DE102005027060A1 - Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren mit Katalysatormaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Befüllen eines jeden Rohres oder einer Rohreinheit das befüllte Rohr/die befüllten Rohre mit einem optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren mit Katalysatormaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Befüllen eines jeden Rohres oder einer Rohreinheit das befüllte Rohr/die befüllten Rohre mit einem optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.
• Für die Durchführung von chemischen Reaktionen, bei denen Gase katalytisch umgesetzt werden, finden häufig Rohrbündelreaktoren Verwendung. Als Beispiel sei insbesondere die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Festbettkatalysatorschüttungen genannt. Da diese Reaktionen exotherm sind, ist es notwendig, dass die Reaktionswärme so effizient wie möglich aus dem Reaktor abgeführt wird. Bei einem unkontrollierten Ablauf der Reaktion würden verstärkt unerwünschte Nebenprodukte gebildet und teure Ausgangsmaterialen wären vernichtet. Um sehr effizient die Wärme abführen zu können, ist es bekannt, Rohre mit sehr geringen Durchmessern mit Katalysatoren zu füllen und in den Rohrzwischenräumen ein Kühlmittel durchzuleiten. Übliche Rohrdurchmesser hierfür betragen 20 bis 100 mm, wobei ein Rohrbündelreaktor oft bis zu 40.000 einzelne Rohre aufweist.
• Beispielsweise seien die katalytische Oxidation von o-Xylol oder Napthalin mit Luft zu Phthalsäureanhydrid oder C₄-Kohlenwasserstoffen mit Luft zu Maleinsäureanhydrid gegebenenfalls unter Verwendung von Trägerkatalysatoren genannt. Die Trägerkatalysatoren bestehen in der Regel aus einem inerten Träger und einer katalytisch aktiven Masse, die auf den Träger aufgebracht wurde.
• Erfahrungsgemäß haben diese Katalysatoren eine Lebensdauer von 2 bis 5 Betriebsjahren, wonach sie in ihrer Wirksamkeit sowohl hinsichtlich des Umsatzes als auch der Selektivität soweit nachlassen, dass die Weiterverwendung nicht mehr wirtschaftlich ist.
• Genügen die Katalysatoren daher nicht mehr den wirtschaftlichen Mindesterforderungen, müssen sie regeneriert oder gegen neue Katalysatoren ausgetauscht werden.
• Bei einem Austausch der Katalysatoren werden die Rohrbündelreaktoren normalerweise mit Hilfe von Füllmaschinen vom oberen Rohrboden aus mit neuem Katalysatormaterial befüllt. Geeignete Füllmaschinen sind beispielsweise in US-A 4 402 643, WO 98/14392, DE-A 199 34 324 oder in der älteren deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102004012754.9 beschrieben. Die Füllmaschinen können bis zu 20 Reaktorrohre parallel füllen.
• Bei der Herstellung von Phthalsäureanhydrid werden im Stand der Technik strukturierte Katalysatorschüttungen verwendet, die beispielsweise in der WO 04/1039444 und in den aufgezeigten Referenzen beschrieben sind. Die strukturierte Katalysatorschüttung besteht in der Regel aus zwei bis vier unterschiedlichen Katalysatorlagen, wobei die Aktivität des Katalysators vom Gaseintritt zum Gasaustritt zunimmt und die Selektivität vom Gaseintritt zum Gasaustritt abnimmt. Üblicherweise werden zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid Rohrbündelreaktoren mit 1500 bis 30000 Rohren verwendet. Folglich werden bei einer Neubefüllung 3000 bis 120000 einzelnen Füllvorgänge vorgenommen.
• Im Stand der Technik wurde die Neubefüllung bei offenen Reaktorrohren durchgeführt. Gegebenenfalls wurden die bereits befüllten Rohre durch ein Klebeband zugeklebt, um die Rohre vor Verunreinigungen zu schützen.
• Bei einer Katalysatorbefüllung arbeiten zeitweise bis zu 20 Personen auf dem oberen Reaktorboden. So kann es trotz strikter Sicherheitsvorschriften zu Verunreinigung der Reaktorrohre durch Schmutz oder auch durch herunterfallende Arbeitsmaterialien wie beispielsweise Beistifte oder Kugelschreibern kommen.
• Ferner ist bei einer Neubefüllung von Rohrbündelreaktoren mit einer derart hohen Anzahl an Füllvorgängen die Wahrscheinlichkeit an Fehlfüllungen sehr groß. Fehlfüllungen können zu nicht-befüllten Reaktorrohren oder zu doppelt-, bzw. fehlgefüllten Reaktorrohren führen.
• Fehlfüllungen stellen bei der Herstellung von Phthalsäurenahydrid, einer Reaktion, die im Explosionsbereich betrieben wird, ein hohes Sicherheitsrisiko da. Nicht-befüllte Reaktorrohre können beispielsweise aufgrund des nicht umgesetzten o-Xylols am Reaktorausgang zünden. Reaktorrohre, die doppelt mit der aktiveren Katalysatorlage befüllt wurden, können ebenfalls durch die starke exotherme Reaktion zur Zündung des Reaktors führen. Reaktorrohre, die doppelt mit der selektiveren Katalysatorschicht befüllt wurden, führen zu einer verschlechterten Produktqualität aufgrund einer verminderten Umsetzung von o-Xylol.
• Die genannten Risiken machten zeitaufwendige Sicherheitskontrollen und Korrekturen notwendig. Korrekturen können beispielsweise ein erneutes Entleeren, Reinigen und/oder Neubefüllen einzelner Rohre bedeuten. Zeitaufwendig ist insbesondere das Auffinden des fehlgefüllten Rohres am unteren Rohrboden. Eine Fehlfüllung wird normalerweise beim Befüllen des Reaktors durch Überlaufen eines Rohres am oberen Rohrboden festgestellt. Um das fehlgefüllte Rohr nach unten entleeren zu können, muss das Rohr am unteren Rohrboden lokalisiert werden. Bei einer Summe von Reaktorrohren von bis zu 40 000 führt dies häufig zu Fehl-Entleerungen ordnungsgemäß gefüllter Rohre. Ferner wird die Lokalisierung der einzelnen Reaktorrohre durch die räumliche Enge auf und unter den Reaktorrohren erschwert. Gegebenenfalls wird eine Reaktorbefüllung ohne Abnahme der Reaktorhaube durchgeführt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war demnach, ein verbessertes Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren aufzufinden, das die aufgezeigten zeitaufwendige Sicherheitskontrollen und Korrekturen minimiert.
• Demnach wurde ein Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Befüllen eines jeden Rohres oder einer Rohreinheit das befüllte Rohr/die befüllten Rohre mit einem optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.
• Vorteilhaft werden vor dem Befüllen alle Rohre mit einem optisch unterschiedlich gekennzeichnetem Verschluss verschlossen. Dieser Verschluss wird vorteilhaft erst kurz vor der Befüllung der Reaktorrohre entfernt.
• Als Verschluss werden zweckmäßigerweise Stopfen verwendet, die für die verwendeten Rohrdurchmesser passgenau gefertigt sind.
• Die Rohrdurchmesser liegen üblicherweise bei 20 bis 100 mm, vorteilhaft bei 15 bis 60 mm. Die Rohrlängen betragen üblicherweise 1 m bis 10 m.
• Die Stopfen können gerade oder kegelförmig ausgebildet sein, so dass das Stopfen-Rohr-System in Form einer Kegeldichtung oder in Form einer Zylinderspaltdichtung ausgelegt ist. Unter Verwendung eines kegelförmig ausgebildeten Stopfens beträgt der Kegelwinkel 1 bis 30 Grad.
• Die Stopfen weisen zweckmäßigerweise einen äußeren Rand von 1 bis 15 mm auf, dieser verhindert, dass die Stopfen in die Reaktorrohre fallen oder gestoßen werden.
• Die Stopfen weisen zweckmäßigerweise eine Höhe, d.h. Stecktiefe im Reaktorrohr, von 10 bis 50 mm auf, vorteilhaft 10 bis 20 mm.
• Die Stopfen können aus allen dem Fachmann gängigen Materialien gefertigt sein. Vorteilhaft bestehen die Stopfen aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, Polyethylen und/oder Polypropylen, bevorzugt aus Polyethylen.
• Als unterschiedliche optische Kennzeichnung werden beispielsweise unterschiedliche Farben, Formen, Materialien und/oder Muster verwendet. Bevorzugt werden als unterschiedliche optische Kennzeichnung unterschiedliche Farben verwendet. Die Farben lassen sich vorteilhaft optisch gut erkennen und sind eindeutig unterscheidbar. Beispielsweise werden rote Stopfen gewählt, um leere Reaktorrohre zu kennzeichnen, und gelbe Stopfen, um bereits befüllte Rohre zu kennzeichnen.
• Als Rohreinheit werden einige Rohre, wie beispielsweise 2 bis 30 Rohre, in Reihe, aber auch ein Rohrsegment aus mehreren Rohrreihen, beispielsweise 2 bis 30 Reihen aus jeweils 2 bis 30 einzelnen Rohren, verstanden. Vorteilhaft besteht ein Rohrsegment aus möglichst wenigen Reihen.
• Die optimale Größe einer Rohreinheit hängt vornehmlich von der eingesetzten Füllmaschine ab und ist vom Fachmann durch wenige Versuche auffindbar.
• Im Stand der Technik werden überwiegend zwei Füllmaschinenarten zum Befüllen von Rohrreaktoren verwendet, die beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben werden.
• Zum einen werden Füllmaschinen zur parallelen Befüllung von 1 bis 10 Rohren verwendet. Diese Füllmaschinen werden üblicherweise vom Bedienpersonal manuell von Rohrreihe zu Rohrreihe versetzt. Um eine optimale Befüllung bei optimaler Sicherheit durchzuführen, wird die Befüllung vorteilhaft in einer Zick-Zackfahrweise vorgenommen. Beispielsweise werden 5 parallele Rohre in einer ersten Reihe befüllt. Nach der Befüllung wird die Füllmaschine um 5 Rohre nach links oder rechts in eine zweite Reihe versetzt. Während die Füllmaschine die neuen 5 Rohre befüllt, werden die bereits befüllten durch einen optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen. Nach der zweiten Befüllung wird die Füllmaschine wieder in die erste Reihe versetzt und zwar um eine Rohrreihe nach hinten, bzw. nach vorne, verschoben, so dass 5 neue Rohre befüllt werden, die an die bereits befüllten Rohre aus der ersten Reihe angrenzen. Die befüllten Rohre aus der zweiten Reihe werden währenddessen mit einem optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen. Dieses Prinzip wird vorteilhaft wiederholt, bis die ersten beiden Reihen komplett befüllt sind. Dann wird die Füllmaschine zweckmäßigerweise umgesetzt und die angrenzenden Reihen 3 und 4 in umgekehrter Richtung befüllt.
• Zum anderen werden Füllmaschinen zur parallelen Befüllung von 10 bis 30 Rohren verwendet. Diese Füllmaschinen lassen sich üblicherweise automatisch versetzen. Unter Verwendung solcher Maschinen wird der Reaktor vorteilhaft Reihe für Reihe in einer geraden Fahrweise befüllt. Die befüllten Rohre werden pro befüllter Rohrreihe oder pro befülltem Rohrsegment bestehend aus mehreren Rohrreihen mit den optisch gekennzeichnetem Verschluss verschlossen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist anhand der Farbverteilung sehr leicht zu erkennen, welche Reaktorrohre bereits mit Katalysatormaterial befüllt wurden. Ferner ist anhand der Farbverteilung der Reaktorrohre der aktuelle Fortschrittsgrad der Befüllung zu erkennen. Dies ermöglicht ein optimiertes Zeitmanagement.
• Die Zeit, die das Auswechseln der Stopfen in Anspruch nimmt, ist sehr gering, insbesondere im Vergleich zu der Zeit, die für Sicherheitskontrollen und Korrekturen benötigt wird.
• Sollten trotz Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens Fehlfüllungen auftreten, so können Rohre mit Fehlfüllungen mit Hilfe eines weiteren optisch unterschiedlich gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.
• Bei der Befüllung von strukturierten Katalysatorschüttungen ist es ferner zweckdienlich, dass nach jeder Befüllung einer Katalysatorlage ein anders optisch gekennzeichneter Verschluss die befüllten Rohre verschließt. Beispielsweise sind die leeren Rohre mit einem roten Stopfen verschlossen; die Reaktorrohre, die mit einer Katalysatorlage befüllt sind, sind mit einem blauen Stopfen verschlossen; die Reaktorrohre, die bereits mit zwei Katalysatorlagen befüllt sind, sind mit einem grünen Stopfen verschlossen und so weiter.
• Ferner sind die stets verschlossenen Reaktorrohre im erfindungsgemäßen Befüllen zu jeder Zeit vor Verunreinigungen geschützt.
• Als Rohr-Reaktoren werden üblicherweise Rohrbündelreaktoren, wie sie im Stand der Technik für katalytische Gasphasenoxidationen bekannt sind, eingesetzt.
• Als Katalysatormaterial können alle dem Fachmann bekannten Katalysatorzusammensetzungen verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt:
• 1: eine Ansicht eines oberen Rohrbodens eines Rohrbündelreaktors mit optisch unterschiedlich gekennzeichneten Verschlüssen.
• 2: eine Ansicht eines oberen Rohrbodens eines Rohrbündelreaktors bei der Befüllung mit Hilfe einer Füllmaschine unter Verwendung von unterschiedlichen optisch gekennzeichneten Verschlüssen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Befüllen von Rohr-Reaktoren mit Katalysatormaterial, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen eines jeden Rohres oder einer Rohreinheit das befüllte Rohr/die befüllten Rohre mit einem optisch gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befüllen alle Rohre mit einem optisch unterschiedlich gekennzeichnetem Verschluss verschlossen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre mit Fehlfüllungen mit Hilfe eines weiteren optisch unterschiedlich gekennzeichneten Verschluss verschlossen werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Befüllung einer Katalysatorlage ein optisch unterschiedlich gekennzeichneter Verschluss die befüllten Reaktorrohre verschließt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Kennzeichnung Farben, Formen, Materialien und/oder Muster verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Kennzeichnung Farben verwendet werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschluss Stopfen aus Kunststoff verwendet werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stopfen eine Stecktiefe von 10 bis 50 mm aufweisen.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stopfen einen äußeren Rand von 1 bis 15 mm aufweisen.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohreinheit aus 2 bis 30 parallelen Rohren oder aus einem Rohrsegment aus 2 bis 30 Reihen aus jeweils 2 bis 30 einzelnen Rohren besteht.