DE10137768A1 - Reaktor mit einem Wärmetauschmittelkreislauf - Google Patents

Abstract

Es wird ein Reaktor (1) mit einem Bündel von Kontaktrohren (2), durch die ein Reaktionsgemisch und durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittel (3) geleitet wird, vorgeschlagen, mit Eintritts-Ringleitungen (5) und Austritts-Ringleitungen (4) an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen (6, 7) für die Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels (3) mittels einer oder mehrerer Pumpen, unter Überleitung des Wärmetauschmittels (3) oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels (3) über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher, sowie mit Umlenkscheiben (8), die abwechselnd in der Reaktormitte und am Reaktorrand einen Durchschnittsquerschnitt freilassen, wobei der aus dem Reaktor (1) abgeführte Wärmetauschermittelstrom (3a, 3b), unmittelbar nach dem Eintritt desselben in die Austritts-Ringleitung (4), zusammen mit dem von dem (den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetauschmittelstrom (3c) in einem in der Austritts-Ringleitung (4) eingebauten Mischkanal (11) und/oder mittels Aufteilen des Wärmetauschmittelstromes (3a, 3b) in eine Vielzahl von feinen Einzelstrahlen und Aufeinanderprallen derselben in Mischzonen, unter Zuführung des aus dem (den) außenliegenden Wäremtauscher(n) kommenden Wärmetauschmittelstromes (3c) gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung (4) in die Mischzonen (18), intensiv vermischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren, durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet wird, sowie die Verwendung des Reaktors zur Durchführung von Oxidationsreaktionen.

Die übliche Bauart gattungsgemäßer Reaktoren besteht aus einem in der Regel zylinderförmigen Behälter, in dem ein Bündel, d. h. eine Vielzahl von Kontaktrohren in üblicherweise vertikaler Anordnung in der Regel unter Freilassung eines zentralen Innenraums sowie eines äußeren Ringraums untergebracht ist. Diese Kontaktrohre, die gegebenenfalls geträgerte Katalysatoren enthalten können, sind mit ihren Enden in Rohrböden abdichtend befestigt und münden in jeweils eine am oberen bzw. am unteren Ende mit dem Behälter verbundene Haube. Über diese Hauben wird das die Kontaktrohre durchströmende Reaktionsgemisch zu- bzw. abgeführt. Durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum wird ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet, um die Wärmebilanz, insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, auszugleichen.

Die folgenden Ausführungen sind vereinfacht stets auf exotherme Reaktionen bezogen und somit auf ein Wärmetauschmittel, das Reaktionswärme aufnimmt, außerhalb des Reaktors abgekühlt und anschließend dem Reaktor erneut zugeführt wird. Sie gelten jedoch analog für endotherme Reaktionen, wobei entsprechend durch ein Wärmetauschmittel Reaktionswärme zugeführt werden muss.

Aus wirtschaftlichen Gründen werden Reaktoren mit einer möglichst großen Zahl von Kontaktrohren eingesetzt, wobei die Zahl der untergebrachten Kontaktrohre häufig im Bereich von 10.000 bis 50.000 liegt (vgl. DE-A 44 31 949).

Bezüglich des Wärmetauschmittelkreislaufs ist es bekannt, dass in jedem waagerechten Schnitt des Reaktors eine weitgehend homogene Temperaturverteilung des Wärmetauschmittels realisiert werden sollte, um möglichst alle Kontaktrohre gleichmäßig am Reaktionsgeschehen zu beteiligen (z. B. DE-C 16 01 162). Der Glättung der Temperaturverteilung dient die Wärmezuführung bzw. Wärmeabführung über jeweils an den Reaktorenden angebrachten äußeren Ringleitungen mit einer Vielzahl von Mantelöffnungen, wie sie beispielsweise in DE-C 34 09 159 beschrieben sind.

Zwecks Abführung der vom Wärmetauschmittel aufgenommenen Reaktionswärme ist es erforderlich, das aus dem Reaktor abgezogene Wärmetauschmittel oder einen Teilstrom desselben über einen außenliegenden Wärmetauscher vor dessen erneute Zuführung zum Reaktor abzukühlen. In der Praxis wird häufig nur ein Teilstrom des Wärmetauschmittels über einen außenliegenden Wärmetauscher abgekühlt und erneut dem Reaktor zugeführt. Hierbei ergibt sich ein Temperaturgefälle zum restlichen, nicht abgekühlten Wärmetausch­ mittelteilstrom, das, sofern es nicht ausgeglichen wird, negative Folgen, insbesondere die Ausbildung von Hot-Spots, die Reduzierung von Ausbeute und Selektivität der Reaktion und die Alterung des Katalysators bewirkt.

Daher wurde in EP-A 1 080 781 vorgeschlagen, den abgekühlten Wärmetauschmittelstrom vor dessen erneuter Zuführung in den Reaktor mit dem nicht abgekühlten Wärmetauschmittelstrom zu vermischen, indem der abgekühlte Wärmetauschmittel­ teilstrom in den Einzugsbereich der Wärmetauschmittelumwälzvorrichtung des Reaktors oder in die Austritts-Ringleitung des Reaktors zugeführt wird. Hierbei soll die Wärmetauschmittelumwälzvorrichtung eine gute Durchmischung der unterschiedlich temperierten Wärmetauschmittelteilströme bewirken.

In Wärmetauschmittelumwälzvorrichtungen werden in der Regel eine oder mehrere, parallel oder in Serie angeordnete Axial- oder Kreiselpumpen eingesetzt. Ihre Aufgabe ist die Druckerhöhung im Wärmetauschmittel, um den Druckverlust über das Kontaktrohrbündel im Reaktor zu kompensieren. Dieser Druckverlust ist bei großen Reaktoren, mit einer Vielzahl von Kontaktrohren, die häufig zusätzlich mit Umlenkscheiben ausgestattet sind, vergleichsweise sehr groß. Die erforderliche Förderhöhe einer Pumpe für einen Reaktor in der oben erwähnten Größe liegt etwa im Bereich von 3 bis 5 m. Hierfür geeignete, leistungsfähige Pumpen, haben jedoch ein eingeschränktes Mischverhalten, eine Pumpe mit 100%igem Wirkungsgrad mischt überhaupt nicht. Die in EP-A 1 080 781 vorgeschlagene Lösung ist somit auf große Reaktoren, die hochleistungsfähige Umwälzpumpen für das Wärmetauschmittel erfordern, nicht übertragbar. Auch die Anordnung eines zusätzlichen Rührers im Pumpenleitrohr, wie in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, kann nicht effektiv sein: zwar wäre es noch möglich, den Rührerantrieb und die Rührerblätter einzubauen, es fehlt jedoch das für eine Mischung erforderliche Umwälzungsvolumen.

Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren zur Verfügung zu stellen, der eine weitgehend gleichförmige Temperaturverteilung des Wärmetauschmittelstromes über den Querschnitt desselben gewährleistet.

Die Lösung geht aus von einem Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren, durch die ein Reaktionsgemisch und durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittel geleitet wird, mit Eintritts-Ringleitung und Austritts-Ringleitung an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen für die Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels mittels einer oder mehrerer Pumpen, unter Überleitung des Wärme­ tauschmittels oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Reaktor abgeführte Wärmetauschmittelstrom, unmittelbar nach dem Eintritt desselben in die Austritts- Ringleitung, zusammen mit dem von dem (den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetauschmittelstrom in einem in der Austritts-Ringleitung eingebauten Mischkanal und/oder mittels Aufteilen des Wärmetauschmittelstromes in eine Vielzahl von feinen Einzelstrahlen und Aufeinanderprallen derselben in Mischzonen, unter Zuführung des aus dem (den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetausch­ mittelstromes gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung in die Mischzonen, intensiv vermischt wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft für einen Gegenstromreaktor mit Eintritt des Reaktionsgases von oben in die Kontaktrohre beschrieben, sie ist jedoch nicht eingeschränkt bezüglich der Zuführung von Reaktionsgas und Wärmetauschmittel von oben oder unten, im Gleichstrom oder Gegenstrom zueinander.

Die Erfindung ist auch nicht, wie eingangs bereits aufgeführt, ausschließlich auf exotherme Reaktionen bezogen und somit auf die Abführung von Reaktionswärme über ein Wärmetauschmittel. Sie umfasst ebenso endotherme Reaktionen, wobei entsprechend durch ein Wärmetauschmittel Reaktionswärme zugeführt werden muss.

Es wurde überraschend gefunden, dass mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen eine weitgehende Vermischung des gekühlten mit dem nichtgekühlten Wärmetauschmittelteilstrom möglich war, und zwar unabhängig vom Strömungsverlauf des Wärmetauschmittels im Reaktor selbst. Hierbei kann es sich beispielsweise im wesentlichen um eine Längsströmung des Wärmetauschmittels durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum handeln.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Reaktor, in dem Umlenkscheiben angeordnet sind, insbesondere dergestalt, dass sie abwechselnd in der Reaktormitte und am Reaktorrand einen Durchtrittsquerschnitt freilassen. Eine derartige Anordnung von Umlenkscheiben ist insbesondere für ringförmig angeordnete Kontaktrohrbündel mit einem freien zentralen Raum sowie einem freien äußeren Ringraum geeignet und beispielsweise aus GB-B 310 175 bekannt.

Bei einem derartigen Reaktor treten aufgrund des Strömungsverlaufs um die Umlenkscheiben unterschiedlich temperierte Wärmetauschmittelsträhnen auf; es wurde beobachtet, dass im Reaktorinnenraum praktisch keine Durchmischung des Wärmetauschmittelstromes, weder über den Querschnitt desselben noch über die Höhe der einzelnen zwischen den Umlenkscheiben angeordneten Abschnitte, stattfindet. Ein Stromfaden, der sich im unteren Bereich eines Abschnitts zwischen zwei Umlenkscheiben eines beispielhaft von unten nach oben vom Wärmetauschmittel durchströmten Reaktors befindet, gelangt durch Umlenkung in den oberen Bereich des nächstfolgenden Abschnitts. Ebenso strömt ein Stromfaden aus dem oberen Bereich eines Abschnitts nach der Umlenkung im unteren Bereich des nächstfolgenden Abschnitts weiter. Es wurde somit gefunden, dass kein nennenswerter Temperaturausgleich durch Umlenkung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten erfolgt, auch nicht, wie es noch am ehesten zu erwarten gewesen wäre, im zentralen, rohrfreien Innenraum. Ebenso wenig wurde eine Mischung über die jeweiligen Querschnitte beobachtet. Diese Erkenntnisse beruhen auf Messungen der Wärmetauschmitteltemperatur mittels eines ziehbaren Thermoelementes, das in einem am Austritt verschlossenen Kontaktrohr, das anstelle von Katalysatormaterial mit Inertmaterial gefüllt ist, angeordnet ist, entsprechend der Beschreibung in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 12 7374.6.

Aufgrund dieser Beobachtungen kamen die Erfinder zu der Erkenntnis, dass eine Temperatur-Ungleichförmigkeit, die am Reaktor eingeführt wird, über den gesamten Wärmetauschmittelverlauf im Reaktor erhalten bleibt. Besonders kritisch ist die Temperaturstörung im Wärmetauschmittelstrom bei Gegenstromführung mit dem Reaktionsgas in dem dem Rohrboden, über den das Reaktionsgas eintritt, anliegenden Bereich. Das relative kalte Reaktionsgas bewirkt hier eine drastische Temperatur­ absenkung von bis zu etwa 150°C gegenüber dem restlichen Wärmetauschmittelstrom, der vom Rohrboden weiter entfernt ist. Demgegenüber hat die Gleichstromfahrweise den speziellen Nachteil, dass sich diese Temperaturstörung am Reaktionsgaseintritt über den gesamten Reaktor fortpflanzt und bei jeder zweiten Umlenkscheibe eine Kaltzone mit sich bringt. Bei Gegenstromfahrweise dagegen verlässt diese kalte Wärmetauschmittelsträhne den Reaktor unmittelbar.

Es wurde gefunden, dass eine Vorvermischung nicht effektiv in einer Pumpe oder einem nachgeschalteten Rührer erfolgen kann. Für die Wirkung eines Rührers fehlt das erforderliche Umwälzvolumen.

Eine ideale Pumpe, das heißt eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad bezüglich der Druckerhöhung von 100%, hat keinerlei Mischwirkung. Die für die Umwälzung von Wärmetauschmittel üblicherweise eingesetzten Kreiselpumpen, beispielsweise Propeller-, Halbaxial-, oder Zentrifugalpumpen, haben eine gewisse Mischwirkung, die sich wie folgt abschätzen lässt: der Konzentrations- (und entsprechend der Temperatur-)ausgleich an einem vorgewählten Ort hängt formal, turbulente Strömung vorausgesetzt, exponentiell von der Mischzeit ab, entsprechend der Gleichung:
Δc/c~exp(-kt),
mit Δc = Konzentrations-(Temperatur-)ausgleich,
c = Mittelwert der Konzentration(Temperatur),
t = Mischzeit und
k = Konstante (vgl. Winnacker-Küchler, Chemische Technologie, Band 1, 4. Auflage, 1984, Seiten 105 und 106).

Für einen Rührkessel lässt sich die Mischzeit t durch die Anzahl der Umwälzungen N ersetzen, mit einer neuen Konstanten K:
Δc/c~exp(-KN).

Um in einem Rührkessel eine Ungleichförmigkeit auf weniger als 2% abzusenken sind, weitgehend unabhängig von der Art des Rührorgans (Propeller, Blätter oder Scheiben), etwa fünf Umwälzungen erforderlich. Damit lässt sich die Konstante K zu K = 0,78 ermitteln. Eine Pumpe entspricht einer Umlaufzahl von N = 1, oder, unter Berück­ sichtigung ihrer volumentrischen Wirkungsgrades, etwa einer Umlaufzahl N = 1,1. Somit kann in einer Pumpe eine Anfangs-Ungleichförmigkeit rein theoretisch auf maximal etwa 42% abgebaut werden.

Eine Umwälzpumpe für das Wärmetauschmittel eines Kontaktrohrbündelreaktors, deren Hauptaufgabe in einer Druckerhöhung mit vertretbarem Wirkungsgrad besteht, kann somit keinen zufriedenstellenden Ausgleich von Temperatur-Ungleichförmigkeiten erbringen. Eine Unterkühlung eines über einen außenliegenden Wärmetauscher geführten Teilstroms des Wärmetauschmittels gegenüber dem restlichen Wärmetauschmittelstrom von beispielsweise -30°C kann durch eine Pumpvorrichtung allein auf höchstens etwa -12°C abgemildert werden.

Erfindungsgemäß wurde somit gefunden, dass eine weitgehende Vermischung der unterschiedlich temperierten Strähnen des Wärmetauschmittelstromes bereits vor der Zuführung desselben aus dem Reaktor zur Pumpe(n) erforderlich ist.

Demgemäss wurde für den Wärmetauschmittelstrom unmittelbar nach dessen Austreten aus dem Reaktorzwischenraum über die entsprechende Mantelöffnung in die Austritts- Ringleitung ein Mischkanal eingebaut. Für eine weitgehende Mischung der warmen, aus dem unteren Bereich des Reaktorabschnitts über der obersten Umlenkscheibe mit der kalten Wärmetauschmittelsträhne aus dem obersten Bereich derselben wird der, die unterschiedlich temperierten Wärmetauschmittelsträhnen umfassende Wärmetauschmittel­ strom, unmittelbar nach dem Austreten aus der Mantelöffnung in den Austritts-Ringkanal in einem entsprechend dimensionierten Mischkanal durchmischt. Es ist bekannt und beispielsweise in K-H. Hartung und J.W. Hiby, Beschleunigung der turbulenten Mischung in Rohren, Chemie-Ing.-Techn. 44. Jahrg., Seiten 1051-1056 beschrieben, dass eine weitgehende Durchmischung, in der Größenordnung von etwa 98%, eines beim Eintritt in einen Mischkanal ungleichförmigen Fluidstromes nach einer Kanallänge entsprechend etwa dem 100fachen Durchmesser des Mischkanals erfolgt.

Bevorzugt ist die Austritts-Ringleitung die obere Ringleitung.

Die Erfindung ist nicht eingeschränkt bezüglich der Anzahl der Kontaktrohre. Das Bündel von Kontaktrohren im Reaktor umfasst bevorzugt etwa 10.000 bis 50.000 Kontaktrohre.

Der Mischkanal wird bevorzugt durch ein oder mehrere, insbesondere zwei zylindermantelförmige Leitbleche gebildet, die koaxial in der Austritts-Ringleitung angeordnet sind, und die sich über die gesamte Höhe der Austritts-Ringleitung, unter Freilassung alternierend am oberen bzw. unteren Ende aufeinanderfolgender Leitbleche angeordneter Umlenköffnungen erstrecken. Der aus dem (den) Wärmetauscher(n) kommende Wärmetauschmittelsstroms wird in den Mischkanal gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung, bevorzugt in deren oberen Bereich in den Eintritts­ bereich der aus dem Reaktor in den Mischkanal austretenden Wärmetauschmittelströme zugeführt.

Für die Zuführung des über einen oder mehrere außenliegende(n) Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelstromes wird erfindungsgemäß im Reaktor bevorzugt eine horizontale Trennwand in der Austritts-Ringleitung vorgesehen, insbesondere in deren oberem Bereich, und die sich von der Außenwand der Austritts-Ringleitung bis zu dem Bereich, in dem der Wärmetauschmittelstrom über die Mantelöffnungen in die Austritts- Ringleitung einströmt, erstreckt, mit Eintrittsöffnungen für die Zuführung des Wärmetauschmittelstromes sowie mit Austrittsöffnungen für die Weiterleitung des Wärmetauschmittelstromes in den Mischkanal.

Bevorzugt beträgt die vertikale Querschnittsfläche zwischen der horizontalen Trennwand und dem Ende der Austritts-Ringleitung, in dessen Nähe die Austrittsöffnungen angeordnet sind, mindestens etwa das dreifache der Gesamtfläche der Austrittsöffnungen.

Die horizontale Trennwand muss von demjenigen Ende der Austritts-Ringleitung, in dessen Nähe die Austrittsöffnungen für den über den außenliegenden Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelstrom in dem Mischkanal angeordnet sind, derart beabstandet sein, dass stets, auch bei Teillast, eine ausreichend hohe Austrittsgeschwindigkeit des über den außenliegenden Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelstromes in den Mischkanal gewährleistet ist. Diese Austritts­ geschwindigkeit soll sich in einem Bereich von 0,1 bis 1,5 m/s, bevorzugt von 0,5 bis 1,0 m/s, besonders bevorzugt von 0,8 m/s bewegen.

Nach einer weiteren Ausführungsform, die zusätzlich oder alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit Mischkanal in der Austritts-Ringleitung vorgesehen sein kann, sind Mantelöffnungen in der Austritts-Ringleitung alternierend im oberen und unteren Bereich derselben angeordnet und mit einem zylindermantelförmigen, gefalteten oder gewellten Vorsetzblech, das sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Ringleitung erstreckt, abgedeckt, unter Ausbildung jeweils eines Kanals über jeder Mantelöffnung, wobei die einzelnen Kanäle voneinander getrennt sind sowie mit Austrittsöffnungen im Vorsetzblech, bevorzugt in der oberen Hälfte desselben.

Diese bevorzugte Ausführungsform sieht somit vor, dass die Mantelöffnungen in der Austritts-Ringleitung alternierend im oberen und unteren Bereich derselben angeordnet sind, wodurch die warme Wärmetauschmittelsträhne, die im untersten Bereich des Reaktorabschnitts über der obersten Umlenkscheibe vorliegt, über die im unteren Bereich der Austritts-Ringleitung angeordneten Mantelöffnungen abgezogen wird und entsprechend die kältere Wärmetauschmittelsträhne über die Mantelöffnungen, die im oberen Bereich der Austritts-Ringleitung angeordnet sind. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass stets eine Mantelöffnung, aus der eine warme Wärmetauschmittelsträhne austritt mit einer Mantelöffnung alterniert, aus der eine kalte Wärmetauschmittelsträhne austritt.

Die Mantelöffnungen sind mit einem zylindermantelförmigen, gefalteten oder gewellten Vorsetzblech abgedeckt, das sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Austritts- Ringleitung erstreckt, unter Ausbildung jeweils eines Kanals über jeder Mantelöffnung, wobei die einzelnen Kanäle voneinander getrennt sind. Die alternierend im oberen und unteren Bereich der Austritts-Ringleitung angeordneten Mantelöffnungen sind somit dergestalt abgedeckt, dass die aus jeder Mantelöffnung strömende Flüssigkeit in jeweils einen, durch das Vorsetzblech gebildeten Kanal einströmt. Das Vorsetzblech ist dabei, entsprechend den fertigungstechnischen Möglichkeiten, beispielsweise durch Schweißen, zwischen den einzelnen Kanälen weitgehend flüssigkeitsdicht am Außenmantel des Reaktors befestigt. Eine vollständige Trennung der einzelnen Kanäle voneinander ist hierbei nicht erforderlich.

Das Vorsetzblech weist, bevorzugt in der oberen Hälfte desselben, eine Vielzahl von Austrittsöffnungen für das Wärmetauschmittel auf. Die Austrittsöffnungen im Vorsetzblech haben bevorzugt einen hydraulischen Durchmesser im Bereich von 2 bis 20 mm, bevorzugt von 5 bis 10 mm, besonders bevorzugt von 8 mm. Hierbei bezeichnet der Begriff hydraulischer Durchmesser, wie üblich, den 4fachen Quotienten aus der Fläche der Öffnung und ihrem Umfang.

Die Höhe der Kanäle 30 bis 300 mm, insbesondere 60 bis 200 mm, besonders bevorzugt 90 bis 150 mm, beträgt. Unter Höhe der Kanäle wird hierbei der Abstand der Erhebungen der Kanäle von der Reaktoraußenwand verstanden.

Da die Kanäle über dem Reaktormantel erhaben sind und aufeinanderfolgende Kanäle jeweils von unterschiedlich temperiertem Wärmetauschmittel durchströmt werden, treffen somit aus den einander gegenüberliegenden Austrittsöffnungen zweier benachbarter Kanäle unterschiedlich temperierte Wärmetauschmittelströme aufeinander.

Bevorzugt treffen die Wärmetauschmittelströme aus benachbarten Kanälen in einem Winkel von 90° aufeinander. Dadurch wird eine besonders intensive Vermischung erreicht.

Bereits durch das Aufteilen des aus dem Reaktor austretenden Wärmetauschmittelstromes durch die Austrittsöffnungen im Vorsetzblech entsteht eine Vielzahl von dünnen Einzelstrahlen. Die Reichweite eines Einzelstrahls, das heißt die maximale Entfernung ab der Austrittsöffnung, bis zu der der Einzelstrahl noch nicht untergemischt ist beträgt etwa das 20-fache des hydraulischen Durchmessers der Austrittsöffnung. Bei dieser Reichweite saugt jeder Einzelstrahl aus seiner Umgebung bis zum 10fachen seines Eintritts­ volumenstromes an. Somit wird die Temperatur-Ungleichförmigkeit über den Querschnitt des Wärmetauschmittelstromes bereits durch das gegenseitige Ansaugen der Strahlen um etwa den Faktor 0,1 ausgeglichen. Darüber hinaus erfolgt eine weitere Vergleichmäßigung der Temperatur durch das gegeneinander Richten der Einzelstrahlen, die, bedingt durch die geometrische Anordnung der Austrittsöffnungen, aufeinander in Mischzonen auftreffen. Dadurch wird eine kleinstrahlige Turbulenz bewirkt, die die verbleibende Restungleich­ förmigkeit der Temperatur weiter reduziert.

Zusätzlich wird in diese Mischzonen der vom (von den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommende Wärmetauschmittelstrom ebenfalls in Form feiner Strahlen, gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung, zugemischt.

Die Kanäle im Vorsetzblech sind bevorzugt in der Weise ausgeformt, dass sie einen Querschnitt in Form eines Dreiecks, bevorzugt eines gleichseitigen Dreiecks, aufweisen.

Der erfindungsgemäße Reaktor ist besonders zur Durchführung von exothermen Gasphasenoxidationen, insbesondere zur Herstellung von (Meth)acrolein, (Meth)acrylsäure, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid oder Glyoxal geeignet.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen haben somit den Vorteil, dass sie die Temperatur- Ungleichförmigkeit über den Querschnitt des Wärmetauschmittelstromes weitgehend abmildern.

Die Auswirkungen von Temperatur-Ungleichförmigkeiten des Wärmetauschmittelstromes sind die nach konkretem Verfahren, und etwas modifiziert durch die konkreten Betriebsparameter, insbesondere Rohrdurchmesser, Last, Beladung, Katalysator, Katalysatoralterung, Temperaturniveau usw. deutlich bis dramatisch. So zeigt eine Temperaturabweichung der Wärmetauschmitteleintrittstemperatur von lediglich +1°C von der Solltemperatur in der betrieblichen Praxis folgende Erhöhungen der Katalysator-Hot- Spot-Temperaturen: für Acrolein aus Propen von etwa +3°C, für Acrylsäure aus Acrolein von etwa +9°C, für die Gasphasenoxidation zu Phthalsäureanhydrid von etwa +8°C bzw. für die Gasphasenoxidation zu Maleinsäureanhydrid von etwa +15°C. Die Erhöhung der Katalysator-Hot-Spot-Temperaturen hat die bekannten negativen Auswirkungen auf die Katalysatoralterung, Reduzierung von Selektivität und Ausbeute der Reaktion. Es ist daher erforderlich, die Wärmetauschmittel-Eintrittstemperaturen über den Eintrittsumfang so gut wie technisch möglich auszugleichen.

Ausgehend von einer zulässigen Hot-Spot-Temperatur-Variation von ± 1°C über den Reaktorquerschnitt ergibt sich für die oben aufgeführten Reaktionen eine zulässige Schwankung der Wärmetauschmittel-Eintrittstemperaturen von ± 0,3 bis 0,1°C. Bei einer vorausgesetzten Unterkühlung des über einen außenliegenden Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelstromes von 50°C muss hierfür eine Mischgüte besser als ± 0,6% bis 0,2% gewährleistet werden. Diese Vorgaben werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erfüllt.

Weitere Methoden zum Temperaturausgleich im Wärmetauschmittelstrom sind im folgenden aufgeführte Maßnahmen, die die erfindungsgemäße Mischung noch weiter verbessern können.

Anstelle der gleichförmigen Zugabe des vom außenliegenden Wärmetauscher kommenden abgekühlten Wärmetauschmittelstromes ist es möglich, diesen zu punktuellen Einspritzstellen in den Ringleitungen, insbesondere in die Austritts-Ringleitung, zu führen und Iokal in den dort vorliegenden Wärmetauschmittel-Hauptstrom einzugeben.

Es ist möglich, in den Austritts- und/oder Eintritts-Ringkanal, beispielsweise vor der Umwälzpumpe (den Umwälzpumpen) statische Mischer einzubauen. Vor der (den) Umwälzpumpe(n) kann eine Vordrallbeschaufelung, insbesondere ein Gitter, angeordnet sein.

Auf der (den) Pumpenwelle(n) können eine oder mehrere Mischschaufeln (Agitatoren) oder Inducerschaufeln, vor und/oder nach der (den) Pumpe(n) angeordnet sein.

Es ist möglich, nach der (den) Pumpe(n) eine Nachbeschaufelung (Gitter) vorzusehen.

Weiterhin ist es möglich, eine Gegendrallbeschaufelung (Gitter) für die Umlenkung in die Eintritts-Ringleitung vorzusehen.

Es ist auch möglich, eine teilweise Rezirkulation des Wärmetauschmittelstromes von der Druckseite der (den) Pumpe(n) zur Saugseite, gegebenenfalls mit Einleitung über Ringverteiler, Injektoren oder dergleichen, vorzusehen.

Die oben beschriebenen Maßnahmen können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen beispielhaft mit Umlenkscheiben ausgestatteten Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren zur Erläuterung der auftretenden Temperaturungleichförmigkeit mit getrennter Darstellung des Temperaturverlaufs in der Austritts-Ringleitung in Fig. 1a,

Fig. 2 ein Beispiel für eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors,

Fig. 3 ein Beispiel für eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gestaltung der Austritts-Ringleitung und

Fig. 4 eine Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Reaktor, mit einer Ausführungsform auf der linken Seite und einer weiteren Ausführungsform auf der rechten Seite der Darstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Reaktor 1 mit Führung des Reaktionsgases durch ein Bündel von Kontaktrohren 2 von oben nach unten, mit einem Wärmetauschmittelstrom 3, der durch den Zwischenraum zwischen den Kontaktrohren 2 von unten nach oben geleitet wird, mit Austritts-Ringleitung 4 und Eintritts-Ringleitung 5 sowie mit oberen Mantelöffnungen 6 und unteren Mantelöffnungen 7, mit Umlenkscheiben 8, die alternierend in der Reaktormitte und am Reaktorrand Durchschnittsquerschnitte für das Wärmetauschmittel 3 freilassen. In der Austritts-Ringleitung 4 fallen unterschiedlich temperierte Wärmetauschmittelteilströme an: ein wärmerer Wärmetauschmittelstrom 3a im unteren Bereich des Austritts-Ringkanals sowie ein kälterer Wärmetauschmittelteilstrom 3b im oberen Bereich des Austritts-Ringkanals. Die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmetauschmittelteilströmen 3a und 3b kann bis zu 150°C betragen; das Volumenverhältnis der Teilströme 3a zu 3b liegt häufig im Bereich von 9 : 1 bis 4 : 1. Zur Abführung der Reaktionswärme muss ein Teilstrom, häufig 3 bis 30 Vol.% des Gesamtstroms abgekühlt und dem Reaktor erneut, als Teilstrom 3c, zugeführt werden. Je kleiner der Reaktor, umso höher kann die Obergrenze des zwecks Abkühlung abgezogenen Teilstroms sein, bis hin zu 100%.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Austritts-Ringleitung 4 eines Reaktors 1 mit einem Bündel von Kontaktrohren 2, wobei die unterschiedlich temperierten Wärmetauschmittelströme 3a und 3b aus dem Zwischenraum zwischen den Kontaktrohren 2 sowie der über einen außenliegenden Wärmetauscher abgekühlte Wärmetauschmittelteilstrom 3c miteinander vermischt werden. Die Wärmetauschmittelteilströme 3a und 3b treten durch die Mantelöffnung 6 aus dem Reaktor 1 in die Austritts-Ringleitung 4 ein und vermischen sich hier in einem durch Leitbleche 9 mit Umlenköffnungen 10 gebildeten Mischkanal 11. Im oberen Bereich der Austritts-Ringleitung 4 ist eine horizontale Trennwand 12 angeordnet mit Eintrittsöffnung 13 für den im außenliegenden Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelteilstrom 3c und Austrittsöffnung 14 für denselben in den Mischbereich mit den Wärmetauschmittelteilströmen 3a und 3b.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, mit Längsschnitt durch den für die Erfindung maßgeblichen Teil des Reaktors in Fig. 3.1, mit Darstellung der Abwicklung der Austritts-Ringleitung in Fig. 3.2 und mit Querschnittsdarstellung durch die Kanäle in Fig. 3.3.

In der Austritts-Ringleitung 4 eines Reaktors 1 in Fig. 3.1 mit einem Bündel von Kontaktrohren 2 treten ein warmer Wärmetauschmittelstrom 3a und ein kälterer Wärmetauschmittelstrom 3b, jeweils über Mantelöffnungen 6, über ein Vorsetzblech 15 mit Austrittsöffnungen 16. Über den oberen Teil der Austritts-Ringleitung 4 wird ein vom außenliegenden Wärmetauscher kommender, abgekühlter Wärmetauschmittelstrom 3c oberhalb einer Trennwand 12, über Eintrittsöffnungen 13 und Austrittsöffnungen 14 in die Mischzonen 18 geleitet.

Fig. 3.2 zeigt eine Abwicklung der Austritts-Ringleitung 4 mit Vorsetzblech 15 und Öffnungen 16 im oberen Teil derselben, mit Mantelaustrittsöffnungen 6, die alternierend im oberen und unteren Bereich der Austritts-Ringleitung 4 angeordnet sind, wobei der warme Wärmetauschmittelstrom 3ä jeweils über die unteren Mantelöffnungen 6, und der relativ kältere Wärmetauschmittelstrom 3b jeweils über die oberen Mantelöffnungen 6 geleitet wird sowie mit Zuleitung des über einen außenliegenden Wärmetauscher abgekühlten Wärmetauschmittelstromes 3c, gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung 4 oberhalb einer Trennwand 12.

Die Querschnittsdarstellung in Fig. 3.3 verdeutlicht die vom Vorsetzblech 15 mit Öffnungen 16 jeweils über einer Mantelöffnung 6 ausgebildeten Kanäle 17. In die Kanäle 17 strömt abwechselnd relativ kälteres Wärmetauschmittel 3b und relativ wärmeres Wärmetauschmittel 3a, die Wärmetauschmittelströme 3b und 3a treten jeweils durch die Austrittsöffnungen 16 in den Vorsetzblechen 15, werden hierbei in feinen Strahlen aufgetrennt, die in den Mischzonen 18 aufeinander treffen.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Reaktor 1 mit einem Bündel von Kontaktrohren 2, mit Eintritts-Ringleitung 5 für das Wärmetauschmittel 3, mit einem wärmeren Wärmetausch­ mittelstrom 3a und einem kälteren Wärmetauschmittelstrom 3b sowie einem über einen außenliegenden Wärmetauscher geleiteten Wärmetauschmittelstrom 3c, mit Mantelöffnungen 6 bzw. 7 in den Ringleitungen 4 bzw. 5 und mit Umlenkscheiben 8, die alternierend in der Reaktormitte und am Reaktormantel Durchtrittsquerschnitte freilassen.

Die linke Seite der Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors, wobei beispielhaft die Reaktionsgasführung von unten nach oben durch entsprechende Pfeile symbolisiert ist. In der Austritts-Ringleitung 4 sind Leitbleche 9 angeordnet, unter Freilassung von Umlenköffnungen 10 und Ausbildung eines Mischkanals 11. Der wärmere Wärmetauschmittelstrom 3a sowie der kältere Wärmetauschmittelstrom 3b strömen über Mantelöffnungen 6 in den Mischkanal 11. Im oberen Bereich der Austritts-Ringleitung 4 ist eine horizontale Trennwand 12 angeordnet, wobei oberhalb der horizontalen Trennwand 12 das über einen außenliegenden Wärmetauscher abgekühlte Wärmetauschmittel 3c über eine Eintrittsöffnung 13 und eine Austrittsöffnung 14 in den Mischkanal 11 geleitet wird.

Die rechte Seite der schematischen Darstellung in Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei beispielhaft das Reaktionsgas von oben nach unten geführt wird, wie durch entsprechende Pfeile symbolisiert. Die Wärmetauschmittelströme 3a und 3b werden über Mantelöffnungen 6 durch Öffnungen 16 in einem Vorsetzblech 15 geleitet. In die hierbei ausgebildeten Mischzonen 18 wird gleichzeitig der vom außenliegenden Wärmetauscher kommende, abgekühlte Wärmetauschmittelstrom 3c oberhalb einer horizontalen Trennwand 12, mit Eintrittsöffnung 13 und Austrittsöffnung 14, zugeleitet.

Claims (12)

1. Reaktor (1) mit einem Bündel von Kontaktrohren (2), durch die ein Reaktionsgemisch und durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittel (3) geleitet wird, mit Eintritts-Ringleitung (5) und Austritts- Ringleitung (4) an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen (6, 7) für die Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels (3) mittels einer oder mehrerer Pumpen, unter Überleitung des Wärmetauschmittels (3) oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels (3) über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Reaktor (1) abgeführte Wärmetauschmittelstrom (3a, 3b), unmittelbar nach dem Eintritt desselben in die Austritts-Ringleitung (4), zusammen mit dem von dem (den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetauschmittelstrom (3c) in einem in der Austritts-Ringleitung (4) eingebauten Mischkanal (11) und/oder mittels Aufteilen des Wärmetauschmittelstromes (3a, 3b) in eine Vielzahl von feinen Einzelstrahlen und Aufeinanderprallen derselben in Mischzonen (18), unter Zuführung des aus dem (den) außenliegenden Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetausch­ mittelstromes (3c) gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts-Ringleitung (4) in die Mischzonen (18), intensiv vermischt wird.

2. Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor (1) Umlenkscheiben (8) angeordnet sind, insbesondere dergestalt, dass sie abwechselnd in der Reaktormitte und am Reaktorrand einen Durchschnittsquerschnitt freilassen.

3. Reaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel von Kontaktrohren (2) etwa 10.000 bis 50.000 Kontaktrohre (2) umfasst.

4. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein oder mehrere, bevorzugt zwei, zylindermantelförmige Leitbleche (9), die koaxial in der Austritts-Ringleitung (4) angeordnet sind, und die sich über die gesamte Höhe der Austritts-Ringleitung (4), unter Freilassung alternierend am oberen bzw. unteren Ende aufeinanderfolgender Leitbleche (9) angeordneter Umlenköffnungen (10) erstrecken, wobei ein Mischkanal (11) ausgebildet wird sowie durch Zuführung des aus dem (den) Wärmetauscher(n) kommenden Wärmetauschmittelsstroms (3c) in den Mischkanal (11), gleichmäßig verteilt über den Umfang der Austritts- Ringleitung (4) in den Eintrittsbereich der aus dem Reaktor (1) in den Mischkanal (11) austretenden Wärmetauschmittelströme (3a, 3b).

5. Reaktor (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine horizontale Trennwand (12) in der Austritts-Ringleitung (4), bevorzugt in deren oberem Bereich, und die sich von der Außenwand der Austritts-Ringleitung (4) bis zu dem Bereich, in dem der Wärmetauschmittelstrom (3a, 3b) über die Mantel­ öffnungen (6) in die Austritts-Ringleitung (4) einströmt, erstreckt, mit Eintrittsöffnungen (13) für die Zuführung des Wärmetauschmittelstromes (3c) sowie mit Austrittsöffnungen (14) für die Weiterleitung des Wärmetausch­ mittelstromes (3c) in den Mischkanal (11).

6. Reaktor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Querschnittsfläche zwischen der horizontalen Trennwand (12) und dem Ende der Austritts-Ringleitung (4), in dessen Nähe die Austrittsöffnungen (14) angeordnet sind, mindestens etwa das dreifache der Gesamtfläche der Austrittsöffnungen (14) beträgt.

7. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelöffnungen (6) alternierend im oberen und unteren Bereich der Austritts- Ringleitung (4) angeordnet sind und mit einem zylindermantelförmigen, gefalteten oder gewellten Vorsetzblech (15), das sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Austritts-Ringleitung (4) erstreckt, abgedeckt sind, unter Ausbildung jeweils eines Kanals (17) über jeder Mantelöffnung (6), wobei die einzelnen Kanäle (17) voneinander getrennt sind sowie mit Austrittsöffnungen (16) im Vorsetzblech (15), bevorzugt in der oberen Hälfte desselben.

8. Reaktor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (16) einen hydraulischen Durchmesser im Bereich von 2 bis 20 mm, bevorzugt von 5 bis 10 mm, besonders bevorzugt von 8 mm, aufweisen.

9. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (17) im Querschnitt die Form eines Dreiecks, bevorzugt eines gleichseitigen Dreiecks, aufweisen.

10. Reaktor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Kanäle 30 bis 300 mm, bevorzugt 60 bis 200 mm, besonders bevorzugt 90 bis 150 mm, beträgt.

11. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittelströme (3a, 3b) aus benachbarten Kanälen (17) aufeinander in einem Winkel von 90° auftreffen.

12. Verwendung des Reaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Durchführung von exothermen Gasphasenoxidationen, insbesondere zur Herstellung von (Meth)acrolein, (Meth)acrylsäure, Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid oder Glyoxal.