DE102008020386B4

DE102008020386B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines chlorierten Alkans

Info

Publication number: DE102008020386B4
Application number: DE200810020386
Authority: DE
Inventors: Rainer Kampschulte; Michael Benje
Original assignee: Uhde GmbH; Vinnolit GmbH and Co KG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG; Westlake Vinnolit GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: DE102008020386A1; CN101590387A

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines chlorierten Alkans, wobei die Vorrichtung folgende Teile umfasst: a) einen Behälter (0) b) eine vertikal angeordnete Trenneinrichtung (9) durch die zumindest ein Teil des Behälters in mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) unterteilt wird, wobei die mindestens zwei kommunizierenden Räume zumindest an zwei Stellen miteinander in Fluidverbindung stehen wodurch das Reaktionsmedium die durch die mindestens zwei Räume (12, 15) gebildete Strecke im Naturumlauf durchläuft, und c) mindestens zwei Zugabeeinrichtungen (16, 17) im ersten (12) der mindestens zwei kommunizierenden Räume.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines chlorierten Alkans, insbesondere von 1,2-Dichlorethan, gemäß den Patentansprüchen.
1,2-Dichlorethan, im folgenden als EDC bezeichnet, dient überwiegend als Zwischenprodukt zur Herstellung von monomerem Vinylchlorid, im folgenden als VCM bezeichnet. Aus VCM kann letztlich Polyvinylchlorid, PVC, hergestellt werden. Bei der Umsetzung von EDC zu VCM entsteht Chlorwasserstoff HCl. EDC wird daher bevorzugt aus Ethen C₂H₄ und Chlor Cl₂ derart hergestellt, dass hinsichtlich des bei den Umsetzungen erzeugten und verbrauchten Chlorwasserstoffes HCl eine ausgewogene Bilanz entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen erreicht wird: Cl₂ + C₂H₄ -> C₂H₄Cl₂ (Rein-EDC) + 180 kJ/Mol (1) C₂H₄Cl₂ (Spalt-EDC) -> C₂H₃Cl (VCM) + HCl – 71 kJ/Mol (2) C₂H₄ + 2 HCl + [1/2]O₂ -> C₂H₄Cl₂ (Roh-EDC) + H₂O + 238 kJ/Mol (3)
Das Verfahren zur Herstellung von VCM mit ausgewogener HCl-Bilanz, im folgenden kurz ”ausgewogenes VCM-Verfahren” genannt, weist mehrere Schritte auf:
In einer Direktchlorierung wird aus Ethen und Chlor der eine Teil des benötigten EDC in Gegenwart eines Homogenkatalysators erzeugt und als so genanntes Rein-EDC abgegeben.
In einer Oxichlorierung wird aus Ethen, Chlorwasserstoff und Sauerstoff der andere Teil des EDC erzeugt und als sogenanntes Roh-EDC abgegeben.
In einer fraktionierenden EDC-Reinigung wird das Roh-EDC zusammen mit dem aus der VCM-Fraktionierung rezirkulierten Rück-EDC und optional zusammen mit dem Rein-EDC von den in der Oxichlorierung und von den in der EDC-Pyrolyse gebildeten Nebenprodukten befreit, um ein für den Einsatz in der EDC-Pyrolyse geeignetes, sogenanntes Feed-EDC zu gewinnen. Wahlweise kann auch das aus der Direktchlorierung stammende Rein-EDC in der Hochsiederkolonne der EDC-Destillation mitdestilliert werden.
In einer EDC-Pyrolyse wird das Spalt-EDC thermisch gespalten. Das Spaltgas genannte Reaktoraustrittsgemisch enthält VCM, Chlorwasserstoff HCl und nichtumgesetztes EDC sowie Nebenprodukte.
In einer VCM-Fraktionierung wird das als Produkt gewünschte Rein-VCM aus dem Spaltgas abgetrennt und die anderen wesentlichen Spaltgasbestandteile Chlorwasserstoff HCl und nichtumgesetztes EDC als Wertstoffe gesondert zurückgewonnen und als wiederverwertbarer Einsatz als Rück-HCl bzw. Rück-EDC im ausgewogenen VCM-Verfahren rezirkuliert.
Als Reaktionsmedium in der Direktchlorierung dient bei den meisten im industriellen Maßstab angewandten Verfahren ein umlaufender Strom des Reaktionsprodukts EDC. Der umlaufende Strom kann in einem Schlaufenreaktor mit äußerem oder innerem Umlauf erzeugt werden. Weiterhin kann der Umlaufstrom durch Zwangsumlauf oder Naturumlauf erzeugt werden. Als Katalysator wird vor allem Eisen-III-Chlorid verwendet. Zusätzlich kann Natriumchlorid als Additiv verwendet werden. Natriumchlorid ist in der Lage, die Bildung von Hochsiedern zu vermindern.
Beim Naturumlaufverdampfer zirkuliert die Flüssigkeit ausschließlich aufgrund von Dichteunterschieden zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeits-Dampfgemisch und/oder Flüssigkeits-Gasgemisch innerhalb der kommunizierenden Verfahrensräume (in der Physik spricht man vom „Effekt der kommunizierenden Röhren”). Der Druck p auf die Gefäßwand insgesamt ist nur abhängig vom Füllstand h, der Dichte ρ (Rho) des Mediums und der Erdbeschleunigung g. In jeder Höhe herrscht ein anderer Druck und damit eine unterschiedliche Kraft auf die Gefäßwand. Einfach ausgedrückt ergibt sich der Mediumsdruck zu Dichte × Höhe × Erdbeschleunigung (p = ρ × g × h). Wenn durch die unterschiedlichen Dichten in den jeweiligen Verfahrensräumen unterschiedliche Drücke entstehen, verursacht die daraus resultierende Kraft die Bewegung der Flüssigkeit, sie wird in dem Raum geringerer Dichte nach oben geschoben. Dahinter steht ein kinematisches Prinzip: Eine Kraft ist immer Ursache einer Bewegung. Tritt eine solche Bewegung dann tatsächlich auf, ist die Kraft ab diesem Moment = 0. (Ursache -> Wirkung.)
Die durch die Reaktion aufgenommene Energie erhitzt die Flüssigkeit, die ihrerseits siedet, ein Zweiphasengemisch erzeugt und die Flüssigkeit zum oberen Teil des Verfahrensraumes transportiert – das Thermosiphon – Prinzip. Für den Flüssigkeitsumlauf ist daher keine Pumpe erforderlich.
Die Direktchlorierung in Siede-Reaktoren mit Naturumlauf, ohne zusätzliche Pumpe, wird beispielsweise in DE 10 20040 630 90 A1 , DE 199 10 964 A1 und DE 10 2004 029 147 A1 beschrieben. Weiterer Stand der Technik ist in DE 196 41 562 A1 beschrieben. Die beschriebenen Direktchlorierungs-Siedereaktoren mit Naturumlauf erfordern bauartbedingt einen hohen Materialeinsatz und Platzbedarf und weisen hohe Fertigungskosten auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher insbesondere darin, ein wirtschaftliches Verfahren zur Direktchlorierung eines Alkens mit Chlor (insbesondere zur Herstellung von EDC) zur Verfügung zu stellen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Reaktionsprodukts bereitzustellen, mit der dieses Verfahren realisiert werden kann und welche insbesondere die oben genannten Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Chlorierung von mindestens einem Alken zu mindestens einem chlorierten Alkan, gelöst, die folgende Teile umfasst:

a) einen Behälter (0)
b) eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Trenneinrichtung (9) durch die zumindest ein Teil des Behälters in mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) unterteilt wird, wobei die mindestens zwei kommunizierenden Räume zumindest an zwei Stellen miteinander in Fluidverbindung (und/oder Strömungsverbindung) stehen wodurch das Reaktionsmedium die durch die mindestens zwei Räume (12, 15) gebildete Strecke im Naturumlauf durchläuft, und
c) mindestens zwei Zugabeeinrichtungen (16, 17) im ersten (12) der mindestens zwei kommunizierenden Räume.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Behälter (0) um einen zylindrischen Behälter, der besonders bevorzugt im Wesentlichen vertikal angeordnet ist.
Bevorzugt stehen die beiden kommunizierenden Räume (12, 15) oberhalb und unterhalb der Trenneinrichtung (9) miteinander in Fluidverbindung, wobei besonders bevorzugt einer (12) der mindestens zwei kommunizierenden Räume (12, 15) als Reaktionsraum ausgebildet sein kann, insbesondere der erste Raum (12).
Bevorzugt handelt es sich bei der Trenneinrichtung (9) um eine mechanische Trenneinrichtung.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei der Trenneinrichtung (9) um eine Trennwand.
Weiter bevorzugt ist die Trenneinrichtung (9) als Rohr ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Trenneinrichtung (9), wie z. B. die Trennwand oder das Rohr im unteren Bereich, z. B. in der unteren Hälfte des Behälters (0) angeordnet.
Wenn die Vorrichtung mindestens zwei Zugabeeinrichtungen enthält, ist es bevorzugt, wenn zwischen den Zugabeeinrichtungen eine Lösestrecke (19) vorgesehen ist, in der sich das zugegebene Edukt in dem Reaktionsmedium lösen kann.
Vorzugsweise befindet sich die Lösestrecke (19) oberhalb der Ethen Zugabeeinrichtung.
Erfindungsgemäß können eine oder auch beide Zugabeeinrichtungen (16, 17) beispielsweise im unteren Bereich, vorzugsweise im unteren Viertel des ersten Raums (12) angeordnet sein.
Weiter bevorzugt weist die mindestens eine Zugabeeinrichtung (16, 17) mindestens eine, in eine tangentiale Richtung weisende Ausströmöffnung (330) auf, so dass sich ein im ersten Raum (12) befindliches Medium durch einen aus der mindestens einen Ausstromöffnung austretenden Massenstrom in Rotation versetzen lässt. Alternativ kann die Zugabeeinrichtung in Bewegung versetzt werden.
Weiter bevorzugt ist im ersten Raum (12) mindestens eine Mischeinrichtung (10, 11) angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Mischeinrichtung oberhalb der Zugabeeinrichtung(en) angeordnet. Bei der Mischeinrichtung handelt es sich in bevorzugter Weise um eine oder mehrere statische Mischeinrichtungen.
Weiter bevorzugt weist der Behälter (0) einen Flüssigraum (18a) und einen Dampfraum (18) auf, wobei die Trenneinrichtung (9) im Flüssigraum (18a) des Behälters (0) angeordnet ist.
Weiter bevorzugt weist die Vorrichtung eine Ausschleuseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das Reaktionsprodukt (1) gasförmig bzw. als Dampf, flüssig oder sowohl gasförmig als auch flüssig auszuschleusen.
Weiter bevorzugt steht der erste Raum (12) mit einem Dampfraum (18) in Verbindung, aus dem das Reaktionsprodukt (1) ausgeschleust werden kann.
Die beiden Räume (12, 15) sind so vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht, dass ein Naturumlauf der Flüssigkeit im Flüssigraum (18a) zwischen den Räumen 12 und 15 möglich ist. Dazu sollte die Flüssigkeit über den oberen Rand der Trenneinrichtung (9) überstehen.
Auch können im Dampfraum (18) des Behälters (0) ein oder mehrere Filter (2) wie ein oder mehrere Koaleszenzfilter (2) und/oder eine oder mehrere Trenneinrichtungen (6) wie ein oder mehrere Ventilböden, Trennböden, Schüttungen oder Packungen und/oder ein oder mehrere Demister (3) und/oder ein oder mehrere Tropfenabscheider (4) angeordnet sein. Diese sind vorzugsweise vor der Ausschleuseeinrichtung angeordnet, so dass das Produkt zuerst durch diese Einrichtungen läuft, bevor es ausgeschleust wird.
Ferner kann im Dampfraum (18) ein Produkt (z. B. EDC) Rücklauf (5) angeordnet sein.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Standregelung (8) aufweisen (z. B. einen LIC Regler), die z. B. zur Einstellung und/oder Regelung des Naturumlaufs dienen kann. Mit dem LIC Regler kann z. B. die Höhe des Mediums über dem Trennelement der Verfahrensräume geregelt werden, wodurch sich eine unterschiedliche mittlere Dichtedifferenz zwischen den kommunizierenden Räumen einstellt, was wiederum eine Änderung des Kräftegleichgewichts zur Folge hat, welches eine Änderung der Geschwindigkeit des umlaufenden Mediums bewirkt. Zur Regelung des Naturumlaufs kann auch ein Drosselelement eingebaut werden, beispielsweise in Form einer Jalousie wie bei einer Ofenzugregelung.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung enthalten, über die abgezogenes Reaktionsmedium (20) über eine Pumpe (21) und einen Kühler (22) einem diskontinuierlichen Ausschleusestrom (23) zugeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann dieses abgezogene Reaktionsmedium (20) auch einem Lösungsstrom (24) zugeführt werden, in den ein oder mehrere Edukte (insbesondere Chlor) über eine Einmischungseinrichtung (25) zugegeben werden können, die beispielsweise als Injektor ausgeformt ist. Anschließend kann das so mit Edukt angereicherte Reaktionsmedium über eine Zugabeeinrichtung (16) in den Reaktor zurückgeführt werden.
Ferner wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Reaktionsprodukts aus mindestens zwei Edukten gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines chlorierten Alkans, aus mindestens zwei Edukten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

a) das erste Edukt über eine erste Zugabeeinrichtung (17) und das zweite Edukt über eine zweite Zugabeeinrichtung (16) in den ersten der mindestens zwei kommunizierenden Räume (12) gegeben werden,
b) der Behälter (0) eine vorzugsweise im Wesentlichen vertikal angeordnete Trenneinrichtung (9) enthält, durch die zumindest ein Teil des Behälters in mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) unterteilt wird, wobei die mindestens zwei kommunizierenden Räume zumindest an zwei Stellen (vorzugsweise oberhalb und unterhalb der Trenneinrichtung) miteinander in Fluidverbindung stehen,
c) der erste Raum (12) und der zweite Raum (15) ein Reaktionsmedium enthalten, welches das Reaktionsprodukt und gegebenenfalls einen Katalysator bzw. ein Katalysatorsystem enthält, und
d) das Reaktionsmedium die durch die mindestens zwei Räume (12, 15) gebildete Strecke im Naturumlauf durchläuft.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Reaktionsprodukt um 1,2-Dichlorethan und bei den Edukten um Chlor und Ethen.
Bevorzugt werden die Edukte in dem Reaktionsmedium gelöst.
Wetter bevorzugt werden die Edukte und das Reaktionsmedium nach der Zugabe der Edukte gemischt, z. B. durch einen statischen Mischer.
Erfindungsgemäß wird das erste Edukt (z. B. Chlor) über eine erste Zugabeeinrichtung (17) und das zweite Edukt (z. B. Ethen) über eine zweite Zugabeeinrichtung (16) in den ersten der mindestens zwei kommunizierenden Räume (12) gegeben.
Wiederum bevorzugt wird das Reaktionsprodukt über einen Dampfraum ausgeschleust, besonders bevorzugt gasförmig und/oder flüssig.
Weiter bevorzugt kann der Naturumlauf über eine Standregelung geregelt werden.
Weiter bevorzugt kann ein Teil des Reaktionsmediums ausgeschleust und gegebenenfalls gekühlt werden. Dieses ausgeschleuste und gegebenenfalls gekühlte Reaktionsmedium kann mit einem Edukt (z. B. Chlor) gemischt und in den Behälter (0) zurückgeführt werden.
Weiter bevorzugt liegt das Reaktionsmedium in flüssiger Form vor, wobei sich oberhalb des Reaktionsmediums ein Dampfraum befindet, aus dem das Reaktionsprodukt flüssig und/oder gasförmig ausgeschleust werden kann.
Weiter bevorzugt ist der untere Bereich des Behälters (0) so mit einer Flüssigkeit gefüllt, dass im Behälter (0) ein Flüssigraum (18a) und ein Dampfraum (18) gebildet werden, und die Trenneinrichtung (9) vollständig im Flüssigraum (18a) angeordnet ist.
Besonders bevorzugt durchläuft das auszuschleusende Produkt eine oder mehrere Einrichtungen zur Tropfen und/oder Aerosolabscheidung.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.
Insbesondere bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines chlorierten Alkans (z. B. EDC) aus Chlor und Alken (z. B. Ethen), das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein im Umlauf geführtes Reaktionsmedium, welches ein chloriertes Alkan und gegebenenfalls einen Katalysator bzw. ein Katalysatorsystem umfasst, eine durch mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) ausgebildete Reaktionsstrecke im Naturumlauf durchläuft, wobei die kommunizierenden Räume (12, 15) mit einem oberseitig angeordneten Dampfraum (18) verbunden sind, von dem aus das Reaktionsprodukt (1) entweder gasförmig oder flüssig oder sowohl gasförmig als auch flüssig ausgeschleust wird, und vorzugsweise die zwei kommunizierenden Räume in einem Behälter (0) durch eine im Wesentlichen vertikal angeordnete Trenneinrichtung derart gebildet werden, dass die beiden kommunizierenden Räume vorzugsweise oberhalb und unterhalb der Trenneinrichtung miteinander in Strömungsverbindung stehen.
Bevorzugte Katalysatoren bzw. Katalysatorsysteme sind FeCl₃, NaCl und O₂.
Bevorzugt wird ein Katalysatorsystem verwendet welches sich aus FeCl₃, NaCl und O₂ zusammensetzt. Eisenchlorid legt im Reaktorkreislaufmedium vorzugsweise in einer Konzentration von bis zu 2500 ppm vor. Natriumchlorid wirkt insbesondere als Promotor; es schränkt z. B. die Bildung von Nebenprodukten ein und erhöht damit vorzugsweise die Selektivität der Reaktion. Natriumchlorid und Eisenchlorid werden vorzugsweise in einem molaren Verhältnis von ca. 0,5 eingesetzt. Der Sauerstoff wird z. B. den Reaktionszonen in Form von Luft zusammen mit Chlor zugeführt. Aufgrund seines biradikalischen Charakters dient der Sauerstoff insbesondere als Radikalfänger und vermindert bzw. unterdrückt z. B. radikalische Nebenreaktionen des Chlors mit EDC.
Eine Reaktion zur Herstellung des Reaktionsprodukts kann wie oben beschrieben in einem zylindrischen Behälter (0) stattfinden. Der Behälter (0) kann äußerlich wie eine herkömmliche Kolonne aussehen. Ein Naturumlauf in dem Behälter wird erreicht, indem zwei kommunizierende Räume (12, 15) geschaffen werden. Einer der zwei kommunizierenden Räume kann mit Edukten beaufschlagt werden. Der eduktbeaufschlagte Reaktionsraum (12) kann dem Steigrohr einer herkömmlichen Reaktorschlaufe entsprechen. Die zwei kommunizierenden Räume können durch das Einbringen eines Trennbleches als Trennwand, eines Zentralrohres als Trennrohr oder einer sonstigen geometrischen Anordnung, die geeignet ist kommunizierende Räume herzustellen, geschaffen werden.
Durch eine Integration mehrerer Verfahrenschritte, wie die Einbringung und Lösung der Edukte Chlor und Ethen im Lösungsmittel EDC, dem Naturumlauf des Lösemittels EDC, die Reaktion, sowie die Tropfen- und Aerosolabscheidung in einem z. B. zylinderförmigen, stehenden Behälter ergibt sich der Vorteil, dass unter Beibehaltung der Vorteile eines herkömmlichen Siedereaktors mit Naturumlauf eine sehr kompakte Bauform erreicht werden kann. Insbesondere durch die Kolonnenform wird eine geringe Stellfläche benötigt. Die Vorrichtung kann beispielsweise auf einer Zarge errichtet werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines umfangreichen Stahlbaus. Dies führt wiederum zu niedrigeren Herstellungskosten und einem geringeren Platzbedarf. Ferner lässt sich ein geringer Hold-up (Flüssigkeitsinhalt des Reaktors) erreichen, wodurch sich ein Vorteil bei einer umwelttechnischen Bewertung ergibt.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht es, ein Reaktionsprodukt mit einem geringen Materialeinsatz und bei niedrigen Herstellungskosten herzustellen; er eignet sich beispielsweise um EDC, insbesondere mit hoher Reinheit zu erzeugen.
Die Eduktaufgabe kann entsprechend DE 10 2004 029 147 durch die Installation hintereinander geschalteter Zugabeabschnitte (Zugabeeinrichtung(en) (16, 17), Lösestrecke (19), Mischer (10, 11)) bzw. Reaktionsstrecken erfolgen, was zu einer erheblichen Verkürzung der Reaktionsstrecken führt und damit eine weitere Möglichkeit eröffnet den Reaktionsraum in wirtschaftlicher Baugröße zu gestalten.
Eine räumliche Trennung von Reaktionsraum und abwärts strömendem EDC kann durch ein einfaches Trennblech erreicht werden, das beispielsweise etwa mittig in den z. B. zylindrischen Kolonnenteil eingebracht werden kann. Der Reaktionsraum, also der aufwärts führende Strom des Naturumlaufs, kann beispielsweise einen etwas größeren Querschnitt aufweisen, als der abwärts strömende Teil, da in diesem Teilbereich der größere Massen- und vor allem Volumenstrom bewegt wird. Durch diese Maßnahme kann der dynamische Druckverlust minimiert werden. Das optimale Querschnittsverhältnis kann durch eine Strömungssimulation ermittelt werden. Ebenfalls durch Simulationsrechnung kann der Öffnungsgrad, beziehungsweise Abstand zwischen Trennblech und Kolonnenboden, sowie die Länge des Trennbleches ermittelt werden. Aufgrund von Analogschlüssen von bereits gebauten Reaktoren mit Naturumlauf in herkömmlicher Technik, kann die typische Länge des Trennbleches oder Trennrohres z. B. etwa 15 m betragen. Der Öffnungsquerschnitt am Kolonnenboden sollte vorzugsweise mindestens dem Querschnitt der kommunizierenden Verfahrensräume entsprechen.
Der Naturumlauf stellt sich, wie bei einem herkömmlichen Schlaufenreaktor, durch den Dichteunterschied in den beiden Räumen ein. Durch die gasförmigen Edukte, die in den Reaktionsraum gegeben werden und aufgrund der durch die Reaktionswärme entstehenden höheren Temperatur stellt sich im Reaktionsraum eine niedrigere mittlere Dichte ein. Diese ist die treibende Kraft für den Naturumlauf.
Statt durch ein Trennblech kann die räumliche Trennung innerhalb der Kolonne auch durch andere Konstruktionselemente erreicht werden. Strömungstechnisch günstig ist z. B. ein zentrales Trennrohr, da es den Vorteil der Rotationssymmetrie aufweist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt einen Reaktor mit Trennrohr gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt einen Reaktor mit Trennwand gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3a zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Eduktaufgabevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3b zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Eduktaufgabevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3c zeigt eine Einspeiseöffnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 zeigt einen Querschnitt eines Reaktors mit Trennrohr gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
5 zeigt einen Querschnitt eines Reaktors mit Trennwand gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Direktchlorierungsreaktor, der einen stehenden zylinderförmigen Behälter (0) umfasst, in dem flüssiges EDC umläuft. Eine mögliche Umlaufrichtung ist in 1 durch Pfeile angedeutet. In dem Behälter kann die Reaktion im Raum (12) durchgeführt werden. Ferner sind die Zugabestellen für Chlor (16) und Ethen (17) gezeigt.
Eine Regelung des Naturumlaufs kann beispielsweise mittels einer Standregelung (8) (LIC Regler) erfolgen, die auch zur Einstellung der Naturumlaufgeschwindigkeit eingesetzt werden kann. Mit dem LIC Regler wird vorzugsweise die Höhe des Mediums über dem Trennelement der Verfahrensräume geregelt, wodurch sich eine unterschiedliche mittlere Dichtedifferenz der Medien zwischen den kommunizierenden Räumen einstellt, was wiederum eine Änderung des Kräftegleichgewichts zur Folge hat, welches eine Änderung der Geschwindigkeit des umlaufenden Mediums bewirkt. Zur Regelung des Naturumlaufs kann auch ein Drosselelement eingebaut werden, beispielsweise in Form einer Jalousie wie bei einer Ofenzugregelung.
Im unteren Teil des Reaktors ist ein Trennrohr (9) dargestellt, das den Reaktor in einen aufsteigenden und absteigenden Strömungsraum (12, 15) unterteilt.
Gasförmiges, unter Druck stehendes Ethen (14) kann über Regelventile auf mindestens eine Ethen-Zugabestelle (17) verteilt werden. Die mindestens eine Ethen-Zugabestelle kann so ausgebildet sein, dass feine Blasen entstehen können, die sich in der Auflösestrecke (19) schnell im EDC auflösen können. Die Blasen sind in 1 durch Punkte symbolisch angedeutet. Die Ethen-Verteiler oder Sparger (17) und die Auflösestrecken (19) können optional mehrfach hintereinander angeordnet werden.
Das einzubringende Chlor (13) kann zunächst in EDC gelöst werden. Hierzu kann ein Teilstrom (20) des erzeugten EDC aus dem abwärts strömenden Raum (15) abgezogen und anschließend von der Pumpe (21) in den Kühler (22) gefördert werden. Das abgezogene EDC kann in einen EDC-Strom (23) und in einen Lösungsstrom (24) aufgeteilt werden. Bei dem EDC-Strom (23) kann es sich auch um einen diskontinuierlichen Ausschleusestrom handeln. Der Lösungsstrom (24) kann nachfolgend zur Chloreinmischung (25) gefördert werden, wo das gasförmige Chlor (13) zugeführt werden kann. Die Chlorlösung kann geregelt auf die mindestens eine Chlor-Zugabestelle (16) verteilt und mit Düsen in den Reaktionsraum (12) eingedüst werden, wobei eine möglichst große Verwirbelung erzeugt werden kann.
Oberhalb der mindestens einen Chlor-Zugabestelle (16) kann sich die Reaktionsstrecke anschließen, in der die Reaktion in der reinen Flüssigphase stattfinden kann. Um die Vermischung zu verbessern, können in der Reaktionsstrecke statische Mischer (10) und (11) integriert sein.
Im oberen Bereich des Trennrohres (9) kann sich an die Reaktionsstrecke der Siedebereich anschließen. Dies ist in 1 durch Blasenbildung angedeutet. Das dampfförmige EDC kann in den Dampfraum (18) des Reaktors ausdampfen und als dampfförmiges EDC-Produkt (1) abgeführt werden.
Zur Auswaschung eines eventuell mitgerissenen Katalysators, der beispielsweise in Aerosolen gelöst ist, können optional ein oder mehrere Trennböden (6) eingesetzt werden. Beispielsweise können dazu Sieb- oder Ventilböden, aber auch Kolonnenpackungen oder Füllkörper eingesetzt werden. Für diese Trenneinrichtung (6) kann eine Rückspülmöglichkeit vorgesehen werden.
Zur weiteren Tropfen- und Aerosolabscheidung können seriell Lamellenabscheider (4), Demister (3) und Aerosolfilter (2) angeordnet werden.
Das Produkt (EDC) kann schließlich am oberen Ende des Reaktors ausgeschleust werden (EDC Brüdenstrom 1)
Vor der Inbetriebnahme des Reaktors wird er vorzugsweise mit reinem EDC (insbesondere Feed-Qualität) gefüllt.
2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 2 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung lediglich in der Ausformung der Trenneinrichtung (9). Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Trenneinrichtung (9) als Trennwand ausgeführt.
Die 3a und 3b zeigen Prinzipskizzen einer Eduktaufgabevorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Mediumstromes, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Mittels einer Einspeiseleitung (314) kann ein Einspeisemedium einem Sparger (317) zugeführt werden. Beispielsweise kann es sich um einen der in den 1 und 2 gezeigten Sparger (16, 17) handeln. Der Sparger (317) weist Einspeisebohrungen (330) auf. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine der gezeigten Einspeisebohrung (330) mit einem Bezugszeichen versehen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigen die Einspeisebohrungen (330) des Spargers (317) alle in die gleiche Richtung.
3c zeigt einen Öffnungswinkel α (zur Horizontalen) einer Einspeisebohrung (330). Beispielsweise kann der Winkel α einen Wert von 30° oder 40° aufweisen. Andere geeignete Öffnungswinkel, beispielsweise zwischen den genannten Werten, können auch verwendet werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Siedereaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Siedereaktor ist als Trennrohrreaktor oder Zentralrohrreaktor ausgebildet. In dem Behälter (0) ist die Trenneinrichtung in Form eines Trennrohres (9) ausgebildet. Das Trennrohr (9) ist vorzugsweise mittig in dem Behälter (0) angeordnet. Durch das Trennrohr (9) kann der Innenraum des Behälters in zwei Abschnitte unterteilt werden, die lediglich an dem oberen und unteren Ende des Trennrohres (9) miteinander in Fluidverbindung stehen, um somit zwei kommunizierende Räume zu bilden.
Durch die Pfeile ist eine mögliche Flussrichtung innerhalb des Trennrohres (9) und innerhalb des Rückflussraumes, der zwischen der Innenwand des Behälters (0) und der Außenwand des Trennrohres (9) gebildet wird, angedeutet. Demnach kann sich ein innerhalb des Trennrohres (9) befindliches Medium aufwärts und ein innerhalb des Rückflussraumes befindliches Medium abwärts bewegen.
Beispielsweise kann der Durchmesser des Behälters 2,7 m und der Durchmesser des Trennrohres 2,0 m betragen. Dadurch kann sich eine Querschnittsfläche des Behälters A_ges = 5,72 m², eine Querschnittsfläche des Trennrohres A_auf = 3,14 m² und eine Querschnittsfläche des Rückflussraumes A_ab = 2,58 m² ergeben.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Siedereaktor gemäß einem werteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Siedereaktor ist als Trennwandreaktor ausgebildet. In dem Behälter (0) ist die Trenneinrichtung in Form einer Trennwand (9) ausgebildet. Die Trennwand (9) kann so in dem Behälter (0) angeordnet sein, dass sie den Innenraum des Behälters (0) in zwei Abschnitte unterteilt. Die zwei Abschnitte können lediglich an dem oberen und unteren Ende der Trennwand (9) miteinander in Verbindung stehen, um zwei kommunizierende Räume zu bilden. Die Trennwand kann z. B. in dem Behälter so angeordnet sein, dass die zwei Räume (12, 15) unterschiedliche Größen aufweisen.
Durch die Pfeile ist eine mögliche Flussrichtung innerhalb der beiden Abschnitte angedeutet. Demnach kann sich ein innerhalb des größeren Abschnittes befindliches Medium aufwärts und ein innerhalb des kleineren Abschnittes befindliches Medium abwärts bewegen.
Beispielsweise kann der Durchmesser des Behälters 2,7 m betragen und die Trennwand (9) kann den Innenraum des Behälters so unterteilen, dass eine Querschnittsfläche des größeren Abschnittes A_auf = 3,14 m² und eine Querschnittsfläche des kleineren Abschnittes A_ab = 2,58 m² aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Direktchlorierung von mindestens einem Alken zu mindestens einem chlorierten Alkan mittels Chlor, wobei die Reaktion von Alken und Chlor zu einem chlorierten Alkan und der Transport des Lösungsmittels, das dem chlorierten Alkan entsprechen kann, in einem stehenden zylindrischen Behälter stattfindet, der dadurch gekennzeichnet ist, dass durch eine mechanische Trenneinrichtung, beispielsweise in Form eines Trennrohres oder einer Trennwand, mindestens zwei kommunizierende Räume hergestellt werden, in denen sich durch die Eduktaufgabe und die exotherme Reaktion einstellende Dichtedifferenz, ein Naturumlauf einstellt.
Dazu können eine Vielzahl von Zugabeabschnitten und weiterhin statische und/oder dynamische Mischvorrichtungen in der Raumeinheit angeordnet sein, in der die Flüssigkeit aufsteigt.
Die Zugabevorrichtung, z. B. Sparger für das chlorierte Alkan und Chlor, kann konstruktiv so ausgeführt sein, das die Ausströmbohrungen oder Düsen der Zugabevorrichtung in eine tangentiale Richtung weisen, so dass durch den austretenden Massenstrom der Mischung aus chloriertem Alkan und Chlor ein Impuls entsteht, der das aufwärtsströmende Lösungsmedium in Rotation versetzt und sich dadurch eine Quervermischung einstellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von chlorierten Alkanen hoher Reinheit aus gelöstem Chlor und gelöstem Alkan, welche miteinander in Kontakt gebracht werden, unter Einsatz eines im Umlauf geführten flüssigen Reaktionsmediums, welches im wesentlichen aus einem chlorierten Alkan und einem Katalysator oder Katalysatorsystem besteht und mindestens eine vertikal angeordnete, als kommunizierende Raumeinheit ausgebildete Reaktionsstrecke durchläuft, wobei die kommunizierenden Raumeinheiten mit einem oberseitig angeordneten Dampfraum verbunden sind, von dem aus das Reaktionsprodukt entweder gasförmig oder flüssig oder sowohl gasförmig als auch flüssig ausgeschleust wird.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft beschrieben und können miteinander kombiniert werden. Die gezeigten Formen und Abmessungen können durch geeignete andere ersetzt werden. Die beschriebenen Vorrichtungen können geeignet sein, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Reaktionsprodukts auszuführen. Der erfindungsgemäße Ansatz ist nicht auf die Herstellung der beschriebenen Reaktionsprodukte beschränkt sondern kann zur Herstellung weiterer Reaktionsprodukte aus entsprechend geeigneten Ausgangsstoffen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

0: Behälter
1: EDC Brüdenstrom
2: Koaleszenzfilter
3: Demister
4: Tropfenabscheider
5: EDC Rücklauf (optional)
6: Ventilböden (optional), nur beispielhaft: auch andere Trennbodentypen oder Schüttungen oder Packungen einsetzbar
7: EDC Flüssigkeitsoberfläche, siedend
8: Standregelung, auch zur Einstellung der Naturumlaufgeschwindigkeit
9: Trenneinrichtung (z. B. Trennwand bzw. Trennrohr)
10: Statischer Mischer
11: Statischer Mischer
12: 1. Raum (Reaktionsraum)
13: Chloraufgabe
14: Ethenaufgabe
15: 2. Raum
16: EDC/Chlor-Sparger
17: Ethen-Sparger
18: Dampfraum
18a: Flüssigraum
19: Lösestrecke
20: abgezogenes EDC
21: EDC Pumpe
22: EDC Kühler
23: (diskontinuierlicher) Ausschleusestrom
24: Lösungsstrom, EDC
25: Chlor-Einmischungseinrichtung (Injektor)
314: Einspeiseleitung
317: Sparger
330: Einspeiseöffnungen

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines chlorierten Alkans, wobei die Vorrichtung folgende Teile umfasst: a) einen Behälter (0) b) eine vertikal angeordnete Trenneinrichtung (9) durch die zumindest ein Teil des Behälters in mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) unterteilt wird, wobei die mindestens zwei kommunizierenden Räume zumindest an zwei Stellen miteinander in Fluidverbindung stehen wodurch das Reaktionsmedium die durch die mindestens zwei Räume (12, 15) gebildete Strecke im Naturumlauf durchläuft, und c) mindestens zwei Zugabeeinrichtungen (16, 17) im ersten (12) der mindestens zwei kommunizierenden Räume.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Behälter (0) um einen zylindrischen Behälter handelt, der bevorzugt vertikal angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kommunizierenden Räume (12, 15) miteinander oberhalb und unterhalb der Trenneinrichtung (9) in Fluidverbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Trenneinrichtung (9) um eine Trennwand oder ein Rohr handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (9) im unteren Bereich, insbesondere in der unteren Hälfte des Behälters (0) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zugabeeinrichtung (16, 17) im unteren Bereich, vorzugsweise im unteren Viertel des ersten Raums (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zugabeeinrichtungen (16, 17) übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Raum (12) mindestens eine Mischeinrichtung (10, 11) angeordnet ist, insbesondere eine statische Mischeinrichtung.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (0) einen Flüssigraum (18a) und einen Dampfraum (18) aufweist, wobei die Trenneinrichtung (9) im Flüssigraum (18a) des Behälters (0) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausschleuseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Reaktionsprodukt (1) gasförmig, flüssig oder sowohl gasförmig als auch flüssig auszuschleusen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Dampfraum (18) des Behälters (0) mindestens ein Filter (2) wie ein Koaleszenzfiler (2) und/oder mindestens ein Demister (3) und/oder mindestens ein Tropfenabscheider (4) und/oder mindestens eine Trenneinrichtung (6) wie ein Trennboden, eine Schüttung oder eine Packung angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines chlorierten Alkans, aus mindestens zwei Edukten, dadurch gekennzeichnet, dass a) das erste Edukt über eine erste Zugabeeinrichtung (17) und das zweite Edukt über eine zweite Zugabeeinrichtung (16) in den ersten der mindestens zwei kommunizierenden Räume (12) gegeben werden, b) der Behälter (0) eine vertikal angeordnete Trenneinrichtung (9) enthält, durch die zumindest ein Teil des Behälters in mindestens zwei kommunizierende Räume (12, 15) unterteilt wird, wobei die mindestens zwei kommunizierenden Räume zumindest an zwei Stellen miteinander in Fluldverbindung stehen, c) der erste Raum (12) und der zweite Raum (15) ein Reaktionsmedium enthalten, welches das Reaktionsprodukt und gegebenenfalls einen Katalysator bzw. ein Katalysatorsystem enthält, und d) das Reaktionsmedium die durch die mindestens zwei Räume (12, 15) gebildete Strecke im Naturumlauf durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium durch eine Mischeinrichtung (10, 11), insbesondere eine statische Mischeinrichtung, gemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich des Behälters (0) so mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dass im Behälter (0) ein Flüssigraum (18a) und ein Dampfraum (18) gebildet wird, und dass die Trenneinrichtung (9) vollständig im Flüssigraum (18a) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (0) eine Ausschleuseinrichtung umfasst, durch die das Reaktionsprodukt (1) über den Gasraum gasförmig, flüssig oder sowohl gasförmig als auch flüssig ausgeschleust wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt 1,2-Dichlorethan ist und die Edukte Chlor und Ethen sind.