Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung von chemischen Reaktionen umfassend, wenigstens eine Destillationskolonne und/oder wenigstens einen Behälter sowie wenigstens einen Umlaufverdampfer, wobei diese durch entsprechende Verbindungselemente miteinander verbunden sind.

Chemische Reaktionen bei deren Durchführung Destillationskolonnen eingesetzt werden können, sind beispielsweise aus der Polyurethan-Chemie bekannt. So kann beispielsweise eine Auftrennung des Mononitrier-Gemisches, welche bei der Herstellung von Toluylen- diamin (TDA) durch die in einem ersten Schritt durchzuführende Nitrierung des Toluols zu einem Gemisch an Toluylendiamin-Isomeren anfällt, in der Regel großtechnisch nur durch mehrere Destillationsschritte erreicht werden.

Auch bei der Synthese technisch bedeutender Isocyanate, beispielsweise Toluylendiisocy- anat (TDI) oder Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) über die Phosgenierung bedient man sich verschiedenartiger Mischeinrichtungen, welche unter anderem auch Destillationsein- richtungen enthalten können.

Problematisch bei dieser Art der Synthesen ist unter anderem, daß bei ungenügender Ver- mischung der im einzelnen eingesetzten Reaktionskomponenten sowie ungünstigen Reak- tionsbedingungen ein glatter Reaktionsablauf, das heißt optimaler Reaktionsumsatz, wel- cher insbesondere für die Höhe der Ausbeute entscheidend ist, häufig nicht erreicht werden kann. Die dabei sodann vermehrt anfallenden Nebenprodukte sowie unumgesetzte Edukte, welche sich auch im Reaktionssumpf ansammeln, werden bisher in einem weiteren Schritt kosten-und zeitaufwendig vom Hauptprodukt abgetrennt und aufgearbeitet. (entnommen aus PUR-Kunststoffhandbuch Nr. 7,3. Auflage, Hanser Verlag, S. 77 Kap. 3.2. 2)

Eine bekannte Anordnung zur Erzielung eines verbesserten Reaktionsumsatzes ist eine Vorrichtung mit einem räumlich geteilten Sumpf (heiß/kalt) innerhalb der verwendeten Reaktionskolonne. Mit Hilfe des geteilten Sumpfes ist es möglich, daß die heiße Flüssig- keit, welche aus dem Verdampfer, welcher der Reaktionskolonne zugeschaltet ist, austritt, sich nicht wieder mit dem kalten Sumpfinhalt der Reaktionskolonne vermischen kann. Im Ergebnis erhält man so zum einen einen heißen Sumpfteil, aus dem das Sumpfprodukt zur weiteren Aufarbeitung abgezogen wird, und zum anderen einen kalten Sumpfteil. In den kalten Sumpfteil wird die kalte Flüssigkeit vom untersten Boden der Reaktionskolonne, welcher sich oberhalb des Sumpfes befindet, sowie der Teil des heißen Sumpfteils, welcher aufgrund der räumlichen Anordnung von diesem überläuft, zugemischt.

Als nachteilig an dieser Anordnung kann das geringe Verhältnis zwischen der volumen- mäßigen Ausdehnung von heißem zu kaltem Sumpfteil angesehen werden. Die bisherigen Versuche zur Behebung dieses Nachteils scheiterten jedoch an den Grenzen, welche unter anderem durch die Bauform und Baugröße der jeweiligen Anordnung vorgegeben waren.

Eine weiterhin bekannte Anordnung versucht dieses Problem durch Vergrößerung des hei- ßen Sumpfteils zu lösen. In dieser Anordnung wurde auf die räumliche Trennung zwischen kaltem und heißem Sumpfteil verzichtet, so daß sich der kalte Sumpfteil naturgemäß un- terhalb des heißen Sumpfteils befindet. Die Flüssigkeit vom untersten Boden der Reakti- onskolonne wird dabei direkt vor den Stutzen, von welchem das Sumpfprodukt abgezogen werden kann und welcher sich in der Regel am Kolonnenboden, also im kalten Sumpfteil befindet, geführt Als nachteilig an dieser Anordnung kann jedoch gesehen werden, daß die kalte Flüssigkeit beim Durchlaufen des sie führenden Rohres durch den heißen Sumpfteil bereits zu ver- dampfen beginnt, so daß vor dem Stutzen eine Flüssigkeit mit gasförmigen Anteilen ge- führt wird. Diese gasförmigen Anteile in der anschließend zu verdampfenden Flüssigkeit führten zu einer Verschlechterung des Umlaufs im angeschlossenen Verdampfer. Daher kommt es in der Regel zu Funktionsstörungen oder sogenanntem Fouling. Unter Fouling wird in diesem Zusammenhang die Bildung von unerwünschten Ablagerungen beispiels-

weise an den jeweiligen Rohrinnenseiten verstanden, die bei höheren Temperaturen auf- tritt.

Des weiteren beschreibt Kister (Henry Kister, Distillation operation, MacGraw-Hill, 1989, S. 97) den Einsatz eines Once-Through-Verdampfers, der zum Anfahren einer Kolonne als Naturumlaufverdampfer betrieben wird. Eine Kombination von Naturumlaufverdampfer und Once-Through-Verdampfer wird jedoch nicht erwähnt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Anordnung bereitzustellen, mit der chemische Reaktionen, wie beispielsweise die oben beschriebene Herstellung von TDI oder MDI ohne die genannten Nachteile, bei gleichzeitiger Verbesserung des Reaktion- sumsatzes, kostengünstig durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Durchführung von chemischen Re- aktionen umfassend wenigstens eine Destillationskolonne und/oder wenigstens einen Be- hälter sowie wenigstens einen Umlaufverdampfer, welche über Verbindungselemente mit- einander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeit vollständig oder teil- weise von einem Boden oder von einem Packungsbett oder von einer Füllkörperschüttung oder von einem Flüssigkeitssammler der Destillationskolonne oder als externer Zulauf- strom unterhalb vom unteren Rohrboden des Umlaufverdampfers diesem zugeführt wird.

Bei den mit dieser Anordnung durchführbaren chemischen Reaktionen handelt es sich be- vorzugt um kinetisch kontrollierte Stoffumsetzungen, endotherme Gleichgewichtsreaktio- nen oder Stofftransporte, da die höheren Temperaturen in diesen Fällen bei gleichem Flüs- sigkeitsvolumen zu schnelleren und besseren Reaktionsumsätzen führen.

Besonders bevorzugt wird jedoch die Herstellung von Diisocyanaten, insbesondere von TDI und MDI durchgeführt.

Bei der verwendeten Destillationskolonne handelt es sich vorzugsweise um eine mehrstu- fige kontinuierlich arbeitende Bodenkolonne.

Alternativ dazu können ebenfalls Rohrkolonnen, Staubodenkolonnen, Rieselfilmkolonnen, Sprühkolonnen, Blasensäulen, Füllkörperkolonnen, Packungskolonnen und Anstaupak- kungskolonnen eingesetzt werden, die kontinuierlich als Semibatch oder im Batch betrie- ben werden.

Prinzipiell strömt in senkrecht stehenden Kolonnen in der Mehrzahl aller Fälle aus energe- tischen Gründen die flüssige Phase von oben nach unten und die gasförmige Phase von unten nach oben. Für die vorliegende Erfindung werden vorzugsweise senkrecht stehende Kolonnen eingesetzt, deren Phasen im Gegenstrom, im Kreuzstrom, im Gleichstrom, im Kreuz-Gleichstrom sowie im Kreuz-Gegenstrom geführt werden können, wobei die jewei- lige Strömungsform durch die Einbauten bestimmt wird.

Unter Flüssigkeit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das in der Destillationsko- lonne gewonnene Kondensat und/oder ein flüssiger Zulauf verstanden, welches vom unter- sten der in der Destillationskolonne vorgesehenen Böden abgezogen wird. Ein Boden in einer Kolonne ist in der Regel dadurch charakterisiert, daß zwischen dem von einem Bo- den aufsteigenden Dampf und der von ihm abfließenden Flüssigkeit thermisches Gleich- gewicht besteht. Es sind jedoch auch Böden denkbar, auf denen kein thermodynamisches Gleichgewicht besteht. Bei den vorzugsweise verwendeten Böden sind Böden mit Flüssig- keitszwangsführung und Böden ohne Flüssigkeitszwangsführung zu unterscheiden. Des weiteren können die Böden zur Erhöhung der Flexibilität als Austauschböden gestaltet sein. Je nach vorgegebenem Strömungsweg, kommen bei Böden mit Flüssigkeitszwangs- führung beispielsweise Querstromböden, Umlenkstromböden oder Radialstromböden zur Anwendung. Anstelle oder zusätzlich zu diesen Böden kann auch ein Packungsbett oder eine Füllkörperschüttung vorgesehen sein.

Bei der Füllkörperschüttung handelt es sich vorzugsweise um eine gleichmäßig über die gesamte Kolonnenhöhe verteilte, mehr oder weniger regelmäßig angeordnete Füllung, die auf einem Tragrost ruht. Die Schüttungen bestehen dabei aus regelmäßig geformten Kör- pern, wobei die Formengrößen der Füllkörper sehr vielfältig und darauf gerichtet sind, eine möglichst große Oberfläche zu realisieren und einen großen freien Durchtrittsquerschnitt für das Gas offenzulassen. Als Füllkörperarten kommen vorzugsweise Ringkörper wie

Raschig-Ringe und Pall-Ringe und Sattelkörper wie Intalox-Sättel und Berl-Sättel zum Einsatz, welche ihrerseits aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Keramik, Metall, Glas und Kunststoff bestehen können.

Packungen, auch im ganzen als Packungsbett bezeichnet, stellen im Gegensatz zu Füllkör- perschüttungen mit unregelmäßiger Struktur, geordnete Kolonnenfüllungen dar. Die Aus- wahl des Werkstoffs der Packungen wird hauptsächlich von Korrosionseigenschaften, aber auch von strömungstechnischen Parametern bestimmt. Die Packungen können unter- schiedlich, beispielsweise in Form von unperforierten Platten und Bändern ohne und mit Oberflächenstruktur (z. B. Siebplatten, Streckmetall) sowie aus Geweben, Gewirken, Ge- stricken und Geflechten gestaltet sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf- verdampfer ein Naturumlaufverdampfer ist.

Die im Rahmen der Erfindung zur Anwendung kommenden Verdampfer können in der Regel alle bekannten Verdampfer sein. Bevorzugt werden jedoch Zwangsumlaufverdamp- fer wie beispielsweise Kletterfilm-, Zentrifugal-und Rotationsverdampfer sowie Umlauf- verdampfer wie beispielsweise Robert-Verdampfer, Schrägrohr-und Langrohrverdampfer sowie Naturumlaufverdampfer verwendet. Auch Fallstromverdampfer können zur Anwen- dung kommen, dann würde jedoch die Flüssigkeit oberhalb des Rohrbodens zugeführt werden müssen.

Bei dem besonders bevorzugt vorgesehenen Once-Through-Verdampfer handelt es sich um eine Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeiten, wobei die Flüssigkeit beim einmali- gen Durchgang durch den Apparat ganz oder teilweise verdampft wird.

Bei dem bezeichneten Naturumlaufverdampfer handelt es sich um einen Verdampfer, wel- cher ohne die Verwendung von Pumpen funktioniert, wobei das zu verdampfende Fluid in den Rohren eines Rohrbündels meist durch kondensierenden Wasserdampf aufgeheizt und teilweise verdampft wird. Durch die Dichtedifferenz des Fluids zwischen Zulauf und Rohrbündel entsteht ein natürlicher Umlauf.

Die Verbindungselemente zwischen Destillationskolonne und Verdampfer werden bevor- zugt in Form von Rohrleitungen gestaltet. Alternativ können auch Leitbleche, Schächte oder Schläuche eingesetzt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Flüssigkeit vom Zulauf der De- stillationskolonne oder des Behälters abgezogen und unterhalb des unteren Rohrbodens des Umlaufverdampfers diesem zugeführt.

Erfindungsgemäß ist die Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin da- durch gekennzeichnet, daß die dem Umlaufverdampfer zugeführte Flüssigkeit vorzugswei- se über wenigstens ein Zulauf-und/oder Verteilersystem unterhalb des unteren Rohrbodens des Umlaufverdampfers mit einer vom heißen Sumpfteil der Destillationskolonne oder des Behälters zirkulierenden Flüssigkeit gemischt wird.

Als Zulauf-und/oder Verteilersystem kommen bevorzugt Einsteckrohre, direkte Einspei- sungen, tangentiale Einspeisungen, Düsen-oder Strahleinheiten zur Anwendung.

Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine Ringleitung unterhalb des unteren Rohrbodens des Umlaufverdampfers oder den Einsatz von statischen Mischelementen bei der direkten Einspeisung.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Destillationskolonne oder der Behälter einen geteilten Sumpf auf, wobei der geteilte Sumpf wenigstens einen kalten und wenigstens einen heißen Sumpfteil aufweist.

Diese Teilung kann dabei durch Trennelemente wie z. B. eine Trennwand erfolgen, wenn ein räumlich zusammenhängender Sumpfbereich geteilt werden soll oder aber auch durch räumliche Trennung, so daß die Sumpfteile voneinander derart beabstandet sind, daß eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung möglichst verhindert wird. Die Aufteilung des Sumpfes kann grundsätzlich auch in mehr als zwei Teile erfolgen, wobei die Größe der einzelnen Sumpfteile frei bestimmbar ist.

Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung auf Gemische, in denen Reaktionen ablaufen, bei gleicher Baugröße eine Maximierung des heißen und eine Minimierung des kalten Sumpfteils erzielt wird.

Gemische sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl homogene wie heterogene Mischungen einer oder mehrerer reiner Komponenten. Bei den homogenen Gemischen handelt es sich vorzugsweise um Flüssigkeiten. Bei den heterogenen Gemischen handelt es sich bevorzugt um eine oder mehrere flüssige Phasen, eine gasförmige Phase und/oder eine oder mehrere feste Phasen.

Unter der Baugröße ist die Baugröße der Anordnung zur Durchführung eines vergleichba- ren Reaktionsumsatzes zu verstehen. Eine geringere Baugröße würde daher weniger Inhalt an toxischen oder anderweitig gefährlichen Substanzen bedeuten.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet in der Form der Zusammenschaltung den Vorteil, daß die kalte Flüssigkeit, die beim Mischen mit der heißen Flüssigkeit verdampft, den Na- turumlauf stabilisiert und den Wärmeübergang verbessert, womit einem Fouling entgegen- gewirkt wird.

Neben der Vermeidung einer Zweiphasenströmung im Sumpf der Kolonne erreicht man bei dieser Kombination durch die Mischung der beiden Flüssigkeiten eine geringere Ein- und Austrittstemperatur und damit, bei vorgegebener Heizmitteltemperatur, eine größere Temperaturdifferenz am Verdampfer.

Die Austrittstemperatur aus dem bevorzugt zur Anwendung kommenden Naturumlaufver- dampfer entspricht dabei vorzugsweise der Sumpftemperatur und ist damit identisch der Verdampferaustrittstemperatur im Once-Trough-Verdampfer. Die Eintrittstemperatur des Naturumlaufverdampfers liegt bevorzugt zwischen Sumpftemperatur und Ablauftempera- tur und wird bestimmt durch die sich einstellende Umlaufmenge.

Die Kombination von Naturumlauf-und Once-Through-Verdampfer insbesondere für das TDI-Verfahren führt zu einer Verbesserung des Reaktionsumsatzes durch Maximierung des heißen Sumpfteils. Dadurch kann entweder die Verweilzeit für das Phosgen gesenkt oder das Foulingrisiko reduziert werden oder der Umsatz zum Wunschprodukt TDI erhöht werden, was einer größeren Ausbeute entspricht.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei kinetisch kon- trollierten Stoffumsetzungen, endothermen Gleichgewichtsreaktionen oder Stofftranspor- ten, da die höheren Temperaturen in diesen Fällen bei gleichem Flüssigkeitsvolumen zu schnelleren und besseren Reaktionsumsätzen führen.

Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Verfahren zur Herstellung von Toluylendiisocyanat (TDI) aus Toluylendiamin (TDA) und seinem Amin Hydrochlorid und Phosgen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt werden.

Ebenso ist mit Hilfe dieser Anordnung das Verfahren zur Herstellung von Methylendiphe- nyldiisocyanat (MDI) aus Methylendiphenyldiamin (MDA) und seinem Amin Hydrochlo- rid und Phosgen durchführbar.

Erfindungsgemäß ist ebenso die Verwendung der Anordnung zur Durchführung des Ver- fahrens zur Herstellung von TDI oder MDI vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden an einer bevorzugten Ausführungsform an- hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung. Dabei umfaßt die Anordnung 1 zur Durchführung des TDI- Verfahrens eine Destillationskolonne 10 mit einem untersten Boden 12 und einem heißen Sumpfteil 14 sowie einem Ablauf 16 für kalte Flüssigkeit, einen Brüdenraum 17 und einem Ablauf 18 für heiße Flüssigkeit, einen Naturumlaufverdampfer 20 und entsprechende Ver-

bindungsrohrleitungen 22 und 24 sowie ein Zulauf 25 und ein Auslaufrohr 26 des Natu- rumlaufverdampfers 20 zur Verbindung von Destillationskolonne 10 und Naturumlaufver- dampfer 20.

Der Naturumlaufverdampfer 20 umfaßt seinerseits ein Verdampferrohrbündel 28, einen Verteilerring 30 sowie den Zulauf 25 und das Auslaufrohr 26.

Während des TDI-Verfahrens wird Flüssigkeit aus dem heißen Sumpfteil 14 der Destillati- onskolonne 10 durch den Ablauf 18, die Verbindungsrohrleitung 24 und den Zulauf 25 dem Verteilerring 30 zugeführt. Gleichzeitig wird die auf dem untersten Boden 12 der De- stillationskolonne 10 aufgefangene Flüssigkeit über den Ablauf 16 aus der Destillations- kolonne 10 abgezogen und über die Verbindungsrohrleitung 22 ebenfalls dem Verteilerring 30 des Naturumlaufverdampfers 20 zugeführt.

Diese beiden dem Verteilerring 30 des Naturumlaufverdampfers 20 zugeführten Flüssig- keiten werden vorzugsweise am Verteilerring 30 gemischt. Dabei verdampft die kalte Flüs- sigkeit und stabilisiert damit den Naturumlauf und verbessert gleichzeitig den Wärmeüber- gang.

Der eigentliche Verdampfungsprozeß im Naturumlaufverdampfer 20 erfolgt durch Hei- zung des Verdampferrohrbündels 28, wobei die in die einzelnen Rohre des Verdampfer- rohrbündels 28 vom Verteilerring 30 eingespeiste Flüssigkeit erhitzt wird. Ist die Wand- temperatur der Rohre hoch genug, so beginnt die Flüssigkeit in den Rohren des Verdamp- ferrohrbündels 28 zu sieden, indem zuerst Blasen an der Rohrwand entstehen. Sie lösen sich ab und streben, bedingt durch den Auftrieb, dem oberen Rohrende zu, um über das Auslaufrohr 26 als Dampf in den Brüdenraum 17 einzutreten. Durch die Bildung von Dampfblasen verringert sich die mittlere Dichte in den einzelnen Rohren des Verdampfer- rohrbündels 28, so daß der hydrostatische Druck in den Rohren kleiner als der im heißen Sumpfteil 14 der Destillationskolonne 10 wird. Diese Differenz im hydrostatischen Druck bewirkt, daß sich ein Flüssigkeitsstrom vom heißen Sumpfteil 14 der Destillationskolonne 10 zum Verdampferrohrbündel 28 des Naturumlaufverdampfers 20 bewegt, um die Druck- differenz auszugleichen. Der Flüssigkeitsstrom vom heißen Sumpfteil 14 der Destillations-

kolonne-10 zum Verdampferrohrbündel-28--des Naturumlaufverdampfers 20 hebt das Zweiphasengemisch in den einzelnen Verdampferrohren über den oberen Rohrboden hin- aus bis in den Brüdenraum 17 an, wobei die gebildeten Dampfblasen Flüssigkeitsteile mit sich reißen. Diese Tröpfchen werden durch die Schwerkraft oder einen geeigneten Ab- scheider vom Brüdenraum 17 getrennt und fallen in den heißen Sumpfteil 14 der Destilla- tionskolonne 10 zurück. Somit entsteht ein selbsttätiger Umlaufstrom.

Der Ablauf 32 dient als Sumpfabzug. Durch ihn kann mengengeregelt das Sumpfprodukt abgezogen werden, um beispielsweise in einem Nachreaktor weiterbehandelt oder aufgear- beitet zu werden.