NO127427B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for kontinuerlig utførelse av katalytiske reaksjoner i væskefase.

Det er teoretisk enkelt å bringe fly-tende og faste faser i intim kontakt med hverandre, men i praksis forekommer mange problemer for hvilke det ikke gis noen alminnelig løsning.

Ved slutten av reaksjonen oppstår også den oppgave å skille det faste og det fly-tende stoff. Anvendelsen av faste katalysatorer for reaksjoner i væskefase, f. eks. forestring, hydrolyse, kondensering, hy-dratisering, epoksydering o.s.v. for bare å nevne noen, blir stadig viktigere etter at det er kommet på markedet joneutveks-lings-harpikser i form av pulver med kjent granulometri.

De beste metoder som hittil er brukt for anvendelse av joneutvekslere utnytter faste lag, idet et vertikalt lag med konstant tverrsnitt av katalysatoren gjen-nomstrømmes ovenfra og nedover av de reagerende stoffer som skal bringes i be-røring med hverandre for å gjennomføre en bestemt reaksjon.

Det apparat som tjener til å gjennom-føre metoden med fast lag krever, nederst i reaksjonskammeret en anordning som i alminnelighet er temmelig innviklet for ved slutten av reaksjonen å skille reaksjonsproduktene fra katalysatoren (f. eks. siler, porøse plater o.s.v.).

Selv om det faste lag i alminnelighet

er tilfredsstillende når det dreier seg om å arbeide med rene produkter, uten stoffer i suspensjon, og under slike forhold at det ikke kan forekomme gasser eller damper, passer det faste lag ikke lenger når de

krav som er stillet ovenfor ikke er tilfreds-stillet. Stoffer i suspensjon stopper raskt igjen enten den innretning som skal holde katalysatoren tilbake nederst i reak-sjonsrummet eller selve katalysatoren og sjenerer, inntil full stopp, strømningen av væsken gjennom katalysatormassen.

Dannelsen av en gassfase, selv med lite volum, bidrar til å danne gass-lommer som kan gå så langt som til å dele opp katalysatorlaget i klart adskilte skiver. Disse gasslommer forsvinner ikke og blok-kerer reaksjonsrommet idet de motsetter seg den nedadgående strøm av reagerende stoffer.

Det vertikale, suspenderte lag med konstant tverrsnitt forsinker de ulemper som er nevnt ovenfor, men opphever dem ikke. Gjenstopping av bæreren er stadig mulig med stoffer i suspensjon. Oppdelin-gen av katalysatorlaget ved hjelp av mel-lomliggende gass- eller damplommer er endog forverret i den grad at de avdelin-ger som dannes på denne måten kan bli kastet ut av reaksjonsrommet.

Det er tidligere kjent en fremgangsmåte for å bringe en væske i berøring med en joneutveksler som holdes i suspendert lag ved hjelp av væskestrømmen i et apparat som har form av en omvendt konus, men i dette tilfelle dreiet det seg om en ren joneutveksling. Da det i det tilfelle ikke forekommer noen annen slags reaksjon, vil det ikke utvikles gasser eller damper slik som i foreliggende tilfelle hvor det skal utføres kjemiske reaksjoner hvor joneutvekslerne benyttes som katalysatorer. Ved kjemiske reaksjoner i et joneut-vekslingslag har det praktisk talt ikke vært til å unngå at det dannes en gass-formet fase da enten sekundærreaksjoner bevirker dannelse av gassformede bipro-dukter, eller det utvikles damper ved de temperaturer hvor-reaksjonen finner sted, eller av begge disse grunner. Disse gasser og damper vil samle seg i lommer som de-ler katalysatorlaget og derved bevirke slike alvorlige ulemper som er nevnt ovenfor og kan endog bevirke at katalysatoren delvis er blitt slynget ut av reaksjonsrommet.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en fremgangsmåte hvor de ulemper som er angitt ovenfor er unngått og bygger på anvendelse av faste katalysatorer som holdes i suspendert lag ved hjelp av en væske-strøm som passerer reaksjonsområdet nedenfra og oppover.

Et karakteristisk trekk ved denne fremgangsmåte består i at reaksjonen ut-føres i et område hvis indre tverrsnitt øker nedenfra og oppover, spesielt et område med form som en avkortet konus.

I en særlig hensiktsmessig form for fremgangsmåten kan den væske som inn-føres pr. tidsenhet nederst i reaksjonsområdet reguleres slik at det oppnås en lineær hastighet som er 10—30 ganger større enn fallhastigheten for katalysa-torpartiklene i det medium som forelig-ger.

Under henvisning til tegningen skal det nå beskrives et eksempel på hvorledes oppfinnelsen kan bringes til utførelse.

Fyllingen med fast katalysator strek-ker seg opp til høyden 6 slik at det i den øvre del av reaksjonskammeret 1 blir et område uten katalysator. De reagerende stoffer blir ført inn i den nedre del gjennom en ledning 2 som er utstyrt med en stoppekran 4 med samme tverrsnitt slik at katalysatoren kan holdes tilbake ved stans. Reaksjonsproduktene blir tatt ut gjennom en ledning 3 eller, like godt, gjennom en ledning 3' som går ut fra en ring-formet kantrenne 5.

På grunn av den koniske form som er brukt avtar væskehastigheten gradvis etterhvert som væsken når det øvre parti av reaksjonskammeret. Utvidelsen av katalysatorlaget, som er avhengig av hastig-heten vil følgelig også avta.

Den mengde væske som føres inn nederst i reaksjonskammeret pr. tidsenhet blir regulert under hensyntagen til arten og granuleringen av katalysatoren slik at det oppnås en lineær hastighet som er 10—30 ganger så stor som fallhastigheten, i vedkommende medium, for katalysator-partiklene, idet denne fallhastighet er bestemt etter Stokes regel. Som eksempel kan det nevnes at når det gjelder en katalysator av typen av sulfonert polystyren-har-piks med en partikkeldiameter på 0,1—1 mm blir det i alminnelighet valgt en hastighet nederst av størrelsesordenen 1,5— 3 m/sek.

Konusvinkelen bestemmes slik at væskehastigheten i den øvre del av reaksjonskammeret blir mindre enn fallhastigheten for de faste partikler og at følgelig tap av katalysator ved medriving blir unngått. Denne vinkel kan variere fra 5 til 60°. Under disse forhold vil under normal drift katalysatormassen holde seg i suspensjon i væsken, idet områder uten katalysator kan forekomme både nederst og i den øvre del av apparatet.

Det koniske reaksjonskammer i henhold til oppfinnelse har tallrike fordeler: Først og fremst medfører dannelsen av gass eller damp ikke lenger noen van-skelighet. Det legges faktisk merke til at blærene ikke lenger søker å samle seg for å danne gassholdige lommer og de frigjør seg lett.

Dessuten er det suspenderte lag alltid i hvirveltilstand, hvilket er gunstig for ut-veksling av stoffer og varme. Denne tur-bulens tillater likeledes å utføre reaksjoner på grunnlag av heterogene væske-blandinger og letter fjerningen av stoffer i suspensjon.

Endelig gjør den koniske form det mulig å utnytte katalysatorer hvis granule-ring ikke nødvendigvis er homogen og som ordner seg selv i reaksjonskammeret i lag som tilsvarer de forskjellige partikkelstør-relser.

Det er kjent at oppholdstiden for de reagerende stoffer på katalysatoren kan bestemmes ved integrering av de kinetiske likninger for reaksjonen. Hvis det i alle tilfeller forutsettes en fullkommen berø-ring mellom de reagerende stoffer innbyr-des iog med katalysatoren, er det et apparat med diskontinuerlig drift som fører til den minste oppholdstid for å oppnå et bestemt resultat. Omvendt vil et apparat med kontinuerlig drift i et eneste trinn, dvs. hvor samtlige reagerende stoffer, katalysatoren og reaksjonsproduktene blir best mulig homogenisert, føre til den leng-ste oppholdstid.

Flerdoblingen av trinnene i et apparat for kontinuerlig drift bevirker en ned-settelse av oppholdstiden slik at det, som grenseverdi, vil oppnås samme tid som ved diskontinuerlig drift når antallet av trinn blir uendelig.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen oppfører seg som et apparat med kontinuerlig drift med et stort antall trinn, idet den tid som er nødvendig for å oppnå et bestemt resultat er meget lite, lenger enn den tid som er nødvendig i et apparat med diskontinuerlig drift.

Reguleringen av den mengde reagerende stoffer som føres inn pr. tidsenhet foretas følgelig slik at den samlete oppholdstid på katalysatoren er litt lenger

(av størrelsesorden 1,3—1,5 ganger så lang)

som den tid som er nødvendig ved diskontinuerlig drift for å oppnå det tilstrebte resultat.

I alminnelighet tilstrebes det å oppnå termodynamisk likevekt for de temperatur-og trykk-forhold som benyttes, hvilket i det vesentlige avhenger av det molekylære forhold mellom de reagerende stoffer som deltar.

Da det apparat som er beskrevet kan benyttes for utførelse av tallrike, meget forskjellige reaksjoner, kan dette moleky-lærforhold ikke angis nøyaktig, det avhenger i høy grad av de metoder som benyttes for den etterfølgende atskillelse av re-aksj onsproduktene.

Det kan endog i visse tilfeller være fordelaktig, sammen med blandingen av de reagerende stoffer å tilbakeføre en del av det produkt som er fremstillet for å lette atskillelsen. Ved beregningen av den oppholdstid som er nødvendig må det tas hensyn til den endring i likevektsforhol-dene som er følgen.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen kan anvendes under trykk og ved enhver ønsket temperatur. Varmeutvekslinger kan eventuelt tilføyes, i form av et dob-belt hylster eller en rørslange nedsenket i katalysatormassen, idet katalysatorens hvirveltilstand muliggjør disse utvekslinger som er vanskelige å gjennomføre med et fast lag.

Det skal nå gis noen eksempler på hvorledes oppfinnelsen kan bringes til ut-førelse:

Eksempel 1:

Hydrolyse av metylacetat.

Nederst i et konisk reaksjonskammer med en vinkel på 18° og et samlet rominnhold på 2500 liter, fylt med 1500 liter katalysator (sulfonert polystyren «Allas-sion C S» med kornstørrelse 0,1—1 mm), føres det kontinuerlig inn en kokende he-terogen blanding som utgjøres av:

1260 kg/t metylacetat

480 kg/t vann

Reaksjonskammeret arbeider under et absolutt trykk på 3,5 kg. Hydrolysegraden holder seg på 27 pst. etter 2200 timers ef-fektiv drift, uten at det ble merket noen senkning av katalysatorens aktivitet.

Eksempel 2:

Fremstilling av butylacetat.

Nederst i et reaksjonskammer som ut-gjøres av en konus med vinkel 20° med et samlet volum på 1500 liter, fyllt med 900 liter katjonutveksler i «vannstofformen» med kornstørrelse 0,3—1,5 mm, føres det inn 4000 l/t av en blanding med følgende sammensetning:

Ved utgangen fra reaksjonskammeret, som holdes på 110° under et absolutt trykk på 3 kg/cm2, er blandingens sammensetning:

Denne blanding blir ført til en kjele med en høyereliggende destilleringssøyle hvor det ved toppen tas ut 66 kg butylacetat og 10 kg vann pr. time, mens den væske som strømmer bort nederst føres til reaksjonskammeret. Kjelen tilføres også 34 kg eddiksyre og 42 kg butylalko-hol pr. time, slik at væsken ved foten av søylen opprettholder den sammensetning sqm passer for tilførsel til det reaksjonskammer som er angitt ovenfor.

Eksempel 3:

Fremstilling av mesityloksyd.

I et reaksjonskammer med et samlet rominnhold på 1,4 liter og vinkelen 18°, fyllt med 200 cm<3> «Allassions C S» med kornstørrelse 0,05—0,2 mm, føres det inn rent vannfritt aceton i en mengde på 1500 cmVtime. Reaksjonen utføres ved tempe-raturen 90°. Under disse forhold blir 10 pst. av acetonet omdannet, med en om-dannelsesytelse på 85—92 pst. som mesityloksyd.

Eksempel 4: Hydrolyse av sakkarose.

I et konisk reaksjonskammer med vinkel 40°, fylles det 2 liter utveksler «Allas-sion C S» med kornstørrelse 0,1—1,5 mm. En 40 pst. sakkaroseoppløsning føres gjennom med en hastighet på 1,5 liter/time ved en temperatur av 60—75°.

Utveksleren utvider seg og opptar et volum på 2,360 liter under drift. Omdan-nelsen av sakkarose til glukose og levulose er 100 pst.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig utførelse av katalytiske reaksjoner i væskefase, i nærvær av faste katalysatorer sdm holdes i suspendert lag ved hjelp av den væskestrøm som passerer reaksjonsområdet nedenfra og oppover, karakterisert ved at reaksjonen utføres i et område hvis indre tverrsnitt øker nedenfra og oppover, spesielt et område med form som en avkortet konus.

2. Fremgangsmåte som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at den væske som innføres pr. tidsenhet nederst i reaksjonsområdet reguleres slik at det oppnås en lineær hastighet som er 10—30 ganger større enn fallhastigheten for kataly-satorpartiklene i det medium som fore-ligger.