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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von chemischen und elektrochemischen Reaktionen bzw. Austauschreaktionen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen bzw. Austauschreaktionen zwischen unterschiedlich benetzenden, nicht vollständig mischbaren Phasen oder zwischen den in ihnen gelösten Stoffen. Es kann sich hiebei um Reaktionen zwischen flüssigen Phasen bzw. zwischen einer flüssigen Phase und einem Gas handeln.
In derartigen Systemen ist die Reaktionsgeschwindigkeit etwa proportional der Berührungsfläche zwischen den beiden Phasen. Deshalb hat man bisher durch Emulgieren od. ähnl Schritte eine möglichst grosse gegenseitige Berührungsfläche geschaffen. Dieser Vorgang benötigt Energie wie oftmals auch die anschliessende Auftrennung der Phasen.
Ist die eine Phase ein Gas, so wird dieses nach einem bekannten Vorschlag mittels einer feinen Düse in Form kleiner Bläschen durch die Flüssigkeit geleitet. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, die Flüssigkeit durch eine Füllkörperkolonne zu leiten, wo sie auf den Füllkörper eine grosse Oberfläche gegen das entgegenströmende Gas annimmt.
Handelt es sich um eine homogen katalysierte Reaktion, so kann der Katalysator der einen Phase beigegeben werden : handelt es sich hingegen um eine heterogen katalysierte Reaktion, so wird der Katalysator auf die Füllkörper aufgebracht oder in kolloidaler Form einer der Phasen beigegeben.
Beispiele für derartige Reaktionen und für deren zweckmässige Durchführung sind den Lehrbüchern für Verfahrenstechnik und chemische Technologie zu entnehmen.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden dagegen die beiden miteinander reagierenden Phasen innerhalb der Poren eines porösen Körpers dadurch in innigen Kontakt gebracht, dass in den Poren eines Körpers mit einem Spektrum unterschiedlich grosser Poren die schlechter benetzende Komponente gegenüber der besser benetzenden unter einen statischen Überdruck gesetzt und damit ein zusammenhängender Teil der grösseren Poren von der schlechter benetzenden, ein zusammenhängender Teil der kleineren Poren von der besser benetzenden Phase erfüllt wird, und die beiden Komponenten durch Erzeugen eines statischen Druckgefälles innerhalb einer oder beider Phasen in den unterschiedlichen Porensystemen durch den porösen Körper geleitet werden.
Das dem erfindungsgemässen Verfahren zugrundeliegende Prinzip ist am einfachsten am Beispiel zweier Phasen zu erläutern, von denen die eine die Oberfläche des porösen Körpers gut, die andere diese Oberfläche schlecht benetzt.
Bringt man zunächst die gut benetzende Flüssigkeit mit dem porösen Körper in Berührung, so dringt sie unter dem Einfluss der Kapillarkräfte in die Poren ein und erfüllt diese vollständig. Bringt man danach den porösen Körper mit der schlecht benetzenden Phase in Berührung, so kann diese nur dann in die
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Poren eindringen, wenn sie gegenüber der gut benetzenden Phase unter einem hydrostatischen Überdruck steht. Dabei werden um so mehr Poren erfüllt, je grösser dieser Überdruck ist.
Bezeichnet Ap den hydrostatischen Druckunterschied, a die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten, eden Grenzflächenwinkel an der Festkörperoberfläche und r den Porenradius, so
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denen das eine mit der gut benetzenden, das andere mit der schlecht benetzenden Phase erfüllt ist und in denen beide Substanzen unter dem Einfluss von hydrostatischen Druckgefällen innerhalb der einzelnen Phasen strömen können. Auf diese Weise haben die Phasen eine grosse gegenseitige Oberfläche, die überdies ständig durch die Strömung erneuert wird.
Gemäss einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens können die beiden Phasen entweder im Kreuzstrom oder im Gegenstrom zueinander geführt werden. Es ist aber auch möglich, die beiden Phasen gleichsinnig durch den porösen Körper zu leiten.
In manchen Fällen ist es zweckmässig, zumindest eine Phase nacheinander zwei oder mehr Reak- tionskörpem im Kreislauf zuzuführen.
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Verfahrens die Phasen in den Poren des Körpers mit Katalysatormaterial in Berührung gebracht.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, dass der poröse Reaktionskörper zumindest einen Bereich aufweist, der zwischen feinporigen Deckschichten liegt, die der Zu- bzw. Abführung der besser benetzenden Phase dienen, dass zwei oder mehr Rohrleitungen durch die Deckschichten in den porösen Reaktionskörper hineinragen, über die die schlechter benetzende Phase unter Überdruck stehend zu-bzw. abströmt, während die übrigen Oberflächenbereiche zwischen den eingrenzenden Deckschichten für die Phasen undurchlässig sind.
Für spezielle Zwecke besteht der Reaktionskörper aus einem katalytisch aktiven Material oder enthält dieses an den Porenwänden.
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt
Fig. l zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Schnitt, Fig. 2 eine Kombination zweier derartiger Vorrichtungen und Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung elektrochemischer Reaktionen.
In Fig. l ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt werden kann. Hierin ist --1-- die Wandung des Reaktionsgefässes, --2-- der poröse Körper, --3-- sind
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die schlecht benetzende Komponente zu- und über das gleichartige Rohr --5-- abgeführt. Mit --6-- ist der Bereich bezeichnet, über den die bei --7-- fliessende gut benetzende Phase zugeführt wird.
Um den gewünschten Reaktionsablauf zu erzielen, wird bei --6-- ein leichter Überdruck gegen- über Raum --7-- in der gut benetzenden flüssigen Phase erzeugt. Unter diesem Druckgefälle strömt diese durch die Deckschichten --3-- und die Poren des Körpers --2--.
Gegenüber der gut benetzenden Komponenten steht die schlecht benetzende Komponente insgesamt unter einem Überdruck Ap, unter dessen Einfluss sie einen Teil der Poren von --2-- erfüllt. Durch Einstellung eines Druckgefälles zwischen --4 und 5-- strömt die schlecht benetzende Komponente vorzugsweise im Gegenstrom zu der gut benetzenden durch den Reaktionskörper.
Durch die ausserordentlich feine Verteilung besitzen die beiden reagierenden Phasen eine sehr grosse gegenseitige Berührungsfläche. Handelt es sich um eine Reaktion, bei der der Katalysator in einer der Komponenten gelöst ist, so findet die Reaktion über der gesamten Meniskenfläche zwischen den beiden Phasen statt.
Hiebei ist es gleichgültig, ob die beiden Phasen unmittelbar miteinander reagieren oder ob die Reaktion zwischen in den Phasen gelösten Stoffen stattfindet. Insbesondere gehören auch Austauschreaktionen hiezu, in deren Verlauf eine gelöste Komponente aus der einen Phase in die andere unter dem Einfluss eines chemischen Potentialgefälles übertritt.
Bei heterogen katalysierten Reaktionen kann der poröse Körper aus dem Katalysatormaterial selbst bestehen oder dieses kann in ihm eingebettet sein. In diesem Fall findet die Reaktion dort statt, wo die drei Phasen zusammenstossen, also an den Dreiphasengrenzen zwischen dem Katalysator und der gut und schlecht benetzenden Phase.
In den meisten Fällen wird es sich um metallische poröse Körper handeln, bei denen die Reaktionswärme besonders leicht zu-bzw. abzuführen ist, wenn auch die Wandung des Reaktionsgefässes aus Me-
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tall besteht. Diesen kann man dann aussen mit einer Heiz- oder Kühlwicklung oder mit Rippen zum besseren Wärmeaustausch versehen. Auf diese Weise kann man in einem langgestreckten Reaktionsgefäss auch ein Temperaturgefälle in Flussrichtung einer der beiden Komponenten erzeugen, wenn dies für eine bessere Reaktionsführung wünschenswert ist.
Fig. 2 zeigt die Kombination zweier erfindungsgemässer Vorrichtungen zur Übertragung einer in der Phase --8-- gelösten Komponente --A-- auf eine Phase --10-- mit Hilfe einer gut benetzenden Übertragungsflüssigkeit --9--. Die schlecht benetzende Phase --8-- wird unter Überdruck bei --15-- zugeführt und durchfliesst auf dem Wege zum Auslass--14-- die Poren des Körpers --12-- im Gegenstrom zur Phase --9--, die bei --17-- ein- und bei --16-- austritt, --13-- sind Deckschichten, --11-- ist das Reaktionsgefäss.
Die Phase --9-- wird auf ihrem Wege an der gelösten Komponente --A-- angereichert und über
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Von hier aus führt die Strömung über die feinporige Schicht --23-- in den Körper --22--, wo die gelöste Komponente --A-- auf die im Gegenstrom zu Phase --9-- fliessende Phase --10-- übertragen wird. Diese Phase --10-- wird bei --24-- zu- und bei --25-- abgeführt. --21-- ist das Reaktionsgefäss. Bei --27-- fliesst die an --A-- verarmte Phase --9-- über Rohr --28-- in Raum --17-- zurück.
Statt eines gemeinsamen Kreislaufes der benetzenden Phase --9-- kann auch eine schlecht benetzende Phase zu einem gemeinsamen Kreislauf zwischen zwei derartigen Reaktionsgefässen dienen, um eine Substanz von einer schlecht benetzenden Phase auf eine andere zu übertragen.
Es kann vorkommen, dass die im Kreislauf geführte Phase den einen porösen Körper relativ gut, den andem porösen Körper im Vergleich zu der im Gegenstrom fliessenden Phase relativ schlecht benetzt.
In diesem Fall wird Rohr-28-mit-24-und --28-- mit --24-- und Rohr --20-- mit --25-- verbunden und durch geeignete Wahl der Systemdrucke der Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens gewährleistet.
Im übrigen sei bemerkt, dass die Trennung der beiden Phasen im porösen Reaktionskörper immer
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netzend sind in diesem Sinne relativ aufzufassen.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch unter Einwirkung elektrischer Energie durchgeführt wer- den. In diesem Falle strömt der Elektrolyt durch die feinen Poren, die schlecht benetzende Phase durch die gröberen Poren einer Elektrode.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen elektrochemischen Verfah- rens. --31-- ist die Wandung des Reaktionsgefässes, in dem sich der Reaktionskörper-32-- befindet.
Dieser ist zur umgebenden Elektrolytflüssigkeit in den Räumen --36 und 37-- hin mit feinporigen Deckschichten --33-- versehen. Zwischen den Räumen --34 und 35-- strömt die schlechter benetzende
Komponente. Die Gegenelektroden befinden sich in den Räumen --36 und 37--. --38-- ist der elek- trische Kontakt, über den die Elektronen als Reaktionspartner zu-oder abgeführt werden. Da der Trans- port der Reaktionspartner durch Ionenwanderung im elektrischen Feld erfolgt, braucht der Elektrolyt bei genügend schneller Diffusion der Reaktionspartner innerhalb der elektrolyterfüllten Poren des Reaktions- körpers nicht unbedingt zu strömen.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele.
Beispiel 1 : Die Versuchsanordnung zur CO-Wäsche eines H2/CO2-gemisches mit 25 Vol.-%
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körper dient ein poröser Nickelkörper, der bei 350 C mit 1 t/cm2 aus einem Carbonylnickel-KCl-Pul- vergemisch hergestellt worden war. Der Körper hat bei 40 mm Durchmesser eine Höhe von 30 mm und trägt an beiden Stirnflächen 0,5 mm dicke Deckschichten, die ohne KCl-Zusatz allein aus Catbonylnickelpulver gefertigt worden waren. Nickelrohre von 3 mm Durchmesser reichen durch die Deckschichten in den Reaktionskörper, der im übrigen von einem Plexigum-Mantel umpresst ist. Beim Versuch werden gemäss Fig. 2 zwei derartige Körper verwendet, die von der Diäthanolamin-Lösung (Phase 9) durchflossen werden.
Die Temperatur beträgt im Reaktionskörper--22--, den das zu reinigende Gas- gemisch durchströmt (Phase 10), 25OC, im Reaktionskörper --12--, aus dem das CO aus der Lösung ausgetrieben und auf einen unter 0, 2 atü stehenden Luftstrom (Phase 8) übertragen wird, 75 C. Der aus dem Reinigungsprozess hervorgehende Wasserstoff besass nur noch eine geringe CO-Konzentration, die unter 100 Tpm lag
Beispiel2 :DiesesBeispielbeziehtsichaufdiechemischeReaktionzwischeneinemgasförmi-
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