WO2009024446A2 - Verfahren und vorrichtung zur oxidation organischer verbindungen - Google Patents

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WO2009024446A2
WO2009024446A2 PCT/EP2008/060121 EP2008060121W WO2009024446A2 WO 2009024446 A2 WO2009024446 A2 WO 2009024446A2 EP 2008060121 W EP2008060121 W EP 2008060121W WO 2009024446 A2 WO2009024446 A2 WO 2009024446A2
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reactor
isothermal
reaction
oxygen
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Joaquim Henrique Teles
Kai Gumlich
Jochen SCHÄFER
Steffen OEHLENSCHLÄGER
Stephan Lamm
Roland Merten
Martin Schäfer
Rüdiger GROB
Uwe Emnet
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/23—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups
    • C07C51/235—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups of —CHO groups or primary alcohol groups

Definitions

  • the invention relates to a process for the oxidation of organic compounds with oxygen. Furthermore, the invention comprises a reactor for carrying out the method.
  • the method is suitable, for example, for the oxidation of aldehydes with oxygen to their corresponding acids.
  • organic acids are known, for example, from WO 99/54274.
  • one or more organic liquids are oxidized with substantially pure oxygen or oxygen-enriched air containing at least 50% oxygen in a liquid oxidation reactor.
  • the temperature is kept within a range of ⁇ 3 ° C around a target temperature.
  • the reaction mixture is treated.
  • the treatment is carried out, for example, by distillation, solvent extraction, crystallization, evaporation, phase separation, filtration or the like.
  • a loop reactor is used in which a plug-in tube is contained in the reactor.
  • a heat exchanger is accommodated in the space between the plug-in tube and the column wall. By a stirrer in the insert tube, the liquid flow is generated in the reactor.
  • a loop reactor for carrying out gas-liquid, liquid-liquid or gas-liquid-solid reactions is known from WO-A 00/30743.
  • the reactor comprises a downwardly directed jet nozzle arranged in the upper reactor region, via which educts and the reaction mixture are fed, and a withdrawal, preferably in the lower reactor region, via which the reaction mixture is fed again into an external circulation by means of a pump of the jet nozzle ,
  • a concentric guide tube is arranged, which extends substantially over the entire length of the reactor, with the exception of the reactor ends.
  • the guide tube has a cross-sectional area in the range of 1/10 to 1/2 of the cross-sectional area of the reactor.
  • the jet nozzle is above the upper end of the guide tube, preferably spaced by 1/8 of the guide tube diameter to a Leitrohr bemesser arranged o dives into the guide tube in a depth up to a plurality Leitrohr bemessern a.
  • a heat exchanger is integrated in the annulus.
  • the reactor is used, for example, for the production of propionic acid from propionaldehyde.
  • the propionaldehyde is oxidized with oxygen from air.
  • In order to achieve an increased turnover is described to connect several of the reactors in series.
  • WO 01/66505 is a process for preparing aliphatic carboxylic acids having 4 to 10 carbon atoms by oxidation of the corresponding aldehydes with oxygen or oxygen-containing gases.
  • the oxidation is carried out in the temperature range of 0 to 100 0 C in at least two stages at increasing temperatures from stage to stage.
  • a reactor is provided for each reaction stage.
  • tubular reactors which may also contain fillers, trickle towers containing packing, or bubble columns described.
  • a process for the oxidation of an organic substance in which air, oxygen, oxygen-enriched or oxygen-containing air is passed into a liquid in a reaction system is known from WO 01/46111.
  • the reaction is carried out at a temperature in the range between 20 and 100 0 C and a pressure in the range between 0 and 3 bar.
  • Means are provided in the reaction system to achieve mixing of the amount of liquid.
  • stirrers, vanes, turbines, injectors, submerged porous diffusers, blowpipes, or surface aerators may be used to accomplish the mixing.
  • Deflecting plates can be accommodated in the reactor.
  • the object of the present invention is to provide a continuous process for the oxidation of organic compounds.
  • Another object of the present invention is to provide a reactor in which oxidation of organic compounds with oxygen can be carried out and which can be operated safely even in the formation of ignitable gas mixtures.
  • the object is achieved by a process for the oxidation of organic compounds with oxygen, which comprises the following steps:
  • the inventive method is suitable for example for the oxidation of hydrocarbons, olefins, phenols and aldehydes with oxygen or an oxygen-containing mixture, wherein the oxygen content in the mixture is greater than 50 vol .-%.
  • Oxidations of hydrocarbons are, for example, the oxidation of cyclohexane to a mixture comprising cyclohexyl hydroperoxide, cyclohexanone, cyclohexanone and adipic acid, of isobutane to a mixture comprising tert-butyl hydroperoxide and tert-butanol, of isopentane to a mixture comprising tert-amyl hydroperoxide and tert-butyl hydroperoxide.
  • Amyl alcohol of ethylbenzene to a mixture containing ethylbenzene hydroperoxide, 1-phenylethanol and acetophenone, of cumene to a mixture containing cumene hydroperoxide and 2-phenyl-2-propanol and of p-cymene to a mixture containing p-cymene hydroperoxide and 2- (4-tolyl ) -2-propanol).
  • Oxidations of olefins are, for example, the oxidation of cyclopentene to a mixture containing cyclopentyl hydroperoxide, cyclopentenol and cyclopentenone, of 2,3-dimethylbutene-2 to a mixture containing tetramethyloxirane.
  • Oxidations of phenols are, for example, the oxidation of 2,3,6-trimethylphenol to a mixture containing trimethylbenzoquinone, of 2,3,5-trimethylphenol to a mixture containing trimethylbenzoquinone, of mesitol to a mixture containing 2,4,6-trimethylphenol 4-hydroperoxycyclohexa-2,5-dien-1-one.
  • the method is particularly suitable for the oxidation of aliphatic aldehydes with oxygen to form carboxylic acids.
  • An advantage of the process according to the invention is that the aliphatic aldehyde is essentially completely reacted when oxidized with oxygen. Essentially complete means that the conversion is greater than 97%, preferably greater than 98%.
  • the aldehyde used is preferably an aldehyde of the formula
  • R represents a C25 alkyl dC, preferably a C 2 -C 2 o alkyl.
  • the alkyl may be branched or unbranched.
  • the branched or unbranched C 1 -C 25 -alkyl is preferably selected from ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, pent-2-yl, pent-3-yl, n-pentyl, n Hexyl, hept-2-yl, hept-3-yl, oct-4-yl, 2-methyl-4,4-dimethylpentyl, 2,6-dimethylheptyl, non-4-yl, 3-methyloct-5-yl ,
  • the reaction mixture passes through the individual reaction zones in succession. Through the backmixing, a largely homogeneous concentration distribution within this reaction zone is achieved within each isothermally operated reaction zone.
  • oxygen be added to more of the isothermal and backmixed reaction zones.
  • a portion of the oxygen is added to the first reaction zone, thereby reacting a portion of the organic compound.
  • Another portion of the required oxygen is then added to each of the further isothermal and back-mixed operated reaction zones. In these more parts of the aldehyde contained are then implemented. It is possible to add a portion of the oxygen to each of the isothermal and backmixed reaction zones. However, it is also possible for only a portion of these reaction zones to be supplied with oxygen in the case of a plurality of isothermal and back-mixed reaction zones.
  • the oxygen required for the reaction can be supplied, for example, in the form of an oxygen-containing gas or as pure oxygen.
  • the oxygen preferably contains at least 50% by volume of oxygen, more preferably at least 75% by volume of oxygen, particularly preferably at least 90% by volume of oxygen.
  • oxygen having a purity of more than 99% by volume. This is also called pure oxygen.
  • a gas mixture is used, this preferably contains inert gases for the reaction, in addition to the oxygen.
  • the gas mixture contains not only oxygen but also nitrogen.
  • the gas mixture may be, for example, oxygen-enriched air.
  • the process for the oxidation of organic compounds comprises two isothermal and back-mixed operated reaction zones.
  • the first reaction zone preferably at least 60 vol .-%, more preferably at least 60 vol .-% and in particular at least 80 vol .-% of the total oxygen or oxygen-containing gas supplied. The remaining oxygen used is added in the second reaction stage.
  • the first reaction stage is also preferably at least 60% by volume, more preferably at least 60% by volume and especially at least 80% by volume .-% of the total used oxygen or oxygen-containing gas supplied.
  • the second reaction stage is preferably fed so much oxygen or oxygen-containing gas that in the third reaction stage a maximum of 10 vol .-% of the oxygen or oxygen-containing gas used are added.
  • the oxygen is preferably used in excess. This excess is preferably 1 to 20 mol%, more preferably 2 to 10 mol% based on the theoretical amount required.
  • the temperature to be operated isothermally and in which the back-mixed operated Christszo- NEN, preferably in the range 2-140 0 C, more preferably between 30 and 100 0 C.
  • the pressure at the exit of the last reaction zone is preferably in the range between 0, 5 to 10 bar, in particular between 1 and 5 bar.
  • preferably only one pressure control is used, which is located at the exit of the last reaction zone. Since all reaction zones communicate with each other, this pressure control determines the pressure in all reaction zones. In general, the pressure decreases from reaction zone to reaction zone.
  • the temperature be the same in all isothermal and backmixed reaction zones. Equal within the meaning of the invention means that the temperature differences between the average temperatures of the individual reaction zones are not greater than 5 ° C.
  • the isothermal and back-mixed operated reaction zones are operated such that the temperature increases from reaction zone to reaction zone.
  • the temperature difference between the individual reaction zones is then preferably at least 5 ° C, preferably at least 10 0 C.
  • Isothermally operated in the context of the present invention means that the temperature differences within a reaction zone are not greater than 10 ° C. This temperature difference results from the heat transfer to the heat exchanger which is necessary for the isothermal operation.
  • Complete backmixing within the isothermal and backmixed reaction zones is achieved, for example, by the fact that the at least one isothermally and backmixed reaction zone operates on the principle of a jet loop reactor.
  • part of the reaction mixture is removed from the reaction zone and recycled via a nozzle in the upper region of the reaction zone.
  • a ring flow is generated in the reaction zone.
  • the nozzle is preferably arranged axially in the reaction zone.
  • a plug-in tube is included in the reaction zone, which of flows around the reaction mixture.
  • the heat generated during the reaction is removed by means of a heat exchanger from the reaction mixture.
  • the heat exchanger can be arranged within the reaction zone or outside the reaction zone.
  • the heat exchanger is disposed within the reaction zone, it is preferred, for example, if heat exchanger tubes are arranged between the insert tube and the outer wall of the reaction zone. Furthermore, it is also possible that the reaction zone is tempered on its outer wall. Another possibility is that the insert tube is flowed through by a heat transfer medium and thus the reaction zone is tempered.
  • an external heat exchanger it is preferably arranged such that the portion of the reaction mixture which is taken from the reaction zone and fed back via the nozzle in the upper region of the reaction zone is passed through the heat exchanger and thus heated.
  • the nozzle with which the reaction mixture is fed to the reaction zone for generating the flow is preferably a two-substance nozzle.
  • This two-fluid nozzle, together with the reaction mixture, also supplies the oxygen required for the reaction.
  • the use of the two-component nozzle results in a mixing of the reaction mixture with the oxygen or oxygen-containing gas, wherein the oxygen or the oxygen-containing gas is entrained with the flow. A uniform distribution of the oxygen in the reaction mixture is achieved. Thus, the organic compound is uniformly reacted.
  • the adiabatically operated reaction zone is preferably not backmixed and formed in the form of a bubble column.
  • the reaction mixture from the last isothermal and back-mixed reaction zone enters the bubble column.
  • This reaction mixture contains unreacted oxygen.
  • the proportion of oxygen in the reaction mixture which enters the adiabatic reaction zone is preferably less than 10% by volume of the total oxygen used.
  • the oxygen rises in the form of bubbles in the reaction mixture.
  • the reaction mixture is mixed by the rising bubbles. As a result, the reaction mixture has contact with the oxygen and remaining organic compounds are oxidized with the oxygen.
  • Internals are preferably provided in the adiabatic reaction zone in order to suppress backmixing within this zone.
  • internals are, for example perforated plates, through which a cascaded bubble column is produced, but also packs or a bed are suitable. Another object of the internals is to achieve a uniform distribution of the gas bubbles.
  • the adiabatically operated reaction zone serves as a post-reactor to high conversions of organic To connect.
  • the adiabatic zone is preferably well insulated from the environment so that heat can not be released into or absorbed by the environment.
  • all reaction zones are accommodated in a common reactor shell.
  • the reaction zones are preferably arranged one above the other, with the first isothermal and back-mixed reaction zone at the bottom and the adiabatic reaction zone at the top.
  • the individual reaction zones are preferably separated from one another by perforated plates. The arrangement ensures that unused oxygen passes directly from one reaction zone to the next.
  • the invention furthermore relates to a reactor for carrying out the process, comprising at least one isothermal and one adiabatic reaction zone, which are arranged in a reactor shell, each isothermal reaction zone being in the form of a jet loop reactor and the adiabatic reaction zone being formed as a bubble column.
  • Each of the isothermal reaction zones which are formed in the form of a jet loop reactor, preferably contains a plug-in tube. This is designed so that the liquid can flow around the plug-in tube within the reaction zone. A uniform flow around is achieved in that the insertion tube is positioned coaxially to the reactor shell. At the upper or lower end of the insert tube, the liquid reaction medium is added. At the addition point of the opposite side of the Einsteckrohres a baffle plate is arranged. The liquid enters the insert tube through the adding device, flows through it and bounces against the baffle plate. The liquid is deflected by the baffle plate and flows back in the opposite direction on the outside of the plug-in tube in the annulus space formed between the plug-in tube and the reactor shell.
  • a loop flow arises. From the first reaction zone, the liquid enters the next reaction zone.
  • two isothermal reaction zones are contained in the reactor shell, which are each in the form of a jet loop reactor with insertion tube and baffle plate. The two formed in the form of the jet loop reactor isothermal reaction zones are arranged one above the other in the common reactor shell.
  • a liquid extraction point is preferably provided in the lower region of the reaction zone and a liquid addition device in the upper region of the reaction zone.
  • the liquid addition device is preferably a nozzle centrally above the Insertion tube is arranged in the reaction zone.
  • a pump is preferably provided, with which liquid is sucked from the reaction zone. This liquid is then returned via the nozzle back into the reaction zone.
  • the liquid is injected under elevated pressure and preferably at high speed into the reaction zone, so that a ring flow is formed.
  • the flow velocity of the ring flow is so great that gas bubbles are entrained with the flow.
  • the liquid circulation preferably further comprises at least one heat exchanger.
  • the continuous reaction medium can be tempered.
  • the temperature in the reaction zone can be adjusted.
  • the nozzle with which the liquid from the liquid circulation is supplied to the reaction zone a two-fluid nozzle, via which the liquid and oxygen of the reaction zone can be added.
  • a reactor having two isothermally operated reaction zones preferably at least 70% by volume, more preferably at least 80% by volume, of the oxygen used is added in the first reaction zone. The remaining oxygen is added in the second reaction zone. If a third isothermal reaction zone is still provided, the amount of oxygen added in the third reaction zone is preferably less than 10% by volume of the oxygen employed.
  • the nozzle is arranged at the upper end of the plug-in tube and the baffle plate at the lower end of the plug-in tube
  • the nozzle it is also possible for the nozzle to be arranged at the lower end of the plug-in tube and the baffle plate at the upper end of the plug-in tube.
  • the reaction medium in the insert tube flows upwards and around the insertion tube.
  • the embodiment in which the nozzle is arranged above the insertion tube and the baffle plate underneath the insertion tube is preferred, so that the flow within the insertion tube takes place from top to bottom and outside the insertion tube from bottom to top.
  • the advantage of this embodiment is that the gas bubbles must travel a longer distance before they flow into the subsequent reaction zone and thus have a higher average residence time. Due to this higher residence time of the gas, the achievable conversion is higher with a downwardly directed nozzle than with an upward directed nozzle.
  • the heat exchanger is accommodated in the liquid circulation
  • the heat exchanger it is also possible for the heat exchanger to be arranged, for example, in the annulus space, that is to say between the column wall and the plug-in tube.
  • a heat exchanger for example, heat exchanger tubes are suitable, the Temperature control medium to be flowed through.
  • any heat exchanger known to the person skilled in the art can be used with which the temperature in the reaction zone can be regulated.
  • any known to the expert heat exchanger can be used.
  • tube bundle heat exchangers, plate heat exchangers, spiral heat exchangers can be used.
  • the organic compound to be oxidized is preferably fed to the liquid circulation of the first reaction zone.
  • part of the organic compound it is also possible for part of the organic compound to be fed to the liquid circulation of the first reaction zone and further parts to the liquid circulations of the further reaction zones.
  • each reaction zone it is possible for each reaction zone to be supplied with part of the organic compound or it is possible for only some of the isothermally operated reaction zones to be supplied with the organic compound.
  • the organic compound which is to be oxidized in the reactor is fed only to the first reaction zone.
  • adiabatic reaction zone internals are preferably included. Suitable internals are, for example, perforated plates or sieve trays to produce a cascaded bubble column. Alternatively, however, it is also possible that a packing or a bed is contained in the adiabatic reaction zone.
  • the adiabatic reaction zone is preferably followed by a further zone in which gas and liquid are separated from one another, forming a continuous gas phase.
  • the pressure rating of the reactor is chosen so that it can withstand a pressure peak occurring during ignition unscathed.
  • this further zone preferably contains a bed or a packing.
  • the gas phase generally contains oxygen because it is used in excess as the oxidant.
  • carbon monoxide, carbon dioxide and organic compounds may also be included. Due to the optionally contained organic compounds, it is possible that the gas phase is ignitable.
  • any packing or packing known to the person skilled in the art can be used as the packing or bed in the further zone adjoining the adiabatic reaction zone.
  • structured packings or filler fillings are conceivable.
  • Suitable structured packings or packing are the Known and commercially available. Preference is given to using Raschig rings or Pall rings.
  • gas-liquid separation As an alternative to the embodiment in which a further zone for gas-liquid phase separation adjoins the adiabatic reaction zone, it is also possible for the gas-liquid separation to take place in an additional apparatus.
  • a suitable additional apparatus is, for example, a packed or packed column.
  • the reaction mixture is cooled before the gas-liquid separation takes place.
  • the temperature to which the reaction mixture is cooled is preferably below the flash point of the liquid. This avoids the formation of ignitable gas mixtures.
  • the reactor is used to produce an organic acid by oxidation of the corresponding aldehyde with oxygen.
  • the aldehyde is preferably selected from propionaldehyde, butyraldehyde, isobutyraldehyde, valeraldehyde, 2-methylbutyraldehyde, 3-methylbutyraldehyde (isovaleraldehyde), 2-ethylbutyraldehyde, n-hexanal, 2-methylvaleraldehyde, n-heptanal, 2-ethylhexanal, n-nonanal , 2-propylheptanal, 2-propyl-4-methylhexanal, 3,5,5-trimethylhexanal and 3,7-dimethyloctanal.
  • the corresponding acids produced by oxidation of these aldehydes with oxygen are propionic, butyric, isobutyric, valeric, 2-methylbutyric, isovaleric, 2-methylbutyric, 3-methylbutyric (isovaleric), 2-ethylbutyric, n-hexanoic, 2-methylvaleric , n-heptanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, n-nonanoic acid, 2-propylheptanoic acid, 2-propyl-4-methylhexanoic acid,
  • the reactor is also suitable for carrying out oxidations of hydrocarbons, olefins or phenols with oxygen or an oxygen-containing mixture having an oxygen content of more than 50% by volume. Examples of suitable oxidations are listed above.
  • a reactor 1 designed according to the invention comprises an isothermal reaction zone 3, a second isothermal reaction zone 5 and an adiabatic reaction zone 7.
  • the first isothermal reaction zone 3 and the second isothermal reaction zone 5 are each designed as jet loop reactors.
  • the first isothermal reaction zone 3, the second isothermal reaction zone 5 and the adiabatic reaction zone 7 are accommodated in a common reactor shell 8.
  • the first reaction zone 3 comprises a first plug-in tube 9, through which the reaction medium flows.
  • a first baffle plate 11 is positioned below the first plug-in tube 9, a first baffle plate 11 is positioned. Liquid that flows through the first plug-in tube 9, bounces on the first baffle plate 1 1 and is deflected.
  • a liquid extraction point 13 is provided below the first baffle plate 11, through which reaction medium from the first isothermal reaction zone 3 can be removed.
  • the reaction medium removed at the liquid removal point 13 is fed to a first liquid circulation 15.
  • a first pump 17 is received, with which the liquid is circulated.
  • a first heat exchanger 19 connects to the first pump 17.
  • a uniform temperature is achieved in the first isothermal reaction zone 3.
  • the liquid addition device 21 is preferably a nozzle. The added liquid is injected at high speed into the first reaction zone 3. As a result, a flow forms through the first plug-in tube.
  • the liquid surrounding the liquid adding device 21 is also entrained.
  • a loop flow forms around the plug-in tube 9. The deflection takes place in that the liquid, which flows through the plug-in tube 9, impinges on the baffle plate 11 and is deflected there.
  • the addition of the organic compound which is to be oxidized in the reactor takes place via a liquid addition 23, which opens into the first liquid circulation 15.
  • the amount of organic compound, which is supplied via the liquid addition 23 to the first liquid circulation 15, can be adjusted via a valve 25 shown here.
  • the liquid adding device 21 is a two-fluid nozzle in the embodiment shown here. About the two-fluid nozzle is also a part of the oxygen, which is required for the reaction is added.
  • the liquid addition direction 21 connected to a gas supply line 27.
  • Oxygen or an oxygen-containing gas is supplied to the reactor 1 via the gas supply line 27.
  • the oxygen-containing gas is, for example, oxygen-enriched air or pure oxygen.
  • the oxygen-containing gas contains at least 50% by volume of oxygen, more preferably at least 75% by volume and in particular more than 90% by volume of oxygen.
  • the oxygen-containing gas is pure oxygen, that is, a gas mixture having an oxygen content of more than 99% by volume.
  • At least 70% by volume, more preferably at least 80% by volume, of the oxygen required for the reaction is preferably supplied via the gas supply line 27.
  • the amount of the oxygen-containing gas supplied is adjusted via a second valve 29.
  • the second isothermal reaction zone 5 is constructed like the first isothermal reaction zone 3 and contains a second plug-in tube 33 through which the reaction medium flows , The reaction medium impinges on the second baffle plate 31 and is deflected there. This results in a loop flow around the insertion tube 33.
  • a second liquid removal point 35 is used to remove part of the reaction medium from the second isothermal reaction zone 5 and to supply it to a second liquid circulation 37. The circulation of the reaction medium in the second liquid circulation 37 via a second pump 39.
  • the second pump 39 is followed by a second heat exchanger 41, in which the reaction medium, which flows through the second liquid circulation 37 is tempered. As a result, the isothermal reaction in the second isothermal reaction zone 5 is achieved.
  • the liquid flowing through the second liquid circulation 27 is supplied via a second liquid adding device 43 to the second isothermal reaction zone 5.
  • the second liquid addition device 43 is preferably also a two-substance nozzle.
  • the second liquid addition device 42 designed as a two-substance nozzle supplies the remaining oxygen required for the reaction.
  • the second liquid adding device 43 is connected to a second gas supply line 45. The amount of the supplied oxygen via the second gas supply line 45 is adjusted via a third valve 47.
  • the first fluid delivery device 21 and the second fluid delivery device 43 are positioned axially centered above the first insertion tube 9 and the second insertion tube 33, respectively.
  • the liquid in each case flows downward in the insertion tube 9, 33 and impinges on the impact plate 11, 31.
  • the liquid is deflected and then at the Outside of the Einsteckrohres 9, 33 transported between the insert tube 9, 33 and the reactor shell 8 upwards.
  • the first liquid adding device 21 and the second liquid adding device 43 respectively below the plug-in tube 9, 33 and the baffle plate 11, 31 above the plug-in tube.
  • the liquid flows through the insertion tube from bottom to top, is at the baffle plate 1 1, 31 diverted and flows outside between insert tube 9, 33 and column 8 back down.
  • the adiabatic reaction zone 7 adjoins the second isothermal reaction zone 5.
  • the adiabatic reaction zone 7 preferably contains internals. In the embodiment shown here, these are sieve trays 49.
  • the reaction medium, which flows into the adiabatic reaction zone 7, contains unreacted oxygen. This is in the form of bubbles. Since no circulation takes place in the adiabatic reaction zone 7, but instead a flow proceeds from bottom to top, the gas bubbles contained in the reaction medium rise.
  • the adiabatic reaction zone 7 is thus operated in the form of a bubble column. By means of the sieve trays 49 contained in the adiabatic reaction zone 7, a cascaded bubble column is produced.
  • sieve plates 49 it is also possible to use perforated plates or any other trays known to those skilled in the art. Furthermore, it is also possible as internals to provide a pack or a bed.
  • the adiabatic reaction zone 7 is followed by a further zone 51 in the embodiment shown here.
  • the further zone 51 serves to separate gas and liquid from each other.
  • a packing or a bed is preferably contained. This serves to mitigate the consequences of a possible explosion in the gas phase.
  • Via a gas outlet 53 the excess gas is withdrawn from the reactor 1.
  • the pressure in the reactor can be adjusted via the gas outlet 53.
  • the liquid is withdrawn via a side take-off 55 from the reactor. This is located in the area of the other zone 51. During operation, the entire Reactor flooded with the liquid reaction medium. The liquid level is indicated by the phase boundary line 57.
  • the amount of liquid removed via the side take-off 55 can be adjusted. At the same time, this regulates the liquid level in the reactor.
  • the reactor is in the shape of an upright cylinder about 940 mm in diameter and consists of two isothermal and one adiabatic stage.
  • the first isothermal stage i. the first from below has a total length, measured between the lower reactor flange and the first stage two-fluid nozzle, of about 5000 mm.
  • Axially arranged is the insertion tube with 500 mm diameter and 4100 mm in length. Directly above the insert tube is axially centered and directed down the two-fluid nozzle of the first stage. Below the insert tube is an axially centered and horizontal baffle plate with 620 mm diameter.
  • the reactor contents are sucked in with a circulation pump.
  • the fresh valeraldehyde is added.
  • a shell-and-tube heat exchanger operated with cooling water is installed, which serves to dissipate the heat of reaction generated in the first stage.
  • the outgoing from the heat exchanger flow is passed to the two-fluid nozzle.
  • the oxygen required for oxidation in the first stage is also sent to the two-substance nozzle as gas with an oxygen content of> 99%.
  • the second isothermal stage Directly above the first stage is the second isothermal stage. It has substantially the same elements and dimensions as the first stage, but the second stage reactor contents are drawn in via a funnel below the second stage baffle plate, the heat exchanger and the second pump circulation pump
  • Two-stage nozzle of the second stage is dimensioned so that it can be operated without the addition of oxygen.
  • the adiabatic stage Above the second isothermal stage is the adiabatic stage.
  • This stage consists of a 5800 mm long, empty tube, which is divided by perforated plates at intervals of about 1400 mm. On the one hand, these perforated plates serve to prevent backflow and, on the other hand, to distribute the remaining oxygen back into the liquid.
  • a calming zone Above the adiabatic stage is a calming zone where gas and liquid can separate.
  • the calming zone or at least the space containing a contiguous gas phase is filled with Raschig rings with a diameter of 10 mm.
  • the gas is removed under pressure control at the head of the reactor and passed to the exhaust gas treatment.
  • the liquid is withdrawn in a stand-controlled manner via a lateral connection and directed to the work-up.
  • the reactor is first filled with valeric acid and the circulation pumps are put into operation.
  • the recirculation flow in the first stage is set to approximately 193 m 3 / h.
  • the pressure difference across the circulation pump is approx. 4 bar.
  • the recirculation flow in the second stage is set to approximately 92 m 3 / h.
  • the pressure differential across the second stage circulating pump is approximately 3 bar.
  • the reactor contents were then heated to 60 0 C. Subsequently, the pressure control at the reactor head is put into operation and set to 2 bar abs.
  • the level-controlled product withdrawal is also put into operation. Thereafter, the dosage of O 2 and valeraldehyde is gradually increased to the final value.
  • valeraldehyde At steady state, 1125 kg / h of valeraldehyde are added to the cycle of the first isothermal stage.
  • the valeraldehyde used comes from the hydroformylation of butene and is purified by distillation.
  • the proportion of 2-methylbutanal is less than 1 wt .-%.
  • About the two-fluid nozzle of the first stage 187 kg / h O 2 are metered.
  • About the two-fluid nozzle of the second stage 33 kg / h O 2 are metered.
  • valerian-aldehyde conversion in the first isothermal stage is 88.5, as determined by gas chromatographic analysis of samples taken from the first-stage recycle stream.
  • the valeraldehyde conversion in the second isothermal stage is 98.2% as determined by gas chromatographic analysis of samples taken from the second stage recycle stream.
  • the valeraldehyde conversion at the reactor outlet is 99.94%.
  • the selectivity of valeric acid relative to valeraldehyde is 98.7%, determined by gas chromatographic analysis of the liquid product discharge.
  • By-products in the liquid product include n-butyl formate, n-butanol, butyric acid, n-octane, levulinic acid, butyl valerate, pentyl valerate and n-valeric anhydride.
  • the exhaust gas contains 0.69% by volume of organic material and is therefore not flammable.
  • the gas phase still contains CO 2 , CO, H 2 , butane and formic acid.
  • Example 2 The procedure is as in Example 1, wherein 1 125 kg / h of aldehyde are added, with the difference that the total amount of 220 kg / h of O 2 is added to the first isothermal stage.
  • the valeraldehyde conversion in the first isothermal stage is 92.5%.
  • the valeraldehyde conversion in the second isothermal stage is 98.8%.
  • the valeraldehyde conversion at the reactor outlet is 99.93%, determined by gas chromatographic analysis of the liquid product discharge.
  • the selectivity of valeric acid relative to valeraldehyde is 98.7%.
  • the procedure is as in Example 2, ie 1 125 kg / h of aldehyde are added and the total amount of 220 kg / h of O 2 is added in the first stage, but instead of valeraldehyde 3-methylbutanal is used.
  • the 3-methylbutanal is obtained by hydroformylation of isobutene and purified by distillation. It contains at least 99% by weight of 3-methylbutanal.
  • the reactor is filled with 3-methylbutyric acid instead of valeric acid.
  • the 3-methylbutanal conversion in the first isothermal stage is 97.4%.
  • the 3-methylbutanal conversion in the second isothermal stage is 99.8%.
  • the 3-methylbutanal conversion at the reactor outlet is 99.99%.
  • the selectivity of 3-methylbutyric acid based on 3-methylbutanal is 97.1%.
  • By-products in the liquid product include isobutyl formate, isobutanol, isobutyric acid, 2,4-dimethylpentane, 2,5-dimethylhexane, 2-butanone, diisobutyl ether and 3-methylbutyric anhydride.
  • CO 2 , CO, H 2 , isobutane, isobutene, acetaldehyde, isopropyl formate, tert-butyl formate, isobutyl formate and formic acid are also present in the gas phase.
  • the procedure is as in Example 2, ie, 1 125 kg / h of aldehyde are added and the total amount of 133 kg / h of O 2 is fed in the first stage, but instead of valeraldehyde Isononanal is used.
  • the isononanal is obtained by hydroformylation of diisobutylene and purified by distillation. It contains at least 99% Cg aldehydes with 3,5,5-trimethylhexanal as the main component.
  • the reactor is filled with isononanoic acid instead of valeric acid.
  • the isononanal conversion in the first isothermal stage is 96.7%.
  • the isononanal conversion in the second isothermal stage is 99.7%.
  • the isononanal conversion at the reactor outlet is 99.98%.
  • By-products in the liquid product include 2,4,4-Trimethylpentanolformiat, 2,4,4-trimethylpentanol, trimethylpentane and Isononylformiat included.
  • the exhaust gas contains 0.02% by volume of organic material and is therefore not flammable. Besides O 2 and isononanoic acid, CO 2 , CO, H 2 , 2,4,4-trimethylpentane, etc. are also contained in the gas phase.
  • the procedure is as in Example 2, ie 1125 kg / h of aldehyde are added, the total amount of 326 kg / h of O 2 is supplied in the first stage, but instead of vaIe- aldehyde aldehyde is used.
  • the reaction temperature in the two isothermal stages is 75 0 C.
  • the propionaldehyde is obtained by hydroformylation of ethylene and purified by distillation.
  • the reactor is filled with propionic acid instead of valeric acid.
  • the pressure control at the reactor head is set to a pressure of 2 bar abs.
  • the propionaldehyde conversion in the first isothermal stage is 93.7%.
  • Propionic aldehyde conversion in the second isothermal stage is 98.5%.
  • the propionaldehyde conversion at the reactor outlet is 99.8%.
  • By-products in the liquid product include ethyl formate, ethanol, acetic acid. Besides O 2 and propionic acid, CO 2 , CO, H 2 , ethane are still present in the gas phase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen mit Sauerstoff, bei welchem in einem ersten Schritt die organische Verbindung und zumindest ein Teil des für die Oxidation benötigten Sauerstoffs in eine erste Reaktionszone zugegeben werden, wobei die erste Reaktionszone isotherm und rückvermischt betrieben wird, und in einem zweiten Schritt das Reaktionsgemisch aus der ersten Reaktionszone in eine zweite Reaktionszone zugeführt wird, wobei die zweite Reaktionszone adiabat betrieben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens, umfassend mindestens eine isotherme (3, 5) und eine adiabate (7) Reaktionszone, die in einer Reaktorhülle (8) angeordnet sind, wobei jede isotherme Reaktionszone (3, 5) in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildet ist und die adiabate Reaktionszone (7) als Blasensäule ausgebildet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Oxidation organischer Verbindungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen mit Sauerstoff. Weiterhin umfasst die Erfindung einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
Das Verfahren eignet sich zum Beispiel zur Oxidation von Aldehyden mit Sauerstoff zu ihren korrespondierenden Säuren.
Die Herstellung organischer Säuren ist zum Beispiel aus WO 99/54274 bekannt. Hierzu werden eine oder mehrere organische Flüssigkeiten mit im Wesentlichen reinem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft, die mindestens 50 % Sauerstoff enthält, in einem Flüssigoxidationsreaktor oxidiert. Die Temperatur wird innerhalb eines Be- reichs von ± 3°C um eine Zieltemperatur gehalten. Nach der Reaktion wird das Reaktionsgemisch aufbereitet. Die Aufbereitung erfolgt zum Beispiel durch Destillation, Lösungsmittelextraktion, Kristallisation, Verdampfung, Phasentrennung, Filtration oder ähnliches. Zur Reaktion wird ein Schlaufenreaktor eingesetzt, bei dem im Reaktor ein Einsteckrohr enthalten ist. Im Raum zwischen dem Einsteckrohr und der Kolonnen- wand ist ein Wärmetauscher aufgenommen. Durch einen Rührer im Einsteckrohr wird die Flüssigkeitsströmung im Reaktor erzeugt.
Ein Schlaufenreaktor zur Durchführung von Gas-Flüssig-, Flüssig-Flüssig- oder Gas- Flüssig-Fest-Reaktionen ist aus WO-A 00/30743 bekannt. Der Reaktor umfasst eine im oberen Reaktorbereich angeordnete, nach unten gerichtete Strahldüse, über die Eduk- te und das Reaktionsgemisch zugeführt werden, sowie einen Abzug, bevorzugt im unteren Reaktorbereich, über den das Reaktionsgemisch in einen äußeren Kreislauf mittels einer Pumpe der Strahldüse erneut zugeführt wird. Im Reaktor ist ein konzentrisches Leitrohr angeordnet, das sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Re- aktors mit Ausnahme der Reaktorenden erstreckt. Das Leitrohr weist eine Querschnittsfläche im Bereich von 1/10 bis zur Hälfte der Querschnittsfläche des Reaktors auf. Die Strahldüse ist oberhalb des oberen Endes des Leitrohrs, bevorzugt um 1/8 des Leitrohrdurchmessers bis zu einem Leitrohrdurchmesser beabstandet, angeordnet o- der taucht in das Leitrohr in eine Tiefe bis zu mehreren Leitrohrdurchmessern ein. In den Ringraum ist ein Wärmetauscher integriert. Der Reaktor wird zum Beispiel zur Herstellung von Propionsäure aus Propionaldehyd eingesetzt. Hierzu wird das Propio- naldehyd mit Sauerstoff aus Luft oxidiert. Um einen erhöhten Umsatz zu erzielen ist beschrieben, mehrere der Reaktoren in Reihe zu schalten.
Aus WO 01/66505 ist ein Verfahren zur Herstellung aliphatischer Carbonsäuren mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen durch Oxidation der entsprechenden Aldehyde mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen bekannt. Die Oxidation wird im Temperaturbereich von 0 bis 1000C in mindestens zwei Stufen bei von Stufe zu Stufe ansteigenden Temperaturen durchgeführt. Für jede Reaktionsstufe ist ein Reaktor vorgesehen. Als Reaktor werden zum Beispiel Rohrreaktoren, die gegebenenfalls noch Füllkörper ent- halten, Rieseltürme, die Füllkörper enthalten, oder Blasensäulen beschrieben.
Ebenfalls ein Verfahren zur Oxidation einer organischen Substanz, bei der Luft, Sauerstoff, sauerstoffangereicherte oder Sauerstoff enthaltende Luft in eine Flüssigkeit in einem Reaktionssystem geleitet wird, ist aus WO 01/4611 1 bekannt. Die Reaktion wird bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 und 1000C und einem Druck im Bereich zwischen 0 und 3 bar durchgeführt. Im Reaktionssystem sind Mittel vorgesehen, um ein Durchmischen der Flüssigkeitsmenge zu erzielen. Zum Erreichen der Durchmischung können zum Beispiel Rührer, Flügelräder, Turbinen, Injektoren, eingetauchte poröse Diffuser, Einblasrohre oder Oberflächenperlatoren eingesetzt werden. Im Reak- tor können Umlenkbleche aufgenommen sein.
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist zum einen, dass einige von diesen nur als Batch-Verfahren oder Semi-Batch-Verfahren betrieben werden können. Ein weiterer Nachteil ist, dass die bekannten Verfahren teilweise komplizierte - und daher teure - Apparate verwenden. Zudem benötigt ein Teil der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mehr als einen Reaktor, um die gewünschten hohen Umsätze zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierliches Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reaktor bereitzustellen, in dem eine Oxidation von organischen Verbindungen mit Sauerstoff durchgeführt werden kann und der auch bei Bildung von zündfähigen Gasgemischen sicher betrieben werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen mit Sauerstoff, welches folgende Schritte aufweist:
(a) Zugabe der organischen Verbindung und zumindest eines Teils des für die Oxidation benötigten Sauerstoffs in eine erste Reaktionszone, wobei die erste Reak- tionszone isotherm betrieben wird,
(b) Zufuhr mindestens eines Teils des Reaktionsgemisches aus der ersten Reaktionszone in eine zweite Reaktionszone, wobei die zweite Reaktionszone adiabat betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Beispiel zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen, von Olefinen, von Phenolen und von Aldehyden mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gemisch, wobei der Sauerstoffanteil im Gemisch größer als 50 Vol.-% ist. Oxidationen von Kohlenwasserstoffen sind zum Beispiel die Oxidation von Cyclohexan zu einem Gemisch enthaltend Cyclohexylhydroperoxid, Cyclohexa- non, Cyclohexanon und Adipinsäure, von Isobutan zu einem Gemisch enthaltend tert- Butylhydroperoxid und tert-Butanol, von Isopentan zu einem Gemisch enthaltend tert- Amylhydroperoxid und tert-Amylalkohol, von Ethylbenzol zu einem Gemisch enthaltend Ethylbenzolhydroperoxid, 1-Phenylethanol und Acetophenon, von Cumol zu einem Gemisch enthaltend Cumolhydroperoxid und 2-Phenyl-2-propanol und von p-Cymen zu einem Gemisch enthaltend p-Cymenhydroperoxid und 2-(4-Tolyl)-2-propanol). Oxidationen von Olefinen sind beispielsweise die Oxidation von Cyclopenten zu einem Gemisch enthaltend Cyclopentylhydroperoxid, Cyclopentenol und Cyclopentenon, von 2,3-Dimethylbuten-2 zu einem Gemisch enthaltend Tetramethyloxiran. Oxidationen von Phenolen sind zum Beispiel die Oxidation von 2,3,6-Trimethylphenol zu einem Gemisch enthaltend Trimethylbenzochinon, von 2,3,5-Trimethylphenol zu einem Gemische enthaltend Trimethylbenzochinon, von Mesitol zu einem Gemisch enthaltend 2,4,6-Trimethyl-4-hydroperoxycyclohexa-2,5-dien-1-on.
Das Verfahren eignet sich jedoch insbesondere zur Oxidation von aliphatischen Aldehyden mit Sauerstoff unter Bildung von Carbonsäuren.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass der aliphatische Aldehyd bei Oxidation mit Sauerstoff im Wesentlichen vollständig umgesetzt wird. Im Wesentlichen vollständig bedeutet dabei, dass der Umsatz größer als 97 %, bevorzugt größer als 98 % ist.
Der eingesetzte Aldehyd ist dabei vorzugsweise ein Aldehyd der Formel
R-CHO.
Darin bedeutet R ein d-C25-Alkyl, bevorzugt ein C2-C2o-Alkyl. Das Alkyl kann verzweigt oder unverzweigt sein.
Bevorzugt ist das verzeigte oder unverzweigte CrC25-Alkyl ausgewählt aus Ethyl, Pro- pyl, Isopropyl, n-Butyl, sec.-Butyl, iso-Butyl, Pent-2-yl, Pent-3-yl, n-Pentyl, n-Hexyl, Hept-2-yl, Hept-3-yl, Oct-4-yl, 2-Methyl-4,4-dimethylpentyl, 2,6-Dimethylheptyl, Non-4-yl, 3-Methyloct-5-yl.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist zwischen der ersten Reaktionszone, die isotherm und rückvermischt betrieben wird, und der zweiten, adiabat betriebenen Re- aktionszone mindestens eine weitere isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszone ausgebildet. Zur Durchführung der Reaktion durchläuft das Reaktionsgemisch nacheinander die einzelnen Reaktionszonen. Durch die Rückvermischung wird innerhalb jeder isotherm betriebenen Reaktionszone eine weitgehend homogene Konzent- rationsverteilung innerhalb dieser Reaktionszone erreicht.
Wenn mehrere isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszonen eingesetzt werden, ist es bevorzugt, dass mehreren der isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen Sauerstoff zugegeben wird. So wird der ersten Reaktionszone ein Teil des Sauerstoffs zugegeben, wodurch ein Teil der organischen Verbindung umgesetzt wird. Ein weiterer Teil des benötigten Sauerstoffs wird dann jeweils den weiteren isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen zugegeben. In diesen werden dann weitere Teile des enthaltenen Aldehyds umgesetzt. Es ist möglich, jeder der isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen ein Teil des Sauerstoffes zuzu- führen. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass bei mehreren isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen nur einem Teil dieser Reaktionszonen Sauerstoff zugeführt wird.
Der zur Reaktion benötigte Sauerstoff kann zum Beispiel in Form eines sauerstoffhalti- gen Gases oder als reiner Sauerstoff zugeführt werden. Wenn der Sauerstoff in Form eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches eingesetzt wird, enthält dieses vorzugsweise mindestens 50 Vol.-% Sauerstoff, mehr bevorzugt mindestens 75 Vol.-% Sauerstoff, besonders bevorzugt mindestens 90 Vol.-% Sauerstoff. Ganz besonders bevorzugt wird jedoch Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 99 Vol.-% eingesetzt. Dieser wird auch als reiner Sauerstoff bezeichnet. Wenn ein Gasgemisch eingesetzt wird, so enthält dieses neben dem Sauerstoff vorzugsweise für die Reaktion inerte Gase. Insbesondere enthält das Gasgemisch neben Sauerstoff auch Stickstoff. Das Gasgemisch kann zum Beispiel sauerstoffangereicherte Luft sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen zwei isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszonen. Dabei werden der ersten Reaktionszone vorzugsweise mindestens 60 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 60 Vol.-% und insbesondere mindestens 80 Vol.-% des insgesamt eingesetzten Sauerstoffes oder sauerstoffhaltigen Gases zugeführt. Der restliche eingesetzte Sauerstoff wird in der zweiten Reaktionsstufe zugegeben.
Wenn das Verfahren mehr als zwei isotherme und rückvermischte Reaktionszonen umfasst und der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas in drei Reaktionsstufen zugegeben wird, wird der ersten Reaktionsstufe ebenfalls vorzugsweise mindestens 60 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 60 Vol.-% und insbesondere mindestens 80 VoI.- % des insgesamt eingesetzten Sauerstoffes oder sauerstoffhaltigen Gases zugeführt. Der zweiten Reaktionsstufe wird vorzugsweise soviel Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, dass in der dritten Reaktionsstufe maximal 10 Vol.-% des eingesetzten Sauerstoffes oder sauerstoffhaltigen Gases zugegeben werden.
Der Sauerstoff wird vorzugsweise im Überschuss eingesetzt. Dieser Überschuss beträgt vorzugsweise 1 bis 20 mol-%, besonders bevorzugt 2 bis 10 mol-% bezogen auf die theoretisch benötigte Menge.
Die Temperatur, bei welcher die isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszo- nen betrieben werden, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 1400C, mehr bevorzugt zwischen 30 und 1000C. Der Druck am Ausgang der letzten Reaktionszone liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 bis 10 bar, insbesondere zwischen 1 und 5 bar. Hierbei wird vorzugsweise nur eine Druckregelung eingesetzt, die sich am Ausgang der letzten Reaktionszone befindet. Da alle Reaktionszonen miteinander kommu- nizieren, bestimmt diese Druckregelung den Druck in allen Reaktionszonen. Im Allgemeinen nimmt der Druck von Reaktionszone zu Reaktionszone ab.
Wenn mehrere isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszonen eingesetzt werden, so ist es bevorzugt, wenn die Temperatur in allen isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen gleich ist. Gleich im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Temperaturunterschiede zwischen den mittleren Temperaturen der einzelnen Reaktionszonen nicht größer als 5°C sind.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszonen derart betrieben werden, dass die Temperatur von Reaktionszone zu Reaktionszone zunimmt. Die Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Reaktionszonen liegt dann vorzugsweise bei mindestens 5°C, bevorzugt mindestens 100C.
Isotherm betrieben im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Tempera- turunterschiede innerhalb einer Reaktionszone nicht größer als 10°C sind. Dieser Temperaturunterschied ergibt sich aus dem Wärmetransport zum Wärmetauscher der für den isothermen Betrieb notwendig ist.
Eine vollständige Rückvermischung innerhalb der isotherm und rückvermischt betrie- benen Reaktionszonen wird zum Beispiel dadurch erzielt, dass die mindestens eine isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszone nach dem Prinzip eines Strahlschlaufenreaktors arbeitet. Hierzu wird ein Teil des Reaktionsgemisches der Reaktionszone entnommen und über eine Düse im oberen Bereich der Reaktionszone wieder zugeführt. Hierdurch wird eine Ringströmung in der Reaktionszone erzeugt. Die Düse ist dabei vorzugsweise axial in der Reaktionszone angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Reaktionszone ein Einsteckrohr enthalten, welches von dem Reaktionsgemisch umströmt wird. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird mittels eines Wärmetauschers aus dem Reaktionsgemisch abgeführt. Der Wärmetauscher kann dabei innerhalb der Reaktionszone oder außerhalb der Reaktionszone angeordnet sein. Wenn der Wärmetauscher innerhalb der Reaktionszone angeordnet ist, so ist es bevorzugt, wenn zum Beispiel Wärmetauscherrohre zwischen dem Einsteckrohr und der Außenwand der Reaktionszone angeordnet sind. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Reaktionszone an ihrer Außenwand temperiert wird. Eine weitere Möglichkeit ist auch, dass das Einsteckrohr von einem Wärmeträger durchströmt wird und so die Reaktionszone temperiert wird.
Bei einem außenliegenden Wärmetauscher ist dieser vorzugsweise so angeordnet, dass der Anteil des Reaktionsgemisches, welcher der Reaktionszone entnommen und über die Düse im oberen Bereich der Reaktionszone wieder zugeführt wird, durch den Wärmetauscher geleitet und so temperiert wird.
Die Düse, mit der das Reaktionsgemisch der Reaktionszone zum Erzeugen der Strömung zugeführt wird ist vorzugsweise eine Zweistoffdüse. Über diese Zweistoffdüse wird zusammen mit dem Reaktionsgemisch auch der für die Reaktion benötigte Sauerstoff zugeführt. Durch den Einsatz der Zweistoffdüse ergibt sich eine Vermischung des Reaktionsgemisches mit dem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gas, wobei der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas mit der Strömung mitgerissen wird. Eine gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffes im Reaktionsgemisch wird erzielt. Somit wird auch die organische Verbindung gleichmäßig umgesetzt.
Die adiabat betriebene Reaktionszone ist vorzugsweise nicht rückvermischt und in Form einer Blasensäule ausgebildet. In die Blasensäule tritt das Reaktionsgemisch aus der letzten isothermen und rückvermischten Reaktionszone ein. Dieses Reaktionsgemisch enthält noch nicht umgesetzten Sauerstoff. Der Anteil des Sauerstoffes im Reaktionsgemisch, welches in die adiabate Reaktionszone eintritt, liegt vorzugsweise unter- halb von 10 Vol.-% des gesamten eingesetzten Sauerstoffes. In der adiabaten Reaktionszone steigt der Sauerstoff in Form von Blasen im Reaktionsgemisch auf. Das Reaktionsgemisch wird durch die aufsteigenden Blasen vermischt. Hierdurch hat das Reaktionsgemisch Kontakt mit dem Sauerstoff und es werden verbleibende organische Verbindungen mit dem Sauerstoff oxidiert.
Bevorzugt sind in der adiabaten Reaktionszone Einbauten vorgesehen, um eine Rückvermischung innerhalb dieser Zone zu unterdrücken. Als Einbauten eignen sich zum Beispiel Lochbleche, durch welche eine kaskadierte Blasensäule erzeugt wird, weiterhin sind aber auch Packungen oder eine Schüttung geeignet. Eine weitere Aufgabe der Einbauten ist es, eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen zu erzielen. Die adiabat betriebene Reaktionszone dient als Nachreaktor, um hohe Umsätze der organischen Verbindung zu erzielen. Die adiabate Zone ist vorzugsweise gut gegen die Umgebung isoliert, so dass keine Wärme an die Umgebung abgegeben oder von ihr aufgenommen werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind alle Reaktionszonen in einer gemeinsamen Reaktorhülle aufgenommen. Dabei sind die Reaktionszonen vorzugsweise übereinander angeordnet, wobei sich die erste isotherm und rückvermischte Reaktionszone unten befindet und die adiabate Reaktionszone oben. Die einzelnen Reaktionszonen sind vorzugsweise durch Lochbleche voneinander getrennt. Durch die Anordnung wird gewährleistet, dass unverbrauchter Sauerstoff von einer Reaktionszone direkt in die nächste gelangt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens, umfassend mindestens eine isotherme und eine adiabate Reaktionszone, die in einer Re- aktorhülle angeordnet sind, wobei jede isotherme Reaktionszone in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildet ist und die adiabate Reaktionszone als Blasensäule ausgebildet ist.
Jede der isothermen Reaktionszonen, die in Form eines Strahlschlaufenreaktors aus- gebildet sind, enthält vorzugsweise ein Einsteckrohr. Dieses ist so ausgebildet, dass die Flüssigkeit innerhalb der Reaktionszone das Einsteckrohr umströmen kann. Eine gleichmäßige Umströmung wird dadurch erzielt, dass das Einsteckrohr koaxial zur Reaktorhülle positioniert ist. Am oberen oder am unteren Ende des Einsteckrohres wird das flüssige Reaktionsmedium zugegeben. An der der Zugabestelle gegenüberliegen- den Seite des Einsteckrohres ist eine Prallplatte angeordnet. Die Flüssigkeit tritt durch die Zugabevorrichtung in das Einsteckrohr ein, durchströmt dieses und prallt gegen die Prallplatte. Durch die Prallplatte wird die Flüssigkeit umgelenkt und strömt an der Außenseite des Einsteckrohres in dem zwischen Einsteckrohr und der Reaktorhülle gebildeten Annulusraum in die entgegengesetzte Richtung wieder zurück. Eine Schlaufen- Strömung entsteht. Aus der ersten Reaktionszone tritt die Flüssigkeit in die nächste Reaktionszone ein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Reaktorhülle zwei isotherme Reaktionszonen enthalten, die jeweils in Form eines Strahlschlaufenreaktors mit Einsteckrohr und Prallplatte ausgebildet sind. Die beiden in Form des Strahlschlaufenreaktors ausgebildeten isothermen Reaktionszonen sind in der gemeinsamen Reaktorhülle übereinander angeordnet.
Um die isothermen Reaktionszonen als Strahlschlaufenreaktor betreiben zu können, weisen diese vorzugsweise einen äußeren Flüssigkeitsumlauf auf. Hierzu ist eine Flüssigkeitsentnahmestelle vorzugsweise im unteren Bereich der Reaktionszone vorgese- hen und eine Flüssigkeitszugabevorrichtung im oberen Bereich der Reaktionszone. Die Flüssigkeitszugabevorrichtung ist vorzugsweise eine Düse, die zentral oberhalb des Einsteckrohres in der Reaktionszone angeordnet ist. Im Flüssigkeitsumlauf ist vorzugsweise eine Pumpe vorgesehen, mit welcher Flüssigkeit aus der Reaktionszone angesaugt wird. Diese Flüssigkeit wird dann über die Düse wieder in die Reaktionszone zurückgeführt. Die Flüssigkeit wird unter erhöhtem Druck und vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit in die Reaktionszone eingespritzt, damit eine Ringströmung entsteht. Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit der Ringströmung so groß, dass Gasblasen mit der Strömung mitgerissen werden.
Zur Temperierung des Reaktionsmediums enthält der Flüssigkeitsumlauf vorzugsweise weiterhin mindestens einen Wärmetauscher. Im Wärmetauscher kann das durchlaufende Reaktionsmedium temperiert werden. Die Temperatur in der Reaktionszone kann so eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse, mit der die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsumlauf der Reaktionszone zugeführt wird, eine Zweistoffdüse, über welche die Flüssigkeit und Sauerstoff der Reaktionszone zugegeben werden können. Bei einem Reaktor mit zwei isotherm betriebenen Reaktionszonen werden vorzugsweise mindestens 70 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 80 Vol.-% des eingesetzten Sauerstoffes in der ersten Reaktionszone zugegeben. Der restliche Sauerstoff wird in der zweiten Reaktionszone zugegeben. Wenn noch eine dritte isotherme Reaktionszone vorgesehen ist, so ist die Menge des Sauerstoffes, die in der dritten Reaktionszone zugegeben wird, vorzugsweise kleiner als 10 Vol.-% des eingesetzten Sauerstoffes.
Neben der Ausführungsform, bei der die Düse am oberen Ende des Einsteckrohres angeordnet ist und die Prallplatte am unteren Ende des Einsteckrohres ist es auch möglich, dass die Düse am unteren Ende des Einsteckrohres und die Prallplatte am oberen Ende des Einsteckrohres angeordnet sind. Dies führt dazu, dass das Reaktionsmedium im Einsteckrohr nach oben und um das Einsteckrohr herum nach unten strömt. Bevorzugt ist jedoch die Ausführungsform, bei der die Düse oberhalb des Ein- steckrohres und die Prallplatte unterhalb des Einsteckrohres angeordnet sind, so dass die Strömung innerhalb des Einsteckrohres von oben nach unten und außerhalb des Einsteckrohres von unten nach oben erfolgt. Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass die Gasblasen einen längeren Weg zurücklegen müssen, bevor sie in die nachfolgende Reaktionszone strömen und somit eine höhere mittlere Verweilzeit haben. Durch diese höhere Verweilzeit des Gases ist der erreichbare Umsatz bei nach unten gerichteter Düse höher als bei nach oben gerichteter Düse.
Alternativ zu der Ausführungsform, bei der der Wärmetauscher im Flüssigkeitsumlauf aufgenommen ist, ist es auch möglich, dass der Wärmetauscher zum Beispiel im An- nulusraum, das heißt zwischen der Kolonnenwand und dem Einsteckrohr, angeordnet ist. Als Wärmetauscher eignen sich zum Beispiel Wärmetauscherohre, die von einem Temperiermedium durchströmt werden. Es kann jedoch jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Wärmetauscher eingesetzt werden, mit dem die Temperatur in der Reaktionszone geregelt werden kann.
Auch bei Einsatz eines außenliegenden Wärmetauschers, der im Flüssigkeitsumlauf angeordnet ist, ist jeder dem Fachmann bekannte Wärmetauscher einsetzbar. So können zum Beispiel Rohrbündelwärmetauscher, Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher eingesetzt werden.
Die zu oxidierende organische Verbindung wird vorzugsweise dem Flüssigkeitsumlauf der ersten Reaktionszone zugeführt. Bei mehreren isotherm betriebenen Reaktionszonen ist es jedoch auch möglich, dass ein Teil der organischen Verbindung dem Flüssigkeitsumlauf der ersten Reaktionszone und weitere Teile den Flüssigkeitsumläufen der weiteren Reaktionszonen zugeführt werden. Hierbei ist es möglich, das jeder Reak- tionszone ein Teil der organischen Verbindung zugeführt wird oder es ist möglich, dass nur einigen der isotherm betriebenen Reaktionszonen die organische Verbindung zugeführt wird. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass die organische Verbindung, die im Reaktor oxidiert werden soll, nur der ersten Reaktionszone zugeführt wird.
In der adiabaten Reaktionszone sind vorzugsweise Einbauten enthalten. Geeignete Einbauten sind zum Beispiel Lochbleche oder Siebböden, um eine kaskadierte Blasensäule zu erzeugen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass in der adiabaten Reaktionszone eine Packung oder eine Schüttung enthalten ist.
Um Gas und Flüssigkeit des Reaktionsmediums voneinander zu trennen, schließt sich vorzugsweise an die adiabate Reaktionszone eine weitere Zone an, in der Gas und Flüssigkeit voneinander getrennt werden, wobei sich eine zusammenhängende Gasphase ausbildet. Außerdem wird die Druckauslegung des Reaktors so gewählt, dass dieser eine bei einer Zündung auftretende Druckspitze unbeschadet überstehen kann. Um Folgen einer möglichen Explosion in der Gasphase zu mildern, enthält diese weitere Zone vorzugsweise eine Schüttung oder eine Packung. Die Gasphase enthält im Allgemeinen Sauerstoff, da dieser in Überschuss als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Weiterhin können auch Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und organische Verbindungen enthalten sein. Aufgrund der gegebenenfalls enthaltenen organischen Verbindungen ist es möglich, dass die Gasphase zündfähig ist.
Als Packung oder Schüttung in der weiteren Zone, die sich der adiabaten Reaktionszone anschließt, kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte Schüttung oder Packung eingesetzt werden. So sind zum Beispiel strukturierte Packungen oder Füllkör- perschüttungen denkbar. Geeignete strukturierte Packungen oder Füllkörper sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich. Bevorzugt werden Raschig-Ringe oder Pall-Ringe eingesetzt.
Alternativ zu der Ausführungsform, bei der sich eine weitere Zone zur Gas- Flüssigkeits-Phasentrennung an die adiabate Reaktionszone anschließt, ist es auch möglich, dass die Gas-Flüssig-Abscheidung in einem zusätzlichen Apparat erfolgt. Ein geeigneter zusätzlicher Apparat ist zum Beispiel eine Packungs- oder Füllkörperkolonne.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Reaktionsgemisch abgekühlt, bevor die Gas-Flüssig-T rennung erfolgt. Die Temperatur, auf die das Reaktionsgemisch abgekühlt wird, liegt dabei vorzugsweise unterhalb des Flammpunktes der Flüssigkeit. Hierdurch wird vermieden, dass sich zündfähige Gasgemische bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Reaktor zur Herstellung einer organischen Säure durch Oxidation des korrespondierenden Aldehyds mit Sauerstoff eingesetzt. Der Aldehyd ist vorzugsweise ausgewählt aus Propionaldehyd, Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Valeraldehyd, 2-Methylbutyraldehyd, 3-Methylbutyraldehyd (Isovale- raldehyd), 2-Ethylbutyraldehyd, n-Hexanal, 2-Methylvaleraldehyd, n-Heptanal, 2- Ethylhexanal, n-Nonanal, 2-Propylheptanal, 2-Propyl-4-methylhexanal, 3,5,5- Trimethylhexanal und 3,7-Dimethyloctanal. Die korrespondierenden Säuren, die durch Oxidation dieser Aldehyde mit Sauerstoff hergestellt werden sind Propionsäure, Buttersäure, Isobuttersäure, Valeriansäure, 2-Methylbuttersäure, Isovaleriansäure, 2- Methylbuttersäure, 3-Methylbuttersäure (Isovaleriansäure), 2-Ethylbuttersäure, n-Hexansäure, 2-Methylvaleriansäure, n-Heptansäure, 2-Ethylhexansäure, n-Nonansäure, 2-Propylheptansäure, 2-Propyl-4-methylhexansäure,
3,5,5-Triemethylhexansäure oder 3,7-Dimethyloctansäure. Es können ebenfalls Gemische aus zwei oder mehr Aldehyden oxidiert werden, zum Beispiel Aldehydgemische, die aus der Hydroformylierung von Olefinen entstehen.
Weiterhin eignet sich der Reaktor auch zur Durchführung von Oxidationen von Kohlenwasserstoffen, Olefinen oder Phenolen mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gemisch mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 50 Vol.-%. Beispiele für geeignete Oxidationen sind vorstehend aufgeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Reaktor mit zwei isotherm und einer adiabat betriebenen Reaktionszone. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Reaktor 1 umfasst eine isotherme Reaktionszone 3, eine zweite isotherme Reaktionszone 5 und eine adiabate Reaktionszone 7. Die erste isotherme Reaktionszone 3 und die zweite isotherme Reaktionszone 5 sind jeweils als Strahlschlaufenreaktoren ausgebildet. Die erste isotherme Reaktionszone 3, die zweite isotherme Reaktionszone 5 und die adiabate Reaktionszone 7 sind in einer gemeinsamen Reaktorhülle 8 aufgenommen.
Die erste Reaktionszone 3 umfasst ein erstes Einsteckrohr 9, welches vom Reaktionsmedium durchströmt ist. Unterhalb des ersten Einsteckrohres 9 ist eine erste Prall- platte 11 positioniert. Flüssigkeit, die durch das erste Einsteckrohr 9 strömt, prallt auf die erste Prallplatte 1 1 und wird umgelenkt. Unterhalb der ersten Prallplatte 11 ist eine Flüssigkeitsentnahmestelle 13 vorgesehen, durch welche Reaktionsmedium aus der ersten isothermen Reaktionszone 3 entnommen werden kann.
Das an der Flüssigkeitsentnahmestelle 13 entnommene Reaktionsmedium wird einem ersten Flüssigkeitsumlauf 15 zugeführt. Im ersten Flüssigkeitsumlauf 15 ist eine erste Pumpe 17 aufgenommen, mit welcher die Flüssigkeit umgewälzt wird. In der hier dargestellten Ausführungsform schließt sich an die erste Pumpe 17 ein erster Wärmetauscher 19 an. Im ersten Wärmetauscher 19 wird das Reaktionsmedium, welches durch den ersten Flüssigkeitsumlauf 15 umgewälzt wird, temperiert. Hierdurch wird in der ersten isothermen Reaktionszone 3 eine gleichmäßige Temperatur erzielt. Über eine Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 wird die Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsumlauf 15 der ersten isothermen Reaktionszone 3 wieder zugeführt. Die Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 ist vorzugsweise eine Düse. Die zugegebene Flüssigkeit wird mit hoher Geschwindigkeit in die erste Reaktionszone 3 eingespritzt. Hierdurch bildet sich eine Strömung durch das erste Einsteckrohr aus. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der über die Düse 21 eingespritzten Flüssigkeit wird auch die die Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 umgebende Flüssigkeit mitgerissen. Es bildet sich eine Schlaufenströmung um das Einsteckrohr 9 aus. Die Umlenkung erfolgt dadurch, dass die Flüssigkeit, welche durch das Einsteckrohr 9 strömt, auf die Prallplatte 11 aufprallt und dort umgelenkt wird.
Die Zugabe der organischen Verbindung, welche in dem Reaktor oxidiert werden soll, erfolgt über eine Flüssigkeitszugabe 23, welche in den ersten Flüssigkeitsumlauf 15 mündet. Die Menge an organischer Verbindung, welche über die Flüssigkeitszugabe 23 dem ersten Flüssigkeitsumlauf 15 zugeführt wird, lässt sich über ein hier dargestelltes Ventil 25 einstellen.
Die Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 ist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Zweistoffdüse. Über die Zweistoffdüse wird auch ein Teil des Sauerstoffes, welcher für die Reaktion benötigt wird zugegeben. Hierzu ist die Flüssigkeitszugabevor- richtung 21 mit einer Gaszufuhrleitung 27 verbunden. Über die Gaszufuhrleitung 27 wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas dem Reaktor 1 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas ist zum Beispiel mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff. Bevorzugt enthält das sauerstoffhaltige Gas mindestens 50 Vol.-% Sauerstoff, mehr bevorzugt mindestens 75 Vol.-% und insbesondere mehr als 90 Vol.-% Sauerstoff. Ganz besonders bevorzugt ist das sauerstoffhaltige Gas reiner Sauerstoff, das heißt ein Gasgemisch mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 99 Vol.-%.
Über die Gaszufuhrleitung 27 werden vorzugsweise mindestens 70 Vol.-%, mehr be- vorzugt mindestens 80 Vol.-% des für die Reaktion benötigten Sauerstoffes zugeführt. Die Menge des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases wird über ein zweites Ventil 29 eingestellt.
Ein Teil des in der ersten isothermen Reaktionszone 3 enthaltenen Reaktionsmediums strömt an einer zweiten Prallplatte 31 vorbei in die zweite isotherme Reaktionszone 5. Die zweite isotherme Reaktionszone 5 ist aufgebaut wie die erste isotherme Reaktionszone 3 und enthält ein zweites Einsteckrohr 33, welches vom Reaktionsmedium durchströmt wird. Das Reaktionsmedium prallt auf die zweite Prallplatte 31 und wird dort umgelenkt. Hierdurch ergibt sich eine Schlaufenströmung um das Einsteckrohr 33. Über eine zweite Flüssigkeitsentnahmestelle 35 wird ein Teil des Reaktionsmediums aus der zweiten isothermen Reaktionszone 5 entnommen und einem zweiten Flüssigkeitsumlauf 37 zugeführt. Die Umwälzung des Reaktionsmediums im zweiten Flüssigkeitsumlauf 37 erfolgt über eine zweite Pumpe 39. An die zweite Pumpe 39 schließt sich eine zweiter Wärmetauscher 41 an, in welchem das Reaktionsmedium, welches durch den zweiten Flüssigkeitsumlauf 37 strömt temperiert wird. Hierdurch wird die isotherme Reaktionsführung in der zweiten isothermen Reaktionszone 5 erzielt. Die Flüssigkeit, die den zweiten Flüssigkeitsumlauf 27 durchströmt, wird über eine zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 43 der zweiten isothermen Reaktionszone 5 zugeführt. Die zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 43 ist bevorzugt ebenfalls eine Zweistoffdü- se. Über die als Zweistoffdüse ausgebildete zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 42 wird der restliche für die Reaktion benötigte Sauerstoff zugeführt. Hierzu ist die zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 43 mit einer zweiten Gaszufuhrleitung 45 verbunden. Die Menge des zugeführten Sauerstoffes über die zweite Gaszufuhrleitung 45 wird über ein drittes Ventil 47 eingestellt.
In der hier dargestellten Ausführungsform sind die erste Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 und die zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 43 axial zentriert oberhalb des ersten Einsteckrohres 9 bzw. des zweiten Einsteckrohres 33 positioniert. Dies führt dazu, dass die Flüssigkeit jeweils im Einsteckrohr 9, 33 nach unten strömt und auf die Prallplatte 11 , 31 auftrifft. Hier wird die Flüssigkeit umgelenkt und anschließend an der Außenseite des Einsteckrohres 9, 33 zwischen dem Einsteckrohr 9, 33 und der Reaktorhülle 8 nach oben transportiert.
Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, die erste Flüssigkeitszugabevorrichtung 21 und die zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung 43 jeweils unterhalb des Einsteckrohres 9, 33 anzuordnen und die Prallplatte 11 , 31 oberhalb des Einsteckrohres. In diesem Fall durchströmt die Flüssigkeit das Einsteckrohr von unten nach oben, wird an der Prallplatte 1 1 , 31 umgeleitet und strömt außen zwischen Einsteckrohr 9, 33 und Kolonne 8 wieder nach unten.
Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform, bei der der Wärmetauscher 19, 41 im Flüssigkeitsumlauf 15, 37 angeordnet ist, ist es auch möglich, einen ersten Wärmetauscher im Raum zwischen dem ersten Einsteckrohr 9 und der Reaktorhülle 8 und einen zweiten Wärmetauscher im Raum zwischen dem zweiten Einsteckrohr 33 und der Reaktorhülle 8 zu positionieren.
An die zweite isotherme Reaktionszone 5 schließt sich die adiabate Reaktionszone 7 an. Die adiabate Reaktionszone 7 enthält vorzugsweise Einbauten. In der hier dargestellten Ausführungsform sind dies Siebböden 49. Das Reaktionsmedium, welches in die adiabate Reaktionszone 7 strömt, enthält noch nicht umgesetzten Sauerstoff. Dieser liegt in Form von Blasen vor. Da in der adiabaten Reaktionszone 7 keine Umwälzung stattfindet, sondern eine Strömung von unten nach oben erfolgt, steigen die in dem Reaktionsmedium enthaltenen Gasblasen auf. Die adiabate Reaktionszone 7 wird somit in Form einer Blasensäule betrieben. Durch die in der adiabaten Reaktionszone 7 enthaltenen Siebböden 49 wird eine kaskadierte Blasensäule erzeugt.
Alternativ zu den Siebböden 49 können auch Lochböden oder beliebige andere, dem Fachmann bekannten Böden eingesetzt werden. Weiterhin ist es auch möglich als Einbauten eine Packung oder eine Schüttung vorzusehen.
An die adiabate Reaktionszone 7 schließt sich in der hier dargestellten Ausführungsform eine weitere Zone 51 an. Die weitere Zone 51 dient dazu, Gas und Flüssigkeit voneinander zu trennen. In der Zone 51 ist vorzugsweise eine Packung oder eine Schüttung enthalten. Diese dient dazu, die Folgen einer möglichen Explosion in der Gasphase zu mildern. Über einen Gasabzug 53 wird das überschüssige Gas aus dem Reaktor 1 abgezogen. Gleichzeitig kann über den Gasabzug 53 der Druck im Reaktor eingestellt werden.
Die Flüssigkeit wird über einen Seitenabzug 55 aus dem Reaktor abgezogen. Dieser befindet sich im Bereich der weiteren Zone 51. Während des Betriebes ist der gesamte Reaktor mit dem flüssigen Reaktionsmedium geflutet. Der Flüssigkeitsstand ist mit der Phasengrenzlinie 57 angedeutet.
Über ein Ventil 59 lässt sich die Menge der über den Seitenabzug 55 entnommenen Flüssigkeit einstellen. Gleichzeitig wird hierdurch der Flüssigkeitsstand im Reaktor geregelt.
Beispiel 1
Oxidation von Valeraldehyd zu Valeriansäure
Es wird ein Reaktor, wie in Figur 1 dargestellt, zur Oxidation von Valeraldehyd zu Valeriansäure eingesetzt. Der Reaktor hat die Form eines aufrechten Zylinders mit etwa 940 mm Durchmesser und besteht aus zwei isothermen und einer adiabaten Stufe. Die erste isotherme Stufe, d.h. die erste von unten, hat eine Gesamtlänge, gemessen zwi- sehen unterem Reaktorflansch und Zweistoffdüse der ersten Stufe, von etwa 5000 mm. Axial angeordnet befindet sich das Einsteckrohr mit 500 mm Durchmesser und 4100 mm Länge. Direkt oberhalb des Einsteckrohrs befindet sich axial zentriert und nach unten gerichtet die Zweistoffdüse der ersten Stufe. Unterhalb des Einsteckrohrs befindet sich eine axial zentrierte und waagerechte Prallplatte mit 620 mm Durchmesser. Über einen Bodenablass unterhalb der Prallplatte wird der Reaktorinhalt mit einer Umwälzpumpe angesaugt. An der Saugseite der Pumpe wird der frische Valeraldehyd zudosiert. An der Druckseite der Umwälzpumpe ist ein mit Kühlwasser betriebener shell-and-tube Wärmetauscher montiert, der dazu dient, die in der ersten Stufe erzeugte Reaktionswärme abzuführen. Der vom Wärmetauscher abgehende Strom wird zur Zweistoffdüse geleitet. Der in der ersten Stufe zur Oxidation benötigte Sauerstoff wird als Gas mit einem Sauerstoffanteil von >99% ebenfalls zur Zweistoffdüse geleitet. Diese Elemente bilden die erste isotherme Stufe des Reaktors.
Direkt oberhalb der ersten Stufe befindet sich die zweite isotherme Stufe. Diese hat im Wesentlichen die gleichen Elemente und Abmessungen wie die erste Stufe, jedoch wird der Reaktorinhalt der zweiten Stufe über einen Trichter unterhalb der Prallplatte der zweiten Stufe angesaugt, der Wärmetauscher und die Umwälzpumpe der zweiten
Stufe sind entsprechend der geringeren Anforderungen kleiner dimensioniert, und die
Zweistoffdüse der zweiten Stufe ist so dimensioniert, dass sie auch ohne Zugabe von Sauerstoff betrieben werden kann.
Oberhalb der zweiten isothermen Stufe befindet sich die adiabate Stufe. Diese Stufe besteht aus einem 5800 mm langen, leeren Rohr, das in Abständen von ca. 1400 mm durch Lochbleche unterteilt ist. Diese Lochbleche dienen einerseits dazu, Rückströ- mung zu verhindern und andererseits den noch vorhandenen Sauerstoff wieder in der Flüssigkeit zu verteilen. Oberhalb der adiabaten Stufe befindet sich eine Beruhigungszone, in der sich Gas und Flüssigkeit trennen können. Aus Sicherheitsgründen ist die Beruhigungszone oder zumindest der Raum, der eine zusammenhängende Gasphase enthält, mit Raschig- Ringen mit einem Durchmesser von 10 mm gefüllt. Das Gas wird am Kopf des Reaktors druckgeregelt entnommen und zur Abgasbehandlung geleitet. Die Flüssigkeit wird standgeregelt über einen seitlichen Stutzen entnommen und zur Aufarbeitung geleitet.
Der Reaktor wird zunächst mit Valeriansäure gefüllt und die Umwälzpumpen werden in Betrieb genommen. Der Umwälzstrom in der ersten Stufe wird auf ca. 193 m3/h eingestellt. Die Druckdifferenz über die Umwälzpumpe beträgt ca. 4 bar. Der Umwälzstrom in der zweiten Stufe wird auf ca. 92 m3/h eingestellt. Die Druckdifferenz über die Umwälzpumpe der zweiten Stufe beträgt ca. 3 bar. Der Reaktorinhalt wurde dann auf 600C erwärmt. Anschließend wird die Druckregelung am Reaktorkopf in Betrieb genommen und auf 2 bar abs eingestellt. Auch die standgeregelte Produktentnahme wird in Betrieb genommen. Danach wird die Dosierung von O2 und Valeraldehyd schrittweise auf den Endwert angehoben. Im stationären Zustand werden 1125 kg/h Valeraldehyd zu dem Kreislauf der ersten isothermen Stufe zudosiert. Der eingesetzte Valeraldehyd stammt aus der Hydroformylierung von Buten und wird durch Destillation gereinigt. Der Anteil an 2-Methylbutanal beträgt weniger als 1 Gew.-%. Über die Zweistoffdüse der ersten Stufe werden 187 kg/h O2 zudosiert. Über die Zweistoffdüse der zweiten Stufe werden 33 kg/h O2 zudosiert.
Nach dem Erreichen des stationären Zustande werden Proben genommen. Der VaIe- raldehyd-Umsatz in der ersten isothermen Stufe beträgt 88,5, ermittelt durch gaschro- matographische Analyse von Proben, die aus dem Umwälzstrom der ersten Stufe entnommen werden. Der Valeraldehyd-Umsatz in der zweiten isothermen Stufe beträgt 98,2%, ermittelt durch gaschromatographische Analyse von Proben, die aus dem Umwälzstrom der zweiten Stufe entnommen werden. Der Valeraldehyd-Umsatz am Reak- torausgang beträgt 99,94%. Die Selektivität von Valeriansäure bezogen auf Valeraldehyd beträgt 98,7 %, ermittelt durch gaschromatographische Analyse des flüssigen Pro- duktaustrags.
Als Nebenprodukte sind im flüssigen Produkt u.a. n-Butylformiat, n-Butanol, Buttersäu- re, n-Octan, Laevulinsäure, Butylvalerat, Pentylvalerat und n-Valeriansäureanhydrid enthalten. Das Abgas enthält 0,69 Vol.-% organisches Material und ist demnach nicht zündfähig. Neben O2 und Valeriansäure sind in der Gasphase noch CO2, CO, H2, Butan und Ameisensäure enthalten. Beispiel 2
Oxidation von Valeraldehyd zu Valeriansäure
Es wird wie im Beispiel 1 verfahren, wobei 1 125 kg/h Aldehyd zugegeben werden, mit dem Unterschied, dass die gesamte Menge von 220 kg/h O2 der ersten isothermen Stufe zudosiert wird.
Der Valeraldehyd-Umsatz in der ersten isothermen Stufe beträgt 92,5 %. Der Valeral- dehyd-Umsatz in der zweiten isothermen Stufe beträgt 98,8 %. Der Valeraldehyd- Umsatz am Reaktorausgang beträgt 99,93 %, ermittelt durch gaschromatographische Analyse des flüssigen Produktaustrags. Die Selektivität von Valeriansäure bezogen auf Valeraldehyd beträgt 98,7 %.
Beispiel 3 Oxidation von 3-Methylbutanal zu 3-Methylbuttersäure
Es wird wie im Beispiel 2 verfahren, d.h. es werden 1 125 kg/h Aldehyd zugegeben und die gesamte Menge von 220 kg/h O2 wird in der ersten Stufe zugegeben, aber anstatt Valeraldehyd wird 3-Methylbutanal eingesetzt. Das 3-Methylbutanal wird durch Hydro- formylierung von Isobuten gewonnen und durch Destillation gereinigt. Es enthält mindestens 99 Gew.-% 3-Methylbutanal. Zum Anfahren wird der Reaktor mit 3- Methylbuttersäure statt mit Valeriansäure gefüllt.
Der 3-Methylbutanal-Umsatz in der ersten isothermen Stufe beträgt 97,4 %. Der 3- Methylbutanal-Umsatz in der zweiten isothermen Stufe beträgt 99,8 %. Der 3- Methylbutanal-Umsatz am Reaktorausgang beträgt 99,99 %. Die Selektivität von 3- Methylbuttersäure bezogen auf 3-Methylbutanal beträgt 97,1 %.
Als Nebenprodukte sind im flüssigen Produkt u.a. Isobutylformiat, Isobutanol, Isobutter- säure, 2,4-Dimethylpentan, 2,5-Dimethylhexan, 2-Butanon, Diisobutylether und 3- Methylbuttersäureanhydrid enthalten. Neben O2 und 3-Methylbuttersäure sind in der Gasphase noch CO2, CO, H2, Isobutan, Isobuten, Acetaldehyd, Isopropylformiat, tert- Butylformiat, Isobutylformiat und Ameisensäure enthalten.
Beispiel 4
Oxidation von Isononanal zu Isononansäure
Es wird wie im Beispiel 2 verfahren, d.h. es werden 1 125 kg/h Aldehyd zugegeben und die gesamte Menge von 133 kg/h O2 wird in der ersten Stufe zugeführt, aber anstatt Valeraldehyd wird Isononanal eingesetzt. Das Isononanal wird durch Hydroformylie- rung von Diisobutylen gewonnen und durch Destillation gereinigt. Es enthält mind. 99% Cg-Aldehyde mit 3,5,5-Trimethylhexanal als Hauptkomponente. Zum Anfahren wird der Reaktor mit Isononansäure statt mit Valeriansäure gefüllt.
Der Isononanal-Umsatz in der ersten isothermen Stufe beträgt 96,7 %. Der Isononanal- Umsatz in der zweiten isothermen Stufe beträgt 99,7 %. Der Isononanal-Umsatz am Reaktorausgang beträgt 99,98 %.
Als Nebenprodukte sind im flüssigen Produkt u.a. 2,4,4-Trimethylpentanolformiat, 2,4,4-Trimethylpentanol, Trimethylpentan und Isononylformiat enthalten. Das Abgas enthält 0,02 Vol.-% organisches Material und ist demnach nicht zündfähig. Neben O2 und Isononansäure sind in der Gasphase noch CO2, CO, H2, 2,4,4-Trimethylpentan, u.a. enthalten.
Beispiel 5 Oxidation von Propionaldehyd zu Propionsäure
Es wird wie im Beispiel 2 verfahren, d.h. es werden 1125 kg/h Aldehyd zugegeben, die gesamte Menge von 326 kg/h O2 wird in der ersten Stufe zugeführt, aber anstatt VaIe- raldehyd wird Propionaldehyd eingesetzt. Die Reaktionstemperatur in den beiden iso- thermen Stufen beträgt 75 0C. Der Propionaldehyd wird durch Hydroformylierung von Ethylen gewonnen und durch Destillation gereinigt. Zum Anfahren wird der Reaktor mit Propionsäure statt mit Valeriansäure gefüllt. Die Druckregelung am Reaktorkopf wird auf einen Druck von 2 bar abs eingestellt.
Der Propionaldehyd-Umsatz in der ersten isothermen Stufe beträgt 93,7 %. Der Propi- onaldehyd-Umsatz in der zweiten isothermen Stufe beträgt 98,5 %. Der Propionaldehyd-Umsatz am Reaktorausgang beträgt 99,8 %.
Als Nebenprodukte sind im flüssigen Produkt u.a. Ethylformiat, Ethanol, Essigsäure, enthalten. Neben O2 und Propionsäure sind in der Gasphase noch CO2, CO, H2, Ethan, enthalten.
Bezugszeichenhste
1 Reaktor
3 erste isotherme Reaktionszone
5 zweite isotherme Reaktionszone
7 adiabate Reaktionszone
8 Reaktorhülle
9 erstes Einsteckrohr
11 erste Prallplatte
13 Flüssigkeitsentnahmestelle
15 erster Flüssigkeitsumlauf
17 erste Pumpe
19 erster Wärmetauscher
21 Flüssigkeitszugabevorrichtung
23 Flüssigkeitszugabe
25 Ventil
27 Gaszufuhrleitung
29 zweites Ventil
31 zweite Prallplatte
33 zweites Einsteckrohr
35 zweite Flüssigkeitsentnahmestelle
37 zweiter Flüssigkeitsumlauf
39 zweite Pumpe
41 zweiter Wärmetauscher
43 zweite Flüssigkeitszugabevorrichtung
45 zweite Gaszufuhrleitung
47 drittes Ventil
49 Siebboden
51 weitere Zone
53 Gasabzug
55 Seitenabzug
57 Phasengrenzlinie
59 Ventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oxidation organischer Verbindungen mit Sauerstoff, welches folgende Schritte aufweist:
(a) Zugabe der organischen Verbindung und zumindest eines Teils des für die Oxidation benötigten Sauerstoffs in eine erste Reaktionszone, wobei die erste Reaktionszone isotherm und rückvermischt betrieben wird,
(b) Zufuhr zumindest eines Teils des Reaktionsgemisches aus der ersten Reaktionszone in eine zweite Reaktionszone, wobei die zweite Reaktionszone adiabat betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Reaktionszone und der zweiten Reaktionszone mindestens eine weitere isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszone ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Reaktion erforderliche Teil des Sauerstoffs, der nicht in Schritt (a) zugegeben worden ist, dem Reaktionsgemisch in der mindestens einen weiteren isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszone zugegeben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine isotherm und rückvermischt betriebene Reaktionszone nach dem Prinzip eines Schlaufenreaktors arbeitet, wobei ein Teil des Reaktionsgemisches der Reaktionszone entnommen wird und über eine Düse im oberen Bereich der Reaktionszone wieder zugeführt wird, wodurch eine Ringströmung in der Reaktionszone erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Reaktionsgemisches, der der isotherm und rückvermischt betriebenen Reaktionszone entnommen und über die Düse im oberen Bereich der Reaktionszone wieder zugeführt wird durch einen Wärmetauscher geführt wird, um eine isotherme Temperaturführung in der Reaktionszone zu realisieren.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die adiabat betriebene Reaktionszone in Form einer Blasensäule ausgebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der adiabat betriebenen Reaktionszone mindestens ein Siebboden oder Lochblech enthalten ist, durch den der Durchfluss des Reaktionsgemisches durch die adiabat betriebene Reaktionszone eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Reaktionszonen in einer gemeinsamen Reaktorhülle aufgenommen sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Verbindung ein Aldehyd ist, der zu seiner korrespondierenden Säure oxidiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aldehyd ausgewählt ist aus Propionaldehyd, Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Valeraldehyd, 2- Methylbutyraldehyd, Isovaleraldehyd, 2-Ethylbutyraldehyd, n-Hexanal, n-
Heptanal, 2-Ethylhexanal, 2-Propylheptanal, 3,5,5-Trimethylhexanal und 3,7- Dimethyloctanal.
1 1. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend mindestens eine isotherme (3, 5) und eine adiabate (7) Reaktionszone, die in einer Reaktorhülle (8) angeordnet sind, wobei jede isotherme Reaktionszone (3, 5) in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildet ist und die adiabate Reaktionszone (7) als Blasensäule ausgebildet ist.
12. Reaktor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktorhülle (8) zwei isotherme Reaktionszonen (3, 5) enthalten sind, die in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildet sind, wobei die beiden in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildeten isothermen Reaktionszonen (3, 5) übereinander in der Reaktorhülle (8) angeordnet sind.
13. Reaktor nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils im unteren Bereich der einzelnen in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildeten isothermen Reaktionszonen (3, 5) eine Prallplatte (1 1 , 31 ) aufgenommen ist.
14. Reaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine als Strahlschlaufenreaktor ausgebildete isotherme Reaktionszone (3, 5) einen äußeren Flüssigkeitsumlauf (15, 37) aufweist, wobei eine Flüssigkeitsentnahmestelle (13, 35) im unteren Bereich der isothermen Reaktionszone (3, 5) und eine Flüssigkeitszugabevorrichtung (21 , 43) im oberen Bereich der isothermen Reaktionszone (3, 5) angeordnet ist.
15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszugabevorrichtung (21 , 43) eine Düse ist, die zentral im oberen Bereich der isothermen Reaktionszone (3, 5) angeordnet ist.
16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine Zweistoffdüse ist, über welche Flüssigkeit und Sauerstoff in die isotherme Reaktionszone (3, 5) zugegeben werden können.
17. Reaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Flüssigkeitsumlauf (15, 37) ein Wärmetauscher (19, 41 ) enthalten ist.
18. Reaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Bereich der in Form eines Strahlschlaufenreaktors ausgebildeten isothermen Reaktionszone (3, 5) zwischen einem Einsteckrohr (9, 33) und der Re- aktorhülle (8) ein Wärmetauscher aufgenommen ist.
19. Reaktor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flüssigkeitsumlauf (15) der ersten isothermen Reaktionszone (3) eine Flüssigkeitszugabe (23) für ein Edukt mündet.
20. Reaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der adiabaten Reaktionszone (7) Lochbleche oder Siebböden (49) enthalten sind.
21. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die adiabate Reaktionszone (7) eine weitere Zone (51 ) zur Phasentrennung anschließt, wobei die weitere Zone (51 ) eine Schüttung oder Packung enthält.
22. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszonen (3, 5, 7) übereinander angeordnet sind, wobei die erste isotherme Reaktionszone (3) unten und die adiabate Reaktionszone (7) oben in der Reaktorhülle (8) angeordnet sind.
23. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 11 bis 22 zur Herstellung einer organischen Säure durch Oxidation des korrespondierenden Aldehyds mit Sauerstoff.
24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Aldehyd ausgewählt ist aus Propionaldehyd, Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Valeraldehyd, 2- Methylbutyraldehyd, Isovaleraldehyd, 2-Ethylbutyraldehyd, n-Hexanal, n- Heptanal, 2-Ethylhexanal, 2-Propylheptanal, 3,5,5-Trimethylhexanal und 3,7- Dimethyloctanal.
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