DE2658893A1

DE2658893A1 - Verfahren zur durchfuehrung einer reaktion und reaktionsgefaess fuer dieses verfahren

Info

Publication number: DE2658893A1
Application number: DE19762658893
Authority: DE
Inventors: John Dickinson Chapman
Original assignee: Fisons Ltd
Current assignee: Fisons Ltd
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-24
Publication date: 1977-07-07
Also published as: IL51131A; FR2336174A1; ES454538A1; IL51131A0; TR19769A; US4166840A; JPS6116501B2; EG12996A; YU312176A; OA05522A; AU2087176A; AU510357B2; NL7614251A; JPS5281074A

Description

PATENTANWÄLTE

DIpl.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dipi.-lng. G. DANNEN3ERG ■ Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL

TELEFON: CO₈₉) ^™. ■ ■ 8.EGFRIEnSTRASSE 8

335025 8000 MÖNCHEN 40

nachträglich geSnciart

Case 52765/75 FISONS LIMITED
Fison House
9 Grosvenor Street
Lon d ο η _t England

Verfahren zur Durchführung einer Reaktion und Eeaktionsgefäß für dieses Verfahren

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf ein dafür verwendbares Reaktionsgefäß.

Wenn eine Säure mit einem Alkali umgesetzt wird, können ver- ' schiedene Formen von Reaktionsgefäßen verwendet werden. So kann beispielsv/eise ein Reaktionsgefäß mit Rührvorrichtung verwendet werden. Es ist jedoch verhältnismäßig teuer, ein derartiges Reaktionsgefäß zu installieren und damit zu arbeiten. Es kann auch ein einfaches Röhrenreaktionsgefäß verwendet werden. Dieses ist zwar einfach und billig, besitzt jedoch den Nachteil, daß sich leicht Krusten ansetzen, wenn Verunreinigungen ausfällen.

Es wurde nun ein Reaktionssystem entwickelt, bei welchem das Problem, der Krustenbildung, v/elchen bei einem einfachen Röhrenreaktionsgefäß auftritt_r verringert wird, während die Vorteile der Einfachheit eines Rohrenreaktionsgefaßes beibehalten werden.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen zwei chemischen Reaktionsmitteln . geschaffen - wobei entweder einer der Reaktionsteilnehmer und/ oder das Produkt in Form einer Gas- oder Dampfphase vorliegt -, das darin besteht, daß die Reaktions mittel in ein Gc-fäß gegeben werden, welches zwei röhrenförmige Teile umfaßt, die miteinander und mit einem Gasentfernungsgefäß in Fließstromverbindung stehen, wobei im allgemeinen wenigstens eine der Röhren senkrecht angeordnet ist, eines- der Reaktionsmittel in den unteren Teil der senkrechten Röhre geleitet und das andere Reaktions mittel in die andere . _h Röhre geleitet wird . Hierauf läßt man das erhaltene Reaktionsgespontan aufwärts durch die senkrechte Röhre, durch das Gasentfernungsgefäß und dann durch die andere Röhre zurück nu der senkrechten Röhre zirkulieren . Anschließend wird das Reaktionsprodukt aus dem Reaktionssystem gewonnen«

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Gemäß einer Ausführungsform der . Erfindung wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein Gefäß geschaffen, welches zwei längliche Röhrenteile umfaßt, die miteinander und mit einem Vakuumgefäß in Fließstromverbindung stehen, wobei wenigstens eine der Röhren im wesentlichen senkrecht angeordnet ist, wodurch ein Zirkulationsring, welcher die senkrechte Röhre, das Vakuumgefäß und die andere Röhre umfaßt, gebildet wird. Die senkrechte Röhre ist am unteren Ende mit einer Zuführvorrichtung für einen Reaktionsteilnehmer versehen, während die andere Röhre ebenfalls mit einer Zuführvorrichtung für einen Reaktionsteilnehmer ausgestattet ist.

Der Begriff "Röhre" wird hier für ein längliches, hohles Teil verwendet, das jeden beliebigen Querschnitt haben kann. Die Röhren können also einen runden oder einen viereckigen Querschnitt haben oder können durch eine Abteilung innerhalb einer herkömmlichen Röhre gebildet werden, wobei in diesem Fall die entstandenen Abteilungen die zwei Röhren bilden.

Der Begriff "senkrecht" soll hier ausdrücken, daß die Röhre weniger als 20 zur Vertikalen geneigt ist. Vorzugspreise weist die Röhre eine Neigung von weniger als 5° zur Vertikalen auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Zufuhr des Reaktionsteilnehmers in den unteren Teil der senkrechten Röhre entweder ein Gas in das Reaktionsgemisch eingeführt, und/oder es wird die Entwicklung eines Gases, eines Dampfes und/oder von V/ärme aus dem Reaktionsgemische durch Umsetzen mit dem Reaktionsteilnehmer, welcher in die andere Röhre mit Aufwärtsströmung geleitet worden ist, hervorgerufen. Das Gaü> der Dampf und/oder die V/ärme bewirken, daß die Reaktionsmischung in der senkrechten Röhre nach oben steigt, was eine Zirkulation des Reaktionsgemische als ganzes durch die zwei Röhren und das Vakuurn-Gosentfernungsgefäß zur Folge hat. Es hat sich überraschenderweise gezeigt,daß die Zirkulationsgeschwindigkeit, die auf diese Weise spontan erreicht wird, genügt, um ein ausreichendos Mischen und Umsetzen der Reaklionr.·

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teilnehmer zu bewirken und die Bildung von Krusten oder anderen Ablagerungen an den Oberflächen des Reaktionsgefäßes zu vermeiden. Durch geeignetes Bemessen der verschiedenen Komponenten in dem Reaktionsgefäß ist es möglich, .lineare Fließgeschwindigkeiten der Reaktionsmischung von mehr als etwa 0,1 m/Sek. in dem gesamten Reaktionsgefäß zu erreichen. Außerdem ist es in dem/der vorgesehenen Gasentfernungsgefäß oder die Gasentfernungszone möglich, von der Reaktionsmischung erzeugte Dämpfe oder Gase in einer kontrollierten Menge zu entfernen, bevor die Reaktionsmischung zurückgeführt oder als Produkt entnommen wird. Dies ist besonders zum Regulieren des Drucks, unter welchem das Reaktionsgefäß arbeitet, nützlich. Außerdem hat sich gezeigt,daß ein hoher Grad an Ammoniakausnutzung erreicht werden kann, wenn das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß für die Ammoniakbehandlung von Säuren verwendet wird, und zwar auch dann, wenn die lineare Fließgeschwindigkeit der Re.aktionsmischung in der senkrechten Röhre des Gefäßes hoch ist, z.B. höher als etwa·1,5 m/Sek. Dies steht in völligem Gegensatz zu dem erwarteten Ergebnis, da eine hohe lineare Fiießgeschwindigkeit zu einer kurzen Kontaktzeit zwischen der Ammoniakbeschickung und der Reaktionsmischung führt, und zu erwarten gewesen wäre, daß eine Verkürzung der Kohtaktzeit zu einer Erhöhung der Ammoniakverluste in dem Reaktionsgemisch führt. Ferner zeigte sich, daß bei einer Verringerung des Verhältnisses der Zirkulationsmenge des Reaktionsgemisches zu den zugeführten Reaktionsmittelmengen (jeweils Gewicht/Zeiteinheit), beispielsweise

auf weniger als etwa 10:1, sich überraschenderweise die Ammoniakverluste in dem System erhöhen können. Auch dies widerspricht den Erwartungen, und es zeigte sich, daß es im allgemeinen ZAveckmäßig ist, mit einer linearen Fließgeschwindigkeit in Aufwärtsrichtung in der senkrechten Röhre zu arbeiten, die so hoch v/ie möglich, z.B. wenigstens etwa 2 m/Sek., ist.

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Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß kann eine U-förmige Röhre umfassen, welche einen Reaktionsmittel -Einlaß im oberen Teil, d.h. innerhalb des obersten Drittels der Länge, des einen Arms und einen weiteren Reaktionsmittel '-Einlaß im unteren Teil, z.B. innerhalb des untersten Drittels der Länge, des senkrechten Arms aufweist; die offenen Enden der U-Röhre münden in einen Ausgleichsbehälter. Gegebenenfalls könnte die U-Röhre auch so aussehen, daß nur eine einzige senkrechte Röhre in den Ausgleichstank mündet, während das andere Ende geschlossen ist, z.B. mit einer flachen oder gewölbten Platte. Das Innere der Röhre ist mit einer (ebenen oder gebogenen), nicht bis zum Boden der Röhre reichenden vertikalen Trennwand in zwei Abteilungen unterteilt, die nicht gleichgroß sein müssen, so daß das Material unter der Trennwand hindurch aus der einen Abteilung in die andere wechseln kann. Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform uinfaßt das Reaktionsgefäß zwei röhrenförmige Teile, und zwar ein ein kürzeres Teil und ein hierzu coaxiales, einseitig geschlossenes längeres Teil, in dem das kürzere Teil befestigt ist. Beide Röhren münden in eine Gasentfernungszone oder ein Gasentfernungsgefäß. Dabei kann es sich um ein Vakuumgefäß mit einer größeren Querschnittfläche als die der inneren Röhre handeln, oder die Zone kann dadurch geschaffen werden, daß die äußere Röhre über die innere Röhre hinaus ausgedehnt wird, um die notwendige Oberfläche zur Verminderung der Geschwindigkeit, bei welcher die Gase oder Dämpfe aus dem Reaktionsjemisch entweichen, zu erhalten und damit dem Gas und/oder Dampf zu ermöglichen, das Reaktionsgemisch ohne übermäßiges Schäumen und ohne Mitreißen großer Mengen des Reaktion^gemischs zu verlassen. Vorzugsweise wird die Gasentweichungsgesciiwindigkeit auf einen Gesamtwert von weniger als 5 m/sec, vorzugsweise weniger als 1 m/sec reduziert.

Ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes Reaktioncgefäß umfaßt ein längliches Röhrenteil, dessen eines Ende verschlossen ist, während am anderen, offenen Knde ein Gefäß mit einem größeren .Querschnitt als der Querschnitt der läng-

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lichen Röhre angebracht ist. Innerhalb der länglichen Rühre ist eine innere Röhre mit offenen Enden, die nicht bis zum geschlossenen Ende der äußeren ländlichen Röhre reicht, , angebracht, wodurch zwischen der inneren und der äußeren Röhre ein ringförmiger Zwischenraum entsteht. In der Nähe

ist des offenen Endes der äußeren Röhre/eine Einlaßöffnung in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Röhren oder in die innere Röhre für ein Reaktionsmittel vorgesehen. In der Nähe des geschlossenen Endes der äußeren Röhre ist eine Einlaßöffnung für die Zufuhr des zweiten Reaktionsmittels in die Innere Röhre bzw. in den ringförmigen Zwischenraum vorgesehen. Schließlich ist ein Dampfauslaß und ein Produktauslaß vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen zwei chemischen Reaktionsmitteln , geschaffen, bei welchem entweder einer der Reaktionsteilnehrser oder das Produkt in der Gas- oder Dampfphase sind und weiches die folgenden Stufen umfaßt: Einführen der Reaktions mittel in ein Gefäß, welches ein längliches Röhrenteil umfaßt, dessen eines Ende verschlossen ist und an dessen anderem, offenen Ende ein Gefäß mit einem größeren Querschnitt als der Querschnitt der länglichen Röhre angebracht ist. Innerkalb der .!.anglichen Röhre ist eine innere Röhre mit offenen Enden angebracht ist, weiche nicht bis zu dem geschlossenen Ende der äußeren länglichen Röhre reicht, so daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen der inneren und der äußeren Röhre entsteht. Eines der Reaktionsmittel wird in der Nähe des offenen Endes der äußeren Röhre in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den zv/ei Röhren oder in die innere Röhre eingeführt, während das andere in der Nähe des geschlossenen Endes der äußeren Röhre in die innere Röhre oder in den ringförmigen Zwischenraum eingeführt wird. Außerdem sind ein Dampfauslaß und ein Produktauslaß vorgesehen* Das Reaktionsgemisch sollte durch die innere Röhre, das Gefäß mit größerem Querschnitt und den Ringrauia zwischen den beiden Röhren zirkulieren können. Schließlich wird das Produkt aus dem Gefäß mit dem größeren Querschnitt und/oder aus der äußeren Röhre entnommen.

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Bei den obigen AusfUhrungsformen des Reaktionsgefäßes und "bei Verwendung eines gasförmigen oder leicht verdampfbaren Reaktionsmittels (z.B. Ammoniak in Gasform oder flüssiger Form) sollte dieses Reaktionsmittel in die senkrechte Röhre eingeführt werden, um eine Zirkulation des Reaktionsgemisches zu erreichen. Vorzugsweise wird, das andere Reaktionsmittel tangential in die Röhre eingeführt, um das Mischen des eingeführten Materials mit dem zirkulierenden Reaktionsgemisch zu erleichtern.

Zur V ranschaulichung werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße R_eaktionsgefäß nachfolgend anhand der bevorzugten Ausführungsform des Reaktionssystems beschrieben, bei dem die innere Röhre der "senkrechten Röhre" und der ringförmige Zwischenraum der '!anderen Röhre" entsprechen, wie vorstehend beschrieben.

Mit dem Begriff "ringförmiger Zwischenraum¹¹ ist der Spalt zwischen der Innenwand der äußeren Röhre und der Außenwand der inneren Röhre gemeint. Dieser braucht nicht unbedingt ringförmig zu sein, "da die Röhren keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und ihre Achsen nicht übereinstimmen müssen. Außerdem braucht der ringförmige Zwischenraum auch nicht über die ganze Länge (d.h. vom oberen Ende bis zum Boden des Gefäßes) von gleichmäßiger Breite zu sein.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktionsgefäßes sowie seine Verwendung anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Beispiels beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäßes Reaktionsgefäß.

Vorzugsweise haben die Röhren 1 und 2 im wesentlichen übereinstimmende Achsen, um einen ringförmigen Zwischenraum 3 zwischen beiden Röhren zu erhalten. Dan untere Ende der Röhre 2 erstreckt sich über das untere Ende der Röhre 1 hinaus und ist von einer Anschlußwand h verschlossen. Die Abschluß-

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wand kann, wie dargestellt, flach sein, oder sie kann gerundet oder wulstförraig (wie mit der gestrichelten Linie angedeutet) sein, um die Zirkulation der Reaktionsmischung zu unterstützen. Die innere Röhre 1 kann gegebenenfalls" mit Hilfe von Stützrippen innerhalb der Röhre 2 befestigt sein.

Die oberen Enden der Röhren 1 und 2 münden in das Gefäß 10, welches einen größeren Querschnitt als die Röhre 2 aufweist. Im typischen Fall hat das Gefäß 10 eine Querschnittsfläche, die das 10- bis 100-fache der Querschnittsfläche der äußeren Röhre beträgt, so daß die Geschwindigkeit, mit welcher das Gas aus der Reaktionsraischung entweicht, auf einen V/ert reduziert wird, bei welchem das Schäumen der Reaktionsmischung auf ein · annehmbares Maß verringert ist und bei welchem nur wenige oder keine Tröpfchen der Reaktionsmischung aus dem Reaktionssystem mit den Gasen oder Dämpfen mitgerissen v/erden, wenn diese zum Verwerfen abgelassen werden. Normalerweise wird die Gasentweichungsgeschwindigkeit auf weniger als 0,5 m/Sekunde, z.B. 0,2 bis 0,005 m/Sekunde, reduziert. Das Gefäß 10 bildet auch einen Auffangtank für das Reaktionsgefäß, ebenso wie ein Gas- und/oder Dampfentfernungsgefäß. Es ist mit einem Gas/Danipfauslaß 11 und einem Produktauslaß 12 versehen, die beide ein Druckausgleichsventil (nicht dargestellt) besitzen können, so daß das Reaktionsgefäß unter unter- oder überatmosphärischem Druck arbeiten kann. Gegebenenfalls kann das Produkt am oberen Ende der Röhre 2 entnommen werden. Es kann auch zweckmäßig sein, ein schirmartiges Teil 13 oberhalb der Auslaßöffnungen der Röhren 1 und 2 anzubringen, um das Spritzen der Reaktionsmischung beim Austritt aus der Röhre 1 zu bremsen, wenn die lineare Fließgeschwindigkeit in dieser Röhre hoch ist.

In der Wand der Röhre 2 ist ein Einlaß 6 vorgesehen, durch welchen einer der Reaktionsteilnehmer in den ringförmigen Zwischenraum 3 eingeführt wird. Der Einlaß kann eine Ansah! von Öffnungen umfassen, die rund um die Röhre 2 angeordnet sind; er kann eine Zufuhrvorrichtung zu einer ringförmigen Sprühvorrichtung, die koachsial innerhalb des ringförmigen Zwischen-

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raums 3 angebracht ist, umfassen; oder er kann eine oder mehrere tangentiale Einlaßöffnungen umfassen. Der Einlaß bzw. die Einlasse 6 sind im oberen Drittel der Länge des ringförmigen Zwischenraums, zweckmäßigerweise dicht am oberen Ende des Zwischenraums, angebracht, um ein Vermischen des Beschickungsmaterials mit der zirkulierenden Reaktionsmischung zu gewährleisten, bevor die Mischung die Röhre 1 erreicht. Am Boden des Reaktionsgefäßes ist ein Einlaß 7 vorgesehen (entweder durch den Boden der Röhre 2 oder durch die Abschlußwand 4), durch welchen ein zweiter Reaktionsteilnehmer achsial in die Röhre 1 eingeführt werden kann. Dieser Einlaß hat zweckmäßigerweise die Form einer nach oben gerichteten Düse oder eines Rings von Düsen und ist vorzugsweise praktisch ko-achsial innerhalb der Röhre 1 angebracht.

Das Reaktionsgefäß kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, z.B. aus einem. Kunststoff, einem kunststoffbeschichteten Metall, einem kautschukbeschichteteii Metall, rostfreiem Stahl und dergleichen, und es handelt sich zweckmäßigerweise um ein unter Druck arbeitendes Reaktionsgefäß.

Zur Durchführung der Reaktion wird ein Reaktionsteilnehmer durch den Einlaß 6 eingeführt, bis das Reaktionsgefäß bis zu der gewünschten Höhe gefüllt ist. Danach wird der zweite, gewöhnlich gasförmige, Reaktionsteilnehmer durch den Einlaß 7 zugeführt. Dadurch wird eine Zirkulation der Reaktionsmischung durch den Zwischenraum 3 und die Röhre 1 hervorgerufen. Wenn der zweite Reaktionsteilnehmer, wie oben beschrieben, achsial in Aufwärtsrichtung in die Röhre 1 eingeführt wird, findet die Zirkulation von unten nach oben in Röhre 1, durch das Gefäß 10 und abwärts durch den Zwischenraum 3 statt.-Wenn der zweite Reaktionsteilnehmer im unteren Teil des Zwischenraums 3 und der erste Reaktionsteilnehmer am oberen Ende der Röhre 1 eingeführt werden, ist die Fließrichtung umgekehrt. Falls die Reaktion sowohl Wärme als auch Gas oder Dampf entwickelt, wird die Zirkulation dadurch noch

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weiter unterstützt. Nachdem die stöchioraetrisch benötigte Menge des zweiten Reaktionsteilnehmers zugegeben worden ist, kann die Zufuhr des ersten Reaktionsteilnehmers erneut einsetzen, und zwar in der Geschwindigkeit, die zur Bildung des gewünschten Produkts notwendig ist. Dieses Produkt wird dann aus dem Gefäß 10 durch den Auslaß 12 entfernt. Dieser Auslaß kann mit ein oder einer anderen Vorrichtung

versehen sein, um einen Mindestpegel der Reaktionsmischung in dem Gefäß 10 aufrechtzuerhalten, unterhalb dessen kein Produkt aus dem System entfernt wird. Der Auslaß 12 könnte die Form eines Steigrohrs haben. Die Reaktionsmischung zirkuliert durch die Röhre 1, das Gefäß 10 und den Zwischenraum zwischen den Röhren 1 und 2. Vorzugsweise ist die Zirkulationsgeschwindigkeit der Reaktionsmischung wenigstens 10-mal, insbesondere 15- bis 100-mal, so hoch wie die Beschickungsgeschwindigkeit des Reaktionsteilnehmers durch den Einlaß 6, wobei sich beide Geschwindigkeiten auf das Gewicht beziehen. Außerdem beträgt die Fließgeschwindigkeit der Reaktiensmischung in dem ringförmigen Zwischenraum 3 vorzugsweise 0,1 bis 2 m/Sekunde und die lineare Geschwindigkeit in der inneren Röhre 1 vorzugsweise 1,5 bis 5 m/Sekunde. Infolge des verhältnismäßig großen Volumens des Gefäßes 10 können Gas und Dampf leicht aus der Reaktionsmischung entweichen und durch den Auslaß 11 entfernt v/erden. Vorzugsweise wird das Gas und/ oder der Dampf mit einer Geschwindigkeit von 0,015 - 0,2 m/ Sekunde aus der Reaktionsmischung freigesetzt. Die Reaktion wird gewöhnlich unter Druck, z.B. unter 0,1 - 5 atü, und bei erhöhter Temperatur, z.B. 120 - 200°C, insbesondere bei der Siedetemperatur der Reaktionsmischung, durchgeführt.

Das Produkt, das durch Auslaß 12 entfernt wird, ist eine heiße Aufschlämmung oder Lösung, die gewöhnlich am Siedepunkt ist. Diese Aufschlämmung oder Lösung kann zur weiteren Verarbeitung in weitere Reaktionsgefäße geleitet v/erden; z.B. in eine Granulicrungsvorrichtung zum Granulieren - gegebenenfalls in Anwesenheit von Teilchen anderer Düngematerialien - , oder in einen Sprühkristallisationsturm. Wenn das Produkt allerdings

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unter Druck gebildet wird, wird es vorzugsweise in eine Zone mit niedrigerem Druck geleitet, z.B. in ein Vakuumgefäß oder einen Turm 20, die unter normalem Druck und unter normaler Temperatur arbeiten; in diese Zone wird das Produkt durch eine Sprühdüse 21 eingesprüht. Dadurch verliert das Produkt Wasser, und man kann ein festes, feinteiliges Produkt erhalten. In diesem Fall sollte das Produkt in dem Reaktionsgefäß vorzugsweise etwa 5 - 25 Gew.-S* Wasser enthalten, eine Temperatur von etwa 140 - 180 C aufweisen und unter einem Druck von etwa 1 - 3,5 atü gebildet werden.

Die obige Form von Reaktionsgefäß kann auf vielerlei Art modifiziert werden. Beispielsweise muß das Reaktionsgefäß nicht einen runden Querschnitt haben, sondern kann eine andere Form, z.B. einen viereckigen, dreieckigen oder mehreckigen Querschnitt, aufweisen; das Gefäß 10 kann beispielsweise lediglich eine Verlängerung der äußeren Röhre 2 bilden, wenn diese einen ausreichenden Durchmesser besitzt, um die gewünschte Reduzierung der Gasaustrittsgeschwindigkeit zu erreichen; im Gefäß 10 können Nebeltrennvorrichtungen vorgesehen sein; und ein Teil des Wasserdampfes der Reaktionsmischung kann mit dem Produkt durch Auslaß 12 abgelassen werden, um das Zerstäuben des Produkts zu erleichtern.

Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß eignet sich insbesondere zur Durchführung von exothermen Reaktionen, und ein typisches Beispiel für eine derartige Reaktion ist die Neutralisierung einer Mineralsäure, z.B. Phosphor-, Salpeter- und/oder¹ Schwefelsäure, mit einer flüssigen oder gasförmigen Base, z.B. Natriumoder Kaliumhydroxyd und/oder -carbonat oder Ammoniak; insbesondere die Ainmoniakbehandlung einer unreinen Säure, z.B. im Naßverfahren hergestellte Phosphorsäure, unter Verwendung von gasförmigem Ammoniak.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird die Umsetzung von Ammoniak mit im Naßverfahren hergestellter roher Phosphorsäure im folgenden ausführlicher beschrieben.

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Ammoniak, vorzugsweise als wasserfreies Gas oder Flüssigkeit, wird durch Einlaß 7 zugeführt, wobei dieser Einlaß praktisch ko-a^: x ial von unten nach oben in die Röhre 1 gerichtet und sein Auslaß innerhalb der Röhre 1 angebracht ist. Die Phosphorsäure wird durch die tangentialen Einlasse 6 zugeführt, welche vorzugsweise im obersten Viertel der Länge des ringförmigen Zwischenraums 3 vorgesehen sind. Die Geschwindigkeit der Säure- und Ammoniakzufuhr wird teilweise von dem gewünschten Verhältnis von NH₇ zu H^PO^ im Endprodukt, welches im Normalfall etwa 0,85 : 1 bis 1,6 : 1 beträgt, von der Größe des Reaktionsgefäßes und der gewünschten Produktionsrate und von der Fließgeschwindigkeit des Materials durch den ringförmigen Zwischenraum 3 und die Röhre 1 bestimmt. Zweckmäßigerweise fließt das Material mit einer linearen Fließgeschwindigkeit von weniger als etwa 2 m/Sekunde, z.B. von 0,1 0,5 m/Sekunde, durch den ringförmigen Zwischenraum 3» mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 1,5-5 m/Sekunde durch die Röhre 1, und die Größe des Reaktionsgefäßes ist so bemessen. daß das Gewichtsfließverhältnis des Materials, welches in dem Reaktionsgefäß zirkuliert, wenigstens um das 10-fache, vorzugsweise jedoch um das 25- bis 100-fache, höher ist als die Gewichtsmenge der Phosphorsäure, welche durch Einlaß 6 zugeführt wird. Zweckmäßigerveise hat das Gefäß 10 einen solchen Durchmesser, daß die Gasentweichungsgeschwindigkeit auf weniger als etwa 1, vorzugsweise weniger als etwa 0,2, m/Sekunde an der freiliegenden Oberfläche der Reaktionsmischung reduziert v/ird. Wenn das Produkt durch Schnelltrocknen, z.B. durch Einsprühen in einen Vakuumturm, in einen Feststoff umgewandelt werden coil, wird das obige Verfahren vorzugsweise bei einer Ternpcratur von etwa 1AO - 180⁰C, z.B. VtO - 1o5°C, und unter einem Druck von etwa 1,5 - 3,5 kg/cm durchgeführt, und der Wassergehalt dei" Reaktionsmischung wird vorzugsweise auf einem Wert von etwa 7 - 25 Gew.-?o gehalten, indem als Beschickung ein Phosphor-Bäurematerial verwendet v/ird, das etwa 38 - 60 Gew.-?·«! PpO₁-enthält.

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Die obigen Arbeitsbedingungen beziehen sich auf einen beständigen Zustand während der kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens. Selbstverständlich sind die oben genannten Bedingungen voneinander abhängig, und die optimalen Bedingungen für jeden einzelnen Fall können durch einfache Versuche unter Zugrundelegung der obigen Richtwerte ermittelt werden. Es ist äußerst überraschend, daß trotz der stark bewegten Bedingungen, die in dem Dampfentfernungsgefäß 10 herrschen, nur geringe Afflmoniakverluste aus dem erfindungsgemäßen System auftreten, und daß, wenn Ammoniakverluste vorkommen, diese durch Herabsetzen der Zirkulationsgeschwindigkeit der Reaktionsmischung in dem Gefäß noch erhöht werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Alle Teile und Prozente beziehen sich auf das Gewicht, wenn nicht anders angegeben.

Beispiel 1 .

In einem Reaktionsgefäß entsprechend der Zeichnung, worin die •Abmessungen von A= 2,2 cm, von B = 5,4 cm, von C - 175,3 cm und von D= 182,9 cm waren, wurde Ainmoniakgas mit Phosphorsäure umgesetzt. Die Phosphorsäure (50%-iges PpO₁-) wurde in einer Menge von 330 Teilen/Std« durch Einlaß 6 eingeführt, und das Ammoniakgas wurde durch Einlaß 7 in einer Menge von 43 Teilen pro Stunde eingeführt. Das Reaktionsgefäß wurde unter einen Druck von 2,1 atü gesetzt und auf einer Temperatur von 163⁰C gehalten. Die Reaktionsmischung, die in dem Reaktionsgefäß zirkulierte, entsprach etwa dem Gewicht des durch Auslaß 12 entfernten Produkts und des durch Auslaß 11 abgelassenen Dampfes (mit einer Geschwindigkeit von 3,3 kg/Stunde). Das Produkt wurde in einen wassergekühlten Gürtel aus rostfreiem Stahl geleitet, um eine Ämmoniumphosphatschicht mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3,3 % zu erhalten.

Das Verfahren wurde 4 Stunden lang kontinuierlich durchgeführt, wobei sich in dem Reaktionsgefäß keine nennenswerten Krusten bildeten.

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1*

Beispiel 2

Im Naßverfahren hergestellte Phosphorsäure, die 40 % P₂ ⁰^ ' enthielt, wurde in einem Reaktionsgefäß gemäß der Zeichnung, welches eine Durchlaufmenge von 7.000 kg/S+unde an trockenem Ammoniumphosphat hatte, mit dem Produkt aus dem Reaktionsgefäß, welches durch Auslaß 12 in eine rotierende Röhrengranuliervorrichtung gesprüht wurde, worin das Produkt mit zurückgeführtem feinem Material granuliert wurde, ammoniakisiert. Der innere Durchmesser der inneren Röhre und der äußeren Röhre standen im Verhältnis 1:1,28 zueinander, und das Entfernungsgefäß hatte einen Durchmesser, der etwa das 3,6-fache des Durchmessers der äußeren Röhre betrug. Die Phosphorsäure wurde mit einer Geschwindigkeit von 4^620 kg/Stunde durch die tangentialen Einlasse 6 zugeführt, und das gasförmige Ammoniak wurde mit einer Geschwindigkeit von 600 kg/Stunde achsial in Aufwärtsrichtung in die innere Röhre 1 eingeführt, und zwar mit Hilfe einer kranzförmigen Leitung, die innerhalb der Röhre angebracht war und die mit einer Reihe von Düsen ausgestattet war. Das Reaktionsgefäß wurde unter einem Druck von 2,3 kg/cm und bei einer Temperatur von 154°C betrieben, wobei 770 kg/Stunde Dampf aus dem Auslaß 11 abgelassen wurden. Die Reaktionsmischung zirkulierte mit einer linearen Geschwindigkeit von 0,3 m/Sekunde in der äußeren Röhre und von 1.9 m/Sekunde in der inneren Röhre, und sie zirkulierte mit einer Geschwindigkeit von 28 Gew.-Teilen pro Zeiteinheit für jedes Gew.-Teil pro Zeiteinheit an Säure, die durch Einlaß 6 zugeführt wurde. Wasserdampf entwich von der bewegten Oberfläche der Reaktionsmischung im Gefäß 10 mit einer mittleren linearen Geschwindigkeit von 0,10 m/Sekunde, und der Produktverlust durch Mitreißen in dem abgelassenen Dampf betrug nur 0,0003 %.

Unter diesen Bedingungen erhielt man ein Produkt, das einen pH-Wert von 5,5 hatte, 22 % Wasser enthielt und sich am Siedepunkt befand. Dieses Produkt wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 3.500 kg/Stunde in eine Drehtrommelgranuliervorrichturig gesprüht, wo weiteres V/asser aus dem Produkt entwich und man ein festes Produkt erhielt.

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Die Ammoniakausnutzung betrug bei dein obigen System 98,5 %, und das System wurde im Verlauf von 4 Tagen für lange Durchläufe benutzt,, ohne daß Probleme mit Verkrustungen auftraten.

Beispiel 3

Im Naßverfahren hergestellte Phosphorsäure (50%-iges Pp°5^ wurde in einem Reaktionsgefäß gemäß Figur 1, bei welchem die Durchmesser der inneren und der äußeren Röhre ein Verhältnis von 1:2 aufwiesen und das Entfernungsgefäß den dreifachen Durchmesser der äußeren Röhre hatte, mit gasförmigem Ammoniak ammoniak!siert. Die Reaktionsmischung zirkulierte mit einer Geschwindigkeit von 0,15 m/Sekunde durch den ringförmigen Zwischenraum 3 und von 2,5 m/Sekunde durch die innere Röhre, und sie zirkulierte mit einer Geschwindigkeit von 40 Teilen pro Zeiteinheit für jeden Teil pro Zeiteinheit an Phosphorsäure, die durch Einlaß 6 zugeführt wurde. Wasserdampf wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,08 m/Sekunde aus der Reaktionsmischung im Gefäß 10 entfernt. Wasser wurde mit einer Geschwindigkeit von 12 kg/Stunde in das Reaktionsgefäß geleitet, um die Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten.

Die Phosphorsäure und das gasförmige Ammoniak wurden in einem Gewichtsverhältnis von 8,42:1 zugeführt, um bei 158°C eine Reaktionsmischung zu erhalten, die einen pH-Wert von 3,5 aufwies und 17 % Wasser enthielt. Diese Mischung wurde .in einen Vakuumturm gesprüht, um ein festes Ammoniumphosphatprodukt zu erhalten. Das System wurde 18 Stunden lang kontinuierlich betrieben, ohne daß eine Krustenbildung festgestellt werden konnte. Die Ammoniakausnutzung betrug 99»8 %, obwohl in diesem Beispiel die Zirkulationsgeschwindigkeit höher und die Kontaktzeit zwischen dem Ammoniak und der Reaktionsmischung kürzer waren als in Beispiel 2.

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IO

Leerseite

Claims

P a t ent a n Sprüche

!.Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen zwei chemischen Reaktionsmitteln, bei welchem eines der beiden R.eaktionsmittel und/oder das Produkt die Form einer Gas- oder Dampfphase hat, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Reaktionsmittel in ein Gefäss eingeführt werden, welches zwei röhrenförmige Teile umfasst, von denen wenigstens eines etwa senkrecht verläuft und die miteinander und mit einem Gasentfernungsgefäss, welches vorzugsweise die 10- bis 10Ofache Querschnittsfläche der senkrechten Röhre besitzt, in Fliessstromverbindung stehen, dass eines der beiden Reaktionsmittel im unteren Teil der senkrechten Röhre eingeführt wird, während das andere Reaktionsmittel - vorzugsweise tangential - in die andere Röhre eingeführt wird, wobei die senkrechte Röhre vorzugsweise coaxial innerhalb einer längeren Röhre angeordnet ist und beide Röhren in ein Gasentfemungsgefäss mit grossein Durchmesser münden,

- dass man das erhaltene Reaktionsgemisch in Aufwärtsrichtung durch die senkrechte Röhre spontan zirkulieren lässt und zwar vorzugsweise mit einer linearen Geschwindigkeit von wenigstens 1,5 m/sec, und durch das Gasentfernungsgefäss und durch die andere Röhre zurück zu der senkrechten Röhre, und zwar vorzugsweise mit einer linearen Fliessgeschwindigkeit von etwa 0,1-2 m/secj und

- dass das Reaktionsprodukt aus dem Reaktionssystem, vorzugsweise durch Sprühen des Produkts in einen "Vakuumturm oder· in eine Granuliervorrichtung gewonnen wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Reaktionsmittel in ein Reaktionsge'fäss eingeführt werden, welches eire einseitig geschlossene Röhre aufweist, an derem offenen Ende sich ein Gefäss mit einem grösseren Querschnitt als der Querschnitt der länglichen Röhre anschliesst, wahrend sich innerhalb der länglichen Röhre eine nicht bis zum geschlossenen Ende der äusseren länglichen Röhre reichende, innere Röhre mit beiderseits offenen Enden befindet, wobei sich ein ringförmiger Zwischenraum zwischen der inneren und der äusseren Röhre ergibt,dass eines der Reaktionsmittel in der Nähe des offenen Endes der äusseren Röhre in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Röhren oder in die innere Röhre eingespritzt wird, während das andere Reaktionsmittel in der Nähe des geschlossenen Endes der äusseren Röhre

in die innere Röhre oder in den ringförmigen Zwischenraum eingespritzt wird, wobei ein Dampfauslass und ein Produktauslass vorgesehen ist, dass man das Reaktionsgemisch durch die innere Röhre, das Gefäss mit dem grösseren Querschnitt und den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Röhren zirkulieren lässt, und dass das Produkt aus dem Gefäss mit dem grösseren Querschnitt und/oder aus der äusseren Röhre gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass in die senkrechte oder innere Röhre ein gasförmiger oder leicht verdampfbarer Reaktionsteilnehmer, insbesondere gasförmiges oder flüssiges Ammoniak, und tangential dazu in die andere oder äussere Röhre der andere Reaktionsteilnehmer, insbesondere Phosphorsäure, eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gas und/oder der Dampf in der Gasentfernungszone oder dem Gasentfernungsgefäss mit einer linearen Fliessgeschwindigkeit von weniger als etwa 5 ra/sec aus der Reaktionsmischung entweichen lässt.

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• -ve -
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältmis von Zirkulationsmenge des Reaktionsgemische zu der Zufuhr der Reaktionsmittel (beide auf der Basis von Gewicht pro Zeiteinheit) wenigstens etwa 10:1 gewählt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Ammoniumphosphaten, dadurch gekennzeichnet,

- dass gasförmiges oder flüssiges Ammoniak im untersten Drittel der Länge der senkrechten Röhre eines Reaktionsgefässes eingeführt wird, welches zwei längliche Röhren umfasst, die miteinander und mit einem Vaktiumgefäss in Fließstrcn-verbindung stehen, wobei wenigstens eine der Röhren im allgemeinen senkrecht steht, wodurch ein Zirkulationskreislauf entsteht, welcher die senkrechte Röhre,· das Vakuumgefäss und die andere Röhre umfasst,

- dass in die andere Röhre Phosphorsäure eingeführt wird, so dass eine Reaktionsmischung mit einem Molverhältnis von NH, : H₅PO^ von etwa 0,85:1 bis 1,6:1 gebildet wird» wobei der Druck etwa 1,5 - 3»5 kg/cm und die Temperatur etwa 140 - 180⁰C betragen;

- dass man das Reaktionsgemisch mit einer linearen Fliessgeschwindig-keit von weniger als etwa 2 m/sec durch die äussere Röhre und mit einer linearen Fliessgeschwindigkeit von etwa 1,5 5 m/sec von unten nach oben durch die senkrechte Röhre und in der 25- bis lOOfachen Menge der Phosphorsäurezufuhrmenge (beide auf der Basis von Gewicht pro Zeiteinheit) spontan zirkulieren lässt, und

- dass aus dem Reaktionsgemisch in der Freisetzungszone oder dem Freisetzungsgefäss Dampf mit einer linearen Fliessgesehwindigkeit von weniger als etwa 1 m/sec abgelassen wird.

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7. Reaktionsgefäß, gekennzeichnet durch zwei miteinander und mit einem Vakuumgefäß (io) in Fließstromverbindung stehende längliche Rührenteile (1,2), von denen wenigstens ei ne Rohre (1) im wesentlichen senkrecht steht, wodurch ein Zirkulationskreislauf entsteht, welcher die senkrechte Röhre (1), das Vakuumgefäß (io) und die andere Röhre (2) umfaßt, wobei die senkrechte Röhre (1) mit einer Einrichtung ( 7 )zur Einführung eines Reaktionsmittels am unteren Teil der Röhre (1) versehen ist, während die andere Röhre (2) ebenfalls mit einer Einrichtung (6) für die Zufuhr des anderen Reaktionsmittels versehen ist.
8. Reaktionsgefäß, dadurch gekennzeichnet , daß es ein einseitig geschlossenes längliches Röhrenteil (2) aufweist, an dessen offenem Ende ein Gefäß (1o) mit einem im Vergleich zur Röhre (2) größeren, vorzugsweise 1o- bis 1oo-fach größeren Querschnitt angeordnet ist, während sich innerhalb der Röhre (2) eine nicht -bis zum geschlossenen Ende der äußeren Röhre (2) reichende innere Röhre (1) mit offenen Enden befindet, se daß ein ringförmiger Zwischenraum (3) zwischen den beiden Röhren (1, 2) ensteht, daß in der Nähe des offenen Endes der äußeren Röhre (2) ein Einlaß (6) für ein Reaktionsmittel in den ringförmigen Zwischenraum (3) zwischen den beiden Röhren (1, 2) oder in die innere Röhre (T) angeordnet ist, daß in der Nähe des geschlossenen Endes der äußeren Röhre (2) ein Einlaß (7) vorgesehen ist, durch welchen das zweite Reaktionsmittel - vorzugsweise, tangential - in die innere Röhre (1) oder den ringförmigen Zwischenraum (3) einspritzbar ist, und daß das Gefäß (1o) mit einem Dampfauslaß (11) und einem Produktauslaß (12) versehen ist.

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