PROCESS AND APPARATUS FOR CARRYING OUT HETEROGENEOUS MASS TRANSPORT LIMITING REACTIONS

Abstract: 1. Process for the carrying out of heterogeneous reactions in which there is limited transporting of materials with a reactant contained, optionally dissolved, in the liquid catalyst-containing reaction phase and a gaseous reactant, by means of an arrangement with has a reactor with an internal tube, a feed pipe for the reactants and an outlet, characterised in that a) both reactants are initially introduced from top to bottom firstly into a static mixer (3) in which a dispersing of the liquid with the gaseous takes place and then into the reactor (6) b) a dispersing and inducing of the reaction takes place with an energy dissipation density of more than 10 kW/m**3 to obtain a conversion of at least 60% in mixer (3), c) the not yet completely reacted gas/liquid dispersion is conducted into the internal tube (4) of the reactor (6) and here there operates a circulation flow from top to bottom whose speed is equal to the rate of climb of the gas bubbles at the entry into the internal tube or is greater than this, d) the reactor liquid is led upwardly outside the internal tube via a deflector (7) and e) the discharge of the reaction products and the circulation products takes place at the base of the reactor.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von heterogenen, stofftransportlimitierenden Reaktionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von heterogenen, stofftransportlimitierenden Reaktionen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Direktchlorierung von Ethylen und Chlor zu 1.2 Dichlorethan EDC) in einem flüssigen, katalysatorhaltigen Produktstrom aus EDC kann beispielhaft für den Reaktionstyp einer heterogenen, exothermen und stofftransportlimitierenden Reaktion angesehen werden (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Aufl., Bd. 9 19753 , Seite 426 - 427). Der Reaktionsumsatz, d.h. der Umsatz der Reaktanden zu dem gewünschten Produkt, und die Selektivität einer Reaktion können durch tiassnahmen zur Verbesserung des Stoffund Wärmetransports verbessert werden. So werden z.B. auch bei den bekannten Vorrichtungen zur Durchführung der Direktchlorierung zu EDC Reaktionsbedingungen angestrebt, bei denen die Reaktanden und hierbei insbesondere Ethylen in möglichst einheitlicher, feinverteilter GasoFlüssig-Dispersion vorliegen. Ein wesentliches gemeinsames Merkmal der für diesen Reaktionstyp bekannten Vorrichtungen ist darin zu sehen, dass die im Produktstrom mehr oder weniger teilweise gelösten Reaktanden Chlor und Ethylen grundsätzlich von unten in den Reaktor eingeleitet werden, mit der in Zirkulation gebrachten flüssigen Reaktionsphase in einem Innenrohr zentral nach oben transportiert werden, dabei an die Phasengrenze zwischen flüssigem Produkt und Dampfraum am Kopf des Reaktors gelangen und teilweise aus der katalysatorhaltigen, flüssigen Reaktionsphase entweichen oder auch zum Teil mit der abwärts führenden Flüssigkeits bewegung ausserhalb des Innenrohres wieder nach unten tran. - portiert werden. Bei dieser Verfahrensweise kann das uner wünschte und den Reaktionsumsatz beeinflussende Heraustreten der gasförmigen Reaktanden aus der flüssigen Reaktionsphase in den Dampfraum des Reaktors nicht vollständig vermieden werden. In Fig. 1 ist schematisch eine bekannte Vorrichtung dargestellt. Sie besteht in der gezeigten Ausführung aus einem zylindrischen Reaktionsge fäss 6, einer Zuleitung der Reaktanden, wie z.B. einer Zuleitung 1 mit Chlor und einer Zuleitung 2 mit gasförmigem Ethylen, welche in einem Verteiler 9 gemischt und über diesen von unten in den Reaktor eingeleitet werden, einem Innenrohr 4, einem Austritt 5 für das Reaktionsprodukt un die im Reaktionsprodukt gelösten bzw. mit diesem dispergierten Bestandteile, einer Pumpe 10 für den Transport der aus dem Reaktor austretenden flüssigen Phase und einem Austritt 11 für die gasförmigen Bestandteile. Unter konstanten Reaktionsbedingungen, wie z.B. Konzentrationen :Gasanteil), Temperatur usw., wird dieser Entzug der gasförmigen Reaktanden aus der flüssigen Reaktionsphase massgebend von der Blasengrösse und -verteilung im Innenrohr, der Aufwärtsgeschwindigkeit der Gas-Flüssig Dispersion im Innenrohr und der Flüssigkeitsstandhöhe bestimmt. Die zur Erzeugung einer hohen volumenspezifischen Stoffaustauschfläche erforderliche Enerdiedissipationsdichte kann wie in der EP-OS 0075 742 und der DE-PS 33 40 624 beschrieben erreicht werden (zum Begriff der Energiedissipationsdichte siehe Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Aufl., Bd. 3 1973 , S. 358 360). In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei Gas/ Flüssig-Dispersionen, die zur Koaleszenz neigen, wie beispielsweise die Ethylen/EDC-Dispersion, der Aspekt einer homogenen Verteilung bei hinreichend grosser Energiedissipationsdichte in der flüssigen Phase von Bedeutung. Die Forderung wird von den Verfahren gemass den genannten Schutzrechten nur zum Teil erfüllt, so dass bei stöchiometrischer Zugabe nicht umgesetzte gasförmige Reaktanden im Gasraum am Kopf des Reaktors anfallen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, bei der die vorher be schriebenen Nachteile einer inhomogenen Energiedissipationsdichte während der Reaktion und das unerwünschte Aus treten der Reaktanden aus der Reaktionsphase nicht auftreten und damit eine höhere Raumzeitausbeute in der Vorrichtung ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt. Gemäss der Erfindung wird die flüssige mit der gasförmigen Phase in einem statischen Mischer dispergiert und anschliessend in einen Reaktor eingeleitet. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird erreicht, dass die Dispergierung und Induzierung der Reaktion mit einer Energiedissipationsdichte von mehr als 10 kW/m3 bis zu einem Umsatz von mindestens 60 ó erfolgt. Die erhaltene Gas/ Flüssig-Dispersion wird derart von oben in ein Innenrohr des vollständig mit flüssigem Reaktionsprodukt gefüllten Reaktors eingeleitet, dass durch Impulsaustausch der Reaktorinhalt eine Zirkulationsbewegung zentral nach unten und in den Randzonen über eine Umlenkung nach oben aus führt. Die nahezu vollständig umgesetzten Reaktanden verlassen den Reaktor an der tiefsten Stelle als nahezu blasenfreie Reaktionsflüssigkeit. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden die geometrischen Verhältnisse zwischen dem Innenrohr- und dem Reaktordurchmesser so gewählt, dass der Flüssigkeitsstrom im Innenrohr mit einer Geschwindigkeit nach unten strömt, die gleich der oder grösser ist als die Steiggeschwindigkeit der entsprechenden Gasblasen mittlerer Grösse beim Verlassen des statischen Mischers, um eine Blasenkoaleszenz und damit eine Phasentrennung im Reaktor zu vermeiden. Für die Strömung ausserhalb des Innenrohres gilt ebenfalls die Bedingung, dass die Geschwindigkeit des - in diesem Fall nach oben gerichteten - Flüssigkeitsstroms grösser als die Steigge srnwindigkeit der in diesem Strom enthaltenen Gasblasen mittlerer Grösse ist. Dies wird besonders einfach durch die vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung gemäss den Ansprüchen 2, 5 und 6 erreicht. Die Gas,'Flüssig-Dispersion durchströmt nach dem Verlassen des Mischers eine konische Düse. Das er- hältnis des Durchressers Di des Innenrohres zum Durchmesser nü des Düsenaustritts dieser Düse liegt im Bereic von 10# ( Di Dü)z # 80. Das Verhältnis der Länge Li des Innenrohres zum Durchmesser Di des Innenrohres liegt im Bereich 10 ALi/Di L- 30, das Verhältnis des Durchmessers Di des Innenrohres zum Durchmesser D des Reaktors im Bereich 0,4c Di/D L 0,9. Statt der konischen Düse kann auch ein anderer Hohlkörper mit verenctem Querschnitt bei der erfindungsgemässen Vorrichtunc verwendet werden. Vorzugsweise beträgt beim erfindungsgemässen Verfahren gemäss Anspruch 3 ausserhalb des statischen wischers im Betriebszustand im Reaktor die Energiedissipationsdichte mindestens 0,05 kW/m3. Das erfindungsgemässe Verfahren wird nach Anspruch 4 vorzugsweise mit Chlor als in der Reaktionsphase enthaltenem Reaktanden und Ethylen als gasförmigem Reaktanden eingesetzt. Es kann jedoch vorteilhaft auch für andere Reaktionen verwendet werden, wie z.B. Oxidationsreaktionen in der Flüssigphase (beispielsweise Oxidation von i-Butan zu tert. Butylhydroperoxid, p-Xylol zu Terephthalsäure, Ethy len zu Acetaldehyd), Chlorierungen (beispielsweise von Toluol), Carbonylierungen und Hydrierungen. In vorteilhafter Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist der Reaktor zylindrisch. Er kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, z.B. konisch ausgebildet sein. Die -Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert. In Fig. 2 ist schematisch die erfindungsgemässe Vorrichtung dargestellt. Sie besteht in der gezeigten Ausführung aus einem zylindrischen Reaktionsgefäss 6, in welchem das Reaktions- gleich dem Füllvolumen ist, einer von oben nach unten gerichteten Zuleitung der Reaktanden, wie z.B. einer Zuleitung 1 mit in EDC gelöstem Chlor und einer Zuleitung 2 mit gasförmigem Ethylen, einem statischen Mischer 3, in dem die flüssige mit der gasförmigen Phase dispergiert, die Reaktion induziert wird und die Reaktion zum grössten Teil unter Aufwendung einer hohen und einheitlichen Energiedissipationsdichte " 10 kW/m3 abläuft. Die noch verbleibende reaktive Gas/Flüssig-Dispersion wird vorteilhafterweise über eine konische Düse 8 in ein Innenrohr 4 geleitet, das zentral angeordnet und vollständig mit Reaktionsflüssigkeit, wie z.B. EDC, gefüllt ist. Durch Impulsaustausch zwischen der Dispersion aus dem Mischer 3 und dem Inhalt des Reaktors wird eine Zirkulationsströmung erzeugt, die im Innenrohr 4 nach unten gerichtet ist und durch eine Umlenkung 7 ausserhalb des Innenrohrs nach oben geführt wird. Das Verhältnis des Durchmessers Di des Innenrohres zum Durchmesser D des Reaktors wird so gewählt, dass die Strö mungsgeschwindigkeit im Innenrohr zumindest gleich der, vorzugsweise grösser ist als die Steiggeschwindigkeit der Gasblasen beim Eintritt in das Innenrohr 4 . Die mittlere Verweilzeit ergibt sich zwangsläufig für alle Gasblasen aus der Zeitdauer im Innenrohr und im Ringraum ausserhalb des Innenrohres und wird von der Länge des Innenrohres und den entsprechenden Zirkulationsgeschwindigkeiten innerhalb und ausserhalb des Innenrohres durch die Wahl geeigneter Durchmesser-Verhältnisse 0,4 DDi/D i0,9 bestimmt. Das Reaktionsprodukt und die mit dem Chlor eingebrachte Kreislaufmenge sowie nicht umgesetzte Anteile an Reaktanden und Inertbestandteile der Reaktanden, wie z.B. Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid, werden am Austritt 5 aus dem Reaktor geleitet. Beispiel: 3 Eine chlorhaltige EDC-Lösung, bestehend aus 20 m /h EDC, in der 400 kg/h Chlor gelöst sind, wird über die Zuleitung 1 mit 153 kg/h Ethylen über die Zuleitung 2 in den statischen Mischer 3 geleitet. Durch den Reaktions umsatz der exothermen Reaktion wird die chlorhaltige EDC Lösung von 99 0C auf 122 0C beim Verlassen dieser Reaktionszone erwärmt. Am Austritt 5 des Reaktors wird eine Produkttemperatur von 1320C bei einem Ethylenumsatz von etwa 980D gemessen.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Durchführung von heterogenen, stoff transportlimitierenden Reaktionen mit einem in der flüssigen, katalysatorhaltigen Reaktionsphase ent haltenen, gegebenenfalls gelösten, und einem gas förmigen Reaktanden mittels einer Vorrichtung, wel che einen Reaktor mit einem Innenrohr, einer Zu leitung der Reaktanden und einem Austritt aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass a) beide Reaktanden von oben nach unten zunächst in einen statischen Mischer (3), in welchem eine Dis pergierung der flüssigen mit der gasförmigen Phase stattfindet, und anschliessend in den Reaktor (6) ein geleitet werden, b) die Dispergierung und Induzierung der Reaktion mit einer Energiedissipationsdichte von mehr als 10 kW; ; m3 bis zu einem Umsatz von mindestens 60 im Mischer i3) erfolgt, c) die noch nicht vollständig umgesetzte Gas/Flüssig- Dispersion in das Innenrohr (4) des Reaktors (6) geleitet wird und hierbei eine Zirkulationsströmung von oben nach unten bewirkt, deren Geschwindigkeit gleich der Steiggeschwindigkeit der Gasblasen beim Eintritt in das Innenrohr oder grösser als diese ist, d) die Reaktorflüssigkeit durch eine Umlenkung (7) ausserhalb des Innenrohres nach oben geleitet wird, und e) der Austritt der Reaktionsprodukte und der Kreis laufprodukte am Boden des Reaktors erfolgt. 2. Verfahren na-h Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die uas/Flüssig-Dispersion nach dem Ver lassen des Mischers (3) eine konische Düse (8) durch strömt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass ausserhalb des statischen Mischers (3) im Betriebszustand im Reaktor (6) die Energiedissi pationsdichte mindestens 0,05 kW beträgt. m 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als in der Reaktionsphase ent haltener Reaktand Chlor und als gasförmiger Reaktand Ethylen eingesetzt wird. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 1 bis 4, welche einen Reaktor mit einem Innenrohr, einer Zuleitung der Reaktanden und einem Austritt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich im oberen Teil des Reaktors (6) ein statischer Mischer befindet, an dessen unterem Ende eine koni sche Düse angebracht ist, wobei das Verhältnis des Durchmessers Di des Innenrohres (4) zum Durchmesser Dü des Düsenaustritts der Düse (8) im Bereich von 10r(Di/Dü) 80 liegt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge Li des Innenrohres (4) zum Durchmesser Di des Innenrohres (4) im Bereich von 10# Li # 30 und das Verhältnis des Durchmessers Di des Innenrohres (4) zum Durchmesser D des Reaktors (6) im Bereich von 0,4 # Di < 0,9 liegt. D 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der Reaktor (6) zylindrisch ist.

Inventors: HOFMANN, GERHARD, PIOTROWSKI, BERNHARD, DR.
Applicants: HULS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: B01J10
IPC codes: C07C17, B01J19, C07C19, C07C67, B01J10