DE102008023042A1 - Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors und Ausbildung dieses Reaktors - Google Patents

Abstract

Eine endotherme Reaktion wird mittels eines katalytischen Reaktors semi-adiabatisch, semi-isotherm durchgeführt. Der Reaktor weist einen ersten und einen zweiten Strömungsweg (10, 20) auf, die miteinander im Wärmeaustausch stehen. In dem ersten Strömungsweg (10) findet die endotherme Reaktion an einem Katalysator statt und in dem zweiten Strömungsweg (20) findet abwechselnd eine Oxidation und Reduktion eines Metalls statt, um die für die endotherme Reaktion notwendige Temperatur bereitzustellen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, der einen ersten und einen zweiten Strömungsweg aufweist, die miteinander im Wärmeaustausch stehen, wobei in dem ersten Strömungsweg die endotherme Reaktion an einem Katalysator stattfindet und in dem zweiten Strömungsweg eine exotherme Reaktion stattfindet, um die für die endotherme Reaktion notwendige Temperatur bereitzustellen. Die Erfindung betrifft ferner einen für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Reaktor.
• Reaktoren werden allgemein für verschiedenste Arten katalytischer Reaktionen verwendet. Die Verwendung radialer Reaktoren ist aus US-A-4,880,603 und US-A-5,250,270 bei Anlagen zur Ammoniak-Synthese bekannt.
• Ein verbreitetes endothermes chemisches Verfahren, bei dem radiale Reaktoren eingesetzt werden, ist die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, z. B. die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol. Bei diesem Verfahren wird Ethylbenzol mit überhitztem Dampf bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines Dehydrierungskatalysators, z. B. Eisenoxid, zur Bildung von Styrol umgesetzt. Ein solches Verfahren ist aus US-A-4,551,571 und US-A-6,096,937 bekannt. Die Konversion vom Ethylbenzol zu Styrol wird in industriellen Anlagen normalerweise nicht in einem einzigen Reaktor, sondern in einer Reihe hintereinander geschalteter radialer Reaktoren durchgeführt. Radiale Reaktoren zur Herstellung von Styrol sind aus US-A-3,475,508 , US-A-3,515,763 und US-A-3,918,918 bekannt. Solche radialen Reaktoren sind im Allgemeinen längliche, zylindrische, vertikale Konstruktionen, dies sehr groß sein können und einen Durchmesser von 1,5 bis 6 m oder mehr und eine Höhe von 1,5 bis 30 m oder mehr aufweisen. Solche Reaktoren sind aus JP-A-49039971 und JP-A49039972 bekannt.
• Da die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol endotherm ist, nimmt die Temperatur des Katalysators und der Ausgangsmaterialien vom Anfang zum Ende des ersten Strömungswegs hin ab, d. h. vom Anfang zum Ende des Katalysatorbetts. Z. B. beträgt in einer adiabatischen Anlage mit zwei hintereinander geschalteten Reaktoren die Eintrittstemperatur des Ethylbenzol-Dampf-Gemisches in den ersten Reaktor 615°C und die Austrittstemperatur des ersten Reaktors 534°C. Das austretende Gasgemisch aus dem ersten Reaktor wird aufgeheizt und die Eintrittstemperatur in den zweiten Reaktor beträgt 620°C und die Austrittstemperatur des zweiten Reaktors 563°C. Die Konversionsrate von Ethylbenzol über das Katalysatorbett im ersten Reaktor beträgt 38,5 Gew.%. Die gesamte Konversionsrate von Ethylbenzol über beide Reaktoren beträgt 65,8 Gew.%. Nach Abkühlen des Produktstromes verbleiben gasförmige Komponenten im Abgasstrom wie zum Beispiel Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und nicht-kondensierte Rest an Wasser, Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Styrol. Die Zusammensetzung des trockenen Abgases der Hauptkomponenten beträgt 95,9 Mol% Wasserstoff, 3,2 Mol% Kohlendioxid, 0,1 Mol% Kohlenmonoxid, 0,5 Mol% Methan, 0,3 Mol% Ethylen. Stickstoff wurde nicht berücksichtigt, da es in geringen Mengen als Spülgas eingesetzt wird.
• Aus US-A-2007/0054801 ist ein Dehydrierungskatalysatorbettsystem zur Olefin-Herstellung bekannt, das mit einem üblichen Chromoxid/Aluminiumoxid-Dehydrierungskatalysator arbeitet und eine zusätzliche Komponente enthält, die katalytisch inert für die Dehydrierungsreaktion oder Seitenreaktionen ist, die jedoch Wärme erzeugt, wenn sie reduzierenden oder oxidierenden Reaktionsbedingungen ausgesetzt wird. Die wärmeerzeugende, inerte Komponente kann zum Beispiel eine ähnliche Dichte und Wärmekapazitäten wie α-Aluminiumoxid haben, und kann insbesondere Kupferoxid auf einem Aluminiumoxid-Träger sein, wobei das Kupferoxid wenigstens 8 Gew.% der wärmeerzeugenden, inerten Komponente ausmacht. Ähnlich wie bei dem aus US-A-2,419,997 bekannten Houdry-Verfahren erfolgt die Dehydrierung in mehreren Stufen, wobei das Katalysatorbett evakuiert, mit Wasserstoff reduziert und wieder evakuiert wird und dann ein aliphatischer Kohlenwasserstoff eingeführt und dehydriert wird, worauf das Katalysatorbett mit Dampf gespült und regeneriert wird. Dieser Zyklus wird wiederholt, wobei mit der Reduzierung begonnen wird.
• Man könnte daran denken, die Temperatur im Auslassbereich des Katalysatorbetts durch den Einbau von Wärmetauscherrohren zu erhöhen. Die Installation von Wärmetauscherrohren nur im Auslassbereich des Katalysatorbetts würde das Temperaturprofil jedoch nicht wesentlich verbessern, solange herkömmliche Verfahren zur Wärmeerzeugung eingesetzt würden. Die Führung von Verbrennungsgasen durch Rohre mit kleinem Durchmesser würde nämlich zu einer Überhitzung des Einlassbereichs der Rohre und zu niedrigen Temperaturen im Auslassbereich der Rohre führen, also zu einem großen Temperaturgradienten längs der Wärmetauscherrohre und in dem Katalysatorbett, wodurch sich wiederum die Selektivität verschlechtern würde.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist ein Verfahren zur Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, das im Wesentlichen semi-adiabatisch und semi-isotherm ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der zweite Strömungsweg Metall/Metalloxid auf einem Träger enthält und in dem zweiten Strömungsweg abwechselnd das Metall oxidiert und das Metalloxid reduziert werden. Der Träger kann insbesondere Partikel oder die Innenseite von Rohren sein.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Volumen des zweiten Strömungswegs mit Partikeln gefüllt, die mit dem Metall oder Metalloxid versehen sind, oder sind die Innenseiten der den zweiten Strömungsweg begrenzenden Wände mit dem Metall/Metalloxid beschichtet, das sich reduzieren bzw. oxidieren lässt. Der Katalysator wird zyklisch betrieben, und zwar mit Reduktions- und Oxidationsphasen, wobei die abwechselnde Oxidierung und Reduzierung von Metall bzw. Metalloxid in dem zweiten Strömungsweg so gesteuert wird, dass die gewünschte Temperatur erzielt wird. Die Länge der Reduktions- und Oxidationsphasen hängt auch von der Größe des Reaktors und der Größe der Partikel ab. Je größer der Reaktor und je größer die Metall/Metalloxid-Partikel sind, desto länger sind die Reduktions- und Oxidationsphasen. Ein Zyklus, der aus einer Reduktionsphase und einer Oxidationsphase besteht, kann zwischen 3 Sekunden und 15 Minuten dauern. Vorzugsweise liegt seine Dauer zwischen 1 und 2 Minuten.
• Dadurch, dass die Wärme über den zweiten Strömungsweg verteilt erzeugt wird, bildet sich innerhalb des zweiten Strömungswegs kein Temperaturgradient aus, sondern ist die Temperatur entlang des zweiten Strömungswegs konstant also semi-isotherm. Die innerhalb des zweiten Strömungswegs erzeugte Wärme wird auch praktisch vollständig in dem ersten Strömungsweg aufgenommen und dringt daher nicht nach außen, so dass das Verfahren semi-adiabatisch ist.
• Im Allgemeinen ist der Reaktor zylindrisch und vorzugsweise verläuft der erste Strömungsweg von der Mitte des zylindrischen Reaktors radial von innen nach außen, wobei die Zuführung der Reaktanten durch einen axialen, zentralen Kanal des Reaktors erfolgt. Der zweite Strömungsweg verläuft dagegen vorzugsweise achsparallel in Wärmetauscherrohren. Durch die Anordnung der Wärmetauscherrohre kann der Temperaturverlauf innerhalb des ersten Strömungswegs gesteuert werden. Die achsparallelen Wärmetauscherrohre des zweiten Strömungswegs sind daher in dem Bereich des Reaktors angeordnet, in dem die Temperatur des ersten Strömungswegs erhöht werden soll. Da auf dem ersten Strömungsweg, d. h. dem Katalysatorbett, eine endotherme Reaktion stattfindet, sinkt die Temperatur normalerweise zum Ende des ersten Strömungswegs hin ab. Durch Anordnung der Wärmetauscherrohre innerhalb des ersten Strömungswegs kann dieser Temperaturabfall kompensiert werden, so dass eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des ersten Strömungswegs erreicht wird. Dadurch kann über den gesamten Verlauf des ersten Strömungswegs die Temperatur auf dem Wert gehalten werden, der für die durchgeführte endotherme Reaktion optimal ist und die höchste Ausbeute oder Konversion ergibt.
• Der Rohrdurchmesser kann zwischen 10 mm und 20 cm liegen und die Anzahl der Rohre kann zwischen 10 und 10.000 liegen, wobei die Anzahl umso größer ist, je kleiner der Rohrdurchmesser ist. Die Rohre sind im Allgemeinen rund, können jedoch jeden beliebigen Querschnitt haben. Bei einem länglichen rechteckigen Querschnitt ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen größer als bei einem runden Querschnitt, so dass dann auch die Wärmeabgabe erhöht ist.
• In den Zuführleitungen der Wärmetauscherrohre sind Ventile installiert, die ein schnelles Umschalten von einem Sauerstoff-haltigen Gas wie Luft auf ein reduzierendes Gas, z. B. ein Wasserstoff enthaltendes Gas ermöglichen, wobei vorzugsweise dazwischen eine Spülung des Systems mit Stickstoff, Wasserdampf oder einem inerten Gas erfolgt.
• Das für die Wärmeerzeugung verwendete Metall wird auf der Basis der Kinetik der Oxidations- und Reduktionsreaktionen ausgewählt, da es wichtig ist, diese Reaktionen so schnell wie möglich durchzuführen. Außerdem muss das Metall eine ausreichende Stabilität in reduzierender und oxidierender Umgebung besitzen. Während der Reduktions- und Oxidationszyklen erzeugt das in den Wärmetauscher eingebrachte Material Wärme, die durch Wärme erzeugendes Material gespeichert und direkt auf die Wärmetauschflächen übertragen werden kann. In diesem Fall überträgt der stark erhitzte Feststoff die Wärme auf die Wärmetauschflächen und die Gasgemische, die während der Reduktion und Oxidation erzeugt werden.
• Als Metalle des Oxidations-/Reduktions-Zyklus kommen die in US-A-2007/0054801 erwähnten Metalle in Frage, insbesondere Kupfer, Wismut, Chrom und Nickel. Bei ihren Oxiden ist die Reduktion mit Wasserstoff oder Methan exotherm. Infrage kommen auch Eisen, Molybdän, Zink, Kobalt, Zinn, Cer und Mangan. Bei diesen Metallen ist die Reduktion mit Wasserstoff oder Methan leicht endotherm. Da die Oxidationsreaktion bei allen erwähnten Metallen exotherm ist, ergibt sich für den gesamten Oxidations-/Reduktions-Zyklus immer ein exothermer Effekt.
• Das bevorzugte Metall ist Kupfer. Es liegt vorzugsweise z. B. zu 10 Gew.-% auf einem Träger aus α-Aluminiumoxid vor, wobei der Träger Kugelform, Ringform oder Tablettenform haben kann oder ein Extrudat mit beliebiger Querschnittsform, zum Beispiel einem sternförmigen Querschnitt (Ribtrusion), sein kann.
• Die Rohre können auch auf der Innenseite mit einer Wash-Coating aus dem Metall bzw. Metalloxid versehen sein.
• Die Gleichungen für die Reduktion und Oxidation sind bei Verwendung eines Wasserstoff-Methan-Gemisches als Reduktionsgas und Sauerstoff als Oxidationsgas folgende: Reduktion: MeO + CH₄ + H₂ → Me + CO₂ + H₂O + ΔH Oxidation: Me + O₂ → MeO + ΔH
• Die Gesamtmenge an Wärme, die während eines Zyklus produziert wird, ist die Summe der Reduktions- und Oxidationsenthalpie.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der bei der Dehydrierung von Ethylbenzol gebildete Wasserstoff aus dem Styrol/Ethylbenzol/Wasserdampf/Wasserstoff-Gemisch für die Reduktionsphase eingesetzt und kann gegebenenfalls auch mit Methan versetzt werden.
• Die für die Reduktion und Oxidation verwendeten Metallverbindungen können entweder in die Rohre eingebracht werden, wobei dann die endotherme Reaktion in dem Raum des Reaktors stattfindet, der die Rohre umgibt. Umgekehrt kann die für die Reduktion und Oxidation verwendete Metallverbindung in den Raum des Reaktors, der die Rohre umgibt, eingefüllt werden, wobei dann die endotherme Reaktion innerhalb der Rohre stattfindet.
• Für eine effizientere Dehydrierung ist ein niedrigerer Druckverlust wichtig. Da kleine Katalysatorpellets einen hohen Druckverlust bewirken, sollte eine bestimmte Größe der Katalysatorpellets nicht unterschritten werden. Der Druckverlust hängt jedoch auch von der Länge des ersten Strömungswegs ab, d. h. bei einem zylindrischen Reaktor von dessen Radius, der gleich der Betttiefe ist. Bei einer Betttiefe von 80 bis 90 cm kann die Größe der Katalysatorpellets zum Beispiel 2 bis 6 mm betragen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 im Vertikalschnitt einen Reaktor für die Dehydrierung von Ethylbenzol, bei dem die zusätzliche Wärme innerhalb der Wärmetauscherrohre erzeugt wird, und
• 2 im Horizontalschnitt den Reaktor von 1.
• Der in den 1 und 2 dargestellte Reaktor ist im Wesentlichen zylindrisch. Er weist einen ersten Strömungsweg 10 und einen zweiten Strömungsweg 20 auf.
• Der erste Strömungsweg 10 verläuft von einem Einlass 12, der in der Mitte der Oberseite des Reaktors beginnt und sich durch ein Einlassrohr 14 axial durch den Reaktor erstreckt, durch den Innenraum 16 des Reaktors zu einem Ringraum 17, von dem ein Auslass 18 auf dem Umfang des Reaktors wegführen. In der Wand des Einlassrohrs 14 und in der inneren zylindrischen Wand des Ringraums 17 befinden sich Durchbrechungen, die einen Gasdurchtritt ermöglichen.
• Der zweite Strömungsweg 20 verläuft ausgehend von einem Einlasssammelraum 22 am Kopf des Reaktors durch Wärmetauscherrohre 24 zu einem Auslasssammelraum 26 am Boden des Reaktors. In den Zuführleitungen zu dem Einlasssammelraum sind Ventile 28 installiert, die ein schnelles Umschalten von einem Sauerstoff-haltigen Gas wie Luft auf ein Methan/Wasserstoff-Gemisch und dazwischen auf ein Spül-Gas wie Stickstoff oder Wasserdampf ermöglichen. Die Wärmetauscherrohre 24 sind in dem das Einlassrohr 14 umgebenden Raum 16 in zwei konzentrischen Kreisen achsparallel angeordnet. Die Wärmetauscherrohre 24 kreuzen den ersten Strömungsweg 10 und ermöglichen eine Wärmeübertragung oder Wärmeaustausch zwischen erstem und zweitem Strömungsweg 10, 20. Die Wärmetauscherrohre 24 sind überwiegend im Mittelbereich des ersten Strömungswegs 10 angeordnet, um dort die ansonsten auftretende Temperaturerniedrigung zu kompensieren. Der Radius der konzentrischen Kreise, auf denen die Wärmetauscherrohre 24 angeordnet sind, beträgt daher 50 bis 95% des Radius des Reaktors.
• Da der Temperaturabfall zu Beginn des ersten Strömungsweges 10 am stärksten ist, ist es bisweilen zweckmäßig, die Wärmetauscherrohre 24 bereits bei 20% des Radius des Reaktors anzuordnen.
• Über den Einlass 12 wird Ethylbenzol und überhitzter Wasserdampf (EB + H₂O) einer Temperatur zwischen 580 und 650°C zugeführt. Durch die Durchbrechungen in der Wand des Einlassrohrs 14 tritt das Ethylbenzol-Dampf-Gemisch in den Raum 16 des Reaktors ein, der mit Pellets eines Dehydrierungskatalysators gefüllt. Bei dem Dehydrierungskatalysator handelt es sich um ein Eisen-Kalium-basiertes System. In den Wärmetauscherrohren 24 befinden sich Pellets aus einem Träger aus α-Aluminiumoxid versehen mit Kupfer, wobei das Kupfer einen Anteil von 8 Gew.% der Pellets ausmacht. Das Gemisch aus dem gebildeten Styrol, dem restlichem Ethylbenzol, Wasserstoff und Wasserdampf (STYR. + EB + H₂ + H₂O) wird durch den Auslass 18 abgezogen.
• Die Konversion von Ethylbenzol in Styrol und Wasserstoff ist endotherm, so dass die Temperatur des Ethylbenzol-Dampf-Gemisches beim Durchgang durch die Schüttung des Dehydrierungskatalysators abnehmen würde. Diese Temperaturabnahme wird durch die Zufuhr von Wärme kompensiert, die in den Wärmetauscherrohren 24 durch eine schnelle Abfolge von Oxidations- und Reduktionsreaktionen eines Metalls bzw. eines Metalloxids erzeugt wird. In den Wärmetauscherrohren 24 befinden sich Pellets mit einem geträgerten Metall. Über den Sammeleinlass wird während der Oxidationsphase Luft zugeführt, wodurch das Metall in den Wärmetauscherrohren 24 oxidiert. Diese Reaktion ist exotherm, so dass die Wärmetauscherrohre 24 erhitzt werden und über ihre Oberfläche die Temperatur des Gasgemisches in dem ersten Strömungsweg 10 erhöhen. Dadurch wird die Konversion der Dehydrierung am Ende des ersten Strömungswegs 10 verbessert, da ohne Wärmetauscherrohre 24 die Temperatur hier abfallen würde. Die Menge der zugeführten Luft wird so bemessen, dass nahezu die gesamten Metalloberflächen der in den Wärmetauscherrohren 24 vorhandenen Pellets oxidiert werden. Wenn dies erreicht ist, werden die Wärmetauscherrohre 24 durch Stickstoff gespült, und danach werden die Metalloberflächen der Pellets in den Wärmetauscherrohren durch die Zufuhr eines Gemisches aus Methan und Wasserstoff wieder reduziert. Durch den Wasserstoffanteil oder die Verwendung nur von Wasserstoff kann die Wärmebilanz der Reduktionsreaktion gesteuert werden.
• In der nachfolgenden Tabelle sind Verfahrensparameter von zwei Vergleichsbeispielen und sechs erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen angegeben. Die Ausführungsbeispiele beschreiben nur den ersten Reaktor und die angegebenen Werte beziehen sich alle auf den ersten Reaktor. Die erfindungsgemäße Erwärmung mittels Wärmetauscherrohre ist nicht auf Anlagen mit einem einzigen Reaktor beschränkt und kann auch in Mehrreaktoranlagen und dort in allen Reaktoren, in einzelnen Reaktoren oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden. Durch die Erfindung wird es allerdings ermöglicht, die Anzahl hintereinander geschalteter Reaktoren zu vermindern.
• Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen der Tabelle befinden sich die Wärmetauscherrohre etwa in der Mitte des Katalysatorbettes bei einem Radius von zwischen 2,0 und 2,1 m. Der Querschnitt der Wärmetauscherrohre beträgt in diesem 0,1 m breiten Ringbereich etwa 50% der Fläche des Katalysatorbettes.
• 
• Bei dem Ausführungsbeispiel 1a bewirkt eine Erwärmung in der Katalysatorbettmitte auf 615°C eine Ethylbenzol-Konversion von 52,6 Gew.% über das gesamte Katalysatorbett unter Beibehaltung der Reaktordimension wie im Vergleichsbeispiel 1. Um die Verminderung des aktiven Katalysatorvolumen an Dehydrierungskatalysator durch die Wärmetauscherrohre auszugleichen, wurde im Ausführungsbeispiel 1b der Außendurchmesser des Katalysatorbettes geringfügig vergrößert, um das gleiche Katalysatorvolumen wie im Vergleichsbeispiel 1 zu erreichen. Dadurch wird eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 53,3 Gew.% erzielt.
• Selbst bei ungenügender Erwärmung in der Katalysatorbettmitte auf nur 600°C wird eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 48,6 Gew.% für gleich bleibende Reaktordimension (Ausführungsbeispiel 2a) und 49,2 Gew.% für gleich bleibendes Katalysatorvolumen (Ausführungsbeispiel 2b) erreicht.
• Durch die erfindungsgemäße Erwärmung können die erzielten Konversionsraten für Ethylbenzol und somit die erzielbaren Styrolgehalte zu hoch werden, um zum Beispiel in der nachfolgenden, bereits vorhandenen Destillation vernünftig gehandhabt zu werden. Eine Alternative wäre die Erhöhung der Eduktströme unter Beibehaltung der Konversionsrate, was ebenfalls zu einer erhöhten Styrolproduktion führen würde. Falls auch dies nicht möglich ist, kann einfach die Eintrittstemperatur abgesenkt werden. Im Ausführungsbeispiel 3a ergibt eine Eintrittstemperatur von 585°C mit einer Erwärmung in der Mitte des Katalysatorbetts auf 585°C eine Ethylbenzol-Konversion von 38,8 Gew.% oder im Ausführungsbeispiel 3b ergibt eine Eintrittstemperatur von 583°C mit einer Erwärmung in der Mitte des Katalysatorbetts auf 583°C eine Ethylbenzol-Konversion von 38,5 Gew.%. Das ist die gleiche Ethylbenzol-Konversionrate wie für eine Eintrittstemperatur von 615°C ohne Erwärmung im Katalysatorbett, aber die Selektivität zu Styrol in den Anwendungsbeispielen 3a und 3b ist deutlich verbessert, da die Nebenproduktbildung bei tieferen Einlasstemperaturen niedriger ist. Im Vergleichsbeispiel 2 ohne Erwärmung im Katalysatorbett kann selbst durch eine Erhöhung der Reaktoreinlasstemperatur auf 650°C nur eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 49,4 Gew.% erzielt werden, wobei die Nebenproduktbildung durch die hohe Reaktoreinlasstemperatur aber stark ansteigt.

10

erster Strömungsweg

12

Einlass

14

Einlassrohr

16

Innenraum

17

Ringraum

18

Auslass

20

zweiter Strömungsweg

22

Einlasssammelraum

24

Wärmetauscherrohre

26

Auslasssammelraum

28

Ventil

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 4880603 A [0002]
• - US 5250270 A [0002]
• - US 4551571 A [0003]
• - US 6096937 A [0003]
• - US 3475508 A [0003]
• - US 3515763 A [0003]
• - US 3918918 A [0003]
• - JP 49039971 A [0003]
• - JP 49039972 A [0003]
• - US 2007/0054801 A [0005, 0015]
• - US 2419997 A [0005]

Claims (14)

1. Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, wobei der Reaktor einen ersten Strömungsweg (10) und einen zweiten Strömungsweg (20) aufweist, die miteinander im Wärmeaustausch stehen, wobei in dem ersten Strömungsweg (10) die endotherme Reaktion an einem Katalysator stattfindet, und in dem zweiten Strömungsweg (20) eine exotherme Reaktion stattfindet, um die für die endotherme Reaktion notwendige Temperatur bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungsweg (20) Metall/Metalloxid enthält und in dem zweiten Strömungsweg (20) abwechselnd das Metall oxidiert und das Metalloxid reduziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Strömungsweg (20) zwischen der Reduzierung und Oxidation des Metalls mit einem sauerstoff- und wasserstofffreiem Gas gespült wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zylindrischer Reaktor mit einer Vielzahl achsparalleler Rohre (24) verwendet wird, bei dem der erste Strömungsweg (10) eine axiale Zuführung aufweist und dann in radialer Richtung zwischen den Rohren verläuft und der zweite Strömungsweg (20) durch die Rohre (24) verläuft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rohre (24) mit Trägermaterial gefüllt sind, deren Oberfläche mit einem Metall versehen ist, welches oxidiert und reduziert werden kann.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Trägermaterial in Form von Pellets vorliegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei zur Reduktion des Metalloxids in den Rohren (24) des zweiten Strömungswegs (20) diesen eine Mischung teilweise Wasserstoff enthaltendes Gas zugeführt wird und zur Oxidation des Metalls in den Rohren (24) des zweiten Strömungswegs diesen ein Sauerstoff-haltiges Gas zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der bei der Dehydrierung von Ethylbenzol gebildete Wasserstoff aus dem Styrol/Ethylbenzol/Wasserdampf/Wasserstoff-Gemisch für die Reduktionsphase eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Raum zwischen den Rohren des ersten Strömungswegs mit Dehydrierungskatalysator gefüllt ist und auf dem ersten Strömungsweg des Reaktors Ethylbenzol und überhitzter Dampf zu Styrol und Wasserstoff umgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf dem ersten Strömungsweg (10) Ethylbenzol mittels überhitztem Wasserdampf zu Styrol und H₂ dehydriert wird und auf dem zweiten Strömungsweg (20) Metall abwechselnd oxidiert und reduziert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Metall Kupfer ist.
11. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem ersten Strömungsweg (10) und einem zweiten Strömungsweg (20), die quer zueinander verlaufen und miteinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
12. Reaktor nach Anspruch 11, wobei der Reaktor zylindrisch ist und der erste Strömungsweg (10) radial und der zweite Strömungsweg (20) parallel zur Längsachse des Reaktors verläuft.
13. Reaktor nach Anspruch 12, wobei der zweite Strömungsweg (20) durch achsparallele Rohre (24) gebildet wird.
14. Reaktor nach Anspruch 13, wobei die achsparallelen Rohre (24) überwiegend im Endbereich des ersten Strömungswegs (10) angeordnet sind.