemplarisch, dass einem Steigrohr 4 mehrere Fall- rohre 3 zugeordnet sein können. Figur 2c zeigt exemplarisch, dass mehrere Re- aktionsstrecken einer Ausdampf / Entgasungszone zugeordnet sein können. Die

Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.

Fig. 3a und 3 b zeigen weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung.

Bei der Ausführung gemäß Figur 3a wird aus dem Reaktorfallrohr 3 ein EDC-

Teilstrom entnommen und über ein Entspannungsventil 26 in einen Entspan- nungsbehälter 27 geleitet. Der Druck im Entspannungsbehälter 27 wird mittels eines Druckhalteventils 28 geregelt. Dampfförmiges EDC 30 wird nun im Ge- gensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen nicht mehr durch

Sieden, sondern durch Entspannungsverdampfung aus dem Reaktor abgezo- gen. Der nicht verdampfte EDC-Anteil 30 wird durch die Pumpe 31 in das Reak- torfallrohr 3 zurück gefördert. Bei der in Fig. 3b gezeigten Ausführung wird ebenfalls dampfförmiges EDC durch Entspannungsverdampfung aus dem Reak- tor abgezogen. Das durch die Entspannungsverdampfung bereits abgekühlte flüssige EDC wird nun, wie in der Erläuterung zu Figuren 1a und 1b bereits be- schrieben, mittels des Wärmeübertragers 13 weiter abgekühlt und zur Auflö- sung das Rohstoffes Chlor verwendet. Ein etwaiger Überschuss an flüssigem

EDC, der nicht zur Auflösung des Chlors benötigt wird, wird als Teilstrom 32 in den Reaktor zurückgeführt. Die Rückführung des Teilstromes 32 in den Reaktor kann auch mittels einer separaten Pumpe (in Fig. 3a, 3b nicht dargestellt) erfol- gen.

Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Strömungsgleichrichter mit variablem freiem Querschnitt. In Figur 4a ist der untere Teil eines Reaktors gemäß Fig. 1b dargestellt. EDC aus dem Fallrohr 3 umströmt die Unterkante des Steigrohres 4 und wird nach oben umgelenkt. Der Strömungsgleichrichter besteht aus einer oberen Platte 32, die durch einen Stellantrieb 33 gegenüber der unteren Platte 34 verschoben werden kann. Fig. 4a zeigt in der Draufsicht den voll geöffneten

Zustand des Strömungsgleichrichters am Beispiel quadratischer Aussparungen.

Die Aussparungen liegen deckungsgleich übereinander. Fig. 4b zeigt den halb- geschlossenen Zustand. Die obere Platte ist 32 ist gegenüber der unteren Platte 34 verschoben und verdeckt teilweise die Aussparung der unteren Platte. Die gezeigte Anordnung ist als Beispiel zu verstehen. Beispielweise kann auch die untere Platte 34 verschiebbar sein. Ebenso kann der Stellantrieb entweder mit

Hilfsenergie — z.B. pneumatisch — oder per Hand betätigt werden. Weiterhin ist die Form der Aussparungen frei wählbar und nicht auf die in Fig.4 gezeigte quadratische Form beschränkt. Durch die Auswahl der Form der Aussparungen kann die Regelcharakteristik gut an die Regelaufgabe angepasst werden. Die

Verwendung einer Anordnung wie in Fig.4 gezeigt ist insbesondere dann vor- teilhaft, wenn im normalen Betriebszustand EDC aus dem Reaktor entnommen, in einer externen Wärmesenke abgekühlt und wieder in den Reaktor zurückge- führt wird. Fällt eine solche Wärmesenke aus oder wird außer Betrieb genom- men, so wird am Kopf des Reaktors mehr EDC verdampft und die Auftriebskraft im Steigrohr steigt — bedingt durch den nun höheren Gasanteil — an. Um die erfindungsgemäßen Betriebsparameter weiterhin einhalten zu können, kann der EDC-Umlaufstrom nun durch Verstellen des Strömungsgleichrichters ange- passt werden.

Die Figuren 5a-5c zeigen verschiedene Ausführungsformen, bei denen die Funk- tionen der Strömungsgleichrichtung und der Druckverlusterzeugung voneinan- der entkoppelt sind, wobei als Strömungsgleichrichter beispielhaft ein Blech mit Aussparungen und als zusätzliche Vorrichtung zur Erzeugung von Druckver- lust ein Element zur Beeinflussung der Strömung 37, beispielsweise eine Be- grenzungsblende oder ein aktives (steuerbares) Stellelement verwendet wird, wobei das aktive Stellelement manuell oder unter Verwendung einer Hilfsener- gie betätigt wird. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt.

Fig. 5a zeigt die Anordnung einer Kombination von Strömungsgleichrichter 36 und aktivem Stellelement 37, in einem Schlaufenreaktor mit innerem Umlauf, wobei das aktive Stellelement in einer Verjüngung des Reaktorsteigrohres 4 an- geordnet ist.

Fig. 5b zeigt die Anordnung einer Kombination von Strömungsgleichrichter 36 und aktivem Stellelement 37, in einem Schlaufenreaktor mit äußerem Umlauf, wobei das aktive Stellelement in einer Verjüngung des Reaktorsteigrohres 4 an- geordnet ist. und der Durchmesser des Reaktorfallrohres 3 geringer ist als der

Durchmesser des Reaktorsteigrohres 4.

Fig. 5c zeigt die Anordnung einer Kombination von Strömungsgleichrichter 36 und aktivem Stellelement 37, in einem Schlaufenreaktor mit äußerem Umlauf, wobei der Durchmesser des Reaktorfallrohres 3 geringer als der des Reaktor- steigrohres 4 ist und das aktive Stellelement im Reaktorfallrohr 3 angeordnet ist.

Fig. 5d zeigt die Anordnung einer Kombination von Strömungsgleichrichter 36 und einer Begrenzungsblende 38 in einem Schlaufenreaktor mit äußerem Um- lauf, wobei der Durchmesser des Reaktorfallrohres 3 geringer als der des Reak- torsteigrohres 4 ist und die Begrenzungsblende in einer Verjüngung des Reak- torsteigrohres 4 angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Kombination von Strömungsgleichrichter 36 und aktivem Stellelement 38 in einem Schlaufenreaktor mit äußerem Umlauf, wobei der Durchmesser des Reaktorfallrohres 3 geringer als der des Reaktor- steigrohres 4 ist und das aktive Stellelement in einer Verjüngung des Reaktor- fallrohres 3 angeordnet ist.

Legende 1 Flüssig-EDC 2 Schlaufenreaktor 3 Fallrohr 4 Steigrohr 5 Umlenkungszone 6 Verdampfungs / Entgasungszone 7 Strömungsgleichrichter 8 Ethylen 9 Ethylenverteilvorrichtung 10 Begasungsmischer (optional) 11 Erste EDC-Umwälzpumpe 12 Erster EDC-Teilstrom 13 Erster Wärmeübertrager 14 Erster abgekühlter EDC-Teilstrom 15 Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichter 16 Chlor, gasförmig

17 Chlor, in EDC gelöst 18 Chlor, flüssig 19 Statischer Mischer zur Chlorzugabe (optional) 20 EDC / Chlor — Verteilvorrichtung 21 Reaktionsmischer 22 EDC dampfförmig, bei Produktabzug durch Sieden 23 Weitere flüssige EDC-Teilströme (optional) 24 Weitere EDC-Umwälzpumpen (optional) 25 Wärmesenken zur Rückgewinnung von Reaktionswärme (opti- onal) 26 Entspannungsventil 27 Entspannungsbehälter 28 Druckhalteventil 29 EDC, dampfförmig, bei Produktabzug durch Entspannungsver- dampfung 30 EDC flüssig, zurück zum Reaktor 31 EDC-Rückführungspumpe 32 Obere Platte des Strömungsgleichrichters 33 Stellantrieb 34 Untere Platte des Strömungsgleichrichters 35 Aussparungen 36 Platte mit Aussparungen als Strömungsgleichrichter 37 Stellorgan, Verstellung manuell oder mittels Hilfsenergie 38 Begrenzungsblende als Druckverlusterzeuger 39 Einschnürung (Fallrohr)

Die vorliegende Erfindung wird anhand er nachfolgenden Beispiele näher er- läutert.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

In einem Reaktor gemäß Fig.1a, jedoch ohne Strömungsgleichrichter 7 und ohne Begasungsmischer 10 werden 9275 kg/h Ethylen mit 23041 kg/h Chlor umgesetzt. Der molare Ethylen-Überschuss beträgt 1,75 %. Die Länge der Re- aktionsstrecke beträgt 7300 mm, der Durchmesser des Steigrohres beträgt 2000 mm. Das Reaktionsprodukt wird am Reaktorkopf dampfförmig abgezogen und kondensiert. Als Betriebsparameter stellen sich ein:

Chlor-Zugabedichte [kg/m? h]: 7129

Ethylen-Zugabedichte [kg/m? h]: 2821

Verweilzeit [s]: 9,4

Verhältnis umlaufendes EDC / Ethylen [kg/kg]: 1106

Das erhaltene Reaktionsprodukt weit folgende Qualitätsparameter auf:

Summe Leichtsieder [Gew. ppm]: 50

Summe Hochsieder [Gew.ppm]: 390 (ohne Bromver- bindungen

Beispiel 2 (Erfindungsgemäßes Verfahren)

In einem Reaktor gemäß Fig.1b, jedoch ohne Begasungsmischer 10 werden 4961 kg/h Ethylen mit 12477 kg/h Chlor umgesetzt. Der molare Ethylen-Über- schuss beträgt 0,5 %. Die Länge der Reaktionsstrecke beträgt 12300 mm, der

Durchmesser des Steigrohres beträgt 2022 mm. Das Querschnittsflächenver- hältnis Fallrohr / Steigrohr beträgt 0,41. Das Reaktionsprodukt wird am Reak- torkopf dampfförmig abgezogen und kondensiert. Als Betriebsparameter stel- len sich ein:

Chlor-Zugabedichte [kg/m? h]: 3886

Ethylen-Zugabedichte [kg/m? h]: 1545

Verweilzeit [s]: 65

Verhältnis umlaufendes EDC / Ethylen [kg/kg]: 491

Das erhaltene Reaktionsprodukt weit folgende Qualitätsparameter auf:

Summe Leichtsieder [Gew. ppm]: 20

Summe Hochsieder [Gew.ppm]: 250 (Ohne Bromverbindungen)

Da das zur Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendete Salz meist Brom enthält und die- ses mit dem in der Elektrolyse erzeugten Chlor in den Prozess der Direktchlo- rierung eingetragen wird, entstehen bei der Direktchlorierung zwangsweise

Bromverbindungen als Nebenprodukt.

Daher wird der Gehalt an Bromverbin- dungen nicht als Qualitätsparameter herangezogen.

Claims (26)

1 LU507957 thyssenkrupp Intellectual Property GmbH 249P 0066 Patentansprüche

1. Schlaufenreaktor (2) zur Herstellung eines Reaktionsprodukts, insbe- sondere eines chlorierten Alkans, umfassend: a) mindestens ein Fallrohr (3) sowie mindestens ein Steigrohr (4), wo- bei das mindestens eine Fallrohr (3) und das mindestens eine Stei- grohr (4) an jeweils einem oberen Ende in eine Kopfzone (6) mün- den und über diese in fluidischer Kommunikation stehen, und an jeweils einem unteren Ende über eine Umlenkungszone (5) mitei- nander verbunden sind und über diese in fluidischer Kommunika- tion stehen, b) mindestens eine erste Aufgabevorrichtung (9) eines ersten Reak- tanden (8) und mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung (20) ei- nes zweiten Reaktanden (16, 18), wobei die mindestens eine erste Aufgabevorrichtung (9) und die mindestens eine zweite Aufgabe- vorrichtung (20) die Aufgabe der jeweiligen Reaktanden in das min- destens eine Steigrohr (4) ermöglichen, wobei die mindestens eine erste Aufgabevorrichtung (9) unterhalb der mindestens einen zwei- ten Aufgabevorrichtung (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Steigrohr (4) unterhalb der mindestens einen ers- ten Aufgabevorrichtung (9) mindestens ein Druckverlusterzeuger (7) an- geordnet ist.

2. Schlaufenreaktor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckverlusterzeuger (7) als Strömungsgleichrich- ter ausgebildet ist.

3. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckverlusterzeu-

ger (7) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lochplatten, Bün- deln paralleler Kanäle, statischen Mischerpackungen, strukturierten o- der unstrukturierten Packungen für den Stoffaustausch oder Kombina- tionen dieser Vorrichtungen.

5

4. Schlaufenreaktor (2) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass der mindestens eine Druckverlusterzeuger (7) als Loch- platte mit größenvariablen Aussparungen (35) ausgebildet ist.

5. Schlaufenreaktor (2) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass der mindestens eine Druckverlusterzeuger (7) ein Loch- plattenpaar mit oberer (32) und unterer (34) Lochplatte umfasst oder hieraus gebildet ist, wobei jeweils obere (32) und untere (34) Lochplatte in Projektion der oberen (32) und unteren (34) Lochplatte aufeinander zumindest eine Teilmenge an Aussparungen (35) aufweist, bei einer ers- ten lateralen Stellung der oberen (32) und unteren (34) Lochplatte zuei- nander in Projektion der oberen (32) und unteren (34) Lochplatte aufei- nander geöffnet und bei lateralem Verschieben der oberen (32) zur un- teren (34) Lochplatte in eine zweite laterale Stellung der oberen (32) und unteren (34) Lochplatte zueinander teilweise oder ganz verschlos- sen ist.

6. Schlaufenreaktor (2) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass die obere (32) oder die untere (34) Lochplatte des Loch- plattenpaares fest im Steigrohr (4) angebracht ist und die jeweils andere Lochplatte des Lochplattenpaares lateral beweglich ist, beispielsweise mittels eines Stellantriebs (33).

7. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Druckver- lusterzeuger (7) ein Element zur Beeinflussung der Strömung (37), bei- spielsweise eine Begrenzungsblende oder ein steuerbares Stellelement und/oder eine Strömungsbegrenzung (38, 39), beispielsweise eine Be- grenzungsblende (38) und/oder eine Verjüngung (39) angeordnet ist.

8. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

3 LU507957 dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Querschnittsfläche des mindestens ein Fallrohrs (3) zu einer Querschnittsfläche des min- destens einen Steigrohrs (4) 0,07 bis 0,45.

9. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Steigrohr (4) zwi- schen der mindestens einen ersten Aufgabevorrichtung (9) und der min- destens einen zweiten Aufgabevorrichtung (20) mindestens ein erster statischer Mischer (10) angebracht ist.

10. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Fallrohr (3) eine Entnahmestelle zur Abzweigung mindestens eines ersten Teilstroms (12, 14, 17) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine erste Teilstrom (12) in einen Mischer (15, 19), in dem ein Einmischen des zweiten Reak- tanden (16, 18) in den Teilstrom (12, 14, 17) erfolgt, aufgegeben wird und anschließend über die mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung (20) im mindestens eine Steigrohr (4) mündet.

11. Schlaufenreaktor (2) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Teilstrom (12, 14, 17) über mindestens eine Umwälz- pumpe (11) und/oder mindestens einen Wärmeübertrager (13) verfügt.

12. Schlaufenreaktor (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (12, 14, 17) über ein Entspannungsventil (26) und einen nachgeschalteten Entspannungsbe- halter (27) verfügt, aus dem über eine Entnahmemaoglichkeit (29), die ggf. Über ein vorgeschaltetes Druckhalteventil (28) verfügt, gasfôrmiges oder flüssiges Produkt entnommen werden kann.

13. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Fallrohr (3) eine Entnahmestelle zur Abzweigung mindestens eines zweiten Teilstroms (24) vorgesehen ist, der über mindestens eine Umwälzpumpe (24) und/oder mindestens einen Wärmeübertrager (25) verfügt und in das mindestens eine Fallrohr rückgeführt wird.

4 LU507957

14. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Steigrohr (4) ober- halb der mindestens einen zweiten Aufgabevorrichtung (20) ein zweiter statischer Mischer (21) angebracht ist.

15. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfzone (6) mindestens einen Abzug (22) zur Entnahme eines gasfôrmigen Produktes aufweist.

16. Schlaufenreaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steigrohr (4) inner- halb des mindestens einen Fallrohrs (3) angeordnet ist oder das mindes- tens eine Steigrohr (4) und das mindestens eine Fallrohr (3) als separate Elemente ausgebildet sind.

17. Verfahren zur Herstellung eines Reaktionsprodukts durch Additionsre- aktion zweier Edukte in einem vertikal ausgerichteten Schlaufenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schlaufenreaktor (2) mit einem flüssigen Reaktionsmedium (1) so- wie ggf. einem homogen darin gelôsten Katalysator befüllt wird oder befüllt ist, so dass das mindestens eine Fallrohr (3), das mindestens eine Steigrohr (4) und die Umlenkungszone (5) vollständig und die Kopfzone (6) zumindest teilweise mit dem flüssigen Reaktionsmedium (1) befüllt sind, über die mindestens eine erste Aufgabevorrichtung (9) ein erster Reak- tand (8) und über die mindestens eine zweite Aufgabevorrichtung (20) ein zweiter Reaktand (16, 18) in das mindestens eine Steigrohr aufgege- ben wird, so dass sich ein Naturumlauf ausbildet, wobei im mindestens einen Steigrohr (4) dem das Reaktionsmedium mit den Reaktanden auf- steigt, in der Kopfzone (6) in das mindestens eine Fallrohr (3) umgelenkt und dort absinkt und in der Umlenkungszone (5) erneut umgelenkt und in das mindestens eine Steigrohr (4) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlaufstrômung des Reaktionsme- diums durch den mindestens einen Druckverlusterzeuger (7) beeinflusst wird.

18. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung über den Querschnitt des mindestens einen Steig- rohrs vergleichmäßigt wird.

19. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch 5 gekennzeichnet, dass der erste Reaktand ein Alken, insbesondere Ethen, der zweite Reaktand ein Halogen, insbesondere Chlor, das Reak- tionsprodukt ein halogeniertes Alkan, insbesondere 1,2-Dichlorethan ist und das Reaktionsprodukt und das Reaktionsmedium identisch sind.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeich- net, dass in einer Strecke im mindestens einen Steigrohr (4) ab der zwei- ten Aufgabevorrichtung (20) bis zum Austritt aus dem mindestens einen Steigrohr (4) (Reaktionszone) eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsmediums mit den darin gelösten Reaktanden als Leerrohrgeschwindigkeit der flüssigen Phase definiert ist, und/oder eine Verweilzeit des Reaktionsmediums mit den darin gelösten Reaktan- den zwischen 30 Sekunden und 120 Sekunden liegt,

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeich- net, dass, bezogen auf eine Querschnittsfläche des mindestens einen Steigrohres (4), eine Zugaberate des ersten Reaktanden, der insbesondere Ethen ist, zwischen 600 und

3.500 kg/(m*-h), und/oder des zweiten Reaktanden, der insbesondere Chlor ist, zwischen 1.400 und 8.000 kg/(m?h), gewählt wird.

22. Verfahren nach einem der Anspriiche 17 bis 21, dadurch gekennzeich- net, dass die umlaufende Menge des Reaktionsmediums, bezogen auf die Menge des zugegebenen ersten Reaktanden zwischen 400 und 750 kg pro 1 kg des ersten Reaktanden gewählt wird.

6 LU507957

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeich- net, dass der erste Reaktand nach Durchlaufen einer Misch- und Löse- zone, die sich von der mindestens einen ersten Aufgabevorrichtung (9) bis zur mindestens einen zweiten Aufgabevorrichtung (10) erstreckt, im Reaktionsmedium vollständig gelöst wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeich- net, dass der erste Reaktand in einem Teilstrom (12) des Reaktionsme- diums gelöst und als Lösung über die zweiten Aufgabevorrichtung (10) in das mindestens eine Steigrohr (4) aufgegeben wird, wobei bevorzugt der mindestens eine Teilstrom (12) auf eine Temperatur eingestellt ist, die niedriger ist, als die Temperatur des Reaktionsmediums im Steigrohr

(4).

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeich- net, dass die spezifische Produktionsmenge des erzeugten Reaktions- produktes, bezogen auf die Querschnittfläche des mindestens einen Steigrohres (4) am Ort der zweiten Aufgabevorrichtung (10) zwischen

2.000 und 10.000 kg kg/(m?h) beträgt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeich- net, dass das Reaktionsprodukt gasförmig über den mindestens einen Abzug (22) der Kopfzone (6) und/oder gasförmig oder flüssig über die Entnahmemöglichkeit (29) entnommen wird.