Sαhrägrohrreaktor Sαhrägrohrreaktor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen homogenen oder heterogenen chemischen Reaktor gegebenenfalls für homogene oder heterogene Reaktionen und Phasentrennungen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The present invention relates to a homogeneous or heterogeneous chemical reactor, optionally for homogeneous or heterogeneous reactions and phase separations with the features specified in the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik ist ein Bettreaktor bekannt, bei welchem ein Flüssigkeitsstrom oder Gasstrom durch eine Schichtung, von Festkörperpartikeln geleitet wird. Der urα- strömte Festkörper kann ein Reaktant, ein Katalysator oder ein inerter Stoff sein. Der Aufbau ist ein senkrechter Turm. Die Strömung erfolgt von oben nach unten.A bed reactor is known from the prior art, in which a liquid stream or gas stream is passed through a stratification of solid particles. The primary solid flow can be a reactant, a catalyst or an inert substance. The structure is a vertical tower. The flow is from top to bottom.
Ein derartiger bekannter Bettreaktor weist zahlreiche Nachteile auf:Such a known bed reactor has numerous disadvantages:
Ein besonders gravierender Nachteil des bekannten Bettreaktors ist darin zu sehen, daß er beispielsweise im Falle von mehreren Umsetzungsprodukten lediglich eine Mischung hiervon abgibt, welche gegebenenfalls mühsam, zeitaufwendig und unter erheblichem apparativem Aufwand aufzutrennen ist.A particularly serious disadvantage of the known bed reactor can be seen in the fact that, for example in the case of a plurality of reaction products, it only releases a mixture thereof, which can be laborious, time-consuming and requires considerable equipment outlay.
Außerdem besteht bei einem Bettreaktor stets die Gefahr eines Zusetzens des Reaktors, wenn dieser mit zähflüssigeren oder festen Substanzen beschickt wird.In addition, with a bed reactor there is always the risk of the reactor becoming clogged when it is charged with more viscous or solid substances.
Ein Bettreaktor ist folglich nicht zur Phasentrennung und zur Abtrennung fester oder viskoser Substanzen geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines chemischen Reaktors, welcher zum einen die Durchführung chemischer Reaktionen ermöglicht und zum anderen gleichzeitig zumindest in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht der in der Reaktionsmischung enthaltenen oder dort gebildeten Substanzen deren Separierung (Phasentrennung) auf besonders effektive, einfache, ko- stengünstige und schnelle Art und Weise sowie ohne zusätzlichen apparativen Aufwand unter Ausschluß einer Gefahr des Zusetzens erlaubt.A bed reactor is therefore not suitable for phase separation and for the separation of solid or viscous substances. The object of the present invention is therefore to provide a chemical reactor which, on the one hand, enables chemical reactions to be carried out and, on the other, at the same time, depending on the specific weight of the substances contained in or formed in the reaction mixture, their separation (phase separation) to be particularly effective , simple, inexpensive and quick manner and without additional equipment, excluding the risk of clogging.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemä- ßen Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved in a generic device by the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche .Particularly preferred embodiments are the subject of the dependent claims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:Embodiments of the invention are described in more detail with reference to the drawing. It shows:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfin- dungsgemäßen Schrägrohrreaktor mit Bypaß .1 shows a schematic cross section through an inclined tube reactor according to the invention with a bypass.
Der erfindungsgemäße homogene oder heterogene chemische Schrägrohrreaktor ist beispielsweise für homogene Gasoder Flüssigphasenreaktionen oder heterogene Gas-, Flüs- sig-Flüssig- oder Feststoff-Flüssigkeits-Reaktionen oder für die homogene oder heterogene Katalyse und/oder für Phasentrennungen, Separationszwecke oder dergleichen einsetzbar .
In der Regel umfaßt der erfindungsgemäße Schrägrohrreaktor ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehrere gerade oder gekrümmte Schrägrohre (17; 15, 16) .The homogeneous or heterogeneous chemical inclined tube reactor according to the invention can be used, for example, for homogeneous gas or liquid phase reactions or heterogeneous gas, liquid-liquid or solid-liquid reactions or for homogeneous or heterogeneous catalysis and / or for phase separations, separation purposes or the like. As a rule, the inclined tube reactor according to the invention comprises one, two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten or more straight or curved inclined tubes (17; 15, 16).
Diese Schrägrohre (17; 15, 16) sind gegenüber der Horizontalen (1) beispielsweise in einem spitzen Winkel α ausgerichtet oder können die Horizontale (1) in einem spitzen Winkel α schneiden, der im Bereich von 40° bis 80°, vor- zugsweise in einem Bereich von 45° bis 78°, insbesondere in einem Bereich von 55° bis 75°, liegt.These inclined tubes (17; 15, 16) are aligned at an acute angle α with respect to the horizontal (1), for example, or can cut the horizontal (1) at an acute angle α, preferably in the range from 40 ° to 80 ° is in a range from 45 ° to 78 °, in particular in a range from 55 ° to 75 °.
Im Allgemeinen sind die Schrägrohre (17; 15, 16) zueinander parallel oder zumindest hinsichtlich ihres unteren Ab- Schnittes (2) aufeinander zulaufend ausgerichtet sind.In general, the inclined pipes (17; 15, 16) are parallel to each other or at least aligned with each other with respect to their lower section (2).
Alternativ hierzu können sich die Schrägrohre (17; 15, 16) schneiden oder in ihrer Gesamtheit oder zumindest im Bereich ihrer unteren Abschnitte (2) Y- oder V-artig itein- ander in Verbindung stehen (siehe Figur 1) .As an alternative to this, the inclined pipes (17; 15, 16) can cut or can be connected to one another in their entirety or at least in the area of their lower sections (2) in a Y or V-like manner (see FIG. 1).
Vorzugsweise sind in dem Bereich des Zusammentreffens der unteren Bereiche (2) der Schrägrohre (17; 15, 16) oder unterhalb dieses Bereiches eine oder mehrere kontinuierlich oder diskontinuierlich offenbare und verschließbare Auslaßöffnungen (19) für eine chemische Substanz (9) mit einem größeren spezifischen Gewicht vorgesehen.Preferably in the area of the meeting of the lower areas (2) of the inclined tubes (17; 15, 16) or below this area are one or more continuously or discontinuously openable and closable outlet openings (19) for a chemical substance (9) with a larger specific Weight provided.
In der Regel weist der erfindungsgemäße chemische Reaktor im oberen Endbereich (3) des mindestens einen Einlaß- Schrägrohres (16) eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (4) für das umzusetzende und/oder zu separierende Reaktionsgemisch (5) auf.
In dem oder den Endbereichen (8) der einen oder mehreren Auslaßschrägrohre (15) kann der erfindungsgemäße chemische Reaktor über jeweils eine oder mehrere Austrittsöffnungen (6) verfügen, gegebenenfalls für das zumindest teilweise oder vollständig umgesetzte Reaktionsprodukt (7) mit geringerem spezifischen Gewicht und/oder für eine andere abzutrennende chemische Substanz mit einem geringeren spezifischen Gewicht.As a rule, the chemical reactor according to the invention has, in the upper end region (3) of the at least one inclined inlet pipe (16), one or more inlet openings (4) for the reaction mixture (5) to be converted and / or separated. In the end region (s) (8) of the one or more inclined outlet pipes (15), the chemical reactor according to the invention can each have one or more outlet openings (6), optionally for the at least partially or completely converted reaction product (7) with a lower specific weight and / or for another chemical substance to be separated with a lower specific weight.
Es liegt auf der Hand, daß der erfindungsgemäße chemische Reaktor kontinuierlich (Durchflußreaktor) oder diskontinuierlich betreibbar ist.It is obvious that the chemical reactor according to the invention can be operated continuously (flow reactor) or discontinuously.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen umfaßt der erfindungsgemäße chemische Reaktor in seinem oberen Bereich und/oder in seinem mittleren Bereich und/oder in seinem unteren Bereich einen oder mehrere Bypässe (18) zur Verbindung aller Schrägrohre (17; 16, 15) oder zumindest ei- nes Teils hiervon.In particularly preferred embodiments, the chemical reactor according to the invention comprises, in its upper region and / or in its central region and / or in its lower region, one or more bypasses (18) for connecting all inclined pipes (17; 16, 15) or at least one Part of it.
In der Regel ist jeder Bypaß (18) im wesentlichen horizontal oder schräg ausgerichtet.As a rule, each bypass (18) is oriented essentially horizontally or obliquely.
Vorzugsweise umfaßt das mindestens eine Einlaß-Schrägrohr (16) des erfindungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktors abschnittsweise oder über seine gesamte Länge eine oder mehrere Verwirbelungseinrichtungen (21) .Preferably, the at least one inlet inclined tube (16) of the chemical inclined tube reactor according to the invention comprises one or more swirling devices (21) in sections or over its entire length.
Diese Verwirbelungseinrichtungen (21) sind beispielsweise in Form von Kaskaden (20) oder Treppen ausgebildet und dienen insbesondere zur Phasentrennung und/oder zur Vermischung des umzusetzenden Reaktionsgemisches (5) und damit zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit sowie des Reaktordurchsatzes .
Vorzugsweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit des umzusetzenden und/oder zu separierenden Reaktionsgemisches (5) in dem Einlaß-Schrägrohr (16) beispielsweise mit einer Verwirbelungseinrichtung (21) im Bereich von 0,01 m pro Sekunde bis 2,0 m pro Sekunde, vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 1,5 m pro Sekunde, insbesondere im Bereich von 0,03 m pro Sekunde bis 1,0 m pro Sekunde.These swirling devices (21) are designed, for example, in the form of cascades (20) or stairs and are used in particular for phase separation and / or for mixing the reaction mixture (5) to be reacted and thus for increasing the reaction rate and the reactor throughput. The flow velocity of the reaction mixture (5) to be converted and / or separated in the inlet inclined tube (16), for example with a swirling device (21), is preferably in the range from 0.01 m per second to 2.0 m per second from 0.02 to 1.5 m per second, in particular in the range from 0.03 m per second to 1.0 m per second.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen chemischen Reaktors kann jedes AuslaßschrägrohrIn particularly preferred embodiments of the chemical reactor according to the invention, each outlet inclined tube can
(15) oder zumindest ein Teil hiervon abschnittsweise oder über seine gesamte Länge innenseitig eine oder mehrere Verwirbelungseinrichtungen (22) aufweisen. Diese Verwirbelungseinrichtungen (22) in dem oder den Aus- laßschrägrohren (15) sind beispielsweise in Form von Prallflächen, Prallblechen oder in Form eines um seine Längsachse rotierenden oder feststehenden Statikmischers oder einer Förderschnecke ausgebildet. Diese Verwirbelungseinrichtungen (22) in dem oder den Auslaßschrägrohren (15) dienen beispielsweise zur Zurückhaltung von Feststoffen oder Medien höheren spezifischen Gewichtes und gegebenenfalls zur Herbeiführung einer abschließenden und vollständigen Umsetzungsreaktion.(15) or at least a part thereof or one or more swirling devices (22) on the inside in sections or over its entire length. These swirling devices (22) in the outlet pipe (s) (15) are designed, for example, in the form of baffles, baffle plates or in the form of a static mixer rotating or fixed about its longitudinal axis or a screw conveyor. These swirling devices (22) in the outlet pipe (s) (15) are used, for example, to retain solids or media of higher specific gravity and, if appropriate, to bring about a final and complete reaction.
Im Falle des erfindungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktors können also sowohl das oder die Einlaß-SchrägrohreIn the case of the chemical inclined tube reactor according to the invention, both that or the inlet inclined tubes can
(16) als auch das oder die Auslaß-Schrägrohre (15) abschnittsweise oder über ihre gesamte Länge Einbauten (20, 21, 22) aufweisen.(16) as well as the or the inclined outlet pipes (15) in sections or over their entire length internals (20, 21, 22).
Diese Einbauten (20, 21, 22) sind beispielsweise in Form von Lamellen, Faserbündel-Packungen, Prallblechen, Förderschnecken, Statikmischern, Leitblechen, Füllkörpern wie Raschig-Ringen, Kühlschlangen, Heizschlangen, Venturidüsen oder Dosiereinheiten, ausgebildet.
Der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor kann gegebenenfalls direkt oder indirekt beheizbar und/oder kühlbar ausgestaltet und in einem weiten Temperaturbereich von etwa 50 Kelvin bis etwa 400 °C betreibbar sein.These internals (20, 21, 22) are designed, for example, in the form of lamellae, fiber bundle packs, baffle plates, screw conveyors, static mixers, guide plates, packing elements such as Raschig rings, cooling coils, heating coils, Venturi nozzles or metering units. The chemical inclined tube reactor according to the invention can optionally be designed to be directly or indirectly heatable and / or coolable and can be operated in a wide temperature range from approximately 50 Kelvin to approximately 400 ° C.
Des weiteren ist der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor vorzugsweise im wesentlichen bei Umgebungsdruck betreibbar. Selbstverständlich kann der erfin- dungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor jedoch derart armiert ausgestaltet sein, daß er mit einem Unterdruck oder einem Überdruck bis etwa 200 bar beaufschlagbar ist.Furthermore, the chemical inclined tube reactor according to the invention can preferably be operated essentially at ambient pressure. Of course, the chemical inclined tube reactor according to the invention can, however, be designed in such a way that it can be subjected to a negative pressure or an excess pressure of up to approximately 200 bar.
Der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor ist bei- spielsweise zur Umesterung, Polymerisation, Dekantierung, Phasentrennung, Emulsionstrennung, Öl- und/oder Altölab- scheidung, als chemischer Reaktor, als Koaleszenzfilter, als Klärer, als Mischer, als Wäscher, als Klassifizierer, als Fermenter oder als Bioreaktor, gegebenenfalls für Mol- kereiprodukte, Farbstoffe, Kunststoffe, Öle oder Fette, organische Verbindungen oder anorganische Verbindungen sowie zum Einsatz auf dem Gebiet der Chemie der Öle und Fette, verwendbar.The chemical inclined tube reactor according to the invention is for example for transesterification, polymerization, decanting, phase separation, emulsion separation, oil and / or waste oil separation, as a chemical reactor, as a coalescence filter, as a clarifier, as a mixer, as a washer, as a classifier, as a fermenter or usable as a bioreactor, optionally for dairy products, dyes, plastics, oils or fats, organic compounds or inorganic compounds and for use in the field of chemistry of oils and fats.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Umsetzung von chemischen Substanzen (5) miteinander und zur im wesentlichen gleichzeitigen Abtrennung, Separation oder Phasentrennung von während der Umsetzungsreaktion gebildeten chemischen Substanzen (9) und/oder von in dem in den Reaktor eingebrachten Reaktionsgemisch bereits enthaltenen chemischen Substanzen voneinander.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können chemisch miteinander reaktive Substanzen (5) und/oder voneinander zu trennende chemische Substanzen beispielsweise über eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (4) eines oder mehrerer Einlaßschrägrohre (16) kontinuierlich oder diskontinuierlich in einen oben näher beschriebenen, ebenfalls erfindungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktor eingebracht werden.Furthermore, the present invention relates to a method for reacting chemical substances (5) with one another and for substantially simultaneous separation, separation or phase separation of chemical substances (9) formed during the reaction and / or of chemicals already contained in the reaction mixture introduced into the reactor Substances from each other. Within the scope of the method according to the invention, chemically reactive substances (5) and / or chemical substances to be separated from one another, for example via one or more inlet openings (4) of one or more slanted inlet pipes (16), can be fed continuously or discontinuously into a chemical sloping tube reactor according to the invention which is also described above be introduced.
Die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Substanzen (5) innerhalb des Einlaßschrägrohres (16) liegt hierbei beispielsweise im Bereich von 0,01 m pro Sekunde bis 2,0 m pro Sekunde, vorzugsweise im Bereich von 0,02 pro Sekun- de bis 1,5 m pro Sekunde, insbesondere im Bereich von 0,03 rα pro Sekunde bis 1,0 m pro Sekunde.The flow rate of the substances (5) supplied within the inclined inlet pipe (16) is, for example, in the range from 0.01 m per second to 2.0 m per second, preferably in the range from 0.02 per second to 1.5 m per second, especially in the range of 0.03 rα per second to 1.0 m per second.
In der Regel werden die chemisch miteinander reaktiven Substanzen (5) in einem oben näher beschriebenen Schrägrohrreaktor (17; 15, 16) bei einem Druck im Bereich von Unterdruck bis etwa 200 bar sowie bei einer Temperatur im Bereich von 50 Kelvin bis 400 °C gegebenenfalls über einer oder mehreren Strecken (17; 15, 16) mit Verwirbelungseinrichtungen (21, 22) miteinander zur Reaktion ge- bracht.As a rule, the chemically reactive substances (5) are optionally in a sloping tube reactor (17; 15, 16) described in more detail above at a pressure in the range from negative pressure to about 200 bar and at a temperature in the range from 50 Kelvin to 400 ° C brought to react with one another over one or more lines (17; 15, 16) with swirling devices (21, 22).
Anschließend können die entstehenden Reaktionsprodukte (7, 9) und/oder die in den Schrägrohrreaktor eingebrachten chemischen Substanzen vorzugsweise entsprechend, ihrem spe- zifischen Gewicht separiert werden.The resulting reaction products (7, 9) and / or the chemical substances introduced into the inclined tube reactor can then preferably be separated according to their specific weight.
Bei dieser Separation setzen sich die chemischen Substanzen (9) mit höherem spezifischem Gewicht in der Regel in dem unteren Bereich (2) des Schrägrohrreaktors ab.
Gegebenenfalls können diejenigen chemischen Substanzen (9) , welche sich aufgrund ihres höheren spezifischen Gewichtes beispielsweise in dem unteren Bereich (2) des er- findungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktors abgesetzt haben, über eine oder mehrere untere Auslaßöffnungen (19) gegebenenfalls mit einer Dosiervorrichtung (10) kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem Schrägrohrreaktor abgeführt werden.In this separation, the chemical substances (9) with a higher specific weight generally settle in the lower region (2) of the inclined tube reactor. Where appropriate, those chemical substances (9) which, due to their higher specific weight, have settled, for example, in the lower region (2) of the chemical inclined tube reactor according to the invention, can be fed continuously via one or more lower outlet openings (19), optionally with a metering device (10) or be discharged discontinuously from the inclined tube reactor.
Während sich die Substanzen (9) mit einem höheren spezifischen Gewicht beispielsweise in dem unteren Bereich (2) des erfindungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktors absetzen, strömen die chemischen Substanzen (7) mit einem ge- ringeren spezifischen Gewicht unmittelbar und/oder mittelbar über einen oder mehrere das oder die Einlaßschrägrohre (16) mit dem oder den Auslaßschrägrohren (15) verbindende Bypässe (18) dem oder den gegebenenfalls mit einer Verwir- belungseinrichtung (22) zumindest abschnittsweise versehe- nen Auslaßschrägrohren (15) zu.While the substances (9) with a higher specific weight settle, for example, in the lower region (2) of the chemical inclined tube reactor according to the invention, the chemical substances (7) with a lower specific weight flow directly and / or indirectly through one or more of them or bypasses (18) connecting the inlet inclined tubes (16) with the outlet inclined tube (s) (15) to the outlet inclined tubes (15), optionally provided at least in sections with a swirling device (22).
In der Regel sind die chemischen Substanzen (7) mit einem geringeren spezifischen Gewicht über eine oder mehrere Austrittsöffnungen (6) in den oberen Endbereichen (8) des oder der Auslaßschrägrohre (15) abführbar.As a rule, the chemical substances (7) with a lower specific weight can be removed via one or more outlet openings (6) in the upper end regions (8) of the outlet tube or tubes (15).
Zusammenfassend ist festzustellen, daß der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor selbst im Falle von mehreren Umsetzungsprodukten gerade keine Mischung hiervon ab- gibt, welche gegebenenfalls mühsam, zeitaufwendig und unter erheblichem apparativem Aufwand aufzutrennen ist.
Vielmehr erlaubt der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor eine besonders effektive, einfache, schnelle und gerade keine weitere apparative Vorrichtung erfordern- de, kontinuierliche oder diskontinuierliche Phasentrennung oder Separation von entstehenden Umsetzungsprodukten oder anderen in dem Reaktionsgemisch enthaltenen Substanzen in Abhängigkeit von deren unterschiedlichen spezifischen Gewichten.In summary, it can be stated that the chemical inclined tube reactor according to the invention, even in the case of several reaction products, does not give off a mixture thereof, which can be laborious, time-consuming and can be separated with considerable expenditure on equipment. Rather, the chemical inclined tube reactor according to the invention allows a particularly effective, simple, fast and, in particular, no further apparatus to be used, continuous or discontinuous phase separation or separation of reaction products formed or other substances contained in the reaction mixture depending on their different specific weights.
Ein gravierender Vorteil des erfindungsgemäßen chemischen Schrägrohrreaktors ist ferner darin zu sehen, daß bei ihm -im Gegensatz zum Bettreaktor- gerade keine Gefahr eines Zusetzens des Reaktors gegeben ist, selbst wenn er mit zähflüssigeren oder gar festen Substanzen beschickt wird.A serious advantage of the chemical inclined tube reactor according to the invention can also be seen in the fact that, in contrast to the bed reactor, there is no danger of the reactor becoming clogged, even if it is loaded with more viscous or even solid substances.
Der erfindungsgemäße chemische Schrägrohrreaktor ist folglich nicht nur zur Umsetzung von Reaktanten mit sehr hohen Umsetzungsgraden bis 99, 99 % , sondern auch zur Phasen- trennung und zur Abtrennung fester oder viskoser Substanzen geeignet.The chemical inclined tube reactor according to the invention is consequently not only suitable for reacting reactants with very high degrees of conversion of up to 99.99%, but also for phase separation and for the separation of solid or viscous substances.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird demnach ein chemischer Schrägrohrreaktor und ein Verfahren unter seiner Anwendung beschrieben, wobei der Schrägrohrreaktor zum einen die Durchführung chemischer Reaktionen ermöglicht und zum anderen gleichzeitig zumindest in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht der in der Reaktionsmischung enthaltenen oder dort gebildeten Substanzen deren Separierung (Phasentrennung) auf besonders effektive, einfache, kostengünstige und schnelle Art und Weise sowie ohne zusätzlichen apparativen Aufwand unter Ausschluß einer Gefahr des Zusetzens erlaubt.
In the context of the present invention, a chemical inclined tube reactor and a method using it are therefore described, the inclined tube reactor on the one hand allowing chemical reactions to be carried out and on the other hand at least depending on the specific weight of the substances contained in or formed in the reaction mixture, their separation (Phase separation) in a particularly effective, simple, inexpensive and fast manner and without additional equipment, excluding the risk of clogging.