DD281353B5 - Multivalenter Laborreaktor mit Rueckvermischung - Google Patents

Description

Das Reaktorsystem enthält einen Reaktor mit Rückvermischung gemäß DD 209282, der einen vorteilhaften Turbohubmischer hat und mit einem fixierten Katalysatorkorb sowie einem im Mischer angeordneten Katalysatorringkorb ausgerüstet ist. Der Reaktor ermöglicht die Einsteilung unterschiedlicher Formen der Gasströmung und dadurch die Feststellung von Stofftransporthemmungen im Gasraum außerhalb der festen Katalysatorphase.

Nachteile bestehen darin, daß beide Katalysatorkörbe zur Vermeidung von Gradienten im Katalysatorraum nur in einer Richtung durchströmt werden und im Raum zwischen dem Mischer und dem Reaktorboden aufgrund geringerer Reibungswirkung durch den Mischer geringere Turbulenzen auftreten als im Raum über dem Mischer. Bei der nur axialseitig vorhandenen Perforation der Katalysatorkörbe besteht die Gefahr der Gradientenbildung innerhalb der Katalysatorräume auch bei hoher Durchströmungsgeschwindigkeit immer dann, wenn die Schüttung oder Packung der Katalysatorformlinge im Hinblick auf den Strömungsquerschnitt eine uneinheitliche Durchlässigkeit aufweist. Außerdem besteht wegen unterschiedlich starker Turbulenzen unter und über dem Mischer insbesondere die Gefahr der Ausbildung von Temperaturgradienten des Fluids in diesen Räumen, weil der Wärmefluß zwischen dem Fluid und der Reaktorvandung dem Einfluß der Turbulenz unterliegt, so daß in den Katalysatorräumen nicht nur von der Hubfrequenz des Mischers abhängige Temperaturschwankungen auftreten, sondern die einseitige Temperaturmessung nicht für den gesamten Gasraum des Reaktors repräsentativ ist. Ein anderer Nachteil kann darin gesehen werden, daß der Reaktor mit seinem vorteilhaften Mischer nur für gaskatalytische Prozesse, nicht aber auch für Gb= Flüssigkeits-Feststoffprozesse geeignet ist, weil Flüssigprodukte in den Antrieb eindringen können und er beim Betreiben in der Stellung mit nach oben gorichtetem Antrieb keine ausreichend große Fluidphasengrenzfläche zur Einstellung des Fiuidphasengleichgewichts bewirkt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Minimierung des technischen Aufwandes zur Charakterisierung der katalytischer! Leistung fester Katalysatoren im Fest- und Wirbelbett sowie in Suspension unter gradientenfreien Reaktionsbedingungen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es bestand die Aufgabe der Entwicklung eines Reaktors mit Rückvermischung, dessen Reaktionsraum sowohl beim Einsatz von Katalysatorformlingen im Festbett als auch bei Verwendung von Katalysatorpulver im Wirbelbett und in Suspensionen für gaskatalytische und für heterogen-katalytische Dreiphasenprozesse ein reaktionstechnisch gradientenfreies System darstellt. Die Aufgabe wird durch einen Reaktor mit einem frequenzregelbaren Turbohubantrieb, einem Turbohubmischer mit Katalysatorringkorb, Radialflügeln und Saugrohr sowie einer in das Saugrohr hineinragenden fixierten Katalysatorpatrone gelöst, wobei erfindungsgemäß der Katalysatorringkorb an den axialen Seiten und an der innenliegenden Seite perforierte Wände hat und im äußeren Umfangsbereich des Turbohubmischers dreiseitig durchströmbar angeordnet ist, die Radialflügel bis an die innenliegende perforierte Wand des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes heranreichen, das Saugrohr des Turbohubmischers außen mit einem Ringplattenregister fest verbunden ist, welches unten gegenüberliegende und mit der Unterkante des Saugrohres abschließende Rührarme hat, die sich über den gesamten Durchmesser eines im Boden des Reaktors angeordneten Ringmikrofilters erstrecken, sich oberhalb des Turbohubmischers im Querschnittsbereich des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes eine fördertaschenartige schräge Ringnut befindet, von der aus ein Ausgangskanal durch das Reaktorgehäuse nach außen führt, und der Turbohubmischer im Höhenbereich zwischen der schrägen Ringnut und dem Ringmikrofilter beweglich ist.

Bei der Abwärtsbewegung des rotierenden Turbohubmischers wird von unten Fluid durch die fixierte Katalysatorpatrone und das Saugrohr hindurch vom Turbohubmischer nach oben angesaugt und horizontal zum dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb des Turbohubmischers gefördert, strömt horizontal in diesen ein und in vertikaler Richtung überwiegend aufwärts aus, wobei das Ringplattenregister und sein Rührarm die Fiuidphase oder zwei Fluidphasen und gegebenenfalls suspendierten Katalysator im Raum unter dem Turbohubmischer durchmischen, der Rührarm über dem Ringmikrofilter eine horizontale Querströmung zum Ringmikrofilter bewirkt und Fluid unter Zurückhaltung von Feststoff axial durch das Ringmikrofilter aus dem Reaktor abströmen kann.

Bei der Aufwärtsbewegung des rotierenden Turbohubmischers wird ebenfalls von unten durch das Saugrohr Fluid angesaugt, das in horizontaler und vertikaler Richtung durch den Katalysatorringraum hindurch überwiegend abwärts gefördert wird. Während einer vollständigen Periode der vertikalen Bewegung des Turbohubmischers durchströmt Fluid den dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb mit wechselndem Richtungssinn in vertikaler Richtung., so daß sich durch die Überlagerung des vertikalen und des horizontalen Fluidstromes eine ständige Veränderung der Richtung des resultierenden Fluidstromes im Katalysatorringraum ergibt und stagnierende Fluidräume mit Gradienten innerhalb des Katalysatorringkorbes nicht entstehen. Die durch die Hubbewegung des Turbohubmischers ausgelösten Strömungsimpulse wirken sich auch auf den in der fixierten Katalysatorpatrone aufwärts gerichteten Fluidstrom als periodische Störungen aus, und es entstehen dort ebenfalls keine stagnierenden Strömungsschatten.

In der Bewegungsphase, in welcher der Turbohubmischer von der Aufwärts- in die Abwärtsbewegung übergeht, wird wegen dessen Nähe zu der schrägen Ringnut und sufgp nd der rauhen perforierten Wände des rotierenden Katalysatorringkorbes Fluid innerhalb der Ringnut in Umfangsrichtung mitgerissen und in eine mit der Drehfrequenz des Turbohubmischers axial schwingende Bewegung versetzt, die dem Fluidstrom im Katalysatorringkorb überlagert ist. Befindet sich im Reaktor neben Gas auch eine solche Menge an Flüssigkeit, daß der Turbohubmischer auch in seiner oberen Stellung Flüssigkeit nach oben in die schräge Ringnut fördert, so wird bei Überdruck im Reaktor die Übermenge an Flüssigkeit mit dem Gas durch den Ausgangskanal intermittierend aus dem Reaktor gespült, wodurch eine Überfüllung mit Flüssigkeit auch im stationären Betrieb bei kontinuierlichem Durchsatz aller drei Phasen nicht entsteht, eine vollständige Entleerung an Flüssigkeit jedoch aufgrund des Bodenabstandes des fixierten Katalysatorkorbes nicht möglich ist.

Der Reaktor erzeugt aufgrund seiner rückvermischenden Wirkung in seinem gesamten Fluidphasenraum ein gradientenfreies Reaktionsregime und ist sowohl stationär als auch instationär unter folgenden Betriebsbedingungen vorteilhaft anwendbar:

- Gas-Feststoff-Prozesse mit Katalysatorformlingen innerhalb eines der beiden oder beider Katalysatorkörbe,

- Gas-Feststoff-Prozesse mit Katalysatorpulver innerhalb der fixierten Katalysatorpatrone oder bei verschlossenem Ausgangskanal mit im gesamten Fluidphasenraum bewegtem Katalysatorpulver ohne die fixierte Katalysatorpatrone,

- Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Prozesse mit Katalysatorformlingen innerhalb eines oder beider Katalysatorkörbe,

- Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Prozesse mit suspendiertem Katalysatorpulver innerhalb des fixierten Katalysatorkorbes oder mit suspendiertem Katalysatorpulver irr. gesamten Fluidphasenraum mit axialseitig offener fixierter Katalysatorpatrone, wobei die instationäre Fahrweise mit verschlossenem Ausgangskanal und die stationäre Fahrweise mit offenem Ausgangskanal erfolgt.

Bei Dreiphasenprozessen erzeugt der Turbohubmischer durch sein Ringplattenregister und aufgrund seiner flüssigkeitsversprühenden Wirkung durch den dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb eine große Grenzfläche zwischen den Fluidphasen, so daß sich das thermodynamische Phasengleichgewicht einstellt.

Weitere Vorteile des Reaktors bestehen in der Möglichkeit, durch eine entsprechende Frequenzabstimmung zwischen der Dreh- und Axialbewegung des Turbohubmischers die Strömungsmenge und -richtung des Fluids gezielt zu verändern und aufgrund der Reaktorgestaltung durch die Entnahme, das Hinzufügen oder den Austausch weniger Innenteile auch den örtlichen Verlauf des Fluidstromes verändern zu können, eine Minimierung des Fluidphasenraumes zur Einschränkung thermisch initiierter Reaktionen in den Fluidphasen vorzunehmen und den beiden Katalysatorkörben die Eingangsstoffe durch getrennte Einspeisungen zuzuführen, was bei gaskatalytischen Prozessen mit starker Wärmetönung zweckmäßig ist. Insofern stellt der Reaktor mit den entsprechenden Zusatzteilen einen relativ einfachen Baukasten dar, der vielseitig und nicht nur zur Untersuchung heterogen-katalytischer Prozesse anwendbar ist.

Ausführungsbeispiele '

Die Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen erläutert werden, wobei Beispiel 1 durch die Figur dargestellt ist.

Das Reaktorgehäuse besteht aus dem temperierten Grundkörper 1 mit der elektrischen Heizung 2, dem Boden 3 mit Verschlußstück 4 und dem nicht vollständig dargestellten Gehäuse des von oben an den Reaktor angeschlossenen frequenzregelbaren Turbohubantrieb 5, dessen Drehzahl von 200min~' bis 5000min"¹ und dessen Hubfrequenz von 1 Hz bis 12 Hz variiert werden kann. Der Grundkörper besitzt antriebsseitig die schräge Ringnut 6. Die Hubstange 7 des Turbohubantriobes, die mit dessen Hohlwelle 8 durch den Stift 9 verbunden ist, trägt den Turbohubmischer, dessen Fassung 10 an der Hubstange festgeschraubt ist. Die waagerechte Grundplatte der Fassung ist im Bereich der schrägen Ringnut des Grundkörpers axialseitig perforiert. Durch die perforierte Fassung, den perforierten Ringdeckel 11 und den perforierten Innenring 12, wird im äußeren Umfangsbereich der Fassung der dreiseitig perforierte Katalysatorringkorb 13 mit einem Volumen von 25 Millilitern gebildet, dessen perforierter Ringdeckel und perforierter Innenring durch einen Fixierring und Befestigungselemente mit der Fassung fest verbunden sind.

Zwischen der Fassung und dem Fixierring befinden sich acht Radialflügel 14, die bis an den perforierten Innenring heranragen und durch Radialnute in dem Fixierring und in der Fassung befestigt sind. Mit dem Fixierring ist das nach unten ragende Saugrohr 15 vei schraubt, welches von dem Ringplattenregister 16 mit zwei gegenüberliegenden Rührarmen 17 umgeben wird. In das Saugrohr ragt von unten die fixierte Katalysatorpatrone 18 hinein, die mit ihrem Zapfen im Verschlußstück zentrisch fixiert ist. Die fixierte Katalysatorpatrone hat in ihrem Boden und in ihrem unteren Mantelbereich Bohrungen. Ihr Innenraum wird axialseitig durch die Siebe 19 und 20 begrenzt, die aus je zwei Lochplatten bestehen, zwischen denen sich ein feinmaschiges Gazepaket 21 befindet. Der Innenraum der fixierten Katalysatorpatrone bildet den fixierten Katalysatorraum 22, der ein Volumen von 15 Milliliter hat. Im Boden des Reaktors ist das Ringmikrofilter 23 angeordnet, das aus dem axialseitig perforierten Rahmen 24, der porösen Ringplatte 25 und einem dazwischen befindlichen Filterkuchen besteht. Das Reaktorgehäuse hat Bohrungen für die Thermoelemente 26,27 und 28 sowie für den Trockengaseingang 29, den Fütratausgang 30, die Entleerung 31, den Flüssigkei'seingang 32 und den Ausgangskanal 33 für gasförmige, flüssige und feste Medien. Wirkungsweise bei der Durchführung von Gas-Feststoff-Prozessen mit Katalysatorformlingen im Festbott: Dabei sind der fixierte Katalysatorraum 22 und der bewegte dreiseitig perforierte Katalysatorringkorb 13 mit Katalysatorformlingen gefüllt, so daß zwei Katalysatorfestbetten entstehen. Bei der stationären Betriebsführung wird das Frischgas entweder durch den Trockengaseingang 29 und den Flüssigkeitseingang 32 oder insgesamt durch einen dieser Eingänge zugeführt und das Reaktiünsgas wahlweise entweder durch den Ausgangskanal 33, die Entleerung 31 oder den Fütratausgang 30 kontinuierlich abgeführt. Es ist vorteilhaft, das Gas an zwei Eingangsstellen zuzuführen, wenn Prozesse mit großer Reaktionsenthalpie bei hoher Reaktionsgeschwindigkeit durchgeführt werden. Die Abführung des Gases wird vorzugsweise durch den Ausgangskanal 33 erfolgen. Der Turbohubmischer kann in Drehbewegung oder in Hubbewegung sowie in deren kombinierte Turbohubbewegung betrieben werden.

Bei der Drehbewegung des Turbohubmischers wird das Gas durch die Bohrungen der fixierten Katalysatorpatrone 18, den fixierten Katalysatorraum 22 und das Saugrohr 15 aus dem Fluidphasonbereich unter dem Turbohubmischer von diesem nach oben angesaugt und mit Hilfe der Radialflügel 14 zum dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb 13 gefördert, aus dem es überwiegend nach unten, aber auch nach oben ausströmt. Durch die schräge Ringnut 6 und die Umlaufbewegung der Fassung 10 des Turbohubmischers wird wegen der Rauheit des perforierten Bereichs der Fassung das Gas innerhalb der schrägen Ringnut in eine umlaufende Bewegung versetzt, so daß es im Bereich der Umfangshälfte vor der Engstelle zwischen dem Ringnutgrund und dem dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb abwärts und im Bereich der Umfangshälfte hinter dieser Engstelle aufwärts bewegt wird. Diese Axialschwingung des in der schrägen Ringnut umlaufenden Gases wird dem Hauptstrom des Kreislaufgases aufgeprägt, so daß dem Kreisgasstrom, der durch die fixierte Katalysatorpatrone aufwärts im Turbohubmischer von den Radialflügeln nach außen und vom Katalysatorringkorb wieder abwärts an dem Ringplattenregister 16 vorbei und wieder zur fixierten Katalysatorpatrone führt, eine Schwingungsbewegung überlagert ist. Dadurch wird die rückvermischende Wirkung des Kreisgasstromes insofern verstärkt, als keine gleichförmige Kreisbewegung des Gases entsteht und an den Mantelflächen der Katalysatorformlinge in den Katalysatorkörben ein besserer Stoff- und Wärmetransport zwischen

der Gas- und der Katalysatorphase entsteht sowie eine Verstärkung der Rückvermischung zwischen den Fluidphasenräumen über und unter dem Mischer bewirkt wird, so daß Gradienten innerhalb dor Katalysatorkörbe und zwischen diesen nicht entstehen.

Durch die Frischgaseinspeisung über die beiden Eingangskanäle 29 und 32 wird ein Ausgleich der Frischgasbeaufschlagung des Katalyoators dor beiden Katalysatorräume bewirkt und auch bei hoher Reaktionsgeschwindigkeit die Ausbildung von Konzentrations- und Temperaturunterschieden zwischen den Katalysatorräumen verhindert.

Bei der Hubbewegung des Turbohubmischers wird das Gas periodischwährend einer Halbperiode der Axialschwingung aus dem Raum unter dem Turbohubmischer gleichzeitig durch beide Katalysatorräume in den Raum über dem Turbohubmischer verdrängt und während der anderen Halbperiode der Axialschwingung des Turbohubmischers aus dem Raum über dem Turbohubmischer gleichzeitig durch beide Katalysatorräume strömend wieder in den Raum unter dem Mischer gedruckt. Dabei '· t Jer dreiseitig perforierte Katalysatorringkorb mit der Gesamtfördermenge an Gas beaufschlagt, während durch die fixierte Katalysatorpatrone nur eine Teilmenge strömt. Außerdem ist die schräge Ringnut des Grundkörpers wegen der fehlenden Drehbewegung nicht wirksam. Deshalb ist es vorteilhaft, bei der Prüfung einer größeren Katalysatorprobe, die den Raum beider Katalysatorkörbe beansprucht und gleichmäßig mit Gas zu beaufschlagen ist, die Drehbewegung oder die Turbohubbewegung zu wählen. Bei Versuchen mit kleinen Katalysatorproben, die in einem der beiden Katalysatorkörbe angeordnet werden können, ist die Hubbewegung aber sehr vorteilhaft, weil sie besonders starke Impulse mit wechselndem Richtungssinn der vertikalen Gasströmung und ausreichend starke Turbulenzen im gesamten Gasrai m bewirkt, so daß stationäre Gradienten nicht entstehen können.

Besonders vorteilhaft ist die mit dem Reaktor einstellbare Turbohubbewegung des Turbohubmischers vor allem für sehr schnell verlaufende Prozesse, die bei hoher Katalysatoraktivität eine starke Wärmetönung aufweisen. In solchen Fällen wirr) der Katalysator bevorzugt im dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb angeordnet.

Bei der Turbohubbewegung bewegt sich der rotierende Turbohubmischer periodisch auf- und abwärts. Während der Abwärtsbewegung ströme Gas von unten gleichzeitig durch die fixierte Katalysatorpatrone und den dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb, wobei sich das durch die Unterseite-des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes und das durch seine Innenseite einströmende Gas in seinem Innenraum zu einem Strom vereinigen, der überwiegend durch die Oberseite des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes nach oben strömt. Während der Aufwärtsbewegung vereinigen sich im dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb der durch die Innenseite und der durch die Oberseite führende Gasstrom, und es strömt Gas vorwiegend durch die Unterseite aus dem dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb abwärts. Während einer vollständigen Periode der Axialbewegung des Turbohübmischers ändert sich daher die Richtung des resultierenden Gasstromes im dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb, und es wird eine ungleichförmige Strömung in bezug auf deren Geschwindigkeit und Richtung bewirkt, die eine Ausbildung von Konzentrations- und Temperaturgradienten verhindert. Dieser Behindeaingseffekt ist da.in besonders ausgeprägt, wenn die Hubfrequenz und die Drehfrequenz so aufeinander abgestimmt sind, daß der bei der Abwärtsbewegung im Bareich der Radialflügel des Turbohubmischers radial nach außen führende Gasstrom bei der Aufwärtsbewegung des Turbohubmischers zeitweise einen völligen Rückstau oder sogar einen Rückfluß erfährt. Diese gradientenbehindernde Wirkung der kombinierten Bewegung kann während der Versuchsdurchführung, insbesondere bei der stationären Fahrweise, an den kinetischen Meßwerten erkannt und optimal eingestellt werden. Aus der Gestaltung des Reaktors mit seinen beiden Katalysatorräumen, der Mehrfacheinspeisung von Frischgas und der Einstellbarkeit unterschiedlicher Bewegungsformen des Turbohubmischers zur Variation der Strömung und ihrer Wirkung, ergibt sich für die Durchführung gaskatalytischer Prozesse mit Festbettanordnung des Katalysators eine hohe Variabilität seiner Anwendung.

Wirkungsweise bei der Durchführung von Gas-Feststnff-Prozessen mit Katalysatorpulver im Wirbelbett: Bei der Durchführung von Wirbelschichtprozessen, insbesondere zum Zweck der Katalysatorprüfung im gradientenfreien Reaktionssystem, wird der Reaktor mit unverändertem inneren Aufbau in der Weise benutzt, daß das Frischgas durch den Trockengaseingang 29 zugeführt und das Reaktionsgas durch den Filtratausgang abgeführt wird. Es sind sowohl die stationäre als auch die instationäre Fah -weise möglich. Das Katalysatorpulver befindet sich in einer solchen Menge im fixierten Katalysatorraum 22, daß α diesen bis zu einem Anteil von etwa 20% füllt. Der dreiseitig perforierte Katalysatorringkorb wird nicht mit Katalysator gefüllt. Obwohl die Rückvermischui g der Phasen im Reaktor bei allen möglichen Bewegungsformen des Mischers erreicht werden kann, ist eine Turbohubbewegung beim Wirbelschichtprozeß am zweckmäßigsten. Bei der Hubbewegung ohne Rotation des Mischers ist zur periodisch auf- und abwärtsgerichteten Durchströmung der fixierten Katalysatorpatrone die unperforierte Querschnittsfläche der Fassung 10 des Mischers als Förderfläche wirksam, die eine periodische Aufwirbelung und ein Mitreißen der Katalysatorteilchen in beiden vertikalen Richtungen bis zu den Sieben 19 und 20 bewirkt. Durch die von den Außenseiten der Siebe intermittierend wirkenden Impulse der Gasströmung wird ein Zusetzen der Perforation der Siebe auf Dauer verhindert, ein Ausgleich des natürlichen Fallens der Katalysatorteilchen aber nicht bewirkt, weil die aufwärts und die abwärts geförderte Gasmenge wegen des gleichbleibenden Förderquerschnitts gleich sind und die durchschnittliche Konzentration der Katalysatorteilchen im unteren Teil des fixierten Katalysatorraumes größer als im oberen Teil ist. Wird der Mischer zusätzlich in Rotation versetzt, so fließt während einer Periode der Axialbewegung eine größere Gasmenge im fixierten Katalysatorkorb aufwärts als abwärts, und es entsteht eine Kompensationsströmung, die das Fallen der Katalysatorteilchen ausgleicht. Bei zu hoher Drehfrequenz entsteht gegenüber der reipön Hubbewegung der umgekehrte Effekt der Anhäufung von Katalysatorteilchen im oberen Bereich des fixierten Katalysatorraumes. Die für den Wirbelschichtprozeß auch von den physikalischen Eigenschaften der Stoffe des Systems abhängende optimale Abstimmung zwischen Hub- und Drehfrequenz kann während der Versuche aufgrund deren Auswirkung auf die kinetischen Meßwerte vorgenommen werden. Ein Vorteil des Reaktc rs besteht auch darin, daß beim Einsatz sehr feinkörniger Katalysatoren keine Katalysatorteilchen aus dom Reaktor ausgetragen werden, da die Feinteilchen, die von dem Gazepaket der Siebe der fixierten Katalysatorpatrone in diesem rieht zurückgehalten werden, das Ringmikrofilter 23 nicht passieren können. Die in den Fluidphasenraum außerhalb des fixierten Katalysatorkorbes gelangenden Feinteilchen werden dort ständig aufgewirbelt und können sich auch auf dem perforierten Rahmen 24 des Mikrofilters nicht auf Dauer ablagern, da der Rührarm 17 bei rotierendem Turbohubmischer nicht nur eine Wirbelströmung, sondern auch intermittierend eine Querströmung zum Reaktorboden bewirkt. Deshalb ist es auch möglich.

Wirbelschichtprozesse mit einer größeren Menge an Katalysatorpulver, die sich innerhalb des gesamten Fluidphasenraumes in Bewegung befindet, mit dem Reaktor durchzuführen, wobei die fixierte Katalysatorpatrone oder deren Siebe nicht eingesetzt werden.

Wirkungsweise bei der Durchführung von Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Prozessen mit Katalysatorformlingen im Festbett: Mit dem Reaktor können auch Dreiphasenprozesse bei unverändertem inneren Aufbau des Reaktors stationär oder instationär durchgeführt werden, wobei die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitseingang 32 und das Gas durch den Trockengaseingang 29 entweder kontinuierlich eingespeist eder beide Fluidphasen durch den Flüssigkeitseingang chargiert werden. Bei der stationären Fahrweise kann aber auch eine partielle Gaseinspeisung durch den Filtratausgang zweckmäßig sein. Die kontinuierliche Ausschleusung der Flüssigkeit und des Gases erfolgt dabei durch den Ausgingskanal 33. Bei instationärer Fahrweise werden die Flüssigkeitsproben durch die Entleerung entnommen. Dreiphasenprozosse mit Katalysatorformlingen können sowohl unter Füllung beider Katalysatorräume als auch unter Füllung eines der beiden Katalysatorräume durchgeführt werden. Bei Füllung eines der Katalysatorräume ist die Benutzung des Katalysatorringkorbes am zweckmäßigsten. In allen möglichen Fällen wird mit der Turbohubbewegung die beste rückvermischende Wirkung zwischen den drei Phasen erreicht.

Bei der Turbohubbewegung des Turbohubmischers wird in dessen TieDage flüssigkeitsreiches Fluidphasengemisch von unten durch den fixierten Katalysatorraum hindurch angesaugt und von den Radialflügeln des Turbohubmischers zum rotierenden dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb gefördert. Dieses Fluid durchströmt die Katalysatorfüllung und tritt durch die Perforation der Unter- und Oberseite aus dem Katalysatorringkorb aus. Während der Aufwärtsbewegung des Turbohubmischers strömt das aus dem Raum über dem Turbohubmischer verdrängte Fluid, das überwiegend aus Gas besteht, gemeinsam mit dem vom Turbohubmischer von unten angesaugten Fluid durch den dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb, vorwiegend durch dessen Unterseite, in den unteren Raum. In Abhängigkeit von den Frequenzen der Dreh- und Hubbewegung den Turbohubmischers kann auch eine Rückströmung vom dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb durch das Saugrohr zur fixierten Katalysatorpatrone entstehen. Ist die Flüssigkeitsmenge im Reaktor so groß, daß während der Aufwärtsbewegung des Turbohubmischers nur Flüssigkeit von unten in die fixierte Katalysatorpatrone einfließt und kein Gas nachgesaugf wird, so strömt in der Hochlage des Turbohubmischers Flüssigkeit nach oben in diejenige Umfangshälfte der als Fördertasche wirkenden schrägen Ringnut über dem Turbohubmischer, in der sich die Ringnuthöhe in der Drehrichtung des Turbohubmischers erweitert, so daß Flüssigkeit zum Ausgangskanal pelangt und mit dem kontinuierlichen Gass om aus dem Reaktor ausgetragen wird. Dies tritt nicht ein, wenn die Flüssigkeitsmenge im Reaktor klein ist und der vom Turbohubmischer angesaugte flüssigkeitsstrom vor der Hochlage des Turbohubmischers abreißt. Aufgrund dinses Funktionsmerkmales des Reaktors wird eine automatische Konstanthaltung der Flüssigkeitsmenge im Reaktor bewirkt, da auch eine Flüssigkeitsentleerung wegen des entsprechenden Bodenabstandes der fixierten Katalysatorpatrone nicht enisteht. Während der Abwärtsbewegung des Turbohubmischers wird ebenfalls Fluid von unten durch don fixierten Katalysatorkurb hindurch nach oben geführt, wobei der Turbohubmischer durch seine Drehbewegung eine Saugwirkung und durch seine Axialbewegung eine Druckwirkung auf das Fluid im Bodenraum ausübt. Während dabei durch die fixierte Katalysatorpatrone zuerst Flüssigkeit und dann Gas nach oben strömen, fließt in den dreiseitig perforierten Katalysatorringkorb während der Abwärtsbewegung des Turbohubmischers vertikal nach oben immer Gas ein. Die Fluidphasen treten überwiegend durch -".e Oberseite des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes in den sich erweiternden Raum über dem Turbohubmischer aus, wobei einzelne Flüssigkeitstropfen, nicht aber ein Flüssigkeitsstrom zum Ausgangskanal gelangen kann.

Diese relativ komplizierten Bewegungs- und Strömungsvorgänge der Fluidphasen haben folgende reaktionstechnisch vorteilhaften Wirkungen bei Dreiphasenprozessen:

- Die Bildung einer großen Grenzfläche zwischen den beiden Fluidphasen zum Erreichen des thermodynamischen Phasengleichgewichtes durch Vertropfen und Versprühen von Flüssigkeit in der Gasphase, durch Flüssigkeiirfilmbildung an dem Ringplattenregister und den Innenraumflächen, durch Blasenbildung innerhalb der Flüssigkeit beim Eintauchen des Ringplattenregisters in die Flüssigkeit und durch die Möglichkeit der Einspeisung von Gas durch das Ringmikrofilter sowie durch die periodisch wechselnde Bespülung der Katalysatorformlinge in den Katalysatorräumen mit Gas und Flüssigkeit.

- Die Erzeugung einer hohen Transportgeschwindigkeit der Fluidphasen im Strömungsraum und an der Mantelfläche der Katalysatorformlinge durch die Kreislaufführung des Fluids bei Überlagerung von Strömungsimpulsen mit periodisch wechselndem Richtungssinn, durch die ständige Änderung der Strömungsrichtung des Fluidstromes in den Katalysatorräumsn, so daß Strömungsschatten innerhalb der Katalysatorräume nicht entstehen, sowie durch das periodische Ausblasen der Katalysatorräume mit Gas, wodurch sich an den Mantelflächen keine den Stofftransport zwischen Fluid- und Katalysatorphase behindernde stagnierende Grenzschicht aufbaut.

Durch die Gesamtheit dieser Wirkungen wird c\n hoher Grad der Rückvermischung aller drei Phasen und ein gradientenfreies reaktionstechnisches System erzeugt.

Wirkungsweise bei der Durchführung von Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Prozessen mit Katalysatorpulver in Suspension:

Das Katalysatorpulver wird als Teilfüllung in die fixierte Katalysatorpatrone oder vorzugsweise in suspendierter Form in den Fluidphasenraum eingebracht. Bei letzterer Anordnung wurden die Siebe 19 und 20 nicht in die fixierte Katalysatorpatrone eingesetzt.

Es bestehen folgende Möglichkeiten der Durchführung von Suspensionsprozessen:

- stationäre Fahrweise bei

• kontinuierlicher Durchsetzung aller drei Phasen mit Einspeisung der Suspension durch den Flüssigkeitseingang 32, Gaseinspeisung durch den Trockengaseingang 29 und Entnahme aller drei Phasen durch den Ausgangskanal 33, wobei sich die Suspension im gesamten Fluidphasenraum befindet,

• kontinuierlicher Durchsetzung der beiden Fluidphasen bei Zuführung durch die Eingänge 32 und 29, wobei sich die Suspension im fixierten Katalysatorraum 22 befindet und die Flüssigkeit durch den Filtratausgang 30, das Gas durch den Ausgangskana! 33, aber vorzugsweise beide Fluidphasen durch den Ausgangskanal 33 entnommen werden (zweckmäßig zur Bestimmung des Desaktivierungsverhaltens von Katalysatoren),

• kontinuierlicher Durchsetzung der beiden Fluidphasen, wobei sich die Suspension im gesamten Fluidphasenraum befindet, der Alisgangskanal verschlossen ist, die Flüssigke't durch den Filtratausgang 30 abgeführt wird, und die Gaszuführung durch die Entleerung 31 und die Gasabführung durch denTiOckengaseir.gang 29 erfolgen.

- instationäre Fahrweise bei verschlossenem Flüssigkeitseingang 29 und verschlossenem Ausgangskanal 33,

• wobei die Suspension sich im gesamten Fluidphasenraum befindet und durch die Entleerung 31 chargiert und entnommen wird, die Gaschargierung oder ständige bedarfsmäßige Einspeisung (isobare Fahrweise) durch den TYockengaseingang 29 erfolgt und Flüssigkeitsproben durch den Filtratausgang entnommen werden,

• wobei die Suspension sich im fixierten Katalysatorraum 22 befindet und die Zu- und Abführung der Medien wie vorstehend erfolgt.

Bei der Turbohubbewegung des Turbohubmischers entstehen der Hydrodynamik von Dreiphasenprozessen im Festbett analoge Strömungen. Unterschiede bestehen dadurch, daß der Katalysator mitströmt und die Katalysatorräume, da sie nicht mit Katalysatorformlingen gefüllt sind, einen geringeren Strömungswiderstand bilden, so daß bei gleicher Bewegungsfrequenz des Turoohubmischers höhere Strömungsgeschwindigkeiten und höhere Turbulenzen mit stärkerer Tropfen- und Blasenbildung auftreten, was beim Suspensionsprozeß zum Erreichen hoher Relativgeschwindigkeiten zwischen der Katalysatorphase und dem Fluid vorteilhaft ist. Die Grenzfläche zwischen den Fluidphasen bildet sich durch die gleichen Effekte, die aber gegenüber der Festbette .!Ordnung noch stärker ausgeprägt sind, was ebenfalls vorteilhaft ist, weil Suspensionsprozesse mit feinkörnigem Katalyse .or zum Teil sehr viel höhere Reaktionsgeschwindigkeiten aufweisen.

Beispiel 2

Dieses Ausführungsbeispiel dient zur Darstellung der Modifizierbarkeit des Reaktors, wodurch eine Verstärkung spezieller Effekte erzielt wird, die aufgrund kinetischer Eigenschaften der zu untersuchend . Prozesse zur Schaffung eines gradientenfreien Reaktionssystems vorteilhaft sind.

Wird bei dem Reaktor der bildlich dargestellten Ausführung die perforierte Unterseite des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes mit einer Ringplatte ohne Perforation partiell abgedeckt, so entstehen bei der Hubbewegung des Turbohubmischers im Vergleich mit dem dreiseitig otfenen Katalysatorringkorb in beiden Katalysatorräumen stärkere Impulse der periodischen Fluidströmung, weil dadurch das Verhältnis der axialen Förderfläche zur Durchgangsfläche des < Turbohubmischers erhöht wird. Diese periodischen Strömungsimpulse mit wechselndem Richtungssinn bewirken eine größere zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in den Katalysatorräumen und dadurch eine stärkere Störung der stagnierenden Grenzschicht an der Katalysatormantelfläche, was bei Prozessen mit großer Reaktionsenthalpie vorteilhaft ist. Bei der Durchführung von Dreiphasenprozessen werden dadurch auch bei der Turbohubbewegung die Effekte des Verspritzens von Flüssigkeit über dem Mischer und der Gasblasenbildung unter dem Mischer und somit die Grenzflächen zwischen den Fluidphasen erhöht.

Beispiel 3

Dieses Ausführungsbeispiel dient zur Darstellung der Möglichkeit einer so weitgehenden Variabilität des Reaktors durch den Austausch von Innenteilen, daß er als Baukastenreaktor angewendet werden kann.

Von dem Reaktor der bildlich dargestellten Ausführung werden folgende Einzelteile entfernt:

- der Boden 3 mit allen seinen Elementen einschließlich der fixierten Katalysatorpatrone,

- die Einzelteile Ringplzttenregister, Saugrohr, Fixierring, Radialflügel des Turbohubmischers.

Anstelle des perforierten Ringdeckels 11 wird ein axialseitig perforierter Winkelring, der an der Fassung 10 fixierbar ist, eingesetzt, und anstelle des Bodens wird ein kompakter Boden mit zentralem Ausgangskanal und mit einem bis in die zentrale Nähe der Fassung 10 reichenden Verdränger am Grundkörper befestigt, der im Bereich des Katalysatorringkorbes einen der Höhe des Katalysatorringkorbes entsprechenden Absatz hat, welcher parallel zur schrägen Ringnut 6 des Grundkörpers abgeschrägt ist. Dadurch wird die Minimierung des Hohlraumes im Reaktor erreicht, so daß bei der Durchführung heterogen-gaskatalytischer Prozesse mit rotierendem Mischer eine umlaufende Gasströmung im schräg liegenden Gasringraum bewirkt wird und das Gas den Katalysatorringkorb ständig in einer axial mit der Drehfrequenz des Mischers schwingenden Bewegung durchs'römt, so daß Gradienten nicht entstehen und thermisch initiierte Nebenreaktionen (z. B. Crackung), die vom Katalysator nicht bewirkt werden, zu vermeiden sind.

Claims (2)

1. Multivalenter Laborreaktor mit Rückvermischung, der mit einem frequenzregelbaren Turbohubantrieb, einem Turbohubmischer mit Katalysatorringkorb, Radialflügeln und Saugrohr sowie einer in das Saugrohr hineinragenden fixierten Katalysatorpatrone ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorringkorb an den axialen Seiten und an der innenliegenden Seite perforierte Wände hat und im äußeren Umfangsbereich des Turbohubmischers dreiseitig durchsirömbar angeordnet ist, die Radialflügel (14) bis an die innenliegende perforierte Wand des dreiseitig perforierten Katalysatorringkorbes (13) heranreichen, das Saugrohr des Turbohubmischers außen r · -t einem Ringplattenregister (16) f^st verbunden ist, wolches unten gegenüberliegende und an der Un;.,. Kante des Saugrohres abschließende Rührarme (17) hat, die sich über den gesamten Du. lmesser eines im Boden des Reaktors angeordneten Ringmikrofilters (23) erstrecken, sich oLoih^aiO des Turbohubmischers im Querschnittsbereich des dreiseitig perforierten Katalysatornngkorbes eine fördertaschenartige schräge Ringnut (6) befindet, von der aus ein Ausgangskanal (33) durch das Reaktorgehäuse nach außen führt, und der Turbouubmischer im Höhenbereich zwischen der schrägen Ringnut und dem Ringmikrofilter beweglich angeordnet isi.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Der Laborreaktor ist auf dem Gebiet der chemischen Technik zur Untersuchung der Kinetik von heterogen-katalytischen Reaktionen sowie zur Leistungsprüfung fester Katalysatoren in Gas-Feststoff- und Gas-Flüssigkeitss-Feststoff-Systemen sowohl unter Einsatz von Katalysatorformlingen im Festbett als auch unter Verwendung von Katalysatorpulver im Wirbelbett oder in Suspensionen geeignet.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Die Entwicklung und Anwendung von Laborreaktoren mit Rückvermischung des Typus „Rührkessel" für heterogen-gaskatalytische Prozesse begann in den 60er Jahren. In der SU entwickelte Korweitschuk die ersten Hubkolbenreaktoren (SU 144829, SU 178359), und aus den USA sind in dieser Zeit entwickelte und heute weltweit vertriebene Turboreaktoren von Carberry und Berty bekannt. Beide Funktionsprinzipien zielen in ihrer Wirkung auf eine möglichst vollständige Rückvermischung zwischen der Fluidphase und der festen Katalysatorphase im Reaktorinnenraum ab, um dort ein gradientenfreies Reaktionssystem zu erzeugen. Da diese Reaktoren zur Untersuchung spezieller Prozesse entwickelt und konstruktiv dementsprechend gestaltet wurden, war ihre allgemeine Anwendung im Hinblick auf die Versuchsmethodik und die Stoffsysteme begrenzt. Auch in der Folgezeit wurde eine Vielzahl von speziell ausgerichteten konstruktiven Lösungen vorgeschlagen, u. a. DD 96154, DD 98832, PL 65159, die z. T. kontinuierlich und diskontinuierlich betrieben werden können, aber entweder nur für heterogen-gaskatalytische Reaktionen oder nur für Dreiphasenprozesse geeignet sind. In der Fachwelt besteht die Meinung, daß es den universell anwendbaren Versuchsreaktor, der allen methodischen und stoffsystemspezifischen Belangen gerecht wird, nicht geben kann. In den 70erJahren wurde in den USA ein aus zwei konstruktiv unterschiedlichen Reaktoren bestehendes Bausystem entwickelt, das jedoch nur für heterogen-gaskatalytische Prozesse Verwendung findet (Firmenschrift 3229-11/75 „Magne Drive catalytic reactors", Autoklave Engineers, Inc.; Erie, Pennsylvania 16512 USA; und Firmenschrift 3230 dto.). In der DDR entstand der Reaktor gemäß DD 132 279, der noch weitgehend für Gas-Feststoff- und Gas-Fiüssigkeit-Feststoff-Prozesse im Festbett sowie bei kontinuierlicher und diskontinuierlicher Fahrweise angewendet wird. Diese Anfänge der Entwicklung ökonomisch effektiverer Reaktoren bzw. Reaktorsysteme führten zu einem Reaktorbaukastensystem, das in der DDR in den 80er Jahren entwickelt wurde (Chem. Techn. 39.Jg., Heft
2. 2, Februar 1987, S.47-50). Dieses Reaktorsystem umfaßt Versuchsreaktoren für Gas-Festsloff-Reaktionen im Festbett (DD 132279, DD 160327, DD 234369 und DD 209282), Gas-reststoff-Reaktionen im Wirbelbett (DD 204624), Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Reaktionen im Festbett (DD 132279) und Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Reaktionen in Suspensionen (DD 249641). Der Reaktorbaukasten gestattet den Aufbau von sieben Reaktorvarianten, wozu ein Hubantrieb, ein Turboantrieb und ein Turbohubantrieb verwendet werden. Nachteile des Reaktorsystems bestehen darin, daß bei der Umrüstung auf eine andere Reaktorvariante die Reaktorinnenteile meist vollständig und der Antrieb in Abhängigkeit von der aufzubauenden Variante ausgetauscht und justiert werden müssen, was einen entsprechenden Aufwand durch Montagefachleute erfordert. Die Notwendigkeit der Verwendung eines speziellen Hubantriebes liegt darin begründet, daß bei der stationären Durchführung von Dreiphasenprozessen mit den Reaktorvarianten H und D gemäß DD 132 279 sowie mit dem Suspensionsreaktor S gemäß DD 249641 die Konstanthaltung der Flüssigkeitsmenge im Reaktor die automatische Umsteuerung der Hubstange und deren Frequenz als Kontrollwert erfordert. Darin wird bei dem derzeitigen Stand der Antriebstechnik gemäß DD 220370 einer der Nachteile gesehen. Ein weiterer Nachteil des Reaktorsystems besteht in der großen Anzahl von Einzelteilen für die unterschiedlichen Einbauten des Reaktorinnenraumes, die zur Erzeugung eines gradientenfreien Reaktionssystems bei den genannten Einsatzformen fester Katalysatoren erforderlich sind, weil damit nicht nur ein hoher Umrüstungs-, sondern auch ein großer Fertigungsaufwand mit den entsprechenden Kosien verbunden sind.