DD288318A5 - Rohrreaktor zur kontinuierlichen durchfuehrung chemischer reaktionen unter druck in fluider phase - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor zur kontinuierlichen Durchfuehrung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase, die eine intensive Durchmischung zum Beispiel mehrerer heterogener Fluessigphasen im Reaktor erfordern. Dazu werden dem Produktstrom im mit Statikmischern 7 ausgestatteten Reaktionsrohr 5 durch paarweise synchron entgegengesetzt wirkende Impulsgeber 1, 2 gleich groszen Impulsvolumens niederfrequente Longitudinalschwingungen ueberlagert, was eine Intensivdurchmischung mit hohen Stoff- und Waermeuebergaengen ermoeglicht. Fig. 1{Rohrreaktor; chemische Reaktionen, kontinuierlich; Druck; Statikmischer; Impulsgeber; Longitudinalschwingungen; Fluide; Phase; Intensivdurchmischung; Impulsvolumen}

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Rohrreaktor zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen in fluider Phase unter Druck zu schaffen, bei dem die Ausbildung und Anordnung der die Schwingungen erzeugenden Mittel eine verbesserte Mischwirkung und einen einfachen konstruktiven und fertigungstechnisch günstigen Aufbau des Reaktors ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß paarweise synchron entgegengesetzt wirkende Impulsgeber mit gleich großem Impulsvolumen angeordnet und jeweils vor und hinter dem mit Statikmischerelementen ausgestatteten Rohrabschnitt wirksam sind.

Durch die erfindungsgemäUe Ausbildung des Rohrreaktors werden bei der kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase überraschende Vorteile erzielt. Die Anordnung von paarweise synchron entgegengesetzt wirkenden Impulsgebern gleich großen Impulsvolumens bewirkt einen fast vollständigen Abbau der gemäß dem Stand der Technik arbeitsbedingten starken Druckschwankungen. Trotz hoher örtlicher Turbulenzen wird bei intensiver Durchmischung des Reaktorinhaltes quer zur Strömungsrichtung eine nahezu ideale Pfropfenströmung erreicht. Der ansonsten im Falle gedämpfter Schwingungen für die Kompressionsarbeit erforderliche Energieaufwand entfällt. Die in das Reaktionssystem eingetragene Impulsenergie wird in sehr hohem Grade für den Mischvorgang ausgenutzt. Während des gesamten Reaktionsverlaufes wird ein nahezu konstanter Mischeffekt im Reaktor erreicht. Die so erzielte intensive Durchmischung der Reaktionskomponenten bewirkt einen sehr guten Stoff- und Wärmeaustausch. Dieser führt in Verbindung mit der vollständigen Ausnutzung des Reaktorvolumens infolge des hydraulischen Betriebszustandes zu besonders hohen Raum-Zeit-Ausbeuten. Der hydraulische Zustand im Reaktor garantiert ferner ein hohes Maß an Sicherheit, da im Falle havariebedingten Druckanstieges durch Entnahme schon sehr geringer Flüssigkeitsmengen die Möglichkeit einer schnellen Druckentlastung und damit der Wiederherstellung eines gefahrlosen Zustandes besteht. Da die Art und Weise der Schwingungserzeugung die Bildung von Druckwellen und das Entstehen von Druckschwankungen vollständig ausschließt und im gesamten Reaktor praktisch gleiche, außerordentlich gute Durchmischungsbedingungen herrschen, können die Reaktoren in ihrer Baulänge verkürzt und aus einem Material wesentlich geringerer Druckfestigkeit ausgeführt werden.

Der technisch-ökonomische Herstellungsaufwand für den Rohrreaktor kann somit beträchtlich verringert werden. Die angeführten Vorteile ermöglichen es daher, einen erfindungsgemäßen Reaktor bei vergleichsweise kurzen Baulängen und optimaler Anpassung an die Erfordernisse der jeweiligen chemischen Reaktion kosten-, material- und fertigungstechnisch günstig zu gestalten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Beispielen erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Rohrreaktor in schematischer Darstellung

Fig. 2: eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Rohrreaktors mit mehreren zu einem Rohrbündel

zusammengefaßten Rohren in schematischer Darstellung und Fig. 3: eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Rohrreaktors m>t zwei in Reihe geschalteten Reaktionsrohrer in schematischer Darstellung.

Wie in der Figur 1 dargestellt, besteht der Rohrreaktor aus einem Reaktionsrohr 5 mit in diesem angeordneten Statikmischerelementen 7. Das Reaktionsrohr kann aus einem (Figur 1) oder mehreren Rohrebschnitten (Figur 3) bestehen. Als Statikmischerelemente können die in der Praxis bewährten statischen Mischer, wie zum Beispiel Kenics-Mischer oder ISG-Mischer eingesetzt werden. Je nach den spezifischen Reaktionsbedingungen weist ein Rohrabschnitt eine Länge von 0,1 bis 10m bei 5 bis 300 mm Durchmesser auf. Jeweils em Anfang und am Ende eines Rohrabschnittes sind paarweise synchron entgegengesetzt wirkende Impulsgeber 1,2 mit gleich großem Impulsvolumen angeordnet. Als Impulsgeber können zum Beispiel Kolbenpumpen, Membranpumpen oder auch andere in Schwingungen versetzte Verdrängungskörper eingesetzt werden. Da der in Figur 1 gezeigte Rohrreaktor lediglich aus einem Rohrabschnitt besteht, sind die Impulsgeber 1,2 an der Eintragsseite 14 und an der Austragsseite 15 des Reaktors angeschlossen. Der Reaktor weist femer Dosiervorrichtungen 9,10 auf, über die die Reaktionskomponenten in den erforderlichen Mengen dem Reaktionsrohr 5 zugeführt werden. Die Dosiervorrichtungen 9,10 sind unmittelbar an der Eintragsseite 14 angeordnet. An der Austragsseite 15 des Reaktors befinden sich ein Entleerungsorgan 12 und ein Notentspannungsorgan 13. Über das den Druck im Reaktorraum regulierende En.tleerungsorgan 12 wird das Reaktionsprodukt abgeführt und durch das Notentspannungsorgan 13 kann erforderlichenfalls der Reaktionsdruck schnell abgesenkt werden. Der Reaktor ist mit einem Heiz-/Kühlmantel 16 versehen, in dessen Hohlraum ein Wärmeträger zirkuliert, um je nach Art der Reaktion, ob endotherm oder exotherm, zu erwärmen oder zu kühlen. Bei der in Figur 2 dargestellten Variante sind mehrere Reaktionsrohre 5, die analog wie in Figur 1 mit Statikmischerelementen 7 ausgerüstet sind, zu einem Rohrbündel zusammengefaßt. Dieses ist von einem gemeinsamen Heiz-/Kühlmantel 16 umgeben, in dessen Hohlraum ein Wärmeträger zirkuliert. An der Eintragsseite 14 der Reaktionsrohre 5 sind diese über ein entsprechendes Verteilersystem 18 mit den Dosiervorrichtungen 9,10 für die Reaktionskomponenten verbunden. An der Austragsseite 15 der Reaktionsrohre 5 befindet sich eine Sammelleitung 19 mit dem Entleerungsorgan 12 für das Reaktionsprodukt und dem Notentspannungsorgan 13. Jeweils vor und hinter den einen Rohrabschnitt bildenden Reaktionsrohren 5 sind die Impulsgeber 1,2 angeschlossen. Aus ökonomischen Gründen ist es vorteilhaft, nur ein Impulsgeberpaar für das gesamte System einzusetzen.

In Figur 3 ist ein Rohrreaktor dargestellt, der aus zwei getrennten Rohrabschnitten 20,21 besteht, die nebeneinander aufgestellt und in Reihe geschaltet sind. Die Rohrabschnitte 20,21 entsprechen in ihrem Aufbau dem Rohrroaktor gemäß Figur 1. Die beiden Rohrabschnitte 20,21 sind über ein Leitungssystem 22, in dem das Notentspannungsorgan 13 angeordnet ist, verbunden. Zusätzlich ist der Rohrabschnitt 21 noch mit einer weiteren Dosiervorrichtung 11 verbunden, über die eine weitere Komponente zugeführt werden kann.

Die Wirkungsweise des zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase eingesetzten Rohrreaktors ist folgende.

In der Anfahrphase wird der Rohrreaktor erst mit einer Inertflüssigkeit oder mit einer der Reaktionskomponenten beschickt. Gemäß einer anderen Betriebsvariante wird der Rohrreaktor vollständig gefüllt, so daß sich in ihm kein Gaspolster bilden kann. Danach werden die Reaktionskomponenten gasfrei mittels der Doslervorrichtung 9,10 im erforderlichen Mengenverhältnis eingespeist. Sobald der vorgesehene Systemdruck erreicht ist, öffnet sich das den Druck regulierende Entleerungsorgan 12 in dem Maße, wie Komponenten in den Reaktor eindosiert werden, wodurch sich ein kontinuierlicher Produktstrom ausbildet. Diesem wird mittels der beiden mit gleich großem Impulsvolumen synchron entgegengesetzt arbeitenden Impulsgeber 1,2 eine niederfrequente Longitudinalschwingung überlagert, deren Amplitude entlang des ganzen mit Statikmischerelementen 7 versehenen Rohrabschnittes praktisch gleich groß ist. Auf diese Weise wird in diesem Rohrabschnitt eine Durchmischung gleicher Intensität des Reaktorinhaltes bewirkt. Trotzdem bleibt die Charakteristik einer Pfropfenströmung durch den Reaktor erhalten.

Nach dem Verdrängen der Inertflüssigkeit und nach Erreichen eines konstanten Mengenverhältnisses aller Komponenten im Reaktor hat dieser seinen stationären Zustand erreicht. Die intensive Durchmischung des Reaktorinhaltes gewährleistet einen außerordentlich guten Stoff- und Wärmeaustausch bei quer zur Fließrichtung nahezu Isothermie des Reaktionsgemisches. Im folgenden soll die Wirkungsweise der Erfindung noch an einigen Beispielen erläutert werden.

Beispiel 1: Herstellung von 4-Nitranilin

Die Herstellung von 4-Nitranilin erfolgt in einem Reaktor entsprechend Figur 3, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten, mit Lochscheiben als Statikmischerelemente 7,8 gefüllten, 8m langen Doppelmantcl-Reaktionsrohren 5, β mit einem Geoamtarbeitevolumen von 30I. Mittete zweier Dosiervorrichtuhgen 9,10 werden in den in der Anfahrphase mit Ammoniaklösung vollständig gefüllten Reaktor kontinuierlich 63,6l/h 30%lge wäßrige Ammoniaklösung und 8,4 l/h geschmolzenes 1-Chlor-4-nitrobenzen eingespeist. Als Dosiervorrichtungen werden Hochdruckkolbenpumpen verwendet. Durch im Heiz-/Kühlmantel 16,17 zirkulierendes, überhitztas, im Phasenübergang flüssig/dampfförmig befindliches Druckwasser werden im Rohrabschnitt 20 eine Reaktortemperatur von 240 Grad C und im Rohrabschnitt 21 eine Reaktortemperatur von 255 Grad C eingestellt. Mittels der Impulsgeber 1,2,3,4 wird der Reaktorinhalt in ungedämpfte Längsschwingungen einer Frequenz von 1,5Hz versetzt. Als Impulsgeber 1,2,3,4 werden Hochdruckmembranpumpen eingesetzt. Mittels Entleerungsorgan 12 wird ein Systemdruck von 16,0MPa eingestellt. Das Reaktionsgemisch wird mittels Entleerungsorgan 12 ausgeschleust und in an sich bekannter Weise aufgearbeitet. Nach Erreichen stationärer Betriebsbedingungen werden stündlich 8,8kg 4-Nitranilin erhalten.

Beispiel 2: Herstellung von Methylmono- und Methyldiglykolether

In ein über die gesamte Lösung mit Kenics-Statikmischerelementen 7 versehenes Reaktionsrohr 5 entsprechend Figur 1 von 8 m Länge und mit einem Arbeitsvolumen von 20I werden mittels zweier Dosiervorrichtungen 9,10 stündlich 5,Ol Methanol und 0,741 Ethylenoxid gegen einen mittels eines Entleerungsorgans 12 eingestellten Systemdruck von 12,0MPa eingespeist. Die Reaktionstemperatur wird dabei durch überhitztes Druckwasser im Heiz-/Kühlmantel 16 auf 208 bis 210 Grad C gehalten. Die Impulsgeber 1,2 versetzen den Reaktorinhalt in ungedämpfte Längsschwingungen mit einer Frequenz von 1,0Hz. Als Impulsgeber 1,2 werden Hochdruckmemberanpumpen verwendet. Nach Erreichen stationärer Betriebsbedingungen wird durch das Entleerungsorgan 12 Reaktionsgemisch entnommen, das kein Ethylenoxid mehr enthält. Nach Abtrennung des überschüssigen Methanols, das über die Methanoldosierung 9 erneut zum Einsatz gelangt, wird das Reaktionsgemisch in bekannter Weise destillati ν aufgearbeitet. Es werden 1,08 kg/h Reaktionsprodukte erhalten, die in ihrer Zusammensetzung 84 bis 86% Methylmonoglykolether, 10 bis 12 % Methyldiglykolether und etwa 3% höher ethoxilierten Produkten entsprechen.

Beispiel 3: Herstellung von N,N-Dimethylanilin

In einen analog wie im Beispiel 2 beschriebenen Rohrreaktor werden mittels Dosiervorrichtungen 9,10 stündlich 3,8kg Anilin, 4,2 kg Methanol und 0,4kg konzentrierte Schwefelsäure gegen den mittels Entleerungsorgan 12 eingestellten Systemdruck von 8,5MPa eingespeist. Die Reaktionstemperatur beträgt 235 Grad C. Das Reaktionsgemisch verläßt den Reaktor über das Entleerungsorgan 12 und wird in an sich bekannter Weise aufgearbeitet. Ν,Ν-Dimethylanilin wird in 94%iger Ausbeute erhalten.

Claims (1)

1. -1- 288 31P Patentanspruch:

   Rohrreaktor zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase, bestehend aus einem oder mehreren untereinander kombinierbaren Rohren mit bei Gegendruck wirksamen Dosiarvorrichtungen und einem den Systemdurck regulierenden Entleerungsorgan, wobei das oder dio Rohre des Reaktors im Inneren mit Statikmischerelementen ausgerüstet und mit Mitteln versehen sind, die das Reaktionsgamisch In Schwingungen versetzen, gekennzeichnet dadurch, daß paarweise synchron entgegengesetzt wirkende Impulsgeber (1,2,3,4) mit gleich großem Impulsvol'jmen angeordnet und jeweils vor und hinter dem mit Statikmischerelementen (7,8) ausgestatteten Rohrabschnitt wirksam sind.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet

   Die Erfindung betrifft ei. . λ Rohrreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase und wird zum Beispiel bei Ammonolyse-, Oxethylierungs-, Alkylierungs-, Cyanethylierungs- und Verseifungsreaktionen angewendet.

   Charakteristik ies bekannten Standes der Technik

   Es ist bereits seit langem bekannt, zur Durchführung chemischer Reaktionen in fluider Phase Reaktoren mit speziellen Mischvorrichtungenn einzusetzen, um eine intensive Durchmischung der Reaktionskomponenten oder der Reaktionsgemische zu erreichen. So sind zum Beispiel in Schwingungen versetzte Lochscheiben, andere scheibenförmig profilierte Einbauten, Vibrations- und Pulsationskolonnen bekannt (DE-OS 1767271, DE-OS 1767596, DE-OS 2221734, EP 221849). In der Zeitschrift Chem. Techn. 26,1974,9, S. 554-557 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der durch den Wechsel von Kompression und Entspannung des über der Flüssigkeit befindlichen Gasraumes und Anordnung leitrohrartiger Schikanen örtlich turbulente Strömungen erzeugt werden. Vorrichtungen der vorbeschriobenen Bauarten sind für die Durchführung chemischer Reaktionen unter Druck in fluider Phase nicht geeignet. Ihre Anwendung ist auf Stoff- und/oder Wärmeaustauschprozesse beschränkt.

   Eine intensive Mischung fluider Phasen wurde durch dio Entwicklung sogenannter Statikmischer ermöglicht. Sie sind in ihren Ausführungsformen sehr vielfältig und unterscheiden sich bei gleicher Wirksamkeit durch notwendige Stufenzahl, Druckverlust und mehr oder weniger komplizierte Fertigungstechnik (Chem. Ing. Techn. 52 [1980], 4, S. 285-291). Aufgrund ihres Wirkprinzips erfordern sie aber relativ hohe Fließgeschwindigkeiten, die entsprechend der jeweiligen Prozeßdauer, insbesondere bei sich schnell wieder entmischenden Phase sehr lange Mischstrecken und damit sehr große Rohrlängen bedingen. Es wurde bereits eine Vorrichtung zur Herstellung aromatischer Nitroaminoverbindungen vorgeschlagen. Die Reaktionen zu Nitranilinen durch Ammonolyse von Halogennitroaromaten mit Ammoniak oder einem kuakettigen aliphatischen Mono- oder Diamin in fluider Phase erfolgen unter Druckund erhöhter Temperatur. Die Vorrichtung besteht aus einem geneigten Rohrreaktor mit einer Einspeiseöffnung und einem den Systemdruck im Reaktor regulierenden Entleerungsorgan. Der Rohrreaktor kann aus mehreren Einzelrohren zu einem System kombiniert werden. Die Rohre des Reaktors sind mit einem äußeren Mantelraum versehen, in dem ein Wärmeträger zirkuliert. Mindestens im ersten Drittel des Reaktionsrohres sind Statikmischerelomente bekannter Bauart angeordnet. Das Reaktionsrohr ist mit einem Pulserzeuger, zum Beispiel einer Kolbenpumpe ohne Ventile, verbunden. Dadurch können die Reaktionskomponenten oder das Reaktionsgemisch in Schwingungen mit einer Frequenz von 5 bis 3000 pro Minute bei kleiner Amplitude versetzt werden.

   In der Praxis hat sich herausgestellt, daß diese Art der Schwingungserzeugung mit einer Vielzahl von Nachteilen verbunden ist. Unabhängig davon, ob bewußt, wie es dem Fachmann geläufig ist, mit einem Gaspolster, zum Beispiel einem Windkessel, oder ohne ein solches gearbeitet wird, kommt es zu einer ausgeprägten Schwingungsdämpfung. Dies führt zwangsläufig zu einem Verlust an eingebrachter Impulsenergie. Die nicht vermeidbare Ausbildung von Druckwellen zwingt zu einer relativ massiven Ausführung des Reaktors, was wiederum die Ökonomie ungünstig beeinflußt. Der größte Nachteil liegt aber in der ungleichmäßigen Durchmischungscharakteristik im Reaktor. Infolge der raschen Abnahme der vom Pulsator aufgegebenen Schwingungsampütude von ihrem Maximum bis auf Null in Längsrichtung des Reaktorrohres nimmt in dieser Richtung der Durchmischungseffekt ebenfalls stetig bis auf Null ab, das heißt, er ist nur auf einer Teilstrecke des Reaktors überhaupt wirksam. Dadurch werden bei der Reaktionsdurchführung keine sehr hohen Raum-Zeit-Ausbeuten erreicht.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist es, den technisch-ökonomischen Herstellungsaufwand für den Rohrreaktor sowie den Energieverbrauch zu senken, das sicherheitstechnische Risiko zu verringern und die Haum-Zeit-Ausbeute zu erhöhen.