DE102006010368A1 - Reactor for carrying out chemical reactions with heat exchange - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen mit Wärmeaustausch, umfassend eine Mehrzahl von voneinander durch Bleche (5) getrennten, alternierend angeordneten Reaktions- (3) und Wärmetransporträumen (4), wobei die Reaktionsräume (3) durch jeweils zwei Bleche (5) begrenzt sind, die durch eine Mehrzahl von über die Fläche der Bleche (5) verteilte Abstandskörper (1) in definiertem Abstand zueinander gehalten werden, ohne über die Abstandskörper (1) miteinander fest verbunden zu sein, sowie ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen, insbesondere stark exothermen Reaktion in dem erfindungsgemäßen Reaktor.The invention relates to a reactor for carrying out chemical reactions with heat exchange, comprising a plurality of alternating reaction (3) and heat transport spaces (4) separated from one another by sheets (5), the reaction spaces (3) being each made up of two sheets (5 ) are limited, which are held at a defined distance from one another by a plurality of spacers (1) distributed over the surface of the sheets (5), without being firmly connected to one another via the spacers (1), and a method for carrying out a chemical, especially strongly exothermic reaction in the reactor according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor, insbesondere einen Plattenreaktor zur Durchführung von Reaktionen mit Wärmeaustausch. Bevorzugt handelt es sich hierbei um heterogen katalysierte, stark exotherme oder endotherme Gasphasenreaktionen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung solcher chemischer Reaktionen in dem erfindungsgemäßen Reaktor.The The present invention relates to a reactor, in particular a Plate reactor for carrying of reactions with heat exchange. These are preferably heterogeneously catalyzed, strong exothermic or endothermic gas phase reactions. Furthermore the invention a method for carrying out such chemical reactions in the reactor according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor kann die Weite des Reaktionsraums sehr präzise eingestellt werden, wodurch eine sehr gleichmäßige Strömungsverteilung und somit ein gleichmäßiges Verweilzeitverhalten realisiert werden kann. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Reaktor insbesondere zur Durchführung von chemischen Reaktionen unter Bedingungen geeignet, bei denen das Reaktantengemisch explosionsfähig ist. Zur zuverlässigen Handhabung von explosiven Gasmischungen ist es notwendig, dass zum einen der Reaktionsraum durch einen engen Spalt gebildet wird, der als Flammsperre wirkt, wodurch eine Ausbreitung einer Explosion oder gar Zündung der Gasmischung vermieden werden kann, und zum anderen der Reaktionsspalt sehr präzise eingestellt werden muss, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung zu gewährleisten.at the reactor according to the invention the width of the reaction space can be set very precisely, whereby a very even flow distribution and thus a uniform residence time behavior can be realized. About that In addition, the reactor according to the invention in particular for implementation suitable for chemical reactions under conditions in which the reactant mixture is explosive. For reliable handling of explosive gas mixtures it is necessary that on the one hand the Reaction space is formed by a narrow gap, which acts as a flame arrester, causing a propagation of an explosion or even ignition of the Gas mixture can be avoided, and on the other hand, the reaction gap very precise must be adjusted to ensure a uniform flow distribution.
Plattenreaktoren mit einer Mehrzahl von voneinander durch Bleche getrennten alternierend angeordneten Reaktions- und Wärmetransporträumen sind aus dem Stand der Technik bekannt. In DE-A-198 48 208 und DE-A-197 54 185 sind Plattenreaktoren beschrieben, bei denen eine Mehrzahl von kissenartigen Thermomodulen in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei innerhalb der Thermomodule das Wärmeaustauschmedium strömt und zwischen den Thermomodulen eine Katalysatorschüttung angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Thermomodulen sind keine Abstandshalter vorgesehen.plate reactors with a plurality of mutually separated by sheets alternately arranged reaction and heat transport spaces are known from the prior art. In DE-A-198 48 208 and DE-A-197 54 185 plate reactors are described in which a plurality of pillow-like thermo modules arranged at a distance from each other are, within the thermal modules, the heat exchange medium flows and between the thermo modules a catalyst bed is arranged. Between the individual thermo modules are not provided spacers.
DE-A-100 42 746 beschreibt in einer Ausführungsform einen Plattenreaktor mit stapelförmig angeordneten Thermomodulen, wobei der Reaktionsspalt zwischen zwei Thermomodulen durch Abstandshalter im Randbereich der Module außerhalb des Reaktionsraums bestimmt wird. Diese Ausführungsformen des Standes der Technik haben den Nachteil, dass insbesondere bei kleinen Modulabständen, wie sie für die Umsetzung explosionsfähiger Gasmischungen aus Sicherheitsgründen notwendig sind und insbesondere bei Modulen mit größeren Abmessungen keine präzisen, insbesondere gleichbleibende Einstellung des Modulabstandes über die Gesamtmodulfläche möglich ist.DE-A-100 42,746 describes in one embodiment a plate reactor with stacked arranged thermal modules, wherein the reaction gap between two Thermal modules by spacers in the edge region of the modules outside the Reaction space is determined. These embodiments of the prior Technique have the disadvantage that, especially at small module distances, such she for the implementation of explosive gas mixtures for safety reasons necessary and especially for modules with larger dimensions no precise, in particular constant adjustment of the module distance over the Total module surface possible is.
Aus EP-A-1 621 250 ist ein Plattenreaktor bekannt, bei dem kissenförmige Thermomodule stapelförmig angeordnet sind und in seitlichen Nuten geführt werden. Das Wärmeaustauschmittel strömt innerhalb der Thermomodule und zwischen den Thermomodulen ist eine Katalysatorschüttung angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform können über die Fläche der Thermomodule Abstandshalter in Form von Zylindern, durch die ein Befestigungsbolzen geschoben wird, eingebracht werden, die dem Abstand der Thermoelemente entsprechen. Hierzu müssen in den Thermoelementen Löcher für die Durchführung der Bolzen vorgesehen werden, was insbesondere bei Verwendung von Thermomodulen mit planparallelen Blechen zu einem erhöhten Dichtungsaufwand gegenüber dem Wärmeaustauschraum führt. Weiterhin ist die Herstellung eines solchen Plattenreaktors sehr aufwendig, da die Löcher zur Durchführung der Bolzen mit extrem engen Toleranzen gefertigt werden müssen.Out EP-A-1 621 250 discloses a plate reactor in which pillow-shaped thermomodules stacked are arranged and guided in lateral grooves. The heat exchange agent flows inside the thermo modules and between the thermo modules is one catalyst bed arranged. According to one embodiment can over the area of the Thermomodule spacers in the form of cylinders through which a Fastening bolt is pushed, are introduced, the distance of the Correspond to thermocouples. For this purpose must in the thermocouples holes for the Carrying out the Bolts are provided, which in particular when using thermo modules with plane-parallel sheets to an increased sealing effort over the Heat exchange space leads. Furthermore, the production of such a plate reactor is very consuming, as the holes to carry out The bolt must be made with extremely tight tolerances.
DE-A-103 17 451 offenbart Plattenreaktoren, bei denen der Reaktionsspalt durch Abstandshalter in Form von Stegen zwischen zwei benachbarten Platten definiert ist. Hierbei sind die Stege als integraler Bestandteile der Platten ausgebildet und die Platten über die Stege miteinander verbunden.DE-A-103 17,451 discloses plate reactors in which the reaction gap by spacers in the form of webs between two adjacent plates is defined. Here are the webs as integral parts formed of the plates and the plates connected to each other via the webs.
Diese Ausführungsform erfordert Komplexe und teure Herstellungsverfahren. Weiterhin werfen solche gefügte Reaktoren zusätzliche Probleme bei der Beschichtung der Wände des Reaktionsraums mit Katalysatoren auf. Erfolgt die Fügung vor der Beschichtung, so stehen nur Beschichtungsverfahren für geschlossene Strukturen, wie z.B. Washcoat-Verfahren zur Verfügung. Diese sind für die Einstellung präziser Schichtdicken, sowohl axial als auch lateral zur Strömungsrichtung nicht geeignet. Die Schichtdicke ist meist auf Bereiche unter 100 μm begrenzt. Erfolgt die Beschichtung des Katalysators vor der Fügung, wird der präparierte Katalysator bei der anschließenden Fügung meist erheblich thermisch und auch mechanisch belastet. Für viele Katalysatoren ist dadurch eine Schädigung zu erwarten.These embodiment requires complex and expensive manufacturing processes. Furthermore throw such joined Reactors additional Problems with the coating of the walls of the reaction space with Catalysts on. Done the addition before coating, only coating processes are closed Structures such as e.g. Washcoat procedure available. These are for setting precise layer thicknesses, not suitable both axially and laterally to the flow direction. The layer thickness is usually limited to areas under 100 microns. If the coating of the catalyst before the joining, is the prepared Catalyst in the subsequent coincidence usually considerably thermally and mechanically loaded. For many Catalysts are expected to cause damage.
Ein weiterer erheblicher Nachteil von innen gefügten Reaktoren ist die Nichtwiederverwendbarkeit nach Deaktivierung des Katalysators. Die Rückgewinnung und Wiederaufbereitung von z.B. edelmetallhaltigen Katalysatoren ist ebenfalls extrem aufwendig.One Another significant disadvantage of internally joined reactors is their non-reusability after deactivation of the catalyst. The recovery and recycling from e.g. noble metal-containing catalysts is also extremely expensive.
EP-A-1 234 617 beschreibt Plattenreaktoren mit voneinander durch Thermobleche getrennten Reaktions- und Wärmetransporträumen, bei denen der Katalysator in Form einer dünnen Schicht auf zumindest einem Teil der gesamten Fläche der Thermobleche aufgebracht ist, welche dem Reaktionsraum zugewandt ist. Gemäß einer Ausführungsform wird ein gewelltes Modul in den Reaktionsraum eingebracht. Aus der Beschreibung ist lediglich ersichtlich, dass dadurch die Katalysatorfläche pro Volumen erhöht werden soll. Von der Einstellung eines definierten Abstands zwischen zwei Platten ist keine Rede. Dies ist auch nicht möglich, da solche gewellten Strukturen leicht unter Druck verformt werden können, was zu unerwünschten Katalysatorabplatzungen führt. Um als Abstandshalter zu fungieren müssten solche gewellten Module sehr massiv ausgebildet werden, um einer Verformung widerstehen zu können. Dies macht dann aber große Thermomodulabstände notwendig, wodurch die Wärmeaustauschfläche, bezogen auf das Reaktionsraumvolumen verkleinert wird, da das gewellte Modul selbst nicht in Kontakt zu einem Wärmeträger steht. Dann ist der Reaktor zur Beherrschung stark exothermer Reaktionen nicht mehr geeignet.EP-A-1 234 617 describes plate reactors with reaction and heat transfer spaces separated from one another by thermoplates, in which the catalyst is applied in the form of a thin layer on at least part of the entire surface of the thermoplates which faces the reaction space. According to one embodiment, a corrugated module is introduced into the reaction space. From the description it can only be seen that this increases the catalyst area per volume shall be. There is no question of setting a defined distance between two plates. This is also not possible because such corrugated structures can easily be deformed under pressure, resulting in undesirable catalyst flaking. To act as a spacer such corrugated modules would have to be made very solid in order to resist deformation. However, this makes large thermal module spacings necessary, as a result of which the heat exchange surface area, based on the volume of the reaction chamber, is reduced, since the corrugated module itself is not in contact with a heat transfer medium. Then the reactor is no longer suitable for controlling highly exothermic reactions.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor mit einer Mehrzahl von voneinander durch Bleche getrennten alternierend angeordneten Reaktions- und Wärmetransporträumen mit enger Toleranz der Spaltweite des Reaktionsraums über die gesamte Fläche des Reaktionsraums, insbesondere bei sehr geringen Spaltweiten und großen Austauscherflächen in fertigungstechnisch einfacher Art und Weise zur Verfügung zu stellen, indem stark exotherme Reaktion sicher betrieben werden können und chemische Reaktionen unter Bedingung durchgeführt werden können, bei denen die Reaktantenmischung explosionsfähig ist. Weiterhin soll bei Reaktionsräumen mit Katalysatorbeschichtung eine einfache Fertigung ohne thermische oder mechanische Belastung des Katalysators und eine Wiederverwertbarkeit des Reaktors bei verbrauchter Katalysatorbeschichtung sowie einfache Rückgewinnung von edelmetallhaltigen Katalysatorbeschichtungen möglich sein.Therefore It is an object of the present invention to provide a reactor with a Plural of mutually separated by sheets alternately arranged Reaction and heat transport spaces with narrower Tolerance of the gap width of the reaction space over the entire surface of the Reaction space, especially at very small gap widths and large exchange surfaces in manufacturing technology easier way available by operating strongly exothermic reaction safely can and chemical reactions can be performed under condition where the reactant mixture is explosive. Furthermore, should at reaction spaces with catalyst coating a simple production without thermal or mechanical stress of the catalyst and reusability the reactor at spent catalyst coating and simple reclamation be possible of noble metal-containing catalyst coatings.
Diese Aufgabe wird durch einen Reaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen mit Wärmeaustausch, umfassend eine Mehrzahl von voneinander durch Bleche getrennten, alternierend angeordneten Reaktions- und Wärmetransporträumen gelöst, wobei die Reaktionsräume durch jeweils zwei Bleche begrenzt sind, die durch eine Mehrzahl von über die Fläche der Bleche verteilte Abstandskörper in definiertem Abstand zueinander gehalten werden, ohne über die Abstandskörper miteinander fest verbunden zu sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors sind vorgefertigte Thermomodule, die den von zwei Blechen begrenzten Wärmetransportraum bilden, stapelförmig angeordnet und werden durch die Abstandskörper in dem definierten Abstand zueinander gehalten, wodurch zwischen zwei Blechen benachbarter Thermomodule der Reaktionsraum gebildet wird. Da die den Reaktionsraum bildenden Bleche nicht über die Abstandskörper fest miteinander verbunden sind, können die Bleche bzw. Thermomodule und die Abstandskörper unabhängig voneinander in einfacher Weise mit hoher Maßgenauigkeit gefertigt werden. Da der Abstand der die Reaktionsräume bildenden Bleche durch Abmessung der Abstandskörper definiert ist, lässt sich so in einfacher Weise eine sehr geringe Toleranz der Reaktionsraumweite über die Gesamtaustauscherfläche realisieren. Da die den Reaktionsraum bildenden Bleche nicht über die Abstandskörper miteinander verbunden sind, entfällt das Verbinden der Bleche untereinander oder mit den Abstandskörpern, z.B. durch thermische Verfahren, wie Löten oder Schweißen. D.h., eine Katalysatorbeschichtung kann in einfacher Weise vor dem Zusammensetzen des Reaktors auf die Bleche auf der dem Reaktionsraum zugewandten Seite aufgebracht werden, ohne dass beim Zusammensetzen des Reaktors der Katalysator durch thermische oder mechanische Belastung nachteilig verändert wird.These Task is through a reactor to carry out chemical reactions with heat exchange, comprising a plurality of plates separated from each other by sheets, dissolved arranged reaction and heat transport spaces, wherein the reaction rooms are limited by two sheets, which by a plurality from above the area of the plates distributed spacer body in defined distance to each other without being over the spacer body to be firmly connected with each other. According to a preferred embodiment of the reactor according to the invention are prefabricated thermal modules, which limited the two sheets Heat transfer space form, stack-shaped arranged and are by the spacer body in the defined distance held to each other, whereby between two sheets adjacent Thermomodule the reaction space is formed. Since the the reaction room forming sheets not over the spacers are firmly connected to each other, the sheets or thermo modules and the spacers independently be made of each other in a simple manner with high dimensional accuracy. Since the distance of the reaction spaces forming sheets by Dimension of the spacer body is defined, leaves In a simple way, a very small tolerance of the reaction space across the Gesamtaustauscherfläche realize. Since the reaction chamber forming sheets do not have the spacer body connected with each other, that does not apply Joining the sheets together or with the spacer bodies, e.g. by thermal processes, such as soldering or welding. that is, A catalyst coating can be easily assembled before assembly of the reactor on the sheets on the reaction space facing Side can be applied without the assembly of the reactor the catalyst by thermal or mechanical stress adversely changed becomes.
Weiterhin ermöglicht die Verwendung von Abstandskörpern, die nicht mit den den Reaktionsraum bildenden Blechen verbunden sind die Verwendung von vorgefertigten Thermomodulen, die in einfacher Weise mit Katalysator beschichtet werden können und dann mit Hilfe der Abstandskörper in definiertem Abstand zueinander zu einem Reaktor zusammengesetzt werden können. Die Thermomodule sind dabei vorzugsweise lösbar so miteinander verbunden, dass die Reaktionsräume mit Ausnahme von Öffnungen für den Ein- und Austritt der Reaktionsmedien nach außen abgedichtet sind. D.h. in einer bevorzugten Ausführungsform können die Verbindungsstellen der Thermomodule durch geeignete Trennverfahren wieder geöffnet werden. Somit kann nach Deaktivierung des Katalysators der Reaktor in einfacher Weise wieder in die einzelnen Thermomodule zerlegt werden, was sowohl eine Wiederverwendung der Thermomodule nach Erneuerung der Katalysatorschicht, wie auch eine einfache Wiedergewinnung von Edelmetallen aus edelmetallhaltigen Katalysatoren ermöglicht.Farther allows the use of spacers, not connected to the reaction space forming sheets are the use of prefabricated thermal modules that are in easier Way with catalyst can be coated and then with the help of spacer body at a defined distance from each other to form a reactor can be. The thermo modules are preferably detachably connected to one another in this way, that the reaction spaces with the exception of openings for the Inlet and outlet of the reaction media are sealed to the outside. That in a preferred embodiment can the connection points of the thermal modules by suitable separation methods opened again become. Thus, after deactivation of the catalyst, the reactor in a simple way disassembled into the individual thermo modules resulting in both reuse of the thermo modules after renewal the catalyst layer, as well as a simple recovery of Precious metals from noble metal-containing catalysts allows.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Abstandskörper in sich gegenüberliegenden Vertiefungen, in den einen Reaktionsraum begrenzenden Blechen, angeordnet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Größe und Geometrie von Vertiefung und darin angeordnetem Abstandskörper aufeinander abgestimmt sind, um eine schlüssige oder flexible Passung zu ergeben. Diese Ausführungsform führt zu einer deutlich vereinfachten Montage des erfindungsgemäßen Reaktors. So können z.B. die Abstandskörper in den Vertiefungen eines den Reaktionsraum begrenzenden Blechs temporär, z.B. durch ein Wachs fixiert werden und das zweite, den Reaktionsraum begrenzende Blech einfach auf die Abstandskörper aufgesetzt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstandskörper ein Wälzkörper ist, z.B. die Geometrie einer Kugel oder eines Zylinders aufweist, und die Vertiefungen in den gegenüberliegenden Blechen eine entsprechende Geometrie aufweisen, wie z.B. Teller oder schalenförmige Geometrie für den Fall, dass der Abstandskörper eine Kugel ist. Dann muss das zweite Blech nicht genau ausgerichtet werden, sondern kann einfach auf die Abstandskörper aufgesetzt werden und dann durch Gleiten oder Rollen in die vorgesehene Position gebracht werden. Weiterhin erlaubt die Verwendung von Wälzkörpern als Abstandskörper eine leichte Verschiebung der Platten ineinander, wodurch z.B. thermische Spannungen abgebaut werden können. Die Geometrie und Größe von Vertiefungen von Abstandskörpern ist aufeinander abgestimmt, so dass ein definierter Abstand zwischen den, den Reaktionsraum bildenden Blechen, entsteht. Dabei kann, wie oben erwähnt, eine praktisch schlüssige Passung vorliegen, z.B. eine Kugel als Abstandskörper mit einer schalenförmigen Vertiefung, wobei Schale und Kugel annähernd gleichen Radius haben oder die Passung kann flexibel sein, wenn z.B. eine Kugel mit einer tellerförmigen Vertiefung, d.h. der Radius der Vertiefung ist deutlich größer als der der Kugel, verwendet wird. Flexible Passungen bieten den Vorteil einer erhöhten Beweglichkeit der Platten gegeneinander, um z.B. thermische Spannungen abzubauen. Allerdings ist dann der Abstand der den Reaktionsraum bildenden Platten nicht mehr eindeutig definiert. Alternativ können die Abstandskörper auch die Geometrie eines Quaders aufweisen. Eine quaderförmige Ausführungsform kann im Extremfall aus ausgedehnten Leisten bestehen, die den ganzen Reaktionsraum durchmessen können und die dann z.B. Reaktionskanäle ausbilden können, für die eine Abdichtung untereinander nicht unbedingt erforderlich ist.According to a preferred embodiment of the present invention, the spacer bodies are arranged in opposing depressions in the plates bounding a reaction space. It is particularly advantageous if the size and geometry of the recess and arranged therein spacer body are coordinated to give a conclusive or flexible fit. This embodiment leads to a significantly simplified assembly of the reactor according to the invention. Thus, for example, the spacers can be temporarily fixed in the depressions of a sheet bounding the reaction space, for example by a wax, and the second sheet bounding the reaction space can be simply placed on the spacers. It is particularly advantageous if the spacer body is a rolling element, for example, has the geometry of a ball or a cylinder, and the recesses in the opposite sheets have a corresponding geometry, such as For example, plate or shell-shaped geometry in the event that the spacer body is a ball. Then the second plate does not have to be aligned accurately, but can simply be placed on the spacer body and then brought by sliding or rolling in the intended position. Furthermore, the use of rolling elements as a spacer allows a slight displacement of the plates into each other, which, for example, thermal stresses can be reduced. The geometry and size of recesses of spacers is matched to each other, so that a defined distance between the, forming the reaction space sheets, arises. In this case, as mentioned above, there is a practically conclusive fit, for example a ball as a spacer body with a cup-shaped recess, shell and ball have approximately the same radius or the fit can be flexible, if, for example, a ball with a dish-shaped recess, ie the radius the depression is much larger than that of the sphere used. Flexible fits offer the advantage of increased mobility of the plates against each other, for example, to reduce thermal stresses. However, then the distance of the reaction space forming plates is no longer clearly defined. Alternatively, the spacers may also have the geometry of a cuboid. In the extreme case, a cuboidal embodiment can consist of extended strips which can measure the entire reaction space and which can then form reaction channels, for example, for which sealing with one another is not absolutely necessary.
Um die oben diskutierten Vorteile der vorliegenden Erfindung auszunutzen, ist eine beidseitig verbindungsfreie Anordnung der Abstandskörper zwischen den, den Reaktionsraum bildenden Blechen bevorzugt. Es ist aber auch möglich, die Abstandskörper dauerhaft an ein Blech über ein geeignetes Fügeverfahren zu verbinden und nur den Kontakt zu dem gegenüberliegenden Blech flexibel zu gestalten. Die Abstandskörper zwischen den Blechen übernehmen üblicherweise keine Dichtungsfunktion. Ein Kraftübertrag über die Abstandskörper erfolgt üblicherweise nur, insoweit er für eine Vorspannung des Reaktors zur Druckstabilisierung notwendig ist.Around exploiting the advantages of the present invention discussed above, is a double-sided connection-free arrangement of the spacer body between the, the reaction space forming sheets preferred. But it is also possible, the spacers permanently on a sheet over a suitable joining method to connect and only the contact to the opposite sheet flexible to design. The spacers between the sheets usually take over no sealing function. A force transfer via the spacer body is usually carried out only as far as he is responsible for a bias of the reactor for pressure stabilization necessary is.
Wie bereits eingangs erwähnt, setzt sich in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reaktor aus einem Stapel von druckfesten und starren Thermomodulen zusammen. Der Abstand zwischen jeweils zwei Thermomodulen wird durch Abstandskörper definiert, die bevorzugt jeweils in Vertiefungen zweier gegenüberliegender Thermomodule liegen. Der Spalt zwischen zwei Thermomodulen bildet den Reaktionsraum, während der Wärmeträger innerhalb des Thermomoduls geführt wird.As already mentioned at the beginning, is in a preferred embodiment of the present invention Invention of the reactor from a stack of pressure-resistant and rigid Thermomodules together. The distance between each two thermal modules is through spacers defined, which preferably in each wells of two opposite thermo modules lie. The gap between two thermo modules forms the reaction space, during the Heat transfer inside led the thermo module becomes.
Ein Thermomodul besteht aus zwei Blechen, die vorzugsweise planparallel in einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind. Die Dicke der Bleche liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 2 mm. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Blech" für ein flächiges Material verwendet, dass die erforderliche thermische Leitfähigkeit und die erforderliche mechanische und thermische Stabilität aufweist. Innerhalb dieser Grenzen ist das Material der Bleche frei wählbar und ist vorzugsweise ein Metall, wobei Stahl und Aluminium, insbesondere Edelstahl, besonders bevorzugt ist. Die Bleche sind im Wesentlichen eben, weisen aber in der oben diskutierten bevorzugten Ausführungsform, z.B. durch Prägen gebildete Strukturen auf, wobei die Erhebung einer Struktur in Richtung des anderen, das Thermomodul bildende Blech gerichtet ist und die Erniedrigung dieser Struktur, die oben im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform diskutierte Vertiefung, bildet. Die Form der Struktur kann wie oben diskutiert verschiedene Geometrien aufweisen. Dabei ist es bevorzugt Geometrien für die Strukturen auszuwählen, die durch Umformprozesse, wie z.B. Prägen besonders präzise, einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Die Tiefe der Strukturen beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 mm. Bevorzugt sind, wie bereits erwähnt, zylindrische teller-, schalen- bis nahezu halbkugelförmige oder rechteckige Strukturen. Besonders bevorzugt sind teller-, schalen- bis nahezu halbkugelförmige Strukturen, die dann vorzugsweise mit kugelförmigen Abstandskörpern zusammen verwendet werden.One Thermomodule consists of two sheets, which are preferably plane-parallel are arranged at a defined distance from each other. The fat of the sheets is preferably in a range between 0.5 and 2 mm. In the context of the present invention, the term "sheet" for a sheet material used that the required thermal conductivity and having the required mechanical and thermal stability. Within these limits, the material of the sheets is freely selectable and is preferably a metal, with steel and aluminum, in particular Stainless steel, is particularly preferred. The sheets are essentially but in the preferred embodiment discussed above, e.g. by embossing formed structures, wherein the elevation of a structure in the direction the other, the thermo module forming sheet is addressed and the Humiliation of this structure, the above in connection with a preferred embodiment discussed depression forms. The shape of the structure can be as above discussed having different geometries. It is preferred Geometries for to select the structures formed by forming processes, e.g. Embossing very precise, easy and cost-effective can be made. The depth of the structures is preferably 0.1 to 10 mm. As already mentioned, cylindrical are preferred plate, cup to almost hemispherical or rectangular structures. Particularly preferred are plate, shell to almost hemispherical structures, then preferably with spherical spacer bodies used together.
Die nach innen gerichteten Erhebungen mindestens einer Prägestruktur eines Blechs können, müssen aber nicht, mit der Grundfläche oder mit einer Erhebung einer Prägestruktur des anderen, das Thermomodul bildende Blech in Kontakt stehen. Die beiden, ein Thermomodul bildenden Bleche, können dann in einer Ausführungsform über die Kontaktstelle(n) vorzugsweise durch Löten, Schweißen, Kleben oder Nieten miteinander verbunden sein.The inward elevations of at least one embossed structure of a sheet metal can, but must not, with the base or with a survey of an embossed structure the other, the thermo module forming sheet in contact. The two, a thermo module forming sheets can then in one embodiment on the Contact point (s) preferably by soldering, welding, gluing or riveting together be connected.
Die über die Prägung hinausgehende innere Struktur der Thermomodule ist prinzipiell frei wählbar. Sinnvoll sind Strukturen, die einen effektiven, möglichst gleichmäßigen Wärmeaustausch zum Reaktionsraum hin ermöglichen und eine mechanische Stabilität gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Thermomodule weitere innere Strukturelemente auf. Es handelt sich hierbei um Abstandshalter, wie z.B. zylindrische oder quaderförmige, vorgefertigte Körper, die in geeigneter Form gleichmäßig im Zwischenraum der Bleche positioniert werden. Die Höhe dieser Abstandshalter ist gleich oder größer als der, durch die Prägestruktur definierte minimale Abstand. Eine Anordnung in Form von seitlich begrenzten Kanälen ist denkbar, aber nicht erforderlich. Die Abstandshalter im Inneren der Thermomodule sind durch geeignete Fügeverfahren, wie z.B. Schweißen, Löten, Kleben oder Nieten, mit beiden Blechen verbunden. Die Funktion der Abstandshalter innerhalb der Thermomodule besteht in der zusätzlichen mechanischen Stabilisierung und der geeigneten Führung des Wärmeträgers.The internal structure of the thermomodules, which goes beyond the embossing, can in principle be freely selected. It makes sense to use structures that allow an effective and even heat exchange with the reaction chamber and ensure mechanical stability. In a preferred embodiment, the thermal modules have further internal structural elements. These are spacers, such as cylindrical or cuboid, prefabricated body, which are positioned in a suitable form evenly in the space between the sheets. The height of these spacers is equal to or greater than the minimum distance defined by the embossing pattern. An arrangement in the form of laterally limited channels is conceivable, but not required. The spacers inside the thermo modules are by suitable joining procedures, such as welding, soldering, gluing or riveting, connected to both sheets. The function of the spacers within the thermal modules consists in the additional mechanical stabilization and the appropriate guidance of the heat carrier.
Die Lage und Größe der einzelnen Prägestrukturen und optionalen Abstandshalter wird, basierend auf den zu erwartenden Druckdifferenzen, zwischen Prozess- und Wärmeträgerseite berechnet. Werden Abstandshalter verwendet, kann die Dichte an Prägestrukturen deutlich herabgesetzt werden. Üblicherweise liegen alle Reaktionsräume innerhalb des erfindungsgemäßen Reaktors, bzw. alle Wärmetransporträume, jeweils auf gleichem Druckniveau.The Location and size of the individual embossed structures and optional spacer, based on the expected Pressure differences, calculated between process and heat carrier side. Become Used spacers, the density of embossed structures can be significantly reduced become. Usually are all reaction spaces within the reactor according to the invention, or all heat transport spaces, respectively at the same pressure level.
Weiterhin wird das bevorzugte Thermomodul gemäß der vorliegenden Erfindung im Randbereich durch einen geeigneten Arbeitsschritt, wie z.B. Umformen der Plattenränder oder Einlegen von Leisten in Kombination mit einem Fügeprozess, wie Schweißen oder Löten, dauerhaft gedichtet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Blechränder seitlich so umgezogen, dass sie bei der nachfolgenden Montage zum Thermomodul bereits die seitliche Begrenzung bilden und durch Schweißen verbunden und gedichtet werden können. Es ist aber auch eine Abdichtung durch Andrücken gegen eine Dichtung möglich, diese ist vorzugsweise vor dem Fügen der Präge- und Abstandshalterstrukturen einzubringen. Das fertig gefügte und gedichtete Thermomodul ist somit ein in sich stabiles, steifes und druckdichtes Sandwich. Es ist in der Lage Überdrücke seitens Prozess- oder Wärmeträgermedium aufzunehmen, ohne sich dabei zu verformen. Durch zwei oder mehr Aussparungen der umlaufenden Dichtung wird der Zu- und Ablauf von Wärmeträger gewährleistet. Die Verteilung des Wärmeträgers innerhalb des Thermomoduls kann vorzugsweise gleichmäßig sein und wird durch eine geeignete Positionierung und Ausgestaltung der Prägestrukturen sowie der optionalen Abstandshalter und die Lage der Zu- und Ablaufstellen erreicht. Alternativ können aber auch Bereiche unterschiedlicher Temperatur in den Thermomodulen durch entsprechende Verteilung des Wärmeträgers und/oder Anordnung von Ein bauten vorgesehen sein, um ein bestimmtes Temperaturprofil einstellen zu können.Farther becomes the preferred thermo-module according to the present invention in the periphery by a suitable operation, e.g. reshape the plate edges or inserting strips in combination with a joining process, like welding or soldering, permanently sealed. In a particularly preferred embodiment become the sheet edges laterally moved so that they in the subsequent assembly to Thermo module already form the lateral boundary and connected by welding and can be sealed. But it is also a seal by pressing against a seal possible, this is preferably before joining the embossing and spacer structures. The finished and joined sealed thermo module is thus a stable, rigid and stable pressure-tight sandwich. It is able to absorb excess pressures from the process or heat transfer medium without being deformed. Through two or more recesses the circumferential seal ensures the inflow and outflow of heat transfer medium. The distribution of the heat carrier inside of the thermo module can preferably be uniform and is characterized by a suitable positioning and design of the embossed structures as well the optional spacer and the location of the inlet and outlet points reached. Alternatively, though also areas of different temperature in the thermo modules by appropriate distribution of the heat carrier and / or arrangement of a buildings be provided to adjust a particular temperature profile can.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Apparat im Reaktionsraum eine katalytische Beschichtung auf. Diese wird üblicherweise auf beiden Außenseiten des Thermomoduls aufgebracht. Es ist aber auch möglich, dass nur eine Seite des Thermomoduls einen Katalysator trägt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein passend auf das Thermomodul aufgelegtes Blech beschichtet wird, wodurch dann eine form-, aber nicht stoffschlüssiger Kontakt, zwischen Katalysatorschicht und Thermomodul entsteht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist die leichte Separierbarkeit von Katalysator und Thermomodul. Die Katalysatorschicht ist in der Dicke so gewählt, dass Stoff- und Wärmetransportbeschränkung deutlich geringer sind als in einer konventionellen Katalysatorschüttung, auf der anderen Seite jedoch ausreichend Katalysator pro Fläche untergebracht ist, um eine möglichst wirtschaftliche Ausführungsform zu erzielen. Die Schichtdickentoleranz ist gering, vorzugsweise < 15 %. Typische Schichtdicken liegen zwischen 50 μm und 2 mm, bevorzugt zwischen 200 μm und 1 mm. Die Schicht weist eine ausreichende Porosität auf, um eine gute katalytische Wirksamkeit zu gewährleisten. Typische Porositäten liegen im Bereich 5–80 %. Bevorzugt weist die Beschichtung in den Vertiefungen Aussparungen auf, um einen direkten Kontakt der Abstandskörper mit dem Blech zu ermöglichen. Die Schicht kann durch verschiedene bekannte Verfahren hergestellt werden, wie z.B. Aufsprühen bzw. -spritzen, Siebdrucken, Gießen, Rakeln oder Washcoating. Die oben genannten optionalen Aussparungen können durch Maskieren beim Beschichten sichergestellt werden. Alternativ können auch Körper in die Vertiefungen eingelegt werden, die nach dem Beschichten wieder entfernt werden.In a preferred embodiment the apparatus has a catalytic coating in the reaction space on. This is usually on both outer sides of the thermo module applied. But it is also possible that only one page of the thermo module carries a catalyst. One more way is that a suitably placed on the thermo module Sheet metal is coated, whereby then a positive, but not cohesive contact, between Catalyst layer and thermo module arises. An advantage of this embodiment is the easy separability of catalyst and thermomodule. The catalyst layer is chosen in thickness so that material and heat transport restriction significantly lower than in a conventional catalyst bed, on the other hand, however, sufficient catalyst per area is accommodated, one as possible economical embodiment to achieve. The layer thickness tolerance is low, preferably <15%. typical Layer thicknesses are between 50 microns and 2 mm, preferably between 200 μm and 1 mm. The layer has sufficient porosity to to ensure a good catalytic activity. Typical porosities are in the range 5-80 %. The coating preferably has recesses in the recesses on to allow direct contact of the spacer body with the sheet. The layer can be made by various known methods be such. spray on or spraying, screen printing, casting, knife coating or washcoating. The above optional recesses can be masked during coating be ensured. Alternatively, bodies can also be inserted into the depressions which are removed after coating.
Der Katalysator kann frei nach den Bedürfnissen der Reaktion gewählt werden, vorausgesetzt es lässt sich eine mechanisch stabile Schicht herstellen. Als Beispiele für mögliche Katalysatoren seien genannt:
- – Mischoxide, insbesondere: • Auf Basis Mo-V mit Zusatz von Promotoren • Auf Basis Mo-Bi mit Zusatz von Promotoren • Auf Basis V-P mit Zusatz von Promotoren • Auf Basis V-Sb mit Zusatz von Promotoren • Auf Basis Fe-Sb mit Zusatz von Promotoren
- – Übergangsmetalle bzw. Übergangsmetallverbindungen imprägniert auf keramische Träger, insbesondere • Edelmetalle auf Oxiden im wesentlichen des Al, Si, Ti und/oder Zr gegebenenfalls mit Zusatz von Promotoren • Elemente der Eisengruppe auf Oxiden im wesentlichen des Al, Si, Ti und/oder Zr gegebenenfalls mit Zusatz von Promotoren • Kupferchloride auf Oxiden im wesentlichen des Al, Si, Ti und/oder Zr gegebenenfalls mit Zusatz von Promotoren
- - Mixed oxides, in particular: • Based on Mo-V with the addition of promoters • Based on Mo-Bi with the addition of promoters • Based on VP with the addition of promoters • Based on V-Sb with the addition of promoters • Based on Fe-Sb with Addition of promoters
- Transition metals or transition metal compounds impregnated on ceramic supports, in particular noble metals on oxides essentially of Al, Si, Ti and / or Zr optionally with addition of promoters elements of the iron group on oxides essentially of Al, Si, Ti and / or Zr optionally with addition of promoters • copper chlorides on oxides essentially of Al, Si, Ti and / or Zr, if appropriate with the addition of promoters
Durch die Aufbringung des Katalysators direkt auf die Wand, und nicht wie oft beschrieben als Schüttung zwischen den Modulen, wird ein sehr intensiver Wärmeübergang gewährleistet, was zu definierten thermischen Bedingungen im Reaktionsspalt führt. Der Reaktor ist damit thermisch sehr präzise kontrollierbar. Der optimale Prozesspunkt kann bzgl. Temperatur, Druck und der stöchiometrischen (oder überstöchiometrischen) Eduktverhältnisse eingestellt werden. Es können sehr hochaktive Katalysatoren eingesetzt werden, da eine lokale Überhitzung ausgeschlossen werden kann. Der Abstand zwischen den beiden den Reaktionsraum bildenden Blechen, z.B. der Abstand zweier Thermomodule und die Katalysatorschichtdicke, falls eine Katalysatorbeschichtung verwendet wird, werden vorzugsweise so eingestellt, dass die freie Weite des Reaktionsraums im Bereich von 20 bis 3.000 μm, vorzugsweise 300 bis 1.000 μm liegt.By applying the catalyst directly to the wall, and not as often described as a bed between the modules, a very intense heat transfer is ensured, which leads to defined thermal conditions in the reaction gap. The reactor can thus be thermally controlled very precisely. The optimal process point can be adjusted with regard to temperature, pressure and the stoichiometric (or superstoichiometric) educt ratios become. It can be used very highly active catalysts, since local overheating can be excluded. The distance between the two sheets forming the reaction space, for example the distance between two thermomodules and the catalyst layer thickness, if a catalyst coating is used, are preferably adjusted so that the free width of the reaction space is in the range from 20 to 3000 μm, preferably 300 to 1000 μm ,
Die Reaktionsräume sind nach außen abgedichtet mit Ausnahme von Öffnungen für den Ein- und Austritt der Reaktionsmedien. Bevorzugt sind die Thermomodule entlang der Außenkante durch bekannte Verfahren wie Schweißen oder Löten gefügt. Dazu können beispielsweise Leisten eingelegt werden, um den Spaltabstand zu überbrücken, oder die Thermomodule enthalten bereits ein Element, das eine schlüssige Verbindung zum benachbarten Thermomodul erlaubt. Diese Fü gung kann in einem ausreichenden Abstand zur optionalen Katalysatorschicht vorgenommen werden, um z.B. eine thermische Schädigung des Katalysators zu vermeiden. Alternativ kann eine Dichtung mit Andruck verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform des Apparates sieht vor, dass die Thermomodule so miteinander verfügt werden, dass die Fügestelle zwischen den Modulen durch geeignete Trennverfahren wieder geöffnet werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Reaktor wieder verwendet werden und der enthaltene Katalysator zur Wiederaufbereitung oder Entsorgung entfernt werden kann.The reaction spaces are outward sealed except for openings for the Inlet and outlet of the reaction media. Preference is given to the thermal modules along the outer edge joined by known methods such as welding or soldering. For example, bars can be used be inserted to bridge the gap distance, or the thermal modules already contain an element that has a conclusive connection to the neighboring Thermo module allowed. This joining can be at a sufficient distance from the optional catalyst layer be made to e.g. thermal damage to the catalyst too avoid. Alternatively, a gasket with pressure can be used. A preferred embodiment of the apparatus provides that the thermo modules will be that the joint be reopened between the modules by suitable separation methods can. This will ensure that the reactor is back up be used and the contained catalyst for reprocessing or disposal can be removed.
Die Zu- und Abfuhr des Reaktionsmediums wird durch die bereits erwähnten Öffnungen im Reaktionsraum gewährleistet. Die gleichmäßige Verteilung innerhalb eines Reaktionsspalts, rechtwinklig zur Strömungsrichtung wird prozessabhängig durch die entsprechende Strukturierung und Dimensionierung des Ein- und Ausströmungsbereichs gewährleistet. Dies erfolgt in der Regel durch einen künstlich erzeugten, oder durch die Konstruktion vorgegebenen, Strömungswiderstand. Optional können einzelne Komponenten des Reaktionsmediums separat zugeführt werden. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise eine Mischstruktur in die Reaktionskammer am Eintrittsbereich der Komponenten mit integriert. Die Mischung kann jedoch auch in einer Struktur unmittelbar vor dem Reaktor erfolgen. Im Falle von explosionsfähigen Gasmischungen sollte die Struktur so dimensioniert werden, dass eine Explosion nicht entstehen oder sich nicht fortpflanzen kann. Gleiches gilt für die Verbindung von Mischstruktur und Reaktionsraum.The Supply and removal of the reaction medium is through the openings already mentioned guaranteed in the reaction chamber. The even distribution within a reaction gap, perpendicular to the flow direction becomes process dependent through the appropriate structuring and dimensioning of the and outflow area guaranteed. This is usually done by an artificially created, or by the construction predetermined, flow resistance. Optionally, individual Components of the reaction medium are supplied separately. In this case is expediently a mixed structure in the reaction chamber at the inlet of the Components with integrated. However, the mixture can also be in one Structure take place immediately before the reactor. In the case of explosive gas mixtures The structure should be dimensioned to be an explosion do not arise or can not reproduce. The same applies to the connection of mixed structure and reaction space.
In einer besonderen Ausführungsform weisen die Thermomodule oder ein Teil der Thermomodule Reaktantenkanäle auf, über die ein Teil oder die Gesamtheit der Reaktanten in den Reaktionsraum hinein dosiert werden können. Der Wärmeträger führende Bereich im Thermomodul wird durch solche Reaktanten führenden Kanäle unterbrochen. Die Reaktantenkanäle sind dabei dicht gegen den Wärmeträger führenden Bereich verschlossen. Die Kanäle sind über Öffnungen im Blech zu einer Seite oder beiden Seiten mit dem Reaktionsraum verbunden. Diese Öffnungen können z.B. in Form von Bohrungen oder Schlitzen gestaltet sein. Die Größe ist bevorzugt so gewählt, dass ein ausreichender Druckverlust eine gleichmäßige Dosierung über den Bereich aller Öffnungen gewährleistet (bei Bohrungen ein Durchmesser von ca. 100 μm–500 μm). Eine mögliche Katalysator schicht kann auf Höhe des Reaktionskanals, insbesondere im Bereich der Dosierungsöffnungen unterbrochen werden. Das Thermomodul kann mehrere solcher Reaktantenkanäle enthalten. Diese sind bevorzugt quer zur Strömungsrichtung im Reaktionsraum angebracht. Bevorzugt enthält das Thermomodul einen Reaktantenkanal am Einströmrand. Die beschriebenen Reaktantenkanäle können z.B. zur Erzeugung von hochreaktiven oder explosionsfähigen Mischungen im Reaktionsraum genutzt werden. So kann z.B. der Hauptteil der Komponenten über die normalen Einströmöffnungen in den Reaktionsraum gegeben werden, während die die eigentliche Reaktion auslösende Komponente über einen Reaktantenkanal zudosiert wird. Eine Anordnung mit mehreren Reaktantenkanälen erlaubt auch eine Nachdosierung von Komponenten, z.B. wenn diese zunächst im Unterschuss zugegeben werden.In a particular embodiment The thermo modules or a part of the thermo modules have reactant channels over which a part or all of the reactants in the reaction space can be dosed into it. The heat transfer medium leading area in the thermo module leading channels are interrupted by such reactants. The reactant channels are doing tight against the heat transfer medium Area closed. The channels are over openings in the sheet to one side or both sides with the reaction space connected. These openings can e.g. be designed in the form of holes or slots. The size is preferably so selected that a sufficient pressure loss uniform dosage over the Area of all openings guaranteed (With holes a diameter of about 100 microns-500 microns). A possible catalyst layer can at height the reaction channel, in particular interrupted in the region of the metering openings become. The thermo module may contain several such reactant channels. These are preferably transverse to the flow direction in the reaction space appropriate. Preferably contains the thermo module has a reactant channel at the inflow edge. The described reactant channels can e.g. for generating highly reactive or explosive mixtures in the reaction space be used. Thus, e.g. the main part of the components over the normal ones inflow be given into the reaction space while the the actual reaction triggering Component over a reactant channel is added. An arrangement with several Reaktantenkanälen also permits replenishment of components, e.g. if those first in the Subtraction be added.
Durch die Positionierung des Ein- und Ausströmungsbereichs kann der Reaktor im Gleich-, Gegen- sowie im Kreuzstromprinzip betrieben werden.By the positioning of the inflow and outflow area can be the reactor be operated in the DC, counter and cross-current principle.
Die Zu- und Abfuhr von Reaktanten und Wärmeträger erfolgt bevorzugt über Hauben („Header"), die bevorzugt durch ein Fügeverfahren wie z.B. Schweißen oder Löten fest mit dem Reaktor verbunden werden. Diese Header enthalten bevorzugt bereits erwähnte Strukturen zur Gleichverteilung der Medien. In einer solchen Anordnung sind mindestens 4 Header notwendig, je nach Zahl der Ein- oder Abströmöffnungen sowohl im Reaktions- als auch im Wärmeträgerbereich können es aber auch beliebig mehr sein. Die Header werden mit konventionellen Rohrleitungen verbunden, die die Integration des Reaktors in die Prozessperipherie gewährleisten.The Supply and removal of reactants and heat transfer preferably takes place via hoods ("Headers") preferred through a joining process such as. welding or soldering be firmly connected to the reactor. These headers are preferred already mentioned Structures for equal distribution of media. In such an arrangement At least 4 headers are necessary, depending on the number of inlet or outlet openings both in the reaction and in the heat transfer can but also be any more. The headers are made with conventional piping connected the integration of the reactor in the process periphery guarantee.
Alternativ zur Nutzung von Headern ist aber auch ein separater Anschluss der einzelnen Reaktor- und Wärmeträgerräume an Verteiler- bzw. Sammelleitungen z.B. über Flansche möglich. Ebenfalls möglich ist ein Anschluss bestimmter Medienströme über Header und parallel dazu anderer Medienströme über Einzelanschlüsse.alternative for the use of headers but is also a separate connection of individual reactor and heat transfer rooms at distribution or manifolds e.g. above Flanges possible. Also possible is a connection of certain media streams via headers and in parallel other media streams via individual connections.
Der Reaktor ist bevorzugt so ausgelegt, dass größere Druckdifferenzen zwischen zwei benachbarten Reaktionsräumen vermieden werden, so dass allenfalls geringe Kräfte wirksam werden. Die Kräfte durch die Druckdifferenz zwischen Wärme trägerraum und Reaktionsraum werden weitgehend durch die innere Struktur des Thermomoduls aufgefangen. Die Kräfte auf die beiden äußersten Thermomodule durch die Druckdifferenz zwischen Reaktionsraum und Umgebung werden bevorzugt über entsprechend dimensionierte Andruckplatten kompensiert, die z.B. durch Zuganker miteinander verbunden werden können, die mit einer Vorspannung versehen werden können. Um unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Zuganker und Reaktor auszugleichen, können die Zuganker mit flexiblen Kraftüberträgern wie z.B. Tellerfedern versehen sein. Dabei ist es auch möglich, dass die äußersten Thermomodule so massiv ausgestaltet werden, dass sie selbst als Andruckplatten verwendet werden können. Alternativ kann der gesamte Reaktor in einem äußeren Druckbehälter angeordnet werden, so dass der Außendruck an den Druck im Reaktionsraum angepasst werden kann.The reactor is preferably designed so that larger pressure differences between two neigh th reaction spaces are avoided, so that at most small forces are effective. The forces due to the pressure difference between the heat carrier space and the reaction space are largely absorbed by the internal structure of the thermo module. The forces on the two outermost thermal modules by the pressure difference between the reaction chamber and the environment are preferably compensated by appropriately sized pressure plates, which can be connected to each other, for example by tie rods, which can be provided with a bias. To compensate for different thermal expansion between tie rods and reactor, the tie rods can be provided with flexible force transmitters such as disc springs. It is also possible that the outermost thermal modules are designed so massive that they themselves can be used as pressure plates. Alternatively, the entire reactor can be arranged in an outer pressure vessel, so that the external pressure can be adapted to the pressure in the reaction space.
Werden Andruckplatten verwendet, ist ein flächiger Kontakt zwischen äußerem Thermomodul und Andruckplatte möglich. Dieser flächige Kontakt kann an den Vertiefungsstellen unterbrochen sein, es ist aber auch möglich beim äußersten Thermomodul einseitig auf Vertiefungen zu verzichten. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Kontakt zwischen äußeren Thermomodul und Andruckplatte aber über in den Vertiefungen des Moduls angeordnete Abstandskörper, die identisch zu denen in den Reaktionsräumen sein können. Bevorzugt handelt es sich dabei um Kugeln. Da auf dieses äußere Thermomodul bedingt durch die möglicherweise anliegende Druckdifferenz Kräfte wirken, ist gegebenenfalls die Dichte der Abstandskörper zu erhöhen, um eine Verformung des Thermomoduls zu verhindern. Der Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform liegt darin, dass die Abstandskörper ein Rollen oder Gleiten zwischen äußerem Thermomodul und Andruckplatte ermöglichen, so dass mechanische Spannungen, z.B. bedingt durch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung beim Aufheizen oder Abkühlen, abgebaut werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in der verminderten Wärmeleitung zwischen Thermomodul und Andruckplatte, die ansonsten für einen Wärmeabfuhr aus dem System sorgen kann. Alternativ kann die Andruckplatte durch ein äußeres Thermomodul ersetzt werden, das so massiv ausgestaltet ist, dass eine Verformung ebenfalls unterbleibt.Become Used pressure plates, is a surface contact between the external thermo module and Pressure plate possible. This flat Contact may be interrupted at the wells, it is but also possible at the extreme Thermo module on one side to avoid depressions. In a preferred embodiment the contact between external thermo module takes place and pressure plate but over arranged in the recesses of the module spacer body, the may be identical to those in the reaction spaces. It is preferable with balls. Because on this outer thermo module conditioned by the possible applied pressure difference forces act, if necessary, the density of the spacer body too increase, to prevent deformation of the thermo module. The advantage of this preferred embodiment lies in the fact that the spacer body rolling or sliding between outer thermo module and pressure plate enable, so that mechanical stresses, e.g. due to an uneven temperature distribution during heating or cooling, can be reduced. Another advantage lies in the reduced heat conduction between the thermal module and Pressure plate, otherwise for a heat dissipation out of the system. Alternatively, the pressure plate by replaced an external thermo module which is designed so massive that a deformation also omitted.
Ein weiteres Mittel zur Vermeidung thermisch induzierter Spannungen besteht in der sorgfältigen Isolation und gegebenenfalls Beheizung der Andruckplatten.One further means of avoiding thermally induced stresses exists in the careful Isolation and if necessary heating of the pressure plates.
Ein weiterer Bestandteil dieser Erfindung ist die Verwendung eines oben beschriebenen Reaktors in den verschiedenen Ausführungsvarianten für die Durchführung von chemischen Reaktionen. Bevorzugt handelt es sich dabei um stark exotherme oder endotherme Prozesse. Besonders bevorzugt um Gasphasenprozesse und ganz besonders bevorzugt um Partialoxidationen, als Beispiele seien genannt:
- – Partialoxidation von Propen und/oder Propan zu Acrolein und/oder Acrylsäure
- – Partialoxidation von Acrolein, Propen und/oder Propan zu Acrylsäure
- – Partialoxidation von Isobuten, Isobutan und/oder Isobutylalkohol zu Methacrolein und/oder Methacrylsäure
- – Partialoxidation von Methacrolein, Isobuten, Isobutan und/oder Isobutylalkohol zu Methacrylsäure
- – Partialoxidation von Butan und/oder Buten zu Maleinsäureanhydrid und/oder Maleinsäure
- – Partialoxidation von Ethan und/oder Ethen zu Essigsäure
- – Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zu Phthalsäure und/oder Phthalsäureanhydrid
- – Partialoxidation von p-Xylol zu Terephthalsäure
- – Oxidative und nichtoxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, z.B. zur Herstellung von Propen oder Buten
- – Oxidative Kopplung von Ethen und Essigsäure zu Vinylacetat
- – Epoxidierung von Olefinen, z.B. Umsetzung von Ethen zu Ethylenoxid oder Propen zu Propylenoxid
- – Ammoxidation von Propen und/oder Propan zu Acrylnitril
- – Ammoxidation von Methylaromaten zu aromatischen Nitrilen
- – Oxychlorierung von Ethen und/oder Ethan zu Vinylchlorid
- – Erzeugung von Synthesegas
- Partial oxidation of propene and / or propane to acrolein and / or acrylic acid
- Partial oxidation of acrolein, propene and / or propane to acrylic acid
- - Partial oxidation of isobutene, isobutane and / or isobutyl alcohol to methacrolein and / or methacrylic acid
- Partial oxidation of methacrolein, isobutene, isobutane and / or isobutyl alcohol to methacrylic acid
- Partial oxidation of butane and / or butene to maleic anhydride and / or maleic acid
- Partial oxidation of ethane and / or ethene to acetic acid
- Partial oxidation of o-xylene and / or naphthalene to phthalic acid and / or phthalic anhydride
- - Partial oxidation of p-xylene to terephthalic acid
- - Oxidative and non-oxidative dehydrogenation of hydrocarbons, for example for the preparation of propene or butene
- - Oxidative coupling of ethene and acetic acid to vinyl acetate
- - Epoxidation of olefins, eg reaction of ethene to ethylene oxide or propene to propylene oxide
- - Ammoxidation of propene and / or propane to acrylonitrile
- - Ammoxidation of methyl aromatics to aromatic nitriles
- Oxychlorination of ethene and / or ethane to vinyl chloride
- - Generation of synthesis gas
In einer besonderen Ausführungsform werden diese Prozesse unter Bedingungen betrieben, bei denen die Reaktantenmischungen unter Reaktionsbedingungen explosionsfähig sind. Dazu muss der erfindungsgemäße Reaktor so ausgelegt werden, dass der den Reaktionsraum definierenden Spalt kleiner als die Zünd- bzw. Löschabstand der jeweiligen Reaktionsmischung unter den gegebenen Bedingungen ist. Weiter ist durch eine geeignete Prozessführung bzw. durch entsprechende Einbauten (z.B. Diffusionssperre) sicherzustellen, dass keine explosive Mischung der Edukte und/oder Produkte in den makroskopischen Bereich vor dem Reaktoreintritt oder nach dem Reaktoraustritt eintreten kann.In a particular embodiment These processes are operated under conditions in which the Reactant mixtures are explosive under reaction conditions. For this purpose, the reactor according to the invention be designed so that the gap defining the reaction space smaller than the ignition or extinguishing distance the respective reaction mixture under the given conditions is. Next is by a suitable litigation or by appropriate Built-ins (e.g., diffusion barrier) ensure that no explosive Mixture of the educts and / or products in the macroscopic range before entering the reactor or after the reactor exit can.
Weiterhin wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert.Farther the present invention will be explained with reference to the accompanying figures.
In
der in
In
der in
Wie
aus
- 11
- Abstandskörperspacer body
- 22
- Vertiefungenwells
- 33
- Reaktionsraumreaction chamber
- 44
- WärmetransportaumWärmetransportaum
- 55
- Blechesheets
- 66
- Kontaktstellencontact points
- 77
- Abstandshalter (Wärmetransportraum)spacer (Heat transfer area)
- 88th
- katalytische Beschichtungcatalytic coating
- 99
- Reaktantenkanälereactant channels
- 1010
- Öffnungenopenings
- 1111
- Andruckplatteplaten
- 1212
- Header (Hauben)header (Hoods)
- 1313
- Abstandskörper AndruckplatteSpacer body pressure plate
- 1414
- Thermomodulethermomodules
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