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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasphaseprozesse
Es ist bekannt, dass katalytische Gasphaseprozesse, wie z. B. die hydrierende Raffination von Erdöl- destillaten, die Reformierung oder Isomerisierung von Benzinfraktionen, die Entalkylierung von Aro- maten, die Dehydrierung, Hydrocrackung oder Spaltung von Kohlenwasserstoffen und die Hydrierung von Kohlenoxyd, umso schneller und vollständiger ablaufen, je grösser die zur Verfügung stehende Ka- talysatoroberfläche, bezogen auf die Menge umzusetzender Reaktionsteilnehmer, ist.
Um die Oberfläche für eine gegebene Katalysatormenge zu vergrössern, wird allgemein eine möglichst geringe Katalysatorkorngrösse angestrebt. Einer extremen Verkleinerung des Katalysatorkorns steht aber der sich dabei stark vergrössernde Strömungswiderstand des Katalysatorbettes im Wege. Zur Herab- setzung dieses Widerstandes wurden Reaktoren entwickelt, in denen, in Strömungsrichtung gesehen, ein möglichst kurzes und breites Katalysatorbett angeordnet ist. In den modernen heterogen-katalytischen
Gasphaseprozessen mit Festbettkatalysatoren werden aus diesen Gründen Katalysatoren mit einer Korngrösse von 1, 0 bis 0, 5 mm in Reaktoren mit einem Länge-Breite-Verhältnis des Katalysatorbettes bis zu 0, 1 : 1 und darunter angewendet.
Für die konstruktive Ausführung solcher Reaktoren sind verschiedene Lösungen bekannt. So gibt es z. B. stehende zylindrische Reaktoren, deren Durchmesser gleich gross oder grösser ist als ihre Höhe und in denen ein vertikal durchströmtes Katalysatorbett mit einem Höhe-Breite-Verhältnis von 0, 2 bis 0, 4 : 1 angeordnet ist.
Eine Abart dieser Konstruktion sind die kugelförmigen Reaktoren, in denen sich im Bereich des grössten
Querschnittes ein ähnlich dimensioniertes Katalysatorbett wie in den zylindrischen Reaktoren befindet.
Eine weitere Lösung stellt der bekannte sogenannte Radialstromreaktor dar. Er besteht aus einem zylindrischen, mit einem Isolierrohr ausgekleideten Mantel, aus einem darin koaxial angeordneten, zylindrischen, perforierten oder in anderer Weise als Sieb ausgebildeten Kontaktrohr, dessen Abstand vom Isolierrohr durch Abstandsrippen oder-nocken bestimmt und so gewählt ist, dass der Strömungswiderstand dieses von Isolierrohr und Kontaktrohr gebildeten äusseren Ringraumes über die gesamte Reaktorlänge im Vergleich zum Strömungswiderstand der Katalysatorschicht klein ist, und aus einem ebenfalls koaxial eingefügten, perforierten oder in anderer Weise als Sieb ausgebildeten Zentralrohr, dessen Durchmesser so gewählt ist, dass es den gleichen Strömungswiderstand hat wie der gebildete äussere Ringraum, wodurch ein durch zylindrische Siebfläche begrenzter Ringraum entsteht,
der den Katalysator aufnimmt. Das gasförmige Gemisch der Reaktionsteilnehmer tritt an einem Ende durch das Zentralrohr in den Reaktor ein, gelangt durch die als Sieb ausgebildete Zentralrohrwand in das Katalysatorbett, durchströmt dieses radial von innen nach aussen, tritt durch das als Sieb ausgebildete Kontaktrohr in den äusseren Ringraum ein, aus dem es an dem dem Reaktoreingang entgegengesetzten Ende abgezogen wird.
Ein derart ausgebildeter Radialstromreaktor erlaubt konstruktiv nahezu extreme Länge-Breite-Verhältnisse des Katalysatorbettes. In der Praxis sind jedoch einer Verkleinerung dieses Verhältnisses auf unterhalb 0, 05 : 1 durch die dabei steigenden Schwierigkeiten der gleichmässigen Verteilung des Reaktionsgutes auf die gesamte Katalysatorbettbreite Grenzen gesetzt.
Ist es nun aus thermodynamischen oder reaktionskinetischen Gründen wünschenswert, einen Reaktor bzw. ein Katalysatorbett besonders gross zu gestalten, ist man anderseits genötigt, unterhalb eines bestimmten maximalen Reaktordurchmessers zu bleiben, und will man ausserdem eine möglichst kleine Katalysatorkörnung verwenden, dann können sich bei der Ausbildung dieses Reaktors als Radialströmer infolge ungleichmässiger Verteilung des Produktstromes im Katalysator die verschiedensten Schwierigkeiten, z. B.
Bildung von Temperaturnestern, Kanalbildung, Nebenreaktionen usw., einstellen. Die Ursache für diese Schwierigkeiten liegt darin, dass bei extrem niedrigem Länge-Breite-Verhältnis die Druckdifferenz und damit die lineare Strömungsgeschwindigkeit im Katalysatorbett extrem niedrig werden, woraus folgt, dass eine unbeabsichtigte, durch Verschmutzung oder andere Umstände hervorgerufene zusätzliche örtliche Druckdifferenz an irgendeiner Stelle des Katalysatorbettes, die in ihrer absoluten Höhe sehr gering, im Vergleich zur Grunddruckdifferenz des Bettes aber schon beträchtlich sein kann, zu starken Störungen in der Katalysatordurchströmung, im extremen Falle bis zum völligen Stillstand des Reaktionsgutes an dieser Stelle führen kann.
Die gleiche absolute zusätzliche Druckdifferenz würde bei einer höheren Grund-
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druckdifferenz, beispielsweise in einem Axialstromreaktor, sich nur unbedeutend oder überhaupt nicht aus- wirken.
In gleicher Weise wirken sich, im umgekehrten Sinne, negative Abweichungen von der Grunddruck- differenz aus.
Es wurde nun gefunden, dass diese bei Verwendung eines grossen Reaktors auftretenden Schwierigkeiten überwunden werden, wenn man den gesamten Produktstrom zunächst nur einen, z. B. den oberen, Teil des Katalysatorbettes und danach den zweiten, z. B. den unteren Teil, radial durchströmen lässt.
. Dies wird erfindungsgemäss in der Weise durchgeführt, dass der Produktstrom im ersten Teil des Reak- tors von innen nach aussen geführt, im mittleren Drittel, vorzugsweise in der Mitte der axial gemessenen
Länge des Katalysatorbettes, in seiner Strömungsrichtung umgekehrt und im zweiten Teil des Reaktors von aussen nach innen durch den Katalysator geleitet wird.
Durch diese Hintereinanderschaltung der ursprünglich parallel geschalteten beiden Reaktorteile wird, beispielsweise im Falle gleicher Grösse dieser Teile, einmal infolge des (in Strömungsrichtung gesehen) halbierten Querschnittes des Katalysatorbettes die Strömungsgeschwindigkeit und damit die ihr ange- nähert proportionale Druckdifferenz in den Katalysatorbetthälften verdoppelt. Weiterhin wird durch die
Hintereinanderschaltung der Katalysatorbetthälften die Länge der Katalysatorschicht verdoppelt, so dass sich schliesslich eine Vervierfachung der Grunddruckdifferenz unter Verdopplung der linearen Strömungs- geschwindigkeit ergibt. Es wird somit der gleiche Effekt erzielt, den man durch Halbierung der Kataly- satorbettbreite bzw. der Reaktorlänge und gleichzeitige Verdopplung der Bettlänge bzw. des Reaktor- durchmessers erreichen würde.
Diese Hintereinanderschaltung der zwei Hälften eines Radialstromreaktors kann in verschiedener
Weise durchgeführt werden. Die Zeichnungen, Fig. 1, 2 und 3, stellen beispielsweise Schemata von drei erfindungsgemässen Ausführungsformen des Radialstromreaktors zur Durchführung des erfindung- gemässen Verfahrens im senkrechten Schnitt dar.
Der Reaktor nach Fig. 1 enthält in der Mitte der axial gemessenen Länge des Katalysatorbettes 1 im perforierten Zentralrohr 2 eine fest eingefügte Blindscheibe 3 sowie im Katalysatorbett 1 in gleicher Höhe mit der Blindscheibe 3 einen am Zentralrohr 2 dicht schliessenden, horizontal eingebauten, den gesamten Katalysatorraumquerschnitt bedeckenden Zwischenboden 4. Zweckmässigerweise ist dieser Zwischenboden 4 nicht fest eingebaut, sondern lose in das Katalysatorbett 1 eingelegt und gegen das Zentralrohr 2 und eventuelle weitere vertikale Einbauten, wie z. B.
Thermohülsen, gleitend abgedichtet und gegebenenfalls zwecks Erleichterung der Montagearbeit in geeigneter, in Segmente teilbarer Form ausgeführt, wobei gleichzeitig das Zentralrohr zwecks einwandfreier Abdichtung zwischen oberem und unterem
Teil des Katalysatorraumes in demjenigen Höhenbereich, der für das infolge Zusammenrüttelns der Katalysatorfüllung eintretende Gleiten des Zwischenbodens zugelassen ist, als unperforierter Abschnitt 5 ausgebildet ist.
Der Weg der gasförmigen Reaktionsteilnehmer durch einen derart ausgebildeten Reaktor ist durch die in Fig. 1 angebrachten Pfeile angedeutet.
Die Produkte betreten den Reaktor am oberen Ende durch das Zentralrohr 2 und gelangen in diesem bis zur Blindscheibe 3, durchströmen dann den oberen Teil des Katalysatorbettes 1 radial von innen nach aussen, gelangen durch das perforierte Kontaktrohr 6 in den äusseren Ringraum 7, der mit Reaktoreinoder-ausgang nicht in Verbindung steht, strömen in diesem abwärts und passieren dabei die Höhe des Zwischenbodens 4, wonach sie im unteren Teil des Reaktors das Katalysatorbett 1 abermals, jedoch jetzt von aussen nach innen, radial durchströmen, um schliesslich den Reaktor am unteren Ende durch das Zentralrohr 2 zu verlassen.
In gleicher Weise kann der Reaktor auch in umgekehrter Richtung, d. h. von unten nach oben, durchströmt werden.
Der Reaktor nach Fig. 2 enthält ebenfalls und in gleichartiger Anordnung wie der Reaktor gemäss Fig. 1 eine Blindscheibe 8 im Zentralrohr, jedoch keinen Zwischenboden im Katalysatorbett. Die Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen den beiden Reaktorteilen wird unter Vermeidung eines Kurzschlusses, der zwischen oberem und unterem Zentralrohrteil durch die Perforation des Zentralrohes hindurch unmittelbar um die Blindscheibe 8 herum eintreten könnte, durch die Blindscheibe und einen sich unmittelbar an diese anschliessenden unperforiert ausgeführten Teilabschnitt 9 des Zentralrohres bewirkt, wobei sich diese unperforierte Strecke beiderseits oder einseitig an die Blindscheibe anschliesst.
Zweckmässig ist die Gesamtlänge dieses unperforierten Teilabschnittes des Zentralrohres so gewählt, dass der Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem kürzesten Weg zwischen oberem und unterem Zentralrohrteil, der ohne Berührung des äusseren Ringraumes möglich ist, genauso gross ist wie der durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem Weg über den äusseren Ringraum.
Der Fluss der Reaktionsteilnehmer durch einen derart ausgebildeten Reaktor ist durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet. Er kann ebensogut entgegen der Pfeilrichtung, also von unten nach oben, erfolgen.
Der Reaktor nach Fig. 3 enthält kein vom oberen bis zum unteren Ende durchgehendes Zentralrohr, sondern zwei völlig voneinander getrennte Zentralrohrteile 10 und 11, deren jedes von je einem Ende des Reaktors bis in das mittlere Drittel der axial gemessenen Länge in das Katalysatorbett hineinragt, wobei die innerhalb des mittleren Drittels einander gegenüberstehenden Enden 12 der beiden Zentralrohrteile sich in gleichem Abstand von der Mitte der axial gemessenen Katalysatorbettlänge befinden und an ihren
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Stirnseiten perforiert ausgeführt sind, während sich zwischen diesen beiden Stirnseiten das Katalysatorbett von allen Seiten des Umfanges bis in die radial gemessene Mitte des Reaktors erstreckt.
Dabei ist der Abstand zwischen den perforierten Stirnseiten der beiden Zentralrohrteile so gewählt, dass der Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem kürzesten Weg zwischen den genannten Stirnseiten genauso gross ist wie der durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem Wege über den äusseren Ringraum.
Man kann diesen Abstand auch so wählen, dass der Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem kürzesten Weg zwischen den genannten Stirnseiten kleiner ist als der durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem Wege über den äusseren Ringraum, wobei gleichzeitig die Perforation der erwähnten Stirnseiten so ausgeführt ist, dass deren gegenüber dem Wiederstand der Perforation am Umfang des Zentralrohres erhöhter Strömungswiderstand den gegenüber dem Widerstand des Weges über den äusseren Ringraum verminderten Strömungswiderstand des Katalysatorbettes zwischen den Stirnseiten ausgleicht.
Der Weg der Reaktionsteilnehmer durch einen solchen Reaktor ist aus den Pfeilen der Fig. 3 erkennbar, wobei er auch in diesem Fall ebensogut entgegen der Pfeilrichtung gewählt werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Verwendung einer der erfindungsgemässen Reaktoren ist besonders geeignet für die dritte und/oder vierte Stufe in Festbett-Reformierungsprozessen, bei denen vorteilhaft mehrere hintereinandergeschaltete Reaktoren steigender Grösse verwendet werden. Da in den letzten Reaktoren dabei aus Gründen reaktionskinetischer, thermodynamischer und strömungstechnischer Art die Tendenz zur Abscheidung hochsiedender Substanzen auf dem Katalysator besonders gross ist, wächst damit auch die Tendenz zu ungleichmässiger Strömungsverteilung im Katalysator und dadurch zu verstärkter Bildung und Ablagerung hochsiedender Stoffe an Stellen geringer Strömungsgeschwindigkeit.
Die Aktivität des Katalysators wird hierdurch herabgesetzt, was wiederum die Neigung zu unerwünschten Vorgängen steigert, so dass sich an einer solchen Stelle Temperatur, Strömungswiderstand, Ablagerungen und Nebenreaktionen allmählich gegenseitig steigern, bis es zu ernsten Störungen kommt. Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens in einem der erfindungsgemässen Reaktoren und die damit verbundene Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten werden die geschilderten Schwierigkeiten weitgehend beseitigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung von Gasphaseprozessen mit fest angeordnetem Katalysator in einem zylindrischen Reaktor, bestehend aus einem mit einem Isolierrohr ausgekleideten Mantel, aus einem darin koaxial angeordneten, zylindrischen, perforierten oder in anderer Weise als Sieb ausgebildeten Kontaktrohr, dessen Abstand vom Isolierrohr durch Abstandsrippen oder-nocken bestimmt und so gewählt ist, dass der Strömungswiderstand dieses von Isolierrohr und Kontaktrohr gebildeten äusseren Ringraumes über die gesamte Reaktorlänge im Vergleich zum Strömungswiderstand der Katalysatorschicht klein ist, und aus einem ebenfalls koaxial eingefügten, perforiert oder in anderer Weise als Sieb ausgebildeten Zentralrohr, dessen Durchmesser so gewählt ist, dass es den gleichen Strömungswiderstand hat wie der gebildete äussere Ringraum,
wodurch ein durch zylindrische Siebfläche begrenzter Ringraum gebildet ist, der den Katalysator aufnimmt und während des Prozesses radial von den Reaktionsteilnehmern durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Reaktionsteilnehmer in den Reaktor an einem Ende durch das Zentralrohr eingeleitet, danach zunächst durch einen Teil des Katalysatorbettes von innen nach aussen geführt, innerhalb des mittleren Drittels, vorzugsweise in der Mitte der axial gemessenen Länge, in seiner Strömungsrichtung umgekehrt und dann durch den andern Teil des Katalysatorbettes von aussen nach innen geleitet und schliesslich an dem dem Eingang gegenüberliegenden Ende des Reaktors durch das Zentralrohr aus diesem abgezogen wird.