NL1004961C2 - Monolietreactor. - Google Patents

Description

- 1 -

MONOLIETREACTOR

5 De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren van een gasvloeistof react ie in aanwezigheid van een monolietkatalysator.

Een werkwijze voor het uitvoeren van een gas-10 vloeistofreact ie in aanwezigheid van een monolietkatalysator is bekend uit EP-A-614 869. Hierin wordt beschreven hoe peroxidische ozonolyseprodukten in een oplossing met waterstof worden gereduceerd in aanwezigheid van een monolietkatalysator. In één 15 uitvoeringsvorm van de bekende werkwijze bevindt de monolietkatalysator zich in de oplossing en wordt waterstof onder roeren doorgeleid. In een andere uitvoeringsvorm van de bekende werkwijze wordt de oplossing samen met de waterstof over de in een gepakte 20 kolom ingebouwde monolietkatalysator geleid. In een voorkeursuitvoering van de in EP-A-614 869 beschreven werkwijze bevindt de in de gepakte kolom ingebouwde monolietkatalysator zich in een loopreactor.

Het nadeel van de in EP-A-614 869 beschreven 25 werkwijze is, dat het gas-vloeistofmengsel continue moet worden rondgepompt, omdat de verblijftijd van het gas-vloeistofmengsel in de kolom, vooral bij langzame reacties, te kort is om de reactie volledig te laten verlopen.

30 Doel van de uitvinding is te voorzien in een werkwijze welke dit nadeel niet heeft.

Dit doel wordt bereikt doordat de monolietkatalysator rond een horizontale as draait en zich afwisselend in de gas- en in de vloeistoffase 35 bevindt.

Hiermee wordt bereikt, dat ook langzame reacties volledig verlopen zonder dat het gas-vloeistofmengsel continu behoeft te worden rondgepompt.

Een voordeel van een dergelijke werkwijze is, 1 0 0 4 9 6 : - 2 - dat dankzij de goede bevochtiging van de monolietkatalysator een betere temperatuurcontrole mogelijk is.

Onder een monolietkatalysator wordt in deze 5 beschrijving verstaan een monoliet waarop zich een katalysator bevindt. Onder een monoliet wordt in deze beschrijving verstaan een uit één deel bestaande katalysatordrager welke gekenmerkt wordt door een struktuur met een groot inwendig oppervlak.

10 De monoliet kan in principe uit elk vast materiaal bestaan. Voorbeelden zijn, metaal, metaaloxide, keramiek, glas, kunststof en koolstof.

Het grote oppervlak van de drager kan bestaan uit een groot aantal, rechte kanalen met een diameter 15 tussen ca. 0,5 en 10 mm. De doorsnede van de kanalen kan, afhankelijk van het toegepaste materiaal sterk variëren. Bekend zijn o.a. ronde, vierkante, hexagonale, driehoekige, T-vormige doorsnedes en kanalen met vinnen aan de binnenkant.

20 De katalysator wordt op de kanaalwanden aangebracht door middel van bijvoorbeeld opdampen of impregneren, waardoor een zeer groot katalysatoroppervlak ontstaat. Cybulski en Moulijn beschrijven in Catal.Rev.-Sci. Eng., 26(2), 179-270 25 (1994) hoe een monolietkatalysator kan worden vervaardigd.

In de werkwijze volgens de uitvinding draait de monolietkatalysator rond een horizontale as en bevindt zich daarbij afwisselend in de gas- en in de 30 vloeistoffase, zodat de kanalen afwisselend met gas en vloeistof worden doorstroomd. Hierdoor wordt bereikt, dat het gas slechts door een zeer dunne vloeistoffilm hoeft te diffunderen voordat aan het katalysatoroppervlak een reactie met de vloeistof kan 35 plaatsvinden. Een goede doorstroming van de kanalen treedt op als deze liggen in een vlak loodrecht op de horizontale rotatieas. Een nog betere doorstroming van 1004961 - 3 - de kanalen kan worden bereikt door de van de as afgekeerde uiteinden van de monolietkatalysator te voorzien van schoepen, zodanig dat deze de vloeistof naar de instroomopening van de kanalen geleiden.

5 Een voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat door de keuze van een rotatiesnelheid en een vloeistofniveau, de tijdsduur gedurende welke het gas door de vloeistoffilm diffundeert, gemakkelijk kan worden gevarieerd. Vooral wanneer het gas slecht 10 oplost in de vloeistof, kan het verlengen van deze tijdsduur van voordeel zijn om te bereiken dat de aan de gas-voeistofreact ie aan het katalysator oppervlak in voldoende mate heeft plaatsgevonden alvorens de vloeistof met de daarin aanwezige reactieproducten 15 wordt ververst. In dit opzicht hebben de in EP-A-614 869 beschreven, in gepakte kolommen ingebouwde monolietkatalysatoren, welke hierna zullen worden aangeduid als "statische monolietkatalysatoren", het nadeel, dat de verhouding tussen het gas en de 20 vloeistof die over de monolietkatalysator worden geleid niet vrij gekozen kan worden: bij te veel gas wordt een deel van de kanalen niet doorstroomd met de vloeistof, terwijl bij te weinig gas een deel van de kanalen niet met het gas wordt doorstroomd. Voor bepaalde snelheden 25 van gas-vloeistofreacties is bij de statische monolietkatalysator de verdeling van gas en vloeistof slecht, als gevolg van hydrodynamische instabiliteit; sommige kanalen worden door veel gas doorstroomd, terwijl andere kanalen door veel vloeistof worden 30 doorstroomd. Om hierin een gewenste verhouding te krijgen, moet vaak een ongewenst grote hoeveelheid worden rondgepompt.

Wanneer in deze beschrijving gesproken wordt over een gas-vloeistofreactie, dan wordt hiermee niet 35 alleen bedoeld een reactie tussen een gas en een vloeistof, maar ook tussen een gas en een in een vloeistof opgeloste stof. Deze stof kan een gas, een 1004961 - 4 - vloeistof dan wel een vaste stof zijn.

Een monoliet geschikt als monolietkatalysator kan gemakkelijk een inwendig oppervlak hebben van 2500 m2/m3. Indien gewenst, kunnen monolieten worden 5 vergroot door meerdere monolieten in de vorm van blokken met elkaar te verbinden, waardoor de grootte van de gewenste monoliet niet beperkt wordt door de grootte van een maakbare monoliet.

De keuze van de katalysator hangt af van de 10 uit te voeren reactie. In principe kunnen alle bekende vastestof katalysatoren als monolietkatalysatoren worden toegepast. Voorbeelden van geschikte katalysatoren zijn de overgangsmetalen, hun oxyden, sulfiden of mengsels hiervan. Andere voorbeelden zijn 15 zure katalysatoren (b.v. aluminium of silicium oxyde) of basische katalysatoren (b.v. magnesium oxyde). Mengsels van bovengenoemde katalysatoren kunnen eveneens worden toegepast.

In EP-A-384 905 wordt een werkwijze 20 beschreven, waarin gebruik wordt gemaakt van een gas-vloeistofreactor, voorzien van een verticale, met een monolietkatalysator gepakte kolom. Het gas en de vloeistof kunnen óf in een opwaartse of in een neerwaartse stroming door de reactor worden gevoerd.

25 Bij een neerwaartse stroming van de vloeistof is een opwaartse tegenstroming van ten minste een deel van het gas mogelijk. Nadeel van een dergelijke configuratie is echter dat terugmenging kan optreden. Onder terugmenging wordt verstaan het verschijnsel dat 30 sommige vloeistofdelen met hogere concentraties van reactieprodukten worden gemengd met verse, reactantrijke vloeistofelementen. Dit heeft vaak nadelige gevolgen voor de produktiviteit en de selectiviteit. Een ander nadeel van geheel of 35 gedeeltelijke tegenstroming is, dat in de kanalen die uitsluitend gas of vloeistof bevatten geen reactie mogelijk is, waardoor de benuttingsgraad van de 1004961 - 5 - katalysator en daarmee de produktiviteit omlaag gaat.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een reactie tussen een gas en een vloeistof, in aanwezigheid van een 5 monolietkatalysator, waarbij één of meerdere monolietkatalysatoren zijn verbonden met een horizontale rotatieas.

Een dergelijke inrichting is geschikt om vooral langzaam verlopende gas-vloeistofreacties in uit 10 te voeren, zonder dat een gas-vloeistofmengsel continu behoeft te worden rondgepompt.

Bij voorkeur wordt de inrichting volgens de uitvinding toegepast in een configuratie waarbij meerdere inrichtingen volgens de uitvinding in serie 15 zijn geplaatst. Een voordeel van een dergelijke inrichting, die hier en hierna als "seriereactor" zal worden aangeduid, is dat het effect van terugmenging veel geringer is. Terugmenging kan optreden in de gasof in de vloeistoffase of in beide fasen. Een verder 20 voordeel van een seriereactor is, dat als het gas en de vloeistof in tegenstroom door de seriereactor stromen, dit tot een hogere opbrengst van de reactie kan leiden.

Een verder voordeel van een seriereactor waarin een tegenstroom van gas en vloeistof wordt 25 toegepast is, dat er geen risico is, dat de vloeistof met het gas wordt meegesleept. Daardoor wordt niet alleen terugmenging voorkomen, maar ook kan ook geen probleem met het controleren van het voeistofniveau onstaan, zoals met de hierboven beschreven statische 30 monolietkatalysator.

Onder een "horizontale as" wordt in deze beschrijving verstaan een horizontale of nagenoeg horizontale as. Door het gebruik van een nagenoeg horizontale as in de seriereactor kan worden bereikt, 35 dat de gas-vloeistofverhouding over de lengte van de seriereactor verandert. Dit kan een voordeel hebben bij reacties waarbij de aanwezigheid van een van beide 1004961 - 6 - componenten aan het einde van de reactie sterker is afgenomen dan die van een andere component. Door het niet geheel horizontaal plaatsten van de seriereactor kan een lagere concentratie van bijvoorbeeld het gas 5 worden gecompenseerd doordat het volume van het gas in de reactor naar het einde van de reactie toeneemt.

De uitvinding heeft tevens betrekking op de toepassing van de inrichting volgens de uitvinding bij het katalytisch hydrogeneren of oxyderen van een stof 10 die zich in een vloeistoffase bevindt. Kenmerkend voor deze reacties is dat de toe te passen waterstof of zuurstof slecht oplosbaar zijn in vloeistoffen, hetgeen nadelig is voor de reactiesnelheid, die onder dergelijke omstandigheden beperkt is door de diffusie 15 van het gas door de vloeistoflaag. Om de gasconcentratie in de vloeistof, en daarmee de reactiesnelheid te verhogen, worden deze reacties in de bekende reactoren dan ook vaak bij verhoogde druk uitgevoerd. Als gevolg van de langere uitlooptijd van 20 de vloeistof uit de kanalen van de katalysatormonoliet in de inrichting volgens de uitvinding, ontstaat een veel dunnere vloeistoffilm aan het katalysatoroppervlak dan bij een statische monolietkatalysator. Hierdoor is het transport van gasdeeltjes minder beperkt door 25 diffusie met als gevolg dat de reactiesnelheid hoger is.

Bij hydrogenerings- en oxydatiereacties komt in het algemeen veel warmte vrij. Nadeel van de bekende inrichtingen voor het uitvoeren van deze reacties, is, 30 dat in een gas-vloeistofmengsel gemakkelijk een plaatselijke overconcentratie van reactanten ontstaat, waardoor een ongecontroleerde temperatuurstijging kan ontstaan. Dit kan tot een hotspot en zelfs tot een runaway leiden. Een voordeel van het toepassen van de 35 inrichting volgens de uitvinding voor een hydrogenerings- of oxydatiereactie is, dat het hele katalysatoroppevlak frequent wordt onder gedompeld, 1004961 - 7 - waardoor er geen droge en hete punten kunnen ontstaan.

Andere reacties waarvoor de inrichting volgens de werkwijze met dezelfde als bovengenoemde voordelen kan worden toegepast zijn aminering, 5 halogenering en carbonylering.

De uitvinding heeft tevens betrekking op de toepassing van de inrichting volgens de uitvinding bij gas-vloeistofreacties, waarbij als katalysator gebruik wordt gemaakt van biologisch materiaal als enzymen, 10 gisten of levende cellen. Dat het gebruik van monolieten bij het immobiliseren van biologisch materiaal voordelen kan bieden is bekend uit EP-A-121.981. Hierin wordt een voedingsvloeistof rondgepompt langs op een monoliet geimobiliseerde weefselcellen, 15 waarin een chemische reactie plaatsvindt. In de voedingsvloeistof kunnen ook vaste deeltjes voorkomen. Een voordeel van het toepassen van de inrichting volgens de uitvinding in biologische reacties is, dat hierin geen vaste deeltjes in een oplossing behoeven te 20 worden rondgepompt, waardoor het gevaar op beschadiging van deze deeltjes geringer is. Voorbeelden van dergelijke reacties zijn oxidatiereacties onder invloed van lucht.

Andere kenmerken en voordelen zullen 25 duidelijk worden uit de hiernavolgende beschrijving, waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekeningen. Hierin is:

Figuur 1, een zijaanzicht van de inrichting volgens de uitvinding, hierna aangeduid met "reactor", parallel 30 aan de rotatieas van de monolietkatalysator;

Figuur 2, een zijaanzicht van de reactor loodrecht op de rotatieas van de monolietkatalysator;

Figuur 3, een uitvergrote dwarsdoorsnede van een deel van de monoliet; 35 Figuur 4, een uitvergrote langsdoorsnede van een deel van de monoliet;

Figuur 5, een zijaanzicht van een seriereactor parallel 1004961 - 8 - aan de rotatieas van de monolietkatalysator;

In Figuur 1 is 1 een reactor, gedeeltelijk gevuld met de vloeistof 2 en gedeeltelijk gevuld met het gas 3. In de reactor bevinden zich meerdere 5 monolietkatalysatoren 4, verbonden met een horizontale rotatieas 5. Figuur 2 toont een ronde reactor l met daarin acht monolietkatalysatoren 4, waarvan er drie min of meer zijn ondergedompeld in de vloeistof 2 en de overige 5 zich bevinden in het gas 3. Figuur 3 toont 10 een deel van de monoliet, bestaande uit de drager 6 met de kanalen 7. Het oppervlak van de kanalen is bedekt met een op de tekening niet zichtbare katalysator, waarop zich een dunne vloeistoffilm 8 bevindt. Voor het overige zijn de kanalen gevuld met het gas 3. Figuur 4 15 toont een langsdoorsnede van de kanalen, op het oppervlak waarvan zich de (op tekening niet zichtbare) katalysator bevindt alsmede een dunne vloeistoffilm 8. In Figuur 5 zijn meerdere reactoren verbonden met een horizontale horizontale as achter elkaar geplaatst.

20 1004961

Claims (6)

1. Werkwijze voor het uitvoeren van een reactie tussen een gas- en een vloeistoffase in 5 aanwezigheid van een monolietkatalysator, met het kenmerk dat de monolietkatalysator rond een horizontale as draait en zich afwisselend in de gas-en in de vloeistoffase bevindt.

2. Inrichting voor het uitvoeren van een reactie 10 tussen een gas en een vloeistof in aanwezigheid van een monolietkatalysator, met het kenmerk dat één of meerdere monolietkatalysatoren zijn verbonden met een horizontale rotatieas.

3. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk dat 15 meerdere inrichtingen in serie zijn geplaatst.

4. Toepassing van een inrichting volgens conclusie 3, waarbij het gas en de vloeistof in tegenstroom door de inrichting stromen.

5. Toepassing van de inrichting volgens een der 20 conclusies 2-4 bij het katalytisch hydrogeneren of oxyderen van een stof die zich in een vloeistoffase bevindt.

6. Toepassing van de inrichting volgens een der conclusies 2-4 bij het uitvoeren van een 25 bioreactie, waarin de monolietkatalysator geimobiliseerd biologisch materiaal bevat. 1004961