Vorrichtung zur Durchführung von Misch-und Reaktionsprozessen
Die meisten Arbeitsverfahren der ehemischen Grossindustrie lassen sich in der Praxis auf Misch- und ReaktionsvorgÏnge zur ckfuhren ; diese stellen somit eine wichtige Grundlage der Technologie dieser Industriegruppe dar. Die Vervollkommnung dieser Prozesse bedeutet mitbin nieht nur eine wesent liche Bereicherung der'Technik, sondern ist zugleich ein Beitrag zur Erhöhung ihrer Wirt- schaftlichkeit.
Die Beschleunigung von Misch- und Reak tionsvorgängen, das heisst die Steigerung des Durchsatzes in der Zeiteinheit, ist nature mäss in entscheidendem Masse davon abhän- gig, dass dem Ablauf dieser Prozesse die g n stigsten Voraussetzungen geboten, werden.
Wesentlich ist hierbei die Verteilung der Komponenten beziehungsweise ihre Durchmischung durch dauernde und intensivste Änderung des Bewegungszustandes, das heurt der Riehtung und StÏrke der Strömung sowie des wirkung. svol'len Wärmeaustausches durch Schaffung optimaler Bedingungen für deren Zu-und Abführung und schliesslich die weit gehende Anwendung energie-und aufwand- sparender physikalischer Methoden an Stalle mechanisch-maschineller Hilfsmittel.
Die bisher auf diesem Gebiete der Verfahrenstechnik angewandten Apparaturen bestanden in der Hauptsache aus Kesseln mit R hrwerken versehiedenster Konstruktion, in denen die vorkommenden Mischvorgänge im allgemeinen diskontinuierlich durchgeführt wurden. Für teigige oder pasteuse Massen ver wandte man schwere Knetwerke mit hohem Kraftbedarf oder auch Schneckenpressen, die beide den Knetvorgang nur unvollkommen durchfiihrten.
F r die meisten der üblichen Reaktions- vorgänge bediente man sich wie beim vorer wähnten Mischen gleichfalls im allgemeinen der Rührwerkskessel oder Autoklaven mit chargenweiser Durchführung der Prozesse.
Die anzustrebende kontinuierliche Arbeitsweise hat man beispielsweise beim Verseifungsprozess des Chlorbenzols mittels Natronlauge xu Phenol in langen Hochdruckrohrsystemen durchgef hrt ; doch bestehen auch bei diesem Verfahren trotz des erreichten hohen Standes noch weitere Verbesserungsm¯glichkeiten mit preissenkender Wirkung.
Das gleiche gilt von den Verfahren einer Reihe von Syntheseprodukten der Kunststoffindustrie.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Vorrichtunb, die eine wesentliche Verbesserung in verfahrensmässiger und wirt schaftlicher Beziehung zu erzielen gestattet.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Vielzahl von Hohlkörpern besteht, deren WÏnde quer zur Stromungsrichtung derart profiliert sind, da. sich zwischen benachbarten Wandungen jeweils ein Durchfluss- raum von weehselndem Querschnitt ergibt, damit die durch die Hohlkörper geleiteten Stoffe einer dauernden Änderung ihrer Str¯ mungsriehtung-und Strömungsgeschwindig- keit unterworfen werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele dieser Vorrichtung sind in der beigefügten schema- tischen Zeichnung veranschaulicht :
Von der ersten Vorrichtung ist in Fig. 1 ein Längsschnitt und in Fig. 2 ein Querschnitt nach der Linie X-X der Fig. 1 dargestellt.
Die Vorrichtung besitzt einen zylindrischen Alantel 1, cler dureh die Stirnplatten 2 und 3 beiderseits geschlossen ist. An diesen sind abwechselnd die quer zur Strömuugsrichtung profilierten, konzentriseh angeordneten Ein- satzwandungen von vorzugsweise mmdem Querschnitt durch Verschweissung oder sonstwie dicht befestigt, und zwar derart, dass sich jeweils ¯bertritts¯ffnungen von einem der gebildeten Zwischenräume zum nächsten ergeben, die das diese Vorrichtung passierende Medium oder ein Gemisch scleher zwingen,
die ganze Strecke von der Eintrittsöffnung in der Verschlu¯platte 2 zu der Austritts- öffnung in der Verschlussplatte 3 auf beiden Seiten der jeweiligen Wandungen zu durchströmen, wodurch beim Passieren dieser Vorrichtung ein Vielfaches des der Länge des Mantes entsprechenden Weges zurückgelegt werden mu¯. Diese Strecke wird noch erheb- lich verlängert durch die Profilierung der Wandungen, so dass durch beide Massnah- men eine lange Misch- bzw. Reaktionsstrecke in kleinem Raum untergebracht werden kann.
In den Fig. l und 2 ist der Zwisehen- raum zwisehen dem äussern Mantel und dem ersten Hohlk¯rper mit a derjenige zwisehen dem zweiten und dritten Hohlkörper mit b, derjenige zwischen dem vierten und fünften IIohlkörper mit c und der zentrale Hohlkör peur mit d bezeichnet.
Die Profilierung hat im weiteren die Wir- kung einer dauernden Brechung und ¯nderung der Str¯mungsrichtung und Geschwindigkeit, die naturgemäss eine intensive Dureh wirbelung der Medien bewirkt und die verstÏrkt wird durch den erhöhten Durchgangswiderstand infolge der Profilierung und der clamit vergrösserten innern Reibung.
Zu diesen die Intensität der Alisell oder Reaktionsvorgänge ausserordentlich verstär- kenden Momenten kommt zusätzlich beim Durehleiten der lTedien oder Gemisehe von aussen nach innen die progressive Verrinerung der zwischen zwei benachbartenWan- dungen gebildeten Querschnitte, womit automatisch eine weitere stufenweise Steigerung der vorgenannten Ex'fente eintritt
Auf diese Weise erreicht man bei Mischun- gen in einem Durchgang eine praktisch v¯llige Homogenisierung- und bei ReaktionsvorgÏngen eine in Kesseln oder.
Autoklaven mit Rührwerken nicht zu erzielende Kompensation der mit Fortsehreiten des Prozesses abnehmenden innern Energien desselben infolge Verringerung der Konzentration der Ausgangskomponenten.
Bei reversiblen VorgÏngen wird man gegebenenfalls den Weg in umgekehrter Richtung, also von innen nach au¯en, wälilen.
Durch tlie vorgenannten Momente ergeben sieh zudem g nstigere WÏrme bergÏnge als bei glatten Wandungen mit laminaren Str¯ da da abgesehen von der durci die Profilierung vergr¯¯erten DurchgangsflÏche der WÏrmeaustausch durch die Turbulent in wesentlicher Weise gesteigert wird.
Man hat es zudem bei dieser Vorrichtung in der Hand, beispielsweise durch Anbringen einer Heiz- und/oder K hleinrichtung je nach Arbeitsprozess und Erfordernis Wärme zu oder abzuführen und so den Verlauf von Misch- und Reaktionsprozessen auch thermisch in m¯glichster Angleichung an ihr Optimum durehzuführen.
F r manche Prozesse oder einzele Phases derselben ist unter Umständen auch eine gleichbleibende mittlere Durchgangsgesehwin digkcit mit ihren Folgewirkungen erwünscht.
Dieser Forderung kann man durch entspre- chendeAbstufungde.sAbstaudes der einzelnen WandungenoderÄnderung der Profi- lierung oder durch die Nombination beider Massnahmen gerecht werden. Derartige Vorrichtungen sind im Längsschnitt in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Auch diese Ausf h rungsformen, die einen vorzugsweise zylin- lrisehen, beidseits durch die Stirnplatten 2 und 3 geschlossenen Mantel l besitzen, k¯nnen, wie in der Zeichnnng dargetan, mit einer Heiz-und/oder Kiihleinriehtung versehen sein, um. je naeh Erfordernis Wärme zu-oder abführen zu können.
Es versteht sich, dass man die Mischund Reaktionsprozesse aueh in versehiedenen Stufen, zum Beispiel durch Parallel-oder Serienschaltung mehrerer Apparate der beschriebenen Art, durchf hren kann. In diesem Falle hat man es in der Hand, den jeweiligen Vorgang weitgehend dem Ablauf des Prozesses oder seiner Phasen anzugleichen.
Weiterhin kann man die Vorrichtung auch f r solehe Prozesse anwenden, die vorteilhaft unter erhöhtem oder reduziertem Druck durch- gef hrt werden.
Im Falle des Überdrucks ist hier nur der Xlantel druekfest auszubilden, da nur dieser einer (inseitigen Druckbelastung ausgesetzt ist.
Für Kontaktprozesse sind Kammern zur Aufnahme des jeweiligen Katalysators vorzu sel. en : mit Vorteil ist zu diesem Zweek bei- slielsweisé der äussere oder der zentrale Hohlkörper zur Aufnahme der Kontaktsubstanz ausgestaltet.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ! der Vor- richtung ist in den Fig.5 und 6 wiedergegeben, von denen die Fig. 5 einen Längsschnitt und die Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie Y-Y der Fig. 5 darstellt. Das Hauptanwendungsgebiet hierf r sind Mischund Reaktionsprozesse in der Gasphase.
Bei dieser Ausf hrungsform ist eine Anzahl quer zur Stromungsrichtung profilierter Kehre 4 als gedrängtes Bündel in einem Hohlraum untergebracht, der von einem Mantel 1 zur thermischen Steuerung des jeweiligen Prozesses und zur Schaffung von Anschlussmog- liehkeiten für andere Apparaturen begrenzt ist.
Die einem solehen Prozess zu anterwer- fenden Medien mischt und homogenisiert man zweckmässig in einem vorgeschalteten Homo- genisator gemäss Fig. 1.
In den Fig. 5 und 6 bedeutet Dure1- gangsweg durch das Rohrinnere, f denjenigen zwischen benachbarten Rohren und g denjenigen zwischen dem äussern Mantel und den benachbarten Rohren.
In und zwischen den Rohren der hier beschriebenen Ausf hrungsform findet in- folge der Profilierung derselben eine dauernde und intensive Durehwirbelung statt, die vor allem ortliche Überhitzungen und Druckan- stiege verhindert und einen schnellen Tem peraturausgleich gewährleistet.
Die Rohre und deren Zwischenräume k¯nnen durch entsprechende Vorkehrungen gegebenenfalls auch Sontaktträger aufnehmen, sofern man in diesem Falle nicht vorzieht, mehrere Mantelistücke mit Rohrbündeln miteinander zu verbinden und Kammern zur Aufnahme der Katalysatormassen zwischen- zuschalten.
Bei Prozessen, die besondere Sicherheits- massnahmen gegen sich möglieherweise bis zu explosionsartiger Heftigkeit steigerndem Reaktionsverlauf erfordern, kann man die Ein- satzrohre so profilieren, dass sie flexibel sind ; ebenso kann man n auch den Mantel ausführen.
Device for carrying out mixing and reaction processes
Most of the working processes of the former large-scale industry can be traced back to mixing and reaction processes; these therefore represent an important basis for the technology of this industrial group. The perfecting of these processes doesn’t only mean an essential enrichment of the technology, but is at the same time a contribution to increasing its profitability.
The acceleration of mixing and reaction processes, that is, the increase in throughput in a unit of time, is naturally dependent to a decisive extent on the fact that the most favorable prerequisites are offered to these processes.
What is essential here is the distribution of the components or their mixing through constant and intensive changes in the state of motion, that is, the direction and strength of the flow and the effect. Full heat exchange by creating optimal conditions for their supply and removal and finally the extensive use of energy-saving and effort-saving physical methods in stalls of mechanical-mechanical aids.
The equipment previously used in this field of process engineering consisted mainly of boilers with stirrers of various designs, in which the mixing processes were generally carried out discontinuously. For doughy or pasty masses, heavy kneading machines with a high power requirement or screw presses were used, both of which only carried out the kneading process incompletely.
For most of the usual reaction processes, as in the case of the above-mentioned mixing, agitated vessels or autoclaves were generally used, with the processes being carried out in batches.
The desired continuous mode of operation has been carried out, for example, in the saponification process of chlorobenzene by means of sodium hydroxide solution xu phenol in long high-pressure pipe systems; But even with this process, despite the high level achieved, there are still further possibilities for improvement with a price-reducing effect.
The same applies to the processes of a number of synthetic products in the plastics industry.
The present invention now relates to a device which allows a substantial improvement in procedural and economic relationship to be achieved.
It is characterized in that it consists of a large number of hollow bodies, the walls of which are profiled transversely to the direction of flow in such a way that. a flow space of alternating cross-section results between adjacent walls so that the substances conducted through the hollow bodies are subjected to a permanent change in their direction of flow and flow velocity.
Various exemplary embodiments of this device are illustrated in the attached schematic drawing:
A longitudinal section of the first device is shown in FIG. 1 and a cross section along the line X-X in FIG. 1 in FIG.
The device has a cylindrical aluminum jacket 1, which is closed on both sides by the end plates 2 and 3. The insert walls, which are profiled transversely to the direction of flow and are concentrically arranged, preferably with a cross-section, are alternately fastened to these by welding or otherwise tightly, in such a way that there are cross-over openings from one of the spaces formed to the next, which make this device force passing medium or a mixture to
to flow through the entire distance from the inlet opening in the closure plate 2 to the outlet opening in the closure plate 3 on both sides of the respective walls, whereby a multiple of the path corresponding to the length of the Mantes has to be covered when passing this device. This section is considerably lengthened by the profiling of the walls, so that a long mixing or reaction section can be accommodated in a small space through both measures.
In Figs. 1 and 2, the space between the outer jacket and the first hollow body with a is that between the second and third hollow body with b, that between the fourth and fifth hollow body with c and the central hollow body with d designated.
The profiling also has the effect of a permanent refraction and change in the direction of flow and speed, which naturally causes an intensive turbulence in the media and which is intensified by the increased resistance due to the profiling and the increased internal friction.
In addition to these moments, which greatly intensify the intensity of the Alisell or reaction processes, the progressive reduction of the cross-sections formed between two adjacent walls occurs when the media or Gemisehe pass from the outside inwards, which automatically leads to a further step-by-step increase in the aforementioned ex'fente
In this way, a practically complete homogenization is achieved when mixing in one pass and one in kettles or in reaction processes.
Autoclaves with agitators cannot achieve compensation for the internal energies of the process, which decrease as the process proceeds, as a result of a reduction in the concentration of the starting components.
In the case of reversible processes, the path may need to be followed in the opposite direction, i.e. from inside to outside.
The aforementioned moments also result in more favorable heat transitions than in the case of smooth walls with laminar stripes, since apart from the passage area which is enlarged by the profiling, the heat exchange through the Turbulent is significantly increased.
With this device, you also have it in your hand, for example by attaching a heating and / or cooling device, depending on the work process and requirement, to add or remove heat and thus the course of mixing and reaction processes also thermally as closely as possible to their optimum perform.
For some processes or individual phases of the same, a constant mean throughput vision with its subsequent effects may also be desirable.
This requirement can be met by a corresponding graduation of the spacing of the individual walls or by changing the profile or by combining both measures. Such devices are illustrated in longitudinal section in FIGS. 3 and 4. These embodiments, which have a preferably cylindrical jacket 1 closed on both sides by the end plates 2 and 3, can, as shown in the drawing, be provided with a heating and / or cooling device. depending on the need to be able to supply or remove heat.
It goes without saying that the mixing and reaction processes can also be carried out in different stages, for example by connecting several apparatuses of the type described in parallel or in series. In this case it is up to you to adapt the respective process largely to the course of the process or its phases.
Furthermore, the device can also be used for such processes which are advantageously carried out under increased or reduced pressure.
In the case of overpressure, only the Xlantel needs to be designed to be pressure-resistant, as only this is exposed to internal pressure.
For contact processes, chambers for receiving the respective catalyst are to be preselected: for this purpose, the outer or the central hollow body is advantageously designed for receiving the contact substance.
Another embodiment! The device is shown in FIGS. 5 and 6, of which FIG. 5 shows a longitudinal section and FIG. 6 shows a cross section along the line Y-Y in FIG. The main area of application for this is mixing and reaction processes in the gas phase.
In this embodiment, a number of hairpin bends 4 profiled transversely to the direction of flow are accommodated as a compressed bundle in a cavity which is delimited by a jacket 1 for thermal control of the respective process and for creating connection options for other apparatus.
The media to be used in such a process are appropriately mixed and homogenized in an upstream homogenizer according to FIG. 1.
In FIGS. 5 and 6, Dure1- denotes the passage through the interior of the pipe, f denotes that between adjacent pipes and g denotes that between the outer jacket and the adjacent pipes.
In and between the tubes of the embodiment described here, as a result of the profiling of the same, a permanent and intensive turbulence takes place, which above all prevents local overheating and pressure increases and ensures rapid temperature compensation.
The tubes and their interstices can, if necessary, take appropriate precautions to accommodate contact carriers, provided that in this case it is not preferred to connect several jacket pieces with tube bundles and to interpose chambers for receiving the catalyst masses.
In the case of processes that require special safety measures to prevent the course of the reaction from possibly increasing to explosive severity, the insert tubes can be profiled so that they are flexible; in the same way one can also carry out the coat.