DE60118585T2 - Chemisches verfahren und anlage - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung chemischer Reaktionen, die eine Reaktion zwischen einem Material in Partikelform und einer Flüssigkeit umfassen, in der ein Produkt der Reaktion ein Feststoff ist, der das Bestreben hat, einen Belag auf dem Partikelmaterial zu bilden.
• Die Erfindung ist insbesondere geeignet für Reaktionen, die alkalische Metalle umfassen, da diese Metalle in hohem Maße reaktiv, aber weich und somit nicht leicht zu pumpen sind. Chemische Reaktionen mit solchen Metallen können mit dem Metall in Form von Partikel oder Teilchen in Suspension in einer inerten Flüssigkeit durchgeführt werden, wobei die Flüssigkeit als Lösungsmittel für ein Material wirksam ist, mit dem das Metall reagiert. Zum Beispiel kann Lithiummetall mit Butylchlorid in Lösung in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Hexan, zur Reaktion gebracht werden. Die Bildung einer Schicht aus Salz auf der Oberfläche der Metallpartikel kann diese Reaktion unterdrücken. Es ist auch erwünscht sicherzustellen, daß das Metall stets ausgesetzt ist, sonst können statt dessen Seitenreaktionen auftreten, wobei z.B. Butylchlorid mit dem erwünschten Produkt, Butyllithium, reagieren kann.
• EP 0 755 715 (= CA 2 180 164 ) beschreibt eine Vorrichtung zur Ausführung chemischer Reaktionen zwischen kleinen Partikeln eines Feststoff-Reagens wie Magnesium und einer Flüssigkeit; die Herstellung von Alkyllithiumverbindungen wird ebenfalls erwähnt.
• Die Vorrichtung verwendet einen konischen Reaktionsbehälter, auf dessen Basis eine Ultraschallquelle in der Nähe eines oder mehrerer Einlässe für die flüssigen oder gasförmigen Reaktionsmittel angeordnet ist, wobei die bevorzugte Quelle eine Intensität von 20 W/cm² hat. Dies stellt eine gute Verteilung der Feststoffphase in der Flüssigkeit sicher. Die vorgeschlagene Abmessung der Feststoffpartikel ist 1,8 bis 4,1 mm, und es wäre wünschenswert, wenn man bedeutend größere Partikeln oder Teilchen verwenden könnte. Eine weitere Einzelheit vom Stand der Technik ist WO 00/35579, die einen Behälter zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Ultraschall beschreibt, der aus einem Behälter mit einer großen Anzahl von Ultraschallwandlern besteht, die an dessen Wand angebracht sind, wobei jeder Wandler nicht mehr als 3 W/cm² abstrahlt, aber es sind so viele Wandler vorhanden, daß die Energiestreuung mindestens 25 W/Liter beträgt. Es können beispielsweise 60 Wandler vorhanden sein. Eine solche Vorrichtung kann zur Erzielung sonochemischer Effekte in Flüssigkeiten verwendet werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Material und einem Reagens, wobei die Reaktion ausgeführt wird zwischen dem ersten Material in Partikelform und einer Flüssigkeit, die das Reagens enthält, wobei das eine Reaktionsprodukt ein festes Material ist, die Partikeln des ersten Materials von einer solchen Größe sind, daß die Bildung einer Oberflächenschicht dieses festen Materials die Reaktion unterdrückt, wobei das Verfahren darin besteht, daß das erste Material und das Reagens in einer Anlage in Kontakt miteinander gebracht werden, die mindestens einen Reaktionsbehälter mit einer Vielzahl von an der Wand des Behälters angebrachten Ultraschallwandlern aufweist, um so Ultraschallwellen in den Behälter abzustrahlen, wobei der Behälter groß genug ist, damit jeder Wandler in das Fluidum mindestens 0,1 m dick einstrahlt, wobei jeder Wandler nicht mehr als 3 W/cm² einstrahlt und die Wandler genügend dicht beieinander sind und die Anzahl der Wandler genügend groß ist, damit die Energiezerstreuung innerhalb des Behälter mindestens 10 W/Liter, aber nicht mehr als 200 W/Liter beträgt, daß die Wandler so erregt werden, daß kleine Partikeln des festen Material von den Partikeln des festen Material abgebrochen werden, und daß der Inhalt des Reaktionsbehälters umgerührt wird.
• Die hier angegebenen Energiewerte sind jene der elektrischen Energie, die dem Wandler oder den Wandlern zugeliefert werden, da dies leicht zu bestimmen ist. Es gibt unvermeidbar Verluste bei der Umwandlung elektrischer in akustische Signale und bei der Übertragung der akustischen Energie aus den Wandlern in das Fluidum innerhalb des Behälters, aber diese sind schwer genau abzuschätzen. Der Wandler ist im typischen Fall mindestens 90% effizient bei der Umwandlung elektrischer in akustische Energie.
• Die von jedem Wandler abgestrahlte Energie liegt zum Beispiel im Bereich von 1–2 W/cm². Dies ist eine ähnliche Ultraschall-Energiedichte wie diejenige, die in Ultraschall-Reinigungsbädern verwendet wird, und liegt oberhalb des Grenzwertes, der zur Erzielung einer Kavitation erforderlich ist. Obwohl es möglich ist, höhere Energien zu erhalten, wie z.B. 10 W/cm², kann sich der bei der vorliegenden Erfindung spezifizierte Ultraschall geringer Intensität viel weiter durch eine Flüssigkeit hindurch fortpflanzen, und die Beanspruchungen in den Wandlern werden reduziert.
• Alle Wandler können gleichzeitig erregt werden, oder alternativ können Gruppen von Wandlern nacheinander erregt werden. Die Wandler können alle mit der gleichen Frequenz, z.B. mit 20 kHz, erregt werden, oder alternativ können Gruppen von Wandlern mit unterschiedlichen Frequenzen, z.B. 20 kHz und 40 kHz, erregt werden. Die tatsächliche Betriebsfrequenz oder -frequenzen ist bzw. sind gewöhnlich nicht kritisch, können aber so hoch wie 140 kHz oder gar 200 kHz sein, da solch hohe Frequenzen die Tendenz haben, die Gefahr einer Kavitationserosion zu mindern.
• Für die Reaktion zwischen Lithiummetall und Butylchlorid sind die Partikeln aus Lithiummetall vorzugsweise größer als 1 mm in der Abmessung, z.B. zwischen 3 mm und 10 mm, oder um 5 mm herum. Teilchen aus Lithiumchlorid werden durch die Reaktion gebildet und werden von der Oberfläche der Lithiumpartikel durch Ultraschall-Bestrahlung losgerissen; diese Partikeln sind typischerweise kleiner als 0,1 mm in der Abmessung. Vorzugsweise hat der Behälter eine Auslaßöffnung, durch welche Flüssigkeit aus dem Behälter abgezogen werden kann, und vorzugsweise ist diese Auslaßöffnung mit einer groben Masche oder einem Filtertuch versehen, so daß die Lithiumpartikel im Behälter zurückgehalten werden.
• Die Erfindung wird nunmehr weiter und mehr im einzelnen nur beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, die eine chemische Anlage zur Herstellung von n-Butyl-Lithium zeigt.
• N-Butyl-Lithium wird hergestellt durch Reagieren von Butylchlorid mit Lithiummetall in beispielsweise Hexan als Lösungsmittel für das Butyl-Chlorid und in welchem das Lithiummetall suspendiert sein kann. Diese Reaktion kann durchgeführt werden unter Verwendung sehr feiner Lithiummetallpartikel, aber die Produktion und Verwendung solch feiner Metallpartikeln ist unter Umständen gefährlich. Eine Verwendung großer Stücke aus Lithiummetall hat sich nicht als praktisch erwiesen, weil Lithiumchlorid eine Oberflächenschicht bildet, die eine weitere Reaktion unterdrückt.
• Die chemische Anlage 10 weist zwei im wesentlichen identische Reaktionsbehälter 12, 13 auf, die jeweils mit einem Vielstufen-Rührwerk 14 mit variabler Geschwindigkeit ausgestattet sind. Jeder ist außerdem mit einem Temperatur-Kontrollmantel 15 versehen. Jeder besteht aus Edelstahl mit einer Wanddicke von 2 mm, und an der Außenseite der Wand ist eine große Anzahl von Wandlermodulen 16 angebracht (zum Beispiel zwischen fünfzig und einhundert, von denen zwei nicht maßstäblich dargestellt sind). Jedes derartige Wandlermodul 16 besteht aus einem 50-W-Piezoelektrikwandler 16a, der mit 20 kHz resoniert, befestigt an einem konisch erweiterten Titan-Kupplungsblock 16b, durch den er mit der Außenseite der Wand verbunden ist, wobei das breite Ende jedes Blockes 16b (wo er mit der Wand verbunden ist) einen Durchmesser von beispielsweise 63 mm hat, so daß jedes Wandlermodul 16 über einen Kreis von 63 mm Durchmesser 50 W abstrahlt, das ist eine Intensität von 1,6 W/cm². Die Module 16 bilden eine Anordnung, die im wesentlichen die gesamte Wand jedes Behälters 12 oder 13 abdeckt. Die Energie aus allen Wandlern 16a wird über das gesamte Volumen des Behälters 12 oder 13 verteilt bzw. verzehrt, und die Anzahl an Wandlermodulen 16 ist so gewählt, daß die Energiedichte vorzugsweise etwa 50 oder 60 W/Liter beträgt.
• Alle Wandler 16a können, wie beschrieben, mit 20 kHz resonieren, alternativ können jedoch einige von ihnen stattdessen mit einer anderen Frequenz, wie beispielsweise 40 kHz, resonieren. Alle Wandler 16a können gleichzeitig erregt werden, oder alternativ können Gruppen von benachbarten Wandlern 16a nacheinander erregt werden. Zum Beispiel können alle Wandler 16a auf der einen Seite des Behälters als eine gemeinsame Gruppe erregt werden, und dann alle Wandler 16a auf der entgegengesetzten Seite.
• Jeder Behälter 12, 13 ist außerdem mit einer Auslaßöffnung 18 versehen, die mit einem groben Maschenwerk bedeckt ist, so daß nur Partikeln mit einer Querabmessung von weniger als 2 mm hindurchgelangen können. Eine Auslaßleitung 19 mit einem Ventil 20, eine Inline-Filtereinheit 22, eine Pumpe 24 und ein Verschlußventil 26 verbinden die Auslaßöffnung 18 des ersten Behälters 12 mit einem Einlaß des zweiten Behälters 13. Die Auslaßöffnung 18 des zweiten Behälters 13 ist in ähnlicher Weise mit einer Auslaßleitung 29 versehen, in der sich ein Ventil 30 und eine Inline-Filtereinheit 32 befinden. In Strömungsrichtung hinter der Pumpe 24 verbindet eine Rückzirkulierleitung 34 mit einem Verschlußventil 36 die Leitung 19 mit einem Rückzirkulationseinlaß des Behälters 12.
• Der erste Behälter 12 ist versehen mit Einlässen 40, 41 und 42 für jeweils Hexan, Butylchlorid und Partikeln aus Lithiummetall und mit einem Rückflußkondensator 43. Er ist außerdem mit einem Thermometer 44 ausgestattet. Der zweite Behälter 13 ist ähnlich ausgestattet mit Einlassen 40 und 42 für Hexan bzw. Lithiummetall, einem Rückflußkondensator 43 und einem Thermometer 44. In jedem Fall liegt das Lithiummetall in Stücken von etwa 5 mm in Querabmessung vor; deren exakte Form und Größe sind nicht kritisch, und das Lithium kann in Großblöcken, z.B. 0,1-m-Würfeln oder Stangen von etwas 10 mm Durchmesser und 0,1 m lang oder zylindrischen Stücken von etwa 20 mm Länge, abgeschnitten von einer Stange mit 5 mm oder 10 mm Durchmesser, vorliegen. Es sind außerdem Mittel (nicht dargestellt) zum Spülen der Behälter 12 und 13 mit Argon vorgesehen.
• Bei Verwendung der Anlage 10 wird der erste Behälter 12, nach Spülung mit Argon, mit Hexan und Lithiummetall-Partikeln über die Einlässe 40 und 42 beschickt, und das Rührwerk 14 wird aktiviert, um den Inhalt des Behälters 12 gründlich zu mischen und zu zirkulieren. Der Behälter 12 wird anfänglich beheizt unter Verwendung des Mantels 15, und zwar auf eine Temperatur von 50°C. Butylchlorid wird dann allmählich über den Einlaß 41 zugefügt. Das Butylchlorid reagiert exothermisch mit dem Lithiummetall, wobei es das gewünschte Produkt, Butyllithium, und auch Lithiumchlorid bildet. Die Temperatur des Behälters 12 wird kontrolliert durch Steuerung der Rate, mit der das Butylchlorid zugegeben wird, und wenn nötig durch Zuführen eines Kühlmittels zum Mantel 15. Die Temperatur des Hexan kann bis zu seinem Siedepunkt von 69°C ansteigen, aber jegliches Hexan, das verdampft, wird zum Behälter 12 durch den Kondensator 43 zurückgeführt. Die Ultraschall-Wandlermodule 16 an der Wand des Behälters 12 werden erregt, so daß der Inhalt einem hochintensiven Ultraschall z.B. bei 60 W/Liter ausgesetzt wird, der kleine Partikeln aus Lithiumchlorid von der Oberfläche der Lithiummetall-Partikel abbricht.
• Durch Öffnen der Ventile 20 und 36 (und Schließen des Ventils 26) sowie Strombeaufschlagung der Pumpe 24 kann Flüssigkeit aus dem Behälter 12 über den Filter 22 rückzirkuliert werden. Lithiummetall-Partikeln sind zu groß, um das Maschenwerk an der Auslaßöffnung 18 zu passieren, und bleiben somit im Behälter 12. Der Filter 22 beseitigt folglich Lithiumchlorid, das die Form von Partikeln der typischen Abmessung im Bereich 1 μm–100 μm hat. Durch Öffnen der Ventile 20 und 26 (und Schließen des Ventils 36) sowie Erregen der Pumpe 24 kann Flüssigkeit aus dem Behälter 12 stattdessen in den zweiten Behälter 13 gelangen. Dies würde erfolgen, nachdem zunächst der zweite Behälter 13 mit Argon gespült und mit Hexan und Lithiummetall beschickt wurde. Folglich wird jegliches unreagiertes, in den zweiten Behälter 13 eingebrachtes Butylchlorid einem großen Ausmaß von Lithiummetall ausgesetzt, mit welchem es reagiert. Dies unterdrückt die Gefahr von Seitenreaktionen. Der zweite Behälter 13 wird ebenfalls einem hochintensiven Ultraschall in der gleichen Weise wie der erste Behälter 12 ausgesetzt.
• Schließlich kann die Lösung von Butyllithium in Hexan über die Auslaßleitung 29 des zweiten Behälters 13, über den Filter 32 abgeführt werden, der die Partikel aus Lithiumchlorid entfernt, wobei die viel größeren Stücke aus Lithiummetall durch das grobe Maschenwerk an der Auslaßöffnung 18 abgefangen werden.
• Es versteht sich, daß eine chemische Reaktionsanlage von der oben beschriebenen abweichen kann und dennoch im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung bleibt, und daß einige Details von den in Frage kommenden chemischen Reagenzien abhängig sind. Zum Beispiel kann bei der obigen Reaktion ein alternatives Lösemittel verwendet werden, wie beispielsweise Zyklohexan, das bei 81°C siedet. Die Anlage kann ebenfalls anders sein, z.B. könnten die Behälter 12 und 13 auch aus einem anderen Material bestehen wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, und die Ultraschallwandler-Module 16 könnten indirekt mit dem Behälter gekoppelt sein, wobei sie an einer etwas größeren konzentrischen Wand angebracht wären und der Raum zwischen der inneren und äußeren Wand mit einer Koppelflüssigkeit wie Olivenöl gefüllt wäre, das einen höheren Grenzwert für Kavitation hat als das Lösemittel, wie das in den Behältern verwendete Hexan. Der Spalt zwischen den konzentrischen Wänden ist vorzugsweise ein Viertel der Wellenlänge des Ultraschall; das Öl im Spalt hilft die Impedanz zwischen dem Titan-Kopplungsblock und der Lösung in Hexan anzupassen, so daß mehr von der zugeführten Energie in die reagierenden Flüssigkeiten innerhalb des Behälters gelangt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten Material und einem Reagens, wobei die Reaktion ausgeführt wird zwischen dem ersten Material in Partikelform und einer Flüssigkeit, die das Reagens enthält, wobei das eine Reaktionsprodukt ein festes Material ist, die Partikeln des ersten Materials von einer solchen Größe sind, daß die Bildung einer Oberflächenschicht dieses festen Materials die Reaktion unterdrückt, wobei das Verfahren darin besteht, daß das erste Material und das Reagens in einer Anlage in Kontakt miteinander gebracht werden, die mindestens einen Reaktionsbehälter (12) mit einer Vielzahl von an der Wand des Behälters (12) angebrachten Ultraschallwandlern (16) aufweist, um so Ultraschallwellen in den Behälter abzustrahlen, wobei der Behälter (12) groß genug ist, damit jeder Wandler (16) in das Fluidum mindestens 0,1 m dick einstrahlt, wobei jeder Wandler (16) nicht mehr als 3 W/cm² einstrahlt und die Wandler (16) genügend dicht beieinander sind und die Anzahl der Wandler (16) genügend groß ist, damit die Energiezerstreuung innerhalb des Behälter (12) mindestens 10 W/Liter, aber nicht mehr als 200 W/Liter beträgt, daß die Wandler (12) so erregt werden, daß kleine Partikeln des festen Material von den Partikeln des festen Material abgebrochen werden, und daß der Inhalt des Reaktionsbehälters (12) umgerührt (14) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die von jedem Wandler (16) abgestrahlte Energie im Bereich 1–2 W/cm² liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem die Wandler (16) gleichzeitig erregt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Gruppen von Wandlern (16) nacheinander erregt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der oder jeder Behälter (12, 13) eine Auslaßöffnung (18) aufweist, über welche Flüssigkeit aus den Behältern (12, 13) abgezogen werden kann, und diese Auslaßöffnung (18) mit einer groben Masche oder einem Filtertuch versehen ist, so daß die Partikeln des ersten Material im Behälter (12, 13) zurückgehalten werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Material Lithiummetall ist und das Reagens aus Butylchlorid besteht, wobei die Partikeln aus Lithiummetall in ihrer Abmessung größer als 1 mm sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Partikeln aus Lithiummetall in der Größenordnung zwischen 3 mm und 20 mm liegen.