Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es deshalb, gegenüber
dem Stand der Technik vereinfachte und/oder flexibler zu nutzende
Vorrichtungen und Verfahren für
die Hochdurchsatzforschung mit simultan betriebenen Reaktionsgefäßen, die
eine flüssige
Reaktionsmischung enthalten, bereitzustellen. Dabei soll insbesondere
eine gute Agitation der Komponenten der Reaktionsmischung innerhalb sehr
kleiner Volumina ohne die Verwendung mechanischer Rühr- oder
Schüttelelemente
erreicht werden.
Diese und weitere Aufgaben werden
gelöst durch
ein Verfahren zum simultanen Durchführen von mindestens einer chemischen
Reaktion in mindestens zwei separaten Reaktionsgefäßen, wobei das
besagte Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- (i) Vorlegen mindestens einer Reaktionsmischung pro
Reaktionsgefäß;
- (ii) pneumatische Agitation der Reaktionsmischung in mindestens
einem Reaktionsgefäß durch
Inkontaktbringen der Reaktionsmischung mit mindestens einer fluiden
Phase,
wobei die mindestens eine chemischen Reaktion
in mindestens einem der Reaktionsgefäße im Batch-Modus durchgeführt wird
und in der Reaktionsmischung zumindest eine flüssige Phase vorliegen muss.
Bezüglich
Art und/oder Anzahl weiterer Phasen bestehen keine Einschränkungen
Dabei wird die fluide Phase über einen
definierten Zeitraum zugeführt
und zumindest teilweise über
einen definierten Zeitraum wieder aus dem Reaktionsgefäß abgeführt. Im
erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Reaktionsmischung prinzipiell als flüssige, flüssig/gas sowie als flüssig/gas/fest
Phasengemischen vorliegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft
weiterhin eine Vorrichtung zum simultanen Durchführen von mindestens einer chemischen
Reaktion in mindestens zwei separaten Reaktionsgefäßen, wobei
die besagte Vorrichtung zumindest die folgenden Komponenten umfaßt:
- (i) mindestens zwei separate Reaktionsgefäße mit mindestens
einer Reaktionsmischung pro Reaktionsgefäß;
- (ii) mindestens ein Mittel zur Zufuhr mindestens einer fluiden
Phase in mindestens ein Reaktionsgefäß.
Dabei ist das Mittel zur Zufuhr so
ausgestaltet, dass es die pneumatische Agitation der Reaktionsmischung
in mindestens einem Reaktionsgefäß mit Hilfe
der fluiden Phase erlaubt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die chemische
Reaktion in mindestens einem Reaktionsgefäß im Batch-Modus betrieben.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
optional die folgenden Mittel, welche auch im erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden können:
Mittel
zur Fluidstrom-Führung;
Mittel
zur Phasentrennung;
Mittel zur Fluid-Dosierung;
Mittel
zum Einstellen von Parametern;
Mittel zur fluidischen Abdichtung;
Mittel
zur Verteilung;
Mittel zum Einbringen.
Als Mittel zur Fluidstrom-Führung werden bevorzugt
Füllkörper und/oder
Umlenkplatten oder andere geometrische Körper eingesetzt. Als Mittel zur
Phasentrennung, d.h. insbesondere zum Vermeiden oder Vermindern
von Austrag von Reaktionsmischung aus dem Reaktionsgefäß, werden
bevorzugt Fritten, Membranen, Trennelemente oder Kühl/Kondensationselemente
eingesetzt. Als Mittel zur Fluid-Dosierung werden bevorzugt Massendurchflussregler
(mass flow controller), Ventile, Multiportventile, Gasregulierer
etc. eingesetzt. Bevorzugte Mittel zum Einstellen von Parametern
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Thermoelemente, Gasdurchflussmesser,
Druckmessgeräte
etc. Bevorzugte Mittel zur fluidischen Abdichtung sind Verschraubungen,
Verspannungen oder Verpressungen; bevorzugtes Mittel zur Verteilung
ist ein Gas-Manifold mit Restriktoren. Bevorzugte Mittel zum Einbringen
sind schließlich
Fritten, Düsen
oder Membranen. Rein prinzipiell kann auch eines der im Rahmen der
vorliegenden Erfindung eingesetzten Mittel mehrere Funktionen gleichzeitig
erfüllen.
So kann eine Fritte beispielsweise sowohl als Mittel zum Einbringen
wirken, als auch als Mittel zur Phasentrennung (da es das Rücklaufen von
flüssiger
Phase in das Mittel zur Zufuhr verhindert).
Im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist das Agitieren der Reaktionsmischung mittels einer Kombination
aus Durchströmung
der flüssigen
Phase mit wenigstens einem Fluid (pneumatische Agitation) mit einem
anderen Mittel zur Agitation, beispielsweise konventionellem mechanischem
Rühren,
oder Rühren
mit einem Array von Magnetrührern
oder Agitieren durch mehrdimensionale Schüttelbewegung, prinzipiell möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Umgang. Mit Hilfe dieses Umgangs wird eine gerichtete Zirkulation
der flüssigen
Phase bzw. des Reaktionsgemisches erreicht. Die gerichtete Zirkulation
entsteht durch die Dichtedifferenz des Fluids zwischen Zu- und Ablauf
des Umgangs, ähnlich
dem natürlichen
Umlauf eines Naturumlaufverdampfers.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch eine Datenverarbeitungsanlage zur Steuerung/Regelung der Zu-
und Abführung,
oder Zu- oder Abführung
des wenigstens einen Fluids aufweisen. Eine solche Datenverarbeitungsanlage
kann dabei auch andere und/oder weitere Aufgaben erfüllen, insbesondere
das Regeln und/oder Einstellen von Parametern.
Im Folgenden sollen die wesentlichen
Begriffe, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
erklärt
werden. Dabei werden auch die jeweils bevorzugten Ausführungsformen
angegeben.
Abdichtung, Mittel zur fluidischen:
Unter einem Mittel zur fluidischen Abdichtung im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist jedes Mittel zu verstehen, welches den Fluidstrom
zwischen zumindest zwei Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindert
und/oder unterbindet (im Vergleich zum Fluidstrom, wie er ohne das
besagte Mittel zur fluidischen Abdichtung vorläge). Eine solche Verbindungsstelle,
die abgedichtet werden muss, liegt beispielsweise zwischen Reaktionsgefäß und Mittel
zur Zufuhr vor.
Bezüglich der einzusetzenden Mittel
zur fluidischen Abdichtung bestehen keine prinzipiellen Beschränkungen,
so lange die obigen Bedingung erfüllt ist, und das Material,
aus welchem das Mittel besteht, unter den gewünschten Einsatzbedingungen
und Belastungen dergestalt inert ist, dass die Funktionsweise der
Vorrichtung nicht wesentlich beeinträchtigt ist. Solche Mittel zur
fluidischen Abdichtung können
beispielsweise sein: das Verpressen polierter oder anderweitig behandelter
Flächen,
insbesondere von Metall-Flächen,
das Verwenden von Dichtlippen, Dichtringen, insbesondere von O-Ringen,
Metall-Ringen, Graphit, Schmiermitteln, Teflon etc. Das Verschrauben
oder anderweitige Verbinden von Bauteilen, auch unter Verwendung
von Bauteilen mit Federkraft oder andere Methoden des Einspannens,
sind auch als Abdichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung zu
verstehen.
Agitation: Unter „Agitation" im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist jede von außen
induzierte Bewegung eines makroskopischen Bestandteils der Reaktionsmischung
relativ zu einem anderen makroskopischen Bestandteil der Reaktionsmischung
zu verstehen. Ein Beispiel für
eine solche Relativbewegung einzelner makroskopischer Bestandteile
der Reaktionsmischung ist das Induzieren einer Strömungsbewegung,
beispielsweise durch mechanisches Rühren.
Die vorliegende Erfindung betrifft
allerdings keine mechanische Agitation, die durch ein mechanisches
Rührwerk
induziert wird, sondern vielmehr eine pneumatische Agitation. Hierunter
ist im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass eine relative
Bewegung eines makroskopischen Bestandteils der Reaktionsmischung
gegenüber
einem anderen makroskopischen Bestandteil der Reaktionsmischung
dadurch induziert wird, dass über
ein Mittel zur Zufuhr eine fluide Phase in die Reaktionsmischung
eingetragen bzw. mit dieser in Kontakt gebracht wird. Die fluide
Phase zur pneumatischen Agitation kann dabei inert sein, d.h. mit
keinem Bestandteil der Reaktionsmischung reagieren, oder aber reaktiv
sein, d.h. mit mindestens einem Bestandteil der Reaktionsmischung
reagieren.
Batch-Modus: Unter einem „Batch-Modus" ist im Sinne der
vorliegenden Erfindung eine Betriebsweise der Reaktionsgefäße zu verstehen,
bei welcher die Reaktanden im Reaktionsgefäß vorgelegt werden, das Reaktionsgefäß dann bezüglich der Reaktanden
geschlossen wird (keine Zu- und/oder Abfuhr von Reaktanden und/oder
Reaktionsprodukten möglich),
und die Reaktion daran anschließend gestartet
wird. Die Reaktanden werden also nicht kontinuierlich sondern absatzweise
zugeführt.
Die Reaktionsprodukte werden auch nicht kontinuierlich abgeführt. Ein
teilweises Abführen
der Reaktionsprodukte, beispielsweise über (ungewünschten) Austrag mit dem Fluid
zur pneumatischen Durchmischung oder durch Entlastung von Überdruck
etc., ist dabei nicht als kontinuierliches Abführen zu verstehen. Dem Fachmann
ist der Begriff „Batch-Modus" im Gegensatz zum
Begriff „kontinuierlicher
Modus" beispielsweise
aus der chemischen Verfahrenstechnik bekannt, einschließlich der
hier eingeschlossenen Betriebsweisen des „semi-batch" und des „fed-batch".
chemische Reaktion: Unter einer chemischen
Reaktion im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Umsetzung
zu verstehen, bei welcher mindestens ein Bestandteil der Reaktionsmischung
seine chemische stofflichen Eigenschaften ändert. Hierzu gehört insbesondere
das Lösen
und/oder Knüpfen von
chemischen Bindungen, aber auch physikalisch-chemische Vorgänge wie
beispielsweise das Kristallisieren, Auflösen oder Ausfallen. Eine chemische
Reaktion muss auch nicht zu allen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahren
ablaufen, aber auf jeden Fall zu einem Zeitpunkt.
Einbringen, Mittel zum: Unter einem
Mittel zum Einbringen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes
Mittel zu verstehen, welches die Funktion erfüllt, eine fluide Phase zum
pneumatischen Agitieren, welche aus dem Mittel zur Zufuhr kommt,
in die Reaktionsmischung im Reaktionsgefäß einzubringen. Im einfachsten
Fall besteht ein solches Mittel zum Einbringen aus der dem Reaktionsgefäß zugewandten Öffnung des
Mittels zur Zufuhr. In einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt dieses Mittel
zum Einbringen ein Einbringen (oder Inkontaktbringen) der fluiden
Phase zur pneumatischen Agitation mit der Reaktionsmischung an möglichst
vielen verschiedenen Positionen innerhalb der Reaktionsmischung.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Medium mit wenigstens zwei voneinander verschiedenen Öffnungen
eingesetzt, insbesondere eines Mediums mit einer Vielzahl von Öffnungen,
die so beschaffen sein sollen, dass sie das Ausbilden von Blasen/Tröpfchen aus
einem Fluidstrom ermöglichen.
Bevorzugt sind Siebe, Roste oder Gewebe. Weiter bevorzugt werden
Fritten oder Membranen eingesetzt, die sich bevorzugt am unteren
Ende des Reaktionsgefäßes befinden.
Fritte oder Membran verfügen über eine
Pluralität
von Poren, durch welche das Fluid in die Reaktionsmischung eintreten
kann, ohne dass umgekehrt Bestandteile der Reaktionsmischung in
die andere Richtung durchtreten können. Um diese Eigenschaft zu
erzielen oder zu unterstützen,
ist es denkbar, Teile der Fritte zu hydrophobisieren oder anderweitig
chemisch zu behandeln, um eine gewünschte physikalische und/oder
chemische Wechselwirkung zu erzielen. Der Durchmesser der Poren
der in Rede stehenden Fritte beträgt vorzugsweise 1 μm bis 500 μm, weiter
bevorzugt 5 μm
bis 50 μm.
Die Fritte oder Membran zeichnet sich dadurch aus, dass der Eintritt der
fluiden Phase sozusagen in einer Ebene erfolgt, beispielsweise am
Boden des Reaktionsgefäßes.
Es ist auch denkbar, dass das Mittel
zum Einbringen verschiedene Eintrittspunkte in verschiedenen Höhen des
Reaktionsgefäßes aufweist,
realisiert beispielsweise als Fritte oder Membran an der Seite des
Reaktionsgefäßes. Eine
solche Anordnung kann zum Optimieren und/oder Homogenisieren der
Agitation beitragen.
Die Zufuhr des wenigstens einen Fluides
zur pneumatischen Agitation erfolgt in einer weiteren Ausführungsform über ein
in die Reaktionsmischung eingetauchtes Innenrohr mit Düse. In einer
weiteren Ausführungsform
wird das wenigstens eine Fluid zur pneumatischen Agitation über eine
Düse, welche vorzugsweise
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
der Reaktionsmischung angeordnet ist, mittels Scherkräften in
die Flüssigkeit
eingetragen.
Einstellen des Parametersatzes, Mittel
zum: Unter Mitteln zum Einstellen des Parametersatzes P sind im
Sinne der vorliegenden Erfindung alle Mittel zu verstehen, mit Hilfe
derer mindestens einer der Parameter, der während oder vor der Reaktion
verändert
werden kann, (i) eingestellt, (ii) kontrolliert, (iii) gesteuert
oder (iv) geregelt wird. Beliebige Kombinationen und/oder Abfolgen
von Einstellen, Kontrolle, Steuern und Regeln sind gleichfalls eingeschlossen. Bezüglich der
Parameter besteht keine Einschränkung,
außer
dass sie sich während
oder vor der Reaktion ändern
oder ändern
lassen können
müssen.
Ein Mittel zum Einstellen des Parametersatzes
P kann beispielsweise ein Thermoelement sein, welches die Temperatur
aufnimmt, d.h. kontrolliert. Ein solches Mittel kann auch eine Kombination
aus Thermoelement, Computer und Heizelement sein, wobei das Thermoelement
die Temperatur aufnimmt, der Computer die Temperatur mit einem Sollwert
vergleicht und gegebenenfalls ein Heizelement ansteuert, dessen
Heizleistung erhöht
oder erniedrigt werden kann. Entsprechend kann auch der Durchfluss eines
Kühlmittels
durch eine Kühlschlange
oder die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluides zur pneumatischen Agitation kontrolliert und in Abhängigkeit
von Kontrollgrößen eingestellt
werden.
Rein prinzipiell können die
Parameter sowohl intern (innerhalb des Reaktionsgefäßes, beispielsweise
durch Kühlschlangen)
oder extern (von außerhalb
des Reaktionsgefäßes, beispielsweise durch
Kühlmantel)
eingestellt werden. Für
den Fall; dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
mehrere Abschnitte hat, zumindest aber zwei Abschnitte, mit jeweils
mindestens zwei Reaktionsgefäßen, ist
es auch möglich,
dass für
mindestens zwei unabhängige
Abschnitte auch die Parameter unterschiedlich (aber innerhalb eines
Abschnittes gleich) eingestellt werden. Gleichfalls ist es möglich, Parameter
für alle
Reaktionsgefäße einzeln
einzustellen.
Beispiele für solche Parameter sind: Temperatur
der Reaktionsmischung, Temperaturgradient innerhalb des Reaktionsgefäßes, Druck
im Reaktionsgefäß, Druckverlust
entlang eines Mittels zur Zufuhr oder Reaktionsgefäßes, Temperatur
des zugeführten Fluides
zur pneumatischen Agitation, Art und Konzentration des zugeführten Fluides
zur pneumatischen Agitation, Verteilung des zugeführten Fluides zur
pneumatischen Agitation innerhalb der Reaktionsmischung, beispielsweise
in Form von Blasen. Sollten diese als Gasblasen vorliegen, so wären Größe, Größenverteilung
und Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen zu nennen.
Ein weiterer wichtiger Parameter
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der sogenannte „Holdup", der definiert ist
als Quotient aus zugeführtem Volumen
(hier: Volumen an zugeführtem
Fluid zur pneumatischen Agitation) bezogen auf das Gesamtvolumen
(hier: Voulmen der Reaktionsmischung im Reaktionsgefäß plus Volumen
an zugeführtem
Fluid). Der Holdup wird vorzugsweise unter Heranziehen der Höhe der Flüssigkeitssäule gemessen.
So ergibt sich der Holdup beispielsweise durch Abziehen des Quotienten
aus „Höhe der Reaktionsmischung
im Reaktionsgefäß im Ruhezustand,
d.h. ohne Durchströmen
mit der fluiden Phase zum pneumatischen Agitieren" und „Höhe der Reaktionsmischung
im Reaktionsgefäß beim Durchströmen der
fluiden Phase" von
Eins. Somit ist der Holdup stets kleiner als Eins und im Ruhezustand
Null. Es ist bevorzugt, dass dieser dimensionslose Quotient des
Holdups von 0,05 bis 0,8 beträgt.
Die Injektionsgeschwindigkeit des
zugeführten
Fluides zur pneumatischen Agitation reicht vorzugsweise von 6 bis
30 m/sec, während
die Leerrohrgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit, die vorläge, wenn
das zugeführte
Fluid zur pneumatischen Agitation ohne Anwesenheit der Reaktionsmischung durch
das Reaktionsgefäß strömen würde, vorzugsweise
von 0,05 bis 0,5 cm/sec beträgt.
Ein besonders wichtiger Parameter,
der eingestellt werden kann, ist die Temperatur. Rein prinzipiell
können
hierzu alle dem Fachmann bekannten Mittel zum Heizen und zum Kühlen eingesetzt
werden. Bevorzugt ist eine fluidische Heizung und/oder Kühlung, wobei
der zu temperierende Teil der Vorrichtung mit einem Fluid, vorzugsweise
einer Flüssigkeit,
vorzugsweise einer solchen Flüssigkeit,
wie sie in Wärmetauschern
eingesetzt wird, in Kontakt gebracht wird. Vorzugsweise erfolgt
das in Kontakt bringen in einer Weise, so dass der Wärmeübergang
befördert
oder maximiert wird. Bevorzugt wird das Fluid, welches als Wärmetauscher
eingesetzt wird, selber umgepumpt, gerührt oder anderweitig bewegt,
um die Abbzw. Zufuhr von Wärme
zu befördern.
Weiter bevorzugt umfaßt
ein solches Mittel zum Einstellen der Temperatur auch einen Regelungsmechanismus. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die fluidische Heizung/Kühlung
außen-
oder innenliegend durch Heiz- und/oder Kühlschlangen realisiert.
Ein weiteres Mittel zum Heizen und/oder Kühlen, welches
bevorzugt ist, umfaßt
elektrisch und/oder piezoelektrisch beheizte (oder gekühlte) Heiz
und/oder Kühlblöcke, vorzugsweise
aus einem gut wärmeleitenden
Material. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die Mittel zum Einstellen
von Parametern für
alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt
werden. So ist es beispielsweise bevorzugt, dass auch Dosier- und/oder Verbindungsleitungen
temperiert sind.
Fluid: Ein Fluid im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist jede Substanz, bei welcher sich die elementaren Bestandteile,
die die Substanz aufbauen, beispielsweise Elemente oder Moleküle, aber
auch Agglomerate davon, gegeneinander bewegen, und insbesondere
keine Fernordnung zueinander aufweisen. Darunter fallen z.B. Flüssigkeiten,
Gase, Wachse, Dispersionen, Fette, Suspensionen, Schmelzen, pulverförmige Feststoffe
usw. Sofern das Medium in flüssiger
Form vorliegt, werden auch mehrphasige flüssige Systeme darunter verstanden.
In jedem Fall sind auch alle Mischungen der oben genannten Substanzen
eingeschlossen.
Die zum pneumatischen Agitieren im
Sinne der vorliegenden Erfindung verwendete fluide Phase ist bevorzugt
ein Inert- oder ein Reaktivgas.
Ist das Fluid zur pneumatischen Agitation
ein Gas, so wird eine gute Durchmischung und ein verbessertes Inkontaktbringen,
insbesondere der flüssigen
und festen Komponenten der Reaktionsmischung mittels der durch die
Reaktionsmischung geleiteten Gasblasen erreicht. Handelt es sich
bei dem zugeführten
Gas um ein Inertgas, so dient dies lediglich zur Agitation und zum
verbesserten Inkontaktbringen beispielsweise einer festen und flüssigen Phase
in der Reaktionsmischung. Für
den Fall, dass es sich bei dem Gas um ein Reaktivgas handelt, kommt
zusätzlich
noch eine bei Kontakt einer festen und/oder flüssigen Phase der Reaktionsmischung mit
dem Reaktivgas in Frage kommende Reaktion in Betracht.
Beispielsweise kann bei anfänglicher
Zuführung
von Inertgas eine für
eine Reaktion notwendige Agitation der Reaktionsmischung erreicht
werden, wobei noch keine Reaktion innerhalb der einzelnen Phasen
bzw. zwischen den Phasen stattfindet. Nach Einstellung bestimmter
Reaktions- bzw. Prozessparameter, wie beispielsweise Druck und/oder
Temperatur, kann dann von Inertgaszuführung auf Reaktivgaszuführung umgeschaltet
werden. Das nun durch das Phasengemisch strömende Reaktivgas, welches sowohl
weiterhin zur Agitation als auch zum verbesserten Inkontaktbringen
der einzelnen Phasen dient, kann nun bei Kontakt mit einer flüssigen und/oder
einer festen Phase mit dieser reagieren und so eine Reaktion starten.
Weiterhin kann die Reaktion über die
kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführte Reaktivgasmenge pro Zeiteinheit,
sowie über
die gesamte Reaktivgaszufuhrzeit, beeinflusst werden. Beendet werden
kann die Reaktion in diesem Fall durch Umschalten von Reaktivgaszufuhr
auf Inertgaszufuhr. Eine entsprechend niedrige Temperatur des Inertgases
kann zudem zur Kühlung
des Phasengemi sches nach der Reaktion verwendet werden, um die Funktion
der Kühlelemente
zu unterstützen.
Ist das Fluid zur pneumatischen Agitation eine
Flüssigkeit,
so bestehen bezüglich
der einzusetzenden Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
keine prinzipiellen Beschränkungen,
außer
dass (i) die Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
nur in dem Maße
mit der Reaktionsmischung mischbar sein darf, wie dies dem gewünschten
Ablauf der chemischen Reaktion nicht abträglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
mit der Reaktionsmischung nicht mischbar. Weiterhin muss (ii) die
Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
eine Dichte aufweisen, die es erlaubt, dass die Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung,
vorzugsweise in Form von Tröpfchen
bzw. Flüssigkeitsblasen
durch die Reaktionsmischung hindurch tritt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
zur pneumatischen Agitation eine geringere Dichte auf als die Reaktionsmischung
und wird über
ein Mittel zur Zufuhr in die Reaktionsmischung eingeführt, dass
die (leichteren) Bläschen/Tröpfchen im
wesentlichen von unten nach oben entlang der Vorzugsrichtung der Auftriebskraft
durch das Reaktionsgefäß treten
und dabei die Reaktionsmischung pneumatisch durchmischen. Es ist
auch denkbar, dass eine Flüssigkeit bzw.
Flüssigkeitsmischung
von größerer Dichte
als die Reaktionsmischung diese im wesentlichen von oben nach unten
entlang der Vorzugsrichtung der Gravitationskraft durchfällt und
dabei agitiert.
Durch Steuerung von Menge und Geschwindigkeit
der zugeführten
fluiden Phase, egal ob Gas oder Flüssigkeit, können im erfindungsgemäßen Verfahren
unterschiedliche Durchmischungs- bzw. Agitationsgrade der Reaktionsmischung
erzielt werden.
Fluid-Dosierung, Mittel zur: unter
einem Mittel zur Fluid-Dosierung im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist jedes Mittel zu verstehen, welches dazu beiträgt und/oder
welches bewirkt, dass die fluide Phase zur pneumatischen Agitation
(also vorzugsweise ein Gas) in einer kontrollierten und/oder reproduzierbaren
Art und Weise in mindestens ein Mittel zur Zufuhr und/oder ein Mittel
zur Verteilung eindosiert werden kann. Bevorzugt nutzen solche Mittel
einen Druckgradienten aus, oder erzeugen einen solchen, bzw. beruhen
auf einem mechanischen und/oder hydrostatischen Effekt. Solche Mittel
zur Fluid-Dosierung sind vorzugsweise die aus dem Handling von Gasen
bekannten Einheiten wie Druckverminderer, Ventil, Strömungsmesser,
Durchflussregler (Massenfluss, Volumenfluss), Pumpen, Gebläse etc.
Für
den Fall, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
mehrere Abschnitte hat, zumindest aber zwei Abschnitte, mit jeweils
mindestens zwei Reaktionsgefäßen, ist
es auch möglich,
dass für
mindestens zwei unabhängige
Abschnitte auch mindestens zwei unabhängige Mittel zur Fluid-Dosierung
eingesetzt werden.
Fluidstrom-Führung, Mittel zur: unter einem Mittel
zur Fluidstrom-Führung
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Mittel zu verstehen,
welches den Verlauf einer gerichteten Strömung, induziert durch die erfindungsgemäße pneumatische
Agitation, in ihrer Richtung ändert,
wobei diese Änderung nicht
vorläge,
wenn das Mittel zur Fluidstrom-Führung
nicht vorhanden wäre.
In einer bevorzugten Ausführungsform
bestehen diese Mittel zur Fluidstrom-Führung aus inerten Füllkörpern bzw.
aus strukturierten Packungen, vorzugsweise kugelförmiger Geometrie,
oder aus Umlenkplatten, die jeweils frei oder fest im Reaktionsgefäß angebracht
sind. Für weitere
Details wird auf die Figuren verwiesen.
Katalysator: Unter einem „Katalysator" im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist jede Substanz zu verstehen, die eine chemische Umsetzung
gegenüber
dem Verlauf, den die Umsetzung ohne Anwesenheit des Katalysators
nehmen würde,
beschleunigt. Der Fachmann versteht darunter insbesondere, dass
der Ka talysator die Aktivierungsenergie der jeweils interessierenden
Reaktion herabsetzt.
Bezüglich der Art oder des Aggregatzustandes
des Katalysators bestehen im Sinne der vorliegenden Erfindung keinerlei
Beschränkungen.
Bevorzugt werden heterogene oder homogene Katalysatoren eingesetzt.
Unter einem heterogenen Katalysator ist ein Katalysator zu verstehen,
der in einem anderen Aggregatzustand vorliegt als die Reaktionsmischung.
Bevorzugt ist der heterogene Katalysator eine feste Phase (oder
ein Bestandteil hiervon), die sich in der (flüssigen) Reaktionsmischung befindet. Der
heterogene Katalysator kann in diesem Fall auch als Suspension der
festen Phase in der flüssigen
Reaktionsmischung vorliegen. Als heterogene Katalysatoren seien
beispielhaft genannt: Metalle, Metallgemische, insbesondere feiverteilte
und/oder aktivierte Metalle, insbesondere umfassend Übergangs- und/oder
Edelmetalle, beispielsweise Raney-Nickel, sowie Metalle bzw. metallische
Komponenten, die auf einem Träger
aufgebracht bzw. mit diesem in Kontakt gebracht sind, hier beispielsweise
Edelmetall/Kohlenstoff oder Edelmetall/Oxid Kombinationen.
Entsprechend ist unter einem homogenen Katalysator
ein Katalysator zu verstehen, der mit der mindestens einen flüssigen Komponente
der Reaktionsmischung mischbar ist, d.h. der in diesem Falle selber
eine Flüssigkeit
ist Phasentrennung, Mittel zur: unter einem Mittel zur Phasentrennung
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Mittel zu verstehen,
welches dazu beiträgt,
den Austrag der Reaktionsmischung, oder von Bestandteilen hiervon,
durch Einwirken der fluiden Phase zur pneumatischen Agitation zu
vermindern oder zu verhindern. Insbesondere soll vermieden werden,
dass Bestandteile der Reaktionsmischung von Gasblasen „mitgerissen" und durch ein Mittel
zur Zufuhr ausgetragen werden.
Bevorzugte Mittel zur Phasentrennung
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind: halbdurchlässiger Deckel
oder Membran vor jedem Mittel zur Zufuhr, insbesondere denen, die
dem Ausführen
der fluiden Phase zur pneumatischen Agitation dienen. „Halbdurchlässig" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass im wesentlichen die Reaktionsmischung oder Bestandteile
hiervon zurückgehalten
werden, wohingegen die fluide Phase zur pneumatischen Agitation
im wesentlichen durchgelassen wird. Weitere Mittel zur Phasentrennung
sind Kühlaggregate,
vorzugsweise Rückflußkühler und/oder
Kühlschlangen, die
verdampfende flüchtige
Bestandteile der Reaktionsmischung kondensieren und durch Abtropfen wieder
der Reaktionsmischung zuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Fluid zur pneumatischen Agitation mit zumindest einer Komponenten
vorgesättigt,
bevorzugt mit der am meisten flüchtigen
Komponente der Reaktionsmischung, die dadurch aus der Reaktionsmischung ausgetragen
wird, dass sie sich zumindest teilweise im Fluid zur pneumatischen
Agitation löst.
Diese Löslichkeit
kann dadurch herabgesetzt werden, dass das Fluid eben genau mit
dieser Komponente teilweise oder vollständig in einem vorgeschalteten
Schritt gesättigt
wird. So ist es beispielsweise möglich,
den Austrag von Ethanol, welches als Lösungsmittel in der Reaktionsmischung
vorliegt, dadurch zu vermindern, dass das Fluid zur Agitation, beispielsweise
ein Gas, mit Ethanol vorgesättigt
wird. Eine solche „Vorsättigung" wird vorzugsweise
in einem Bereich der Vorrichtung vorgenommen, der als „Vorsättiger" bezeichnet wird.
Für
den Fall, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung
mehrere Abschnitte hat, zumindest aber zwei Abschnitte, mit jeweils
mindestens zwei Reaktionsgefäßen, ist
es auch möglich,
dass für
mindestens zwei unabhängige
Abschnitte auch mindestens zwei unabhängige Vorsättiger eingesetzt werden.
Reaktionsgefäße: Unter einem Reaktionsgefäß im Sinne
der vorliegenden Erfindung ist jede Einheit zur Aufnahme zu verstehen,
welche die Reaktionsmischung aufnehmen und mit mindestens einem Mittel
zur Zufuhr versehen werden kann. In einer bevorzugten konkreten
Ausführungsform
wird ein zylindrischer Hohlkörper
eingesetzt, der in einer weiter bevorzugten Ausführungsform verjüngt und/oder
erweitert sein kann. Im Prinzip kann diese Erweiterung in jeder
Form erfolgen, so lange an zumindest einer Stelle des Hohlkörpers die
Querschnittsfläche
größer ist
als an einer anderen. Das Aufweiten kann beispielsweise konisch
erfolgen, oder entlang einer Hyperbel. Auch ist das Ausbilden einer
Blase (d.h. zylindrischer Hohlkörper – blasenförmige Ausdehung – wieder
zylindrischer Hohlkörper)
eingeschlossen.
Das konische Aufweiten des Hohlkörpers ist dabei
besonders bevorzugt, da hiermit die Blasengeschwindigkeit, die durch
den Eintrag des Fluides zur pneumatischen Agitation induziert wird,
gesteuert, und insbesondere eine Schaumbildung im oberen Teil des
Gefäßes vermieden
werden kann. Insgesamt wird der Arbeitsbereich vergrößert, d.h.
der Bereich der einstellbaren Durchflussgeschwindigkeit bzw. -menge
der fluiden Phase zur pneumatischen Agitation. Insbesondere wird
die Geschwindigkeit zu größeren Zahlenwerten
verschoben, bei welcher eine „Flutung" des Reaktionsgefäßes durch
Expansion von Schaum und/oder Flüssigkeit
auftritt (sog. „Flutgeschwindigkeit"). Im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, dass der obere Querschnitt der Reaktionsgefäße um 1
% bis 50 % größer ist
als der untere Querschnitt.
Wird ein Hohlkörper eingesetzt, so sollte
das Verhältnis
von Höhe
des Hohlkörpers
(Zylinder) zu (mittlerem) Querschnitt möglichst groß sein, beispielsweise größer als
1, bevorzugt größer als
10. Für
den Innendurchmesser des Zylinders sind Durchmesser von 3 bis 50
mm bevorzugt, für
die Höhe
des Zylinders 10 bis 500 mm, besonders bevorzugt 150 bis 350 mm.
Bezüglich der für die Reaktionsgefäße einzusetzenden
Werkstoffe bestehen keine prinzipiellen Beschränkungen, solange sie mit der
Reaktionsmischung nicht in einer unerwünschten Weise wechselwirken
oder anderweitig das erfindungsgemäße Verfahren beeinträchtigen.
Beispielhaft seien als Werkstoffe genannt: Edelstahl, insbesondere
V2A-Stähle, hitze-
und korrosionsbeständige
Stähle,
gehärtete Stähle; Edelmetalle,
Legierungen, Hartmetalle und -legierungen, insbesondere Hastalloy ®, Inconel
sowie Ti-Legierungen; Silizium, Siliziumoxide sowie composite-Materialien,
die Silizium enthalten; Kunststoffe, insbesondere wärmebeständige und
korrosionsbeständige
Kunststoffe wie beispielsweise Teflon (PTFE), PEEK etc.; Gläser, insbesondere
Borosilikatgläser,
Keramiken, insbesondere oxidische oder Carbid-Keramiken, Kohlenstoff-Verbundmaterialien
etc. Mischungen, Gemische oder Verbundmaterialien aus zwei oder
mehr der vorstehend genannten Materialien sind gleichfalls möglich.
Bezüglich der Zahl der Reaktionsgefäße, die im
Sinne der vorliegenden Erfindung einzusetzen sind, besteht keine
prinzipielle Beschränkung,
außer dass
es zumindest zwei Reaktionsgefäße sein
müssen.
Unter Gesichtspunkten der Praktikabilität, insbesondere im Hinblick
auf die Versorgung der Mittel zur Zufuhr mit dem Fluid zur pneumatischen
Agitation, typischerweise unter Verwendung von Manifolds und/oder
Multiportventilen, sind Anordnungen bevorzugt, die 8, 24, 48, 96 bzw.
andere Vielfache an Reaktionsgefäßen umfassen.
Reaktionsmischung: Bezüglich der
in der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Reaktionsmischung
bestehen keine prinzipiellen Einschränkungen, außer dass die Reaktionsmischung
mindestens eine flüssige
Phase enthalten muss. Die Reaktionsmischung kann auch mehr als eine
Phase enthalten, beispielsweise eine flüssige und eine feste Phase
oder zwei nicht miteinander mischbare flüssige Phasen. Unter einer flüssigen Phase
ist dabei jede Phase zu verstehen, die nicht fest oder gasförmig ist, also
insbesondere auch verflüssigte
Gase (beispielsweise über kritisches
Kohlendioxid) oder verflüssigte Festkörper (beispielsweise
Schmelzen, ionic liquids), hochviskose fließende Massen, nicht-Newtonsche Flüssigkeiten
etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die flüssige
Phase ein Lösungsmittel
oder ein Gemisch von Reaktanden oder beides. Die flüssige Phase kann
auch einen Katalysator enthalten, bzw. ausschließlich aus einem Katalysator
bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Reaktionsmischung
aus einem Lösungsmittel,
in welchem sich die Reaktanden (gelöst und/oder suspendiert und/oder
emulgiert) befinden. Es ist weiter bevorzugt, dass sich in der Reaktionsmischung
zusätzlich ein
Katalysator befindet, entweder als Bestandteil der flüssigen Phase,
als eigene (nicht mit der Reaktionsmischung mischbare) oder als
feste Phase.
Durch Einstellen der Fließgeschwindigkeit der
fluiden Phase zur pneumatischen Agitation kann bei Vorliegen einer
festen Phase in der Reaktionsmischung, beispielsweise eines heterogenen
Katalysators, eine Fluidisierung der besagten festen Phase erreicht
werden, d.h. die festen Teilchen „schweben" gleichsam in der Reaktionsmischung.
Durch Einstellen der relevanten Parameter, insbesondere der Fließgeschwindigkeit
der fluiden Phase zur pneumatischen Agitation, können unterschiedliche Grade
der Fluidisierung eingestellt werden. Liegt eine feste Phase in
einer im wesentlichen flüssigen
Reaktionsmischung vor, so ist es bevorzugt, dass der Bereich der
Beladung mit Feststoff, insbesondere mit festem Katalysator, von
0,1 Gew.% bis 50 Gew.% reicht, weiter bevorzugt von 1 Gew.% bis
10 Gew.%.
Der Reaktionsnschung können beliebige weitere
Komponenten (Additive) zugesetzt sein. Als beispielhafte Komponenten
seien an dieser Stelle oberflächenaktive
Substanzen (Tenside) genannt. Die Zugabe derselben führt insbesondere
dazu, dass die Stofftransport-Oberfläche vergrößert wird, beispielsweise durch
Erzeugen kleinerer Blasen/Tröpfchen
oder von mehr Blasen bzw. Tröpfchen.
Bezüglich der Bestandteile der
Reaktionsmischung oder der Produkte einer chemischen Reaktion, die
in praktischen Anwendungen auftreten können, seien genannt: heterogene
oder heterogenisierte Katalysatoren, Luminophore, thermoelektrische, piezoelektrische,
halbleitende, elektrooptische, supraleitende oder magnetische Substanzen
oder Gemische aus zwei oder mehr dieser Substanzen, insbesondere
intermetallische Verbindungen, Oxide, Oxidmischungen, Mischoxide
(z. B. Gemische aus zwei oder mehr Oxiden), ionische oder kovalente Verbindungen
von Metallen und/oder Nichtmetallen, Metallegierungen, Keramiken,
organometallische Verbindungen und Verbundmaterialien, Dielektrika, Thermoelektrika,
magnetoresistive und magnetooptische Materialien, organische Verbindungen,
Enzyme und Enzymgemische, pharmazeutische Wirkstoffen, Substanzen
für Futter
und Futterergänzungsmittel, Substanzen
für Nahrungs-
und Nahrungsergänzungsmittel,
Kosmetika.
simultan: Die chemischen Reaktionen
werden im Sinne der vorliegenden Erfindung simultan durchgeführt, d.h.
zumindest zwei Reaktionen laufen in zumindest zwei Reaktionsgefäßen zur
gleichen Zeit ab. Die Reaktionen können dabei gleich oder verschieden
sein. Die Reaktionen können
sich weiterhin in einem beliebigen Stadium befinden, d.h. es ist
nicht erforderlich, dass sich zwei simultan ablaufende Reaktionen
zu gleichen Zeiten im gleichen Zustand befinden. Wesentlich ist
lediglich, dass überhaupt
in mindestens zwei Reaktionsgefäßen zu zumindest
einem Zeitpunkt des Verfahrens jeweils eine chemische Reaktion abläuft.
Von der die Gleichzeitigkeit von
Reaktionsabläufen
betreffenden Simultanität
ist die Art der Schaltung von Reaktionsgefäßen zu unterscheiden. In einer
bevorzug ten Ausführungsform
sind die mindestens zwei Reaktionsgefäße parallel geschaltet, d.h.
jedes der mindestens zwei Reaktionsgefäße weist mindestens ein Mittel
zur Zufuhr auf, welches nur diesem einen Reaktionsgefäß ein Fluid
zur pneumatischen Agitation zuführt
(und dieses gegebenenfalls auch wieder abführt). In einer seriellen Schaltung
weist mindestens ein Reaktionsgefäß zumindest zwei Mittel zur
Zufuhr auf, wobei das Fluid zur pneumatischen Agitation über ein
Mittel zur Zufuhr aus dem besagten Reaktionsgefäß abgeführt und einem anderen Reaktionsgefäß zugeführt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch denkbar, dass Elemente
serieller und paralleler Schaltung nebeneinander vorliegen können.
Strömungszustände: Wenn sich durch Einführen der
fluiden Phase zur pneumatischen Agitation in der Reaktionsmischung
Blasen und/oder Tröpfchen
bilden, die sich durch die Reaktionsmischung bewegen, vorzugsweise
in dieser aufsteigen, so sind verschiedene Verteilungen der Blasen
und/oder Blasengröße bzw.
Tröpchen
und/oder Tröpfchengröße (im Folgenden
sind Tröpfchen
und Blasen gleichzusetzen) möglich,
die als verschiedene „Strömungszustände anzusehen
sind. Bezüglich
der Strömungszustände gibt
es in der vorliegenden Erfindung keine prinzipiellen Beschränkungen,
außer
dass zumindest eine teilweise Agitation der Reaktionsmischung für zumindest
ein definiertes Zeitintervall zu erreichen ist.
Bezüglich der Gasblasen ist dem
Fachmann beispielsweise homogenes („bubbling") und heterogenes („churn-turbulent") Strömungsverhalten
bekannt. Beim homogenen Strömen
liegt im wesentlichen ein Blasentyp einer bestimmten Größenverteilung
vor, der die Reaktionsmischung gleichmäßig durchströmt. Demgegenüber liegen
beim heterogenen Strömen
zumindest zwei verschiedene Blasentypen vor; große Blasen haben höhere Steigeschwindigkeiten
und erwirken eine gute Durchmischung (Agitation), während sich
die kleinen Blasen in der flüssigen
Phase verteilen und die Rückvermischungs-Charakteristik
der Flüssig keit
haben. Damit kann Propfenströmung
neben Rückvermischung
vorliegen. Dabei können
im Sinne der vorliegenden Erfindung beliebige Mischzustände vorliegen.
Insbesondere ist es möglich,
dass sich am Rand des Reaktionsgefäßes ein anderes Strömungsprofil
ausbildet als in der Mitte, sowie dass das Fluid zur pneumatischen
Agitation zirkuliert oder teilweise mit der flüssigen Phase der Reaktionsmischung
eine schaumförmige
Phase bildet etc.
Verteilung, Mittel zur: Unter einem
Mittel zur Verteilung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes
Mittel zu verstehen, mit Hilfe dessen die fluide Phase zur pneumatischen
Agitation, die vorzugsweise aus dem Mittel zur Dosierung übergeben
wird, auf mindestens zwei voneinander verschiedene Mittel zur Zufuhr
verteilt wird, wobei die mindestens zwei voneinander verschiedenen
Mittel zur Zufuhr zu mindestens zwei verschiedenen Reaktionsgefäßen gehören. Vorzugsweise
besteht ein solches Mittel zur Verteilung aus einem Manifold mit
Restriktionen, also einer „rechenförmigen" Aufteilung eines
Kanals auf mehrere Kanäle,
wobei der Innendurchmesser der Kanäle („Restriktion") so gewählt wird,
dass möglichst
eine gleiche Verteilung des Drucks bzw. des Durchflusses in allen
aufgeteilten Kanälen
vorliegt. Um eine Gleichverteilung zu erzielen, ist es bevorzugt,
dass die Restriktoren möglichst
gleich sind.
In diesem Zusammenhang ist es auch
wesentlich, dass ein Mittel zur Verteilung in umgekehrter Betriebsweise
auch als Mittel zum Zusammenführen fungieren
kann, beispielsweise wenn mehrere Abgasströme aus mehreren Reaktionsgefäßen zu einem
Abgasstrom zusammengefasst werden sollen. Bezüglich der Verwendung eines
Manifold mit oder ohne Restriktionen, bzw. eines „rechenförmigen" Zusammenführens mehrerer
Kanäle
gilt das oben gesagte.
Zufuhr, Mittel zur: Das mindestens
eine Mittel zur Zufuhr, welches Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, soll dazu dienen, im Prinzip jede Substanz, bevorzugt das mindestens
eine Fluid, welches zur pneumatischen Agitation dient, einem Reaktionsgefäß zuzuführen.
Ein Mittel zur Zufuhr kann gleichzeitig
als Mittel zur Abfuhr dienen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung
können
beliebig viele Mittel zur Zufuhr (feed, inlet) vorliegen, wobei
eine beliebige Untermenge davon auch dem Abführen (discharge, outlet) dienen kann.
Die Richtung der Zu- bzw. Abfuhr kann sich beliebig oft und zu beliebigen
Zeiten im selben Mittel zur Zufuhr umkehren. Es ist im Sine der
vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass ein Mittel zur Zufuhr vorliegt, welches
der Zufuhr des mindestens einen Fluides zur pneumatischen Agitation
dient, sowie ein weiteres Mittel zur Zufuhr, welches dem zumindest
teilweisen Austrag dieses Fluides dient. Es ist allerding auch denkbar,
dass Eintrag und Austrag des Fluides zur pneumatischen Agitation über ein
und dasselbe Mittel zur Zufuhr erfolgen.
Es ist weiter bevorzugt, dass die
Mittel zur Zufuhr aus Kanälen
mit polyeder- bzw.
kreisförmiger Querschnittsfläche bestehen,
wobei sich die Querschnittsfläche über die
Länge eines
Kanals ändern kann,
z.B. konisch zulaufen, oder gleich bleiben kann. Bezüglich der
Ausgestaltung solcher Kanäle sei
an dieser Stelle auf die Anmeldung
DE-A 101 17 275 verwiesen, deren hier relevanter
Offenbarungsgehalt vollumfänglich
mit einbezogen sein soll. Es ist möglich, dass die Mittel zur
Zufuhr zusammengesetzt sind, beispielsweise aus Kanal und Membran
oder Kanal und verschließbarem
Deckel oder Kanal mit Restriktion.
Die Mittel zur Zufuhr können auch
als (passive) Drucksteuerungselemente fungieren, insbesondere als
Druckverminderer, bzw. bei Vorliegen einer Pluralität von miteinander
verbundenen Zuleitungen zu einer Pluralität von Reaktionsgefäßen auch
als Druck(gleich)verteiler. In diesem Sinne können die Kanäle auch
in ihrer Länge,
ihrem Verlauf und/oder ihrem Durchmesser so ausgestaltet sein, dass
die jeweils gewünschte
Druckeinstellung erreicht bzw. optimiert wird.
Ein Mittel zur Zufuhr des wenigstens
einen Fluides zur pneumatischen Agitation befindet sich vorzugsweise
am Boden des Reaktionsgefäßes, kann
aber bei bestimmten Ausführungsformen
auch zusätzlich
oder alleine am Kopf des Reaktionsgefäßes vorliegen.
Zudem kann die Zuführung des
wenigstens einen Fluides zur pneumatischen Agitation kontinuierlich
oder diskontinuierlich erfolgen. Die zu- und/oder abzuführende Fluidmenge
wird dabei vorzugsweise über
geeignete Ventilschaltungen, welche bevorzugt von wenigstens einer
Datenverarbeitungsanlage geregelt/gesteuert werden, geregelt.
Beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert. Dabei
zeigen:
1:
parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen Agitation
durchströmten
Reaktionsgefäßen, die
jeweils eine Reaktionsmischung enthalten.
2:
parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen Agitation
durchströmten
Reaktionsgefäßen, die
jeweils eine unterschiedliche Reaktionsmischung enthalten.
3a, b: Fließbild-Schema der denkbaren Reaktionen
je nach Zusammensetzung der Reaktionsmischung.
4:
schematische Darstellung des Holdups, (vertikale Achse) als Funktion
der Leerrohrgeschwindigkeit (horizontale Achse).
5:
schematische Darstellung unterschiedlicher Mittel zum Einbringen
des Fluids zur pneumatischen Agitation in die Reaktionsmischung
.
6:
schematische Darstellung unterschiedlicher Mittel zur Führung des
Stroms des Fluids zur pneumatischen Agitation (Fluidstromführung) in
der Reaktionsmischung.
7:
schematische Darstellung von Reaktionsgefäßen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
Umgang.
8:
parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen Agitation
durchströmten
Reaktionsgefäßen, wobei
die Reaktionsgefäße verschiedene
Mittel zum Einstellen von Parametern aufweisen.
9:
ist im wesentlichen zu 8 analog, mit
der Ausnahme, dass die Reaktionsgefäße konisch auseinander laufen.
10:
parallele Anordnung von 24 mit einem Fluid zur pneumatischen Agitation
durchströmten
Reaktionsgefäßen, die
in zwei Abschnitte zu jeweils 12 Einheiten aufgeteilt sind; weiterhin
ist ein Vorsättiger
gezeigt.
11:
serielle Anordnung von 24 mit einem Fluid zur pneumatischen Agitation
durchströmten Reaktionsgefäßen, die
in zwei Abschnitte zu jeweils 12 Einhei ten aufgeteilt sind; dabei
wird jeder Abschnitt unabhängig
vom jeweils anderen mit einem Vorsättiger versorgt.
12a, b: fotografische Darstellung der Abhängigkeit
von Blasenmenge und Blasengröße von der
Leerrohrgeschwindigkeit.
13:
fotografische Darstellung von Schaumbildung sowie fast vollständiger Blasenerfüllung der
Reaktionsmischung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
14:
fotografische Darstellung der gleichmäßigen Suspension eines festen
Katalysators in der Reaktionsmischung durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
15 (zu
Beispiel 1): Umsatzgrad C (vertikale Achse, in %) als Funktion der
Reaktornummer R (horizontale Achse).
16 (zu
Beispiel 2): Umsatzgrad C (vertikale Achse, in %) als Funktion der
Katalysatorkonzentration K (horizontale Achse, in mg/ml Reaktionsmischung)
für verschiedene
Drucke und Temperaturen.
Im Folgenden sollen die einzelnen
Figuren detailliert beschrieben werden.
1 zeigt
eine parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen
Agitation (18) durchströmten
Reaktionsgefäßen (10),
die jeweils eine Reaktionsmischung enthalten, die in diesem Fall aus
einer flüssigen
Phase (14) besteht. Das Fluid wird der Reaktionsmischung
durch Mittel zur Verteilung (24), verbunden mit einem Mittel
zur Zufuhr (20), zugeführt.
Das Mittel zur Verteilung besteht in diesem Fall aus einer Verzweigung
der Kapillare in drei Äste. Der
Innen-Durchmesser
der Kapillare in jedem Ast ist so bemessen, dass eine annähernde Druckgleichverteilung
auf die drei Reaktionsgefäße erreicht
wird.
Weiterhin zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Mittel zum Einbringen (26), welches die Verteilung
des Fluids, vorzugsweise eines Gases, über eine möglichst große Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes bewirken
soll. Im konkreten Fall wird hier eine PTFE-Fritte mit einem definierten
Porendurchmesser eingesetzt. Schließlich verfügt das Reaktionsgefäß noch über ein
weiteres Mittel zur Zufuhr (20'), welches in diesem Fall der Abfuhr
des durch die flüssige
Phase getretenen fluiden Phase, also des Gases zur pneumatischen
Agitation, dient.
Diese Ausführungsform illustriert einen
der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Agitieren einer Reaktionsmischung: im Gegensatz zu konventionellen
(mechanischen) Rührwerken,
wird hier Agitation durch ein einziges „Mittel" erreicht, nämlich eine einzige zentrale
Gaszufuhr. Dies ist offensichtlich effektiver als der Einsatz von
drei individuellen Rührwerken.
Weiterhin kann im Sinne der Erfindung die Agitation durch Verändern eines
einzigen Parameters, beispielsweise des Druckes in der Verzweigung,
also an einer einzigen Stelle variiert, abgebrochen oder wieder
aufgenommen werden.
2 zeigt
eine parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen
Agitation (18) durchströmten
Reaktionsgefäßen (10),
die jeweils eine unterschiedliche Reaktionsmischung enthalten. Die
Reaktionsmischung besteht im linken Reaktionsgefäß aus einer flüssigen Phase
(14), in welcher eine feste Phase (16), beispielsweise
ein heterogener Katalysator, suspendiert ist. Im mittleren Reaktionsgefäß befindet
sich neben der flüssigen
Phase (14) eine weitere flüssige Phase (14'), die mit der
ersten flüssigen
Phase nicht mischbar ist, beispielsweise im Sinne einer Öl-Wasser
Mischung. Im rechten Reaktionsgefäß befinden sich dann sowohl
eine feste als auch eine zusätzliche
flüssige
Phase in der Reaktionsmischung.
Das Fluid wird der Reaktionsmischung
durch Mittel zur Verteilung (24), verbunden mit einem Mittel zur
Zufuhr (20), zugeführt.
Das Mittel zur Verteilung besteht in diesem Fall aus einer Verzweigung
der Kapillare in drei Äste.
Der Durchmesser der Kapillare in jedem Ast ist so bemessen, dass
eine annähernde Druckgleichverteilung
auf die drei Reaktionsgefäße erreicht
wird. Die Kapillare weist allerdings, im Gegensatz zur 1, einen größeren Innendurchmesser
auf und ermöglicht
so einen größeren Durchfluss an
Fluid zur pneumatischen Agitation. Dies kann beispielsweise dann
sinnvoll sein, wenn feste Partikel fluidisiert werden sollen. Weiterhin
zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Mittel zum Einbringen (26), wiederum eine Fritte, sowie
ein weiteres Mittel zur Zufuhr (20'), welches der Abfuhr des durch
die flüssige
Phase getretenen fluiden Phase, also des Gases zur pneumatischen
Agitation, dient.
3 zeigt
ein Fließbild-Schema
der möglichen
Reaktionen, die jeweils mit einer bestimmten Art an Reaktionsmischung
durchgeführt
werden können.
In 3a wird die Agitation
ohne Anwesenheit einer festen Phase in der Reaktionsmischung durchgeführt. Dabei
kann die Reaktionsmischung rein prinzipiell einphasig flüssig oder
mehrphasig flüssig
sein. Die in der „einphasig
flüssig" Konfiguration möglichen Reaktionen
sind in der Figur angegeben. Im Falle einer mehrphasig flüssigen Reaktionsmischung
ist weiterhin zu unterscheiden zwischen koexistierenden kontinuierlichen
Phasen und kontinuierlichen bzw. dispersen Phasen, wobei nur im
Falle der kontinuierlichen bzw. dispersen Phase unterschieden werden muss,
ob der Katalysator in kontinuierlicher oder in disperser Phase vorliegt.
In 3b werden
die Konfigurationen aufgezeigt, die möglich sind, wenn zusätzlich noch
eine feste Phase, insbesondere ein fester Katalysator, in der Reaktionsmischung
vorliegt. Naturgemäß wird das
Verzweigungsschema damit komplexer, da nunmehr auch heterogen katalysierte
Reaktionen möglich
werden.
4 zeigt
eine schematische Darstellung des Holdups, also des Anwachsens des
Gesamtvolumens der Reaktionsmischung (vertikale Achse) als Funktion
der Leerrohrgeschwindigkeit u (horizontale Achse), also der Menge
und Verteilung des zur pneumatischen Agitation in die Reaktionsmischung
eingetragenen Fluids. Bei vergleichsweise geringer Leerrohrgeschwindigkeit,
also im linken Reaktionsgefäß, bilden
sich nur wenige und kleine Blasen. Damit weicht der Holdup, gemessen
beispielsweise als Höhe
des Flüssigkeitsspiegels,
kaum von Null ab, also von dem Zustand, der vorläge, ohne dass Fluid in die
Reaktionsmischung eingetragen wird.
Durch Erhöhen der Leerrohrgeschwindigkeit kann
sowohl die Menge an Blasen, als auch insbesondere deren Größe, erhöht werden,
was zu einem Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels
und einer entsprechenden Abweichung des Holdups von Null führt (mittleres
Reaktionsgefäß). Ein
Zustand, wie er kurz vor dem „Fluten" des Reaktionsgefäßes erreicht
wird, ist im rechten Reaktionsgefäß gezeigt: hier ist die Leerrohrgeschwindigkeit
so groß,
dass die Reaktionsmischung beinahe das gesamte Reaktionsgefäß erfüllt. Die
Phänomene
des „Flutens" und/oder der „Schaumbildung", die beide bei je
nach Vorrichtung verschiedenen Leerrohrgeschwindigkeiten auftreten, sind
typischerweise unerwünscht
und müssen
entweder durch apparative Maßnahmen
(Mittel zur Fluidstromführung,
Mittel zur Phasentrennung etc.) oder durch Regeln der Leerrohrgeschwindigkeit
vermieden oder minimiert werden.
5 (a
bis e von links nach rechts) zeigt eine schematische Darstellung
unterschiedlicher Mittel zum Einbringen (26) des Fluids
zur pneumatischen Agitation (18) in die Reaktionsmischung
(14). In 5a ist
dieses Mittel zum Einbringen 26 ein Tauchrohr, welches
am Boden des Reaktionsgefäßes (10)
angebracht ist. Da das Tauchrohr von oben in das Reaktionsgefäß eingeführt wird,
befinden sich das Mittel zur Zufuhr (20) und das Mittel
zur Zufuhr (20'),
welches des Abfuhr des Fluids dient, beide am Kopf des Reaktionsgefäßes.
In 5b wird
nicht ein einfaches Tauchrohr (26) eingesetzt, sondern
vielmehr ein Tauchrohr mit Verteilerrechen (26'), also einer
Anordnung von mindestens zwei Austrittsöffnungen. In 5c wird eine Düse (26'')
gezeigt, die sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der flüssigen Phase
(14) befindet. In einer anderen Ausführungsform könnte die
Düse auch direkt
in die Reaktionsmischung eintauchen.
In 5d besteht
das Mittel zum Einbringen (26''') im wesentlichen
aus einer Erweiterung im Anschluss an das Mittel zur Zufuhr (20),
so dass insgesamt eine Düse
vorliegt. Im vorliegenden Fall handelt es sich dabei um eine konische
Aufbohrung. In 5e schließlich ist
schematisch der Einsatz von Glockenböden (bubble caps, 26''''), bestehend
aus Kamin und Glocke, gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind diese selbstschließend,
d.h. nur wenn Gasdruck vorliegt, öffnet sich die Glocke. In diesem
Sinne wirkt das Mittel zum Einbringen auch als Mittel zur Phasentrennung,
da vermieden wird, dass Reaktionsmischung in das Mittel zur Zufuhr
gelangt.
6 (a
und b von links nach rechts) zeigt eine schematische Darstellung
unterschiedlicher Mittel zur Führung
(28) des Stroms des Fluids zur pneumatischen Agitation
(18) in der Reaktionsmischung (14). Die Anordnung
wie in 6a gezeigt, entspricht dabei
im wesentlichen der Anordnung aus 5c, mit
dem Unterschied, dass sich in der Reaktionsmischung zwei Platten
(28) befinden, die der Fluidstrom-Führung dienen, d.h. den von
oben eingebrachten Fluidstrom so umlenken, dass auch die seitlichen
Bereiche des Reaktionsgefäßes (10)
agitiert bzw. durchmischt werden. In 6b ist
ein Füllkörper (28') bzw. eine
strukturierte Packung gezeigt, der auf einer Fritte (26)
sitzt. Ansonsten entspricht diese Anordnung der in 1 gezeigten Konfiguration.
7 (a
und b von links nach rechts) ist eine schematische Darstellung von
Reaktionsgefäßen (10)
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Umgang (50). Mit Hilfe eines Umgangs wird eine gerichtete
Zirkulation der flüssigen
Phase bzw. des Phasengemisches erreicht. Die gerichtete Zirkulation entsteht
durch die Dichtedifferenz des Fluids zwischen Zu- und Ablauf des
Umgangs, ähnlich
des natürlichen
Umlaufs eines Naturumlaufverdampfers. In 7a wird das Fluid zur pneumatischen Agitation mittels
eines Tauchrohres (26) eingebracht. Durch die Differenz
an weniger dichtem Fluid zur pneumatischen Agitation im unteren
und im oberen Bereich des Reaktionsgefäßes wird eine Zirkulation im
Umlauf induziert, welche diese Differenz ausgleicht. In 7b saugt die am Boden befindliche
Düse 26' flüssige Phase
aus dem Umgang (50')
mit an, so dass dadurch eine Zirkulation entsteht.
8 zeigt
eine parallele Anordnung von drei mit einem Fluid zur pneumatischen
Agitation (18) durchströmten
Reaktionsgefäßen (10),
wobei die Reaktionsgefäße verschiedene
Mittel zum Einstellen von Parametern (32) aufweisen. Diese
sind hier insbesondere ein Heizblock (32), der elektrisch
betrieben wird, eine außenwandige
Kühlschlange
(32'),
die fluidisch betrieben wird, sowie ein Thermoelement (32''), welches in die flüssige Phase
(14) hineinreicht. Diese Mittel zum Einstellen von Parametern
sind in einen Regel- und Kontrollmechanismus eingebunden, der eine
Kontrolle und ein Einstellen der Temperatur erlaubt. Die Mittel
(24), (24')
(20), (20'),
und (26) sind wie in 1 beschrieben.
Zusätzlich sind in der hier vorgestellten
Ausführungsform
weitere Mittel zur Zufuhr (20'')
vorgesehen, in diesem Fall Fluid-Anschlüsse, die es ermöglichen
Proben zu entnehmen und/oder weitere Komponenten zur Reaktionsmischung
zu dosieren. Weiterhin ist das Mittel zur Phasentrennung (30)
zu nennen, welches hier als Fritte ausgebildet ist, welches den
unerwünschten
Austrag von Komponenten der Reaktionsmischung (mit Ausnahme des
Fluids zur pneumatischen Agitation) vermindert oder verhindert.
9 zeigt
eine im wesentlichen zu 8 analoge
Ausführungsform,
mit dem wichtigen Unterschied, dass die Reaktionsgefäße (10)
sich vom Boden zur Oberseite hin konisch aufweiten. Das konische
Aufweiten des Reaktionsgefäßes bedingt,
dass die Blasengeschwindigkeit, die durch den Eintrag des Fluides
zur pneumatischen Agitation induziert wird, gesteuert, und insbesondere
eine Schaumbildung im oberen Teil des Gefäßes vermieden werden kann.
Insgesamt wird der Arbeitsbereich vergrößert.
10 zeigt
eine parallele Anordnung von 24 mit mehreren Fluiden zur pneumatischen
Agitation (18) durchströmten
Reaktionsgefäßen (10),
die in zwei Abschnitte zu jeweils 12 Einheiten aufgeteilt sind.
Die verschiedenen Fluide, beispielsweise inerte und reaktive Gase,
werden in einem Mittel zur Fluid-Dosierung (22) vorgelegt
und deren Strömungseigenschaften
mittels Ventilen und Durchflussreglern eingestellt (FIC = flow indication
control). Anschließend
gelangen die Fluide in einen Vorsättiger (32''''') (siehe Beschreibung), in welchem
sie mit der flüchtigen
Komponente, die ausgetragen werden könnte, gesättigt werden. Der Vorsättiger ist
mit einem Mittel zum Einstellen von Parametern (32), sowie
einer Temperaturkontrolle (32'''') versehen, mit Hilfe derer vorzugsweise
eine Kühlung
angestrebt wird, um das Fluid bei möglichst tiefen Temperaturen
zu sättigen.
Das vorgesättigte Fluid, vorzugsweise
ein Gas, verteilt sich dann in einem Mittel zur Verteilung (24)
auf die zwei Abschnitte mit jeweils 12 Reaktionsgefäßen, wie
bereits mehrmals beschrieben, über
ein Mittel zur Zufuhr (20) und eine Fritte, die als Mittel zum
Einbringen (26) wirkt. Auch die Reaktionsgefäße können über Mittel
zum Einstellen von Parametern (32, 32', 32''')
gekühlt
bzw. geheizt werden. Die abströmenden
Gase werden in einem Mittel zur Verteilung 24' gesammelt und
abgeleitet. Dabei dient das Mittel zum Einstellen von Parametern
(32'') der Druckkontrolle
(PIC = pressure indication control). Es ist rein prinzipiell auch
möglich,
durch den Einsatz entsprechender Multiportventile, die Gasströme einzeln
abzugreifen.
11 zeigt
die 10 entsprechende
serielle Anordnung von 24 mit Fluiden zur pneumatischen Agitation
durchströmten
Reaktionsgefäßen. Dabei
sind die Reaktionsgefäße wiederum
in zwei Abschnitte zu jeweils 12 Einheiten aufgeteilt, und es wird
allerdings jeder Abschnitt unabhängig
vom jeweils anderen mit einem Vorsättiger (32''''') versorgt. Ein wesentlicher Unterschied
besteht nun darin, dass das abströmende Gas eines jeden Reaktionsgefäßes das
zuströmende
Gas des nächsten
Reaktionsgefäßes ist.
Dabei strömt
das Gas jeweils aus dem Vorsättiger
in die Reaktionsgefäße, auf
die es verteilt wird. Am Kopf der Anlage werden die beiden (Ab)gasströme vereinigt
und gesammelt.
12 (a
und b von links nach rechts) ist eine fotografische Darstellung
der Abhängigkeit
von Blasenmenge und Blasengröße von der
Leerrohrgeschwindigkeit in einer Anordnung, die im wesentlichen
dem in 1 gezeigten Schema
entspricht. Die Reaktionsmischung besteht in diesem Bild nur aus einer
flüssigen
Phase, nämlich
Ethanol. In 12a ist
bei vergleichsweise geringer Leerrohrgeschwindigkeit eine vergleichsweise
geringe Blasengröße erkennbar.
Entsprechend steigt die Blasengröße mit ansteigender
Leerrohrgeschwindigkeit, wie in 12b gezeigt.
13 zeigt
die Blasenbildung bei vergleichbarer Leerrohrgeschwindigkeit wie
in 12b, aber für eine andere
Reaktionsmischung, nämlich
Ethanol in Mischung mit p-Nitrotoluol. Bedingt durch die Änderung
der Stoffeigenschaften, bilden sich deutlich kleinere, aber auch
deutlich mehr Blasen, was für
das Agitieren von Vorteil ist. Am Kopf des Reaktionsgefäßes ist
zu sehen, wie erhöhte
Leerrohrgeschwindigkeit zu Schaumbildung führen kann.
14 (a
und b; von links nach rechts) zeigt die Blasenbildung (Agitation)
bei vergleichbarer Leerrohrgeschwindigkeit wie in 13, aber für eine andere Reaktionsmischung,
nämlich
Ethanol in Mischung mit p-Nitrotoluol, und darin suspendiert einen festen
Katalysator (schwarzes Pd/C-Pulver). Wie 14a und vergrößert in 14b gut zu erkennen ist, verteilt sich
der Katalysator gleichmäßig über das gesamte
Reaktionsgefäß.
Ausführungsbeispiele:
Die folgenden Ausführungsbeispiele
sollen repräsentative
Elemente der vorliegenden Erfindung illustrieren, ohne dass eine
spezifische Ausführungsform)
den allgemeinen Offenbarungsgehalt, wie er in der Beschreibung dargestellt
ist, in irgendeiner Art und Weise einschränken soll.
Beispiel 1: Hydrierung
von p-Nitrotoluol in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Zur 24-fach parallelen Durchführung der
Hydrierung von p-Nitrotoluol zu p-Toluidin in pneumatisch agitierten Gefäßen wurde
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
entsprechend 10 verwendet.
Im vorliegenden Fall wird als pneumatisch agitierendes Fluid eine
Gasmischung verwendet, welche über Massendurchflussregler
(als Mittel zur Fluid-Dosierung) bereitgestellt wird. Der Gasstrom
passiert danach einen auf Reaktionstemperatur beheizten Vorsättiger,
wo er mit Lösungsmittel
(Ethanol) gesättigt wird,
um einen Austrag von Lösungsmittel
aus den Reaktionsgefäßen durch
Sättigung
des Gases im Reaktionsgefäß zu vermeiden.
Der Vorsättiger
wirkt somit im Sinne der vorliegenden Erfindung als Mittel zur Phasentrennung.
Die gleichmäßige Verteilung des Gastromes auf
die 24 parallelen Reaktionsgefäße erfolgt
mittels Kapillarrestriktionen, im vorliegenden Falle PTFE-Kapillaren,
mit einem Innendurchmesser von 125 μm (Mittel zur Verteilung).
Die 24 parallelen Reaktionsgefäße bestehen aus
Borosilikatglas und verfügen über einen
Innendurchmesser von 10 mm und einer Höhe von 250 mm. Zum möglichst fein
verteilten Einbringen des Fluids befindet sich am Boden jedes Reaktionsgefäßes eine
PTFE-Fritte mit einem Porendurchmesser von 25 μm (Mittel zum Einbringen). Am
Kopf der Reaktionsgefäße wurde
jeweils eine baugleiche Fritte zum Vermeiden von Flüssigkeitsaustrag
eingebracht, d.h. es handelt sich hier um ein weiteres Mittel zur Phasentrennung.
Am Boden und am Kopf der Reaktionsgefäße befinden
sich standardmäßige Kapillarverbinder, mit
denen die Reaktionsgefäße mit der
angesprochenen Gasverteilung sowie einer Gassammlung am Kopf verbunden
sind. Dabei ist der Gassammler ein „umgekehrt" wirkendes Mittel zur Verteilung. Jeweils 12
Reaktionsgefäße werden
im unteren Teil durch Eintauchen in einen flüssigen Wärmetauscher auf die gleiche
Temperatur beheizt. Am Kopf jedes Reaktionsgefäßes ist eine Kühlung, wiederum
unter Verwendung einer Flüssigkeit
verfügbar,
um eine Rückflusskondensation
zu erreichen. Die Rückflusskondensation
wirkt dabei sowohl als Mittel zum Einstellen von Parametern, da
die Temperatur geregelt wird, als auch als Mittel zur Phasentrennung,
da ein Austrag der kondensierenden Phase vermindert oder verhindert
wird. Über
einen Druckregler, ein weiteres Mittel zum Einstellen von Parametern,
kann ein konstanter Reaktionsdruck für alle Reaktionsgefäße eingestellt
werden.
Versuchsdurchführung: Es wird eine 8 %ige p-Nitrotoluol-Lösung in
Ethanol angesetzt und ein Pd/C-Katalysator (Degussa, E101 XNN/W
2%) mit einer Konzentration von 1.5 mg/ml zugegeben. Außerdem enthält die Reaktionsmischung
einen Standard (Octanol, 2 Ma-%). Jeweils 3 ml dieser Reaktionsmischung
werden auf die 24 Reaktionsgefäße verteilt und
diese anschließend
verschlossen. Die Kühltemperatur
am Kopf der Reaktionsgefäße wurde
auf 0 °C eingestellt.
Bei Normaldruck und einer Leerrohrgeschwindigkeit von 1 cm/s (Holdup:
0.2) werden die Reaktionsmischungen zunächst bis zum Erreichen einer
konstanten Reaktionstemperatur von 30 °C mit Stickstoff durchströmt.
Anschließend wird durch Umstellung
der Gaszufuhr auf Wasserstoff die Hydrierung durchgeführt, welche
nach einer Reaktionszeit von 20 min durch Rück-Umstellung auf Stickstoff abgebrochen wird.
Unter den genannten Durchströmungsbedingungen
werden die Reaktionsmischungen gleichmäßig homogen und vollständig durchmischt.
Als pneumatisch agitierendes Fluid wirkt dabei der Wasserstoff,
welcher auch als Reaktionsgas zur Verfügung steht.
Nach dem Abschuss der Reaktion wird
nach dem Öffnen
der Reaktionsgefäße jeweils
eine Probe genommen, der Katalysator parallel abfiltriert und eine
gaschromatographische Bestimmung des Umsatzgrades durchgeführt. Aus
dem Ergebnis, dargestellt in 15 wird
deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren
(unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung) mit guter
Reproduzierbarkeit durchgeführt
werden kann und der erzielte Umsatzgrad für alle 24 Reaktionsgefäße gleichmäßig etwa 50
% beträgt.
Beispiel 2: Hydrierung
von p-Nitrotoluol in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter paralleler
Variation von Parametern
Wiederum wurde die Hydrierung von
p-Nitrotoluol zu p-Toluidin in der bereits unter Beispiel 1 beschriebenen
erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführt.
Dabei wurden folgende Versuchparameter eingestellt: Eduktkonzentration
8 %, Standardkonzentration 2 %, Reaktionsvolumen 3 ml, Leerohrgeschwindigkeit
1 cm/s, Pd/C-Katalysator (Degussa, E101 XNN/W 2%), Kühlung 0 °C.
In einer ersten Versuchreihe, die
bei 1 bar durchgeführt
wurde, wurde die Reaktionstemperatur für 12 Reaktionsgefäße auf 30 °C und für die restlichen
12 Reaktionsgefäße auf 40 °C eingestellt.
Zusätzlich
wurde die Katalysatorkonzentration auf Werte von 0.5 mg/ml, 1 mg/ml,
1.5 mg/ml und 2 mg/ml eingestellt, so dass jeweils 3 Reaktionsgefäße mit identischer
Reaktionsmischung und unter identischen Bedingungen getestet wurden.
Die Reaktion wurde wiederum mit einer Reaktionszeit von 20 min durchgeführt. Anschließend wurden
jeweils eine Probe genommen und der erzielte Umsatzgrad gaschromatographisch
bestimmt.
In einer zweiten Versuchsreihe wurde
die erste Versuchsreihe bei einem Druck von 8 bar wiederholt, ansonsten
blieben alle Versuchsparameter gleich. Die Ergebnisse der genannten
Versuche sind in 16 dargestellt.
Daraus wird ersichtlich, dass der Umsatzgrad C wie erwartet mit
steigender Katalysatorkonzentration K nahezu linear zunimmt. Zudem
führt eine
Erhöhung
der Reaktionstemperatur von 30 °C
auf 40 °C
zu einem deutlich höheren
Umsatzgrad. Außerdem
führt ein
von 1 bar auf 8 bar erhöhter
Druck ebenfalls zu einer erhöhten
Reaktionsgeschwindigkeit und damit einem höheren Umsatzgrad.