CH343374A - Verfahren zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen
Bei endothermen chemischen Reaktionen kann man die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Wärme entweder durch die Wandungen des Reaktionsraumes hindurch oder aber mittels eines geeigneten Wärmeträgers direkt zuführen. Solche Wärmeträger können fest, flüssig oder gasförmig sein. Will man jedoch Reaktionen durchführen, die bei hohen Temperaturen ablaufen, wie dies insbesondere für Crackreaktionen zutrifft, bei denen eine hohe Ausbeute an gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie Acetylen, Äthylen oder Propylen usw., erwünscht ist, so bereitet die Zuführung der Wärme durch die Wandungen des Reaktionsraumes hindurch in zweifacher Hinsicht grosse technische Schwierigkeiten.



  Einmal kann die Temperatur des Heizmediums nicht so weit gesteigert werden, wie es im Interesse eines guten Wärmeübergangs zur Erzielung einer möglichst hohen Temperaturdifferenz   (d    T) zwischen Aussen- und Innenwand des Reaktors erwünscht wäre, da die thermische Beständigkeit des Wandmaterials dies nicht zulässt. Zweitens ist eine gewisse Zeitspanne erforderlich, um das thermisch zu behandelnde Gut auf die gewünschte hohe Reaktionstemperatur aufzuheizen. Die für diese Aufheizung benötigte Zeit bedingt auch, dass längere Zeit hindurch Temperaturbereiche durchlaufen werden, in welchen unerwünschte Reaktionen auftreten können.



  Sind für solche Reaktionen, z. B. Crackreaktionen, extrem kurze Reaktionszeiten Voraussetzung, so ist diese Bedingung bei indirekter Heizung meist nicht erfüllbar. Es sind deshalb verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, die diese Schwierigkeiten umgehen sollen. Einmal hat man versucht, die Wärme im Reaktionsgut selbst zu erzeugen, indem man einen Teil des Ausgangsgutes mit einer gewissen Menge Luft oder Sauerstoff zur Verbrennung bringt und mit der so erzeugten Wärme den Rest des Ausgangsgutes umsetzt (autotherme Crackung bzw. Sachsse-Verfahren der Methanspaltung). Dieses Verfahren ist in wärmetechnischer Hinsicht ideal zu nennen; ihm haften jedoch auch nicht zu übersehende Nachteile an.

   Erstens wird ein gewisser Teil des Ausgangsgutes als blosses Heizmaterial verwendet, was bei wertvollen Rohstoffen schon einen wesentlichen wirtschaftlichen Nachteil bedeutet, zweitens aber wird das gewünschte Produkt durch die Verbrennungsprodukte CO, CO2, N2 mehr oder weniger stark verdünnt, so dass seine Reindarstellung schwierig wird und meist erhebliche Kosten verursacht. Führt man jedoch die Wärme mittels hocherhitzter, fester, inerter oder katalytisch wirkender Wärmeträger ein, so wird zwar das gewünschte Endprodukt nicht verdünnt, jedoch werden die technischen Schwierigkeiten, die sich aus der Aufheizung   und    dem Transport des hocherhitzten festen Wärmeträgermaterials ergeben, vergrössert. Es resultieren meist äusserst kompliziert aufgebaute, reparaturanfällige Apparaturen von erheblicher Grösse und daher hohem Investitionswert.

   Verwendet man jedoch einen gasförmigen Wärmeträger, so ist es erwünscht, dass dieser zwei Bedingungen erfüllt: einmal muss er sich leicht wieder von dem Reaktionsprodukt abtrennen lassen; zum andern soll er eine möglichst hohe spezifische Wärme besitzen, um mit einem Minimum an   Wärmeträgervolumen    ein Maximum an Wärmeenergie in den Reaktionsraum einbringen zu können. Es ergeben sich also folgende Forderungen:
1. Das Ausgangsgut ist so hoch als irgend angängig   vorzuheizen    und im wesentlichen nur die zur Durchführung der endothermen Reaktion erforderliche Wärme mit dem Wärmeträgergas einzubringen,  um die Menge des Wärmeträgergases soweit als möglich zu reduzieren. Die getrennte Aufheizung von Wärmeträgergas und Ausgangsgut erfordert jedoch wieder einen zusätzlichen apparativen Aufwand.



   2. Im Interesse der Einhaltung kurzer Reaktionszeiten muss durch geeignete Ausgestaltung des Reaktionsraumes dafür gesorgt werden, dass eine möglichst schnelle und vollständige Mischung von Ausgangsgut und Wärmeträgergas gewährleistet wird.



   3. Zur Schonung des Wandmaterials ist dessen Temperatur möglichst niedrig zu halten.



   Es wurde nun gefunden, dass man diese drei Bedingungen bei der Durchführung von endothermen Reaktionen in einfacher Weise gleichzeitig erfüllen kann, wenn nach der vorliegenden Erfindung ein Strom des der Reaktion zu unterwerfenden gasförmigen oder flüssigen Gutes in Richtung einer Schraubentangente am einen Ende in einen als Zyklon gestalteten Reaktionsraum eingeführt und an der Wand des letzteren entlang einem vom andern Raumende her zentral in Wirbelbewegung sich fortpflanzenden Strom eines Wärmeträgergases entgegengeführt, alsdann mit diesem mindestens in der Nähe des letztgenannten Raumendes gemischt und zentral durch den Reaktionsraum hindurch zurück sowie alsdann aus diesem hinausgeführt wird.

   Dabei läuft die endotherme Reaktion so lange, bis durch den Wärme verlust infolge der endothermen Reaktion und die Wärmeabgabe zur Aufheizung und gegebenenfalls zur mindestens teilweisen Verdampfung des Ausgangsgutes die Reaktion abgeschreckt wird.



   Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss mit einem als Zyklon gestalteten Reaktionsraum aufweist, in den am einen Ende eine zentrale Abführleitung für das Reaktionsprodukt sowie ein tangential zu einer nach dem entgegengesetzten Ende verlaufenden Schraubenlinie gerichtetes Zufuhrrohr für das Einsatzgut und am letztgenannten Ende eine zentrale Zufuhrleitung für den Wärmeträger münden.



   Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich u. a. zur Durchführung von Crackreaktionen.



   Hierdurch werden ganz wesentliche Vorteile gegenüber den bisher bekannten Reaktortypen erreicht:
1. Die Reaktionsdauer lässt sich in geradezu unbegrenzter Weise variieren, ohne dass der Reaktionsraum vergrössert oder verkleinert werden müsste, indem man: a) unter Beibehaltung des Mengenverhältnisses Wärmeträgergas: Ausgangsgut sowie unter Beibehaltung der Temperatur des Wärmeträgergases die Gesamt-Durchsatzmenge vergrössert oder verkleinert, b) die Temperatur des Wärmeträgergases herabsetzt und dafür dessen Menge erhöht, während die Menge des Ausgangsgutes konstant gehalten wird.



  Hierdurch wird nicht nur eine Verkürzung der Reaktionszeit erreicht, sondern auch gleichzeitig der Partialdruck, unter dem das Ausgangsgut zur Reaktion kommt, erniedrigt, so dass bei Beibehaltung der Reaktionstemperatur die Reaktion mehr in eine gewünschte Richtung gelenkt werden kann, c) umgekehrt die Temperatur des Wärmeträgergases erhöht und seine Menge verringert, während die Menge des Ausgangsgutes konstant gehalten wird.



  Hierdurch wird die Reaktionszeit wiederum unter Beibehaltung der Reaktionstemperatur verlängert, während gleichzeitig der Partialdruck erhöht wird.



   2. Die Reaktionstemperatur kann variiert werden, indem man a) unter Beibehaltung der Temperatur des Wärmeträgergases dessen Menge im Verhältnis zum Ausgangsgut erhöht oder erniedrigt, b) unter Beibehaltung des Mengenverhältnisses Wärmeträgergas: Ausgangsgut die Temperatur des Wärmeträgergases erniedrigt bzw. erhöht.



   Es wird auf diese Weise möglich, die Reaktion in jede gewünschte Richtung zu lenken. So kann man z. B. in derselben Apparatur einen schweren Kohlenwasserstoff cracken und erhält: a) bei hohen Temperaturen, kurzen Reaktionszeiten und geringem Partialdruck hohe Ausbeuten an gasförmigen Kohlenwasserstoffen, wie Acetylen, Äthylen, Propylen und Butylen, b) bei tieferen Temperaturen, längeren Reaktionszeiten und höheren Partialdrucken weniger gasförmige und mehr flüssige Produkte, u. a. hocharomatische Benzine mit guten Oktanzahlen.



   3. Die Wand des Reaktionsraumes wird durch die an der Wand gleitende, relativ kalte Strömung des Ausgangsgutes gekühlt. Die Folge ist, dass der Reaktor nicht aus einem besonders ausgewählten kostspieligen, hoch thermisch beständigem Material erbaut werden muss, und dass ferner die äussere Isolation des Reaktionsraumes infolge geringerer Temperaturdifferenz nach aussen weniger Schwierigkeiten bereitet und die Wärmeverluste geringer werden.



   4. Das Ausgangsgut wird ohne jede Wärmeübertragung durch Wände hindurch soweit erforderlich verdampft und Gas bzw. Dampf etwa bis zu der Temperatur aufgeheizt, bei der die Reaktion beginnen soll.



   5. Enthält das Ausgangsgut Bestandteile, oder bilden sich solche, die bei der Reaktionstemperatur nicht verdampfbar sind (z. B. Kohlenstoff bei der Crackung von schweren Ölen oder Erdölrückständen), so kann man diese Stoffe aus dem Reaktionsraum ausschleusen.



   Vermöge der Zyklonwirkung lässt sich eine Trennung des Ausgangsgutes vom Wärmeträger im Reaktionsraum ohne jede Scheidewand so lange erreichen, bis an der Umkehrstelle der Ausgangsgutströmung die spontane Durchmischung beider und der Beginn des Reaktionsablaufes erfolgt. An das Ausgangsgut wird zu dessen Vorheizung nur der Strahlungswärmeverlust des Wärmeträgers innerhalb des Reaktions  raumes abgegeben, der sonst grösstenteils verlorenginge, wenn das Ausgangsgut nicht der Wand des Reaktionsraumes entlang strömen würde.

   Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren erreichbaren Wärmeausbeuten sind bei zweckmässiger Ausbildung der Vorrichtung ausserordentlich hoch und erreichen nahezu   100 O/o.    Das bei vielen Reaktionen erforderliche Abschrecken, etwa zum Zwecke des Einfrierens des Gleichgewichtes, erfolgt schon durch das Ausgangsgut selbst und kommt so direkt der Wärmebilanz der Gesamtreaktion zugute, wogegen bei den meisten bisher bekannten Verfahren die Abschrekkung in einem zweiten Apparat mit einem besonderen Kühlmedium vorgenommen werden muss. Die an dieses Kühlmedium abgegebene Wärme lässt sich dann nur sehr unvollkommen und bestenfalls mit zusätzlichen apparativem Aufwand wiedergewinnen, so dass sie praktisch verloren ist.



   Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, welche zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Aus übung dieses Verfahrens zeigt.



   Abb. 1 zeigt im Mittellängsschnitt das erste und
Abb. 2 in der gleichen Darstellung das zweite Ausführungsbeispiel.



   Beim Ausführungsbeispiel gemäss Abb. 1 weist die Vorrichtung ein Reaktionsgefäss auf, das einen kegelförmigen Reaktionsraum 1 umschliesst. In diesen mündet am kegelbasisseitigen Ende eine zentrale Abführleitung 2 sowie seitlich ein tangential in bezug auf eine nach der Kegelspitze verlaufenden Schraubenlinie 3 gerichtetes Zufuhrrohr 4 und am kegelspitzenseitigen Ende eine Zufuhrleitung 5.



   Der Scheitelwinkel des kegelförmigen Reaktionsraumes 1 hängt von der Art der durchzuführenden Reaktion und ferner davon ab, ob feste oder flüssige Produkte auszutragen sind. Er beträgt vorzugsweise   300,    kann jedoch je nach den jeweils vorliegenden Verhältnissen beliebig kleiner oder auch grösser, bis zu etwa   90 ,    ausfallen.



   Durch das Rohr 4 wird, wie durch den Pfeil A veranschaulicht ist, ein Strom eines der endothermen Reaktion zu unterwerfenden flüssigen, dampf- oder gasförmigen Einsatzgutes eingeführt. Infolge der tangentialen Richtung des Rohres 4 hat der Raum 1 die Funktion eines Zyklons, so dass der Strom des Einsatzgutes an der kegelmantelförmigen Wand des Gefässes entlang längs der Schraubenlinie 3 mit ständig zunehmender Winkelgeschwindigkeit bis in die Nähe der Kegelspitze geführt wird. Hier mischt er sich mit einem durch die Leitung 5 eingeführten Strom eines dampf- oder gasförmigen Wärmeträgers, der durch den Pfeil B veranschaulicht ist. Mit dem Strom des Wärmeträgers wird alsdann das mit diesem vermischte Einsatzgut unter Umkehrung der Strömungsrichtung des letzteren zentral durch den Reaktionsraum zurück- und alsdann durch die Leitung 2 aus diesem hinausgeführt.

   Auf diese Weise wird eine geradezu ideale Durchmischung zwischen Wärmeträger und Einsatzgut erreicht. Infolgedessen wird das Einsatzgut auf seinem zentralen Rückweg im Reaktionsraum in allen Teilen gleichmässig aufgeheizt, wobei sich zugleich die vorbestimmte endotherme Reaktion abspielt. Durch den hierdurch bedingten Wärmeentzug kühlt sich das gesamte Gemisch ab, so dass seine Temperatur in der Nähe der Austrittsstelle C der Leitung 2 so weit abgesunken ist, dass unerwünschte weitere Reaktionen nicht mehr eintreten und das Gleichgewicht eingefroren ist.



   Wenn zur Erzielung besonderer Effekte die Anwesenheit eines Katalysators zweckmässig ist, kann, wie mit gestrichelten Linien in der Zeichnung angedeutet ist, in den Reaktionsraum 2 eine weitere Zuleitung 6 münden, und zwar zweckmässig in der Nähe der Mischungsstelle des Einsatzgutes mit dem Wärmeträger. Durch diese Zuleitung 6 kann dann, wie durch den Pfeil D veranschaulicht ist, ein z. B. staubförmiger Katalysator eingewirbelt werden, welcher während der Reaktionsdauer mit dem Einsatzgut in Kontakt belassen und in einem nachgeschalteten Abscheider, z. B. einem besonderen Zyklon, wieder ausgeschleust wird.



   Statt durch die besondere Zuleitung 6 kann der Katalysator gegebenenfalls auch unmittelbar mit dem Strom des Wärmeträgers durch das Zufuhrrohr 5 in den Reaktionsraum 2 eingeführt werden. Abgesehen hiervon kann ein Katalysator, z. B. in Form eines Netzes oder auf einer porösen Unterlage in der Reaktionszone ortsfest angeordnet werden.



   Das Ausführungsbeispiel gemäss Abb. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Abb. 1 im wesentlichen lediglich dadurch, dass das Reaktionsgefäss 7 auf dem grössten Teil seiner Länge die Form eines Zylinders aufweist, der an den konisch auslaufenden Enden wieder mit dem zentralen Zufuhrrohr 5 bzw. der Abführleitung 2 versehen ist. In der Nähe der Enden münden wieder das tangential in bezug auf die Schraubenlinie 3 gerichtete Zufuhrrohr 4 bzw. gegebenenfalls die Zuleitung 6.



   Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäss der Zeichnung können bei Verwendung eines rohen Erd öls als Einsatzgut dessen nicht verdampfende Anteile unmittelbar durch die Leitung 5 aus dem Reaktionsraum ausgeschleust werden, wobei die Zufuhr des Wärmeträgers durch ein besonderes in der Leitung 5 anzuordnendes Zentralrohr erfolgen kann.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom des der Reaktion zu unterwerfenden gasförmigen oder flüssigen Gutes in Richtung einer Schraubentangente am einen Ende in einen als Zyklon gestalteten Reaktionsraum eingeführt und an der Wand des letzteren entlang einem vom andern Raumende her zentral in Wirbelbewegung sich fortpflanzenden Strom eines Wärmeträgergases entgegengeführt, alsdann mit diesem mindestens in der Nähe des letztgenannten Raumendes gemischt und zentral durch den Reaktionsraum hindurch zurück- sowie alsdann aus diesem hinausgeführt wird.

   II. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss mit einem als Zyklon gestalteten Reaktionsraum aufweist, in dem am einen Ende eine zentrale Abführleitung für das Reaktionsprodukt sowie ein tangential zu einer nach dem entgegengesetzten Ende verlaufenden Schraubenlinie gerichtetes Zufuhrrohr für das Ausgangsgut und am letztgenannten Ende eine zentrale Zufuhrleitung für den Wärmeträger münden.

   UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgergas überhitzter Wasserdampf benutzt wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgergas ein Gemisch gasförmiger Verbrennungsprodukte benutzt wird.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass nicht verdampfte Anteile des Einsatzgutes an dem dem Einführungsende gegen überliegenden Ende des Reaktionsraumes aus diesem ausgeschleust und so aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Katalysatoren in der Reaktionszone ortsfest angeordnet werden.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Katalysatoren mit dem Wärmeträgergas in Staubform in den Reaktionsraum eingewirbelt und in einem nachgeschalteten Abscheider wieder ausgeschleust werden.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss mit kegelförmigem Reaktionsraum aufweist, in welchem das tangentiale Zufuhrrohr in der Nähe der Kegelbasis einmündet.

   7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss aufweist, das mindestens zum grösseren Teil die Form eines Hohlzylinders besitzt.

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass in den wärmeträgerzufuhrseitigen Endteil des Reaktionsraumes eine weitere für die Zufuhr eines Katalysators bestimmte Leitung einmündet.