DE102010006723A1

DE102010006723A1 - Reaktorvorrichtung und Verfahren zur Optimierung der Messung des Temperaturverlaufs in Reaktorrohren

Info

Publication number: DE102010006723A1
Application number: DE102010006723A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. 80802 Dialer; Marvin Dr. 85560 Estenfelder; Christian Dr. 85567 Gückel; Gerhard Dr. 80935 Mestl
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Sued Chemie IP GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-08-04
Also published as: CN103025421A; WO2011095566A1; DE112011100423A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reaktorvorrichtung, welche Normalrohre und mit einer Temperatursonde versehene Thermorohre umfasst, die jeweils mit Katalysatorkörpern befüllt sind. Um das Temperaturprofil, welches sich in den Normalrohren einstellt, in den Thermorohren abbilden zu können, werden die Rohre jeweils mit solchen Katalysatorkörpern befüllt, dass das Verhältnis von katalytischer Aktivität zur Rohrwandfläche in einem durch eine Reaktionsstrecke bestimmten Abschnitt der Rohre in Normalrohren und Thermorohren gleich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktorvorrichtung mit zumindest einer ersten Gruppe G_m von Rohren, die zumindest ein Normalrohr umfasst, welches mit Katalysatorkörpern K_m gefüllt ist, und einer zweiten Gruppe G_n von Rohren, die zumindest ein mit einer Temperaturmessvorrichtung versehenes Thermorohr umfasst, welches mit zweiten Katalysatorkörpern K_n gefüllt ist, wobei die Katalysatorkörper K_m,n jeweils in einem sich in Längsrichtung der Rohre entlang einer Reaktionsstrecke S erstreckenden Volumenabschnitt angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung einer derartigen Reaktorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Produkts unter Verwendung der Reaktorvorrichtung.
Exotherme Reaktionen, wie beispielsweise die Partialoxdidation von Kohlenwasserstoffen, bei denen nur kurze Kontaktzeiten zwischen einem Edukt und einem festen Katalysator verwirklicht werden, werden im industriellen Maßstab meist in Rohrbündelreaktoren durchgeführt. Ein Rohrbündelreaktor umfasst eine Vielzahl von Reaktionsrohren, die in einem Reaktorgehäuse angeordnet sind, welches von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Das Wärmeträgermedium umströmt die Rohre, sodass ein rascher Wärmeaustausch zwischen Rohren und Wärmeträgermedium erreicht wird. In den Rohren ist ein fester Katalysator angeordnet, dessen Bett von dem gasförmigen Edukt durchströmt wird. Da der Gasstrom in viele einzelne Gasströme aufgeteilt wird, welche jeweils ein einzelnes Rohr durchströmen, wird bei einer Reaktionsführung im Rohrbündelreaktor im Allgemeinen ein gut reproduzierbares Ergebnis erzielt, da die Strömungsverteilung über die Gesamtheit der Reaktionsrohre hinweg nur sehr geringe Abweichungen ergibt. Ferner wird durch das Wärmeträgermedium eine sehr rasche Angleichung der Temperatur in den einzelnen Reaktorrohren möglich, sodass die Reaktion beispielsweise in einem sehr engen Temperaturbereich geführt werden kann, auch wenn sie eine stark exotherme Wärmetönung aufweist.
Problematisch ist jedoch die Steuerung eines derartigen Reaktors, da im Allgemeinen nicht in jedem einzelnen Rohr des Reaktors individuell ein Temperaturprofil bestimmt werden kann. Z. B. beim Anfahren des Reaktors, wenn also ein Katalysator, welcher noch organisches Bindemittel enthält, ausgebrannt und damit aktiviert wird, ist es wesentlich, dass eine bestimmte Temperatur nicht überschritten wird, sodass beispielsweise Sintervorgänge des Katalysators weitgehend zurückgedrängt werden. Durch Sintervorgänge können die Eigenschaften des Katalysators nachhaltig verändert werden und insbesondere bei einem lokalen Überhitzen kann sich die katalytische Aktivität der Katalysatoren stark abschwächen. Solche Vorgänge sind im Allgemeinen nicht reversibel. Wird also der Katalysator bei der Aktivierung überhitzt, so kann dies starke Auswirkungen auf den Routinebetrieb des Reaktors haben, da sich dann die Ausbeute des Reaktors deutlich verringert.
Um einerseits eine hohe Ausbeute zu erzielen und um andererseits eine Totaloxidation der Edukte zu vermeiden und um die Entstehung von Nebenprodukten zurückzudrängen, muss die Reaktion meist innerhalb eines sehr schmalen Temperaturbereichs geführt werden. Ferner altert der Katalysator über seine Lebenszeit hinweg, sodass die Reaktionsbedingungen nachgeregelt werden müssen, indem beispielsweise die Reaktionstemperatur oder die Konzentration eines Promotors im Gasstrom erhöht wird, um einen Aktivitätsverlust des Katalysators auszugleichen.
Es ist daher an sich für eine möglichst genaue Regelung des Reaktors wünschenswert, die Temperatur bzw. das Temperaturprofil innerhalb der einzelnen Reaktionsrohre möglichst genau messen zu können. Bei der praktischen Durchführung geht man in der Weise vor, dass in einem Reaktor, welcher beispielsweise 20.000 Normalrohre umfasst, also Reaktionsrohre, in welchen keine Temperaturmessung vorgenommen wird, etwa 5 bis 10 Thermorohre vorgesehen werden, welche eine repräsentative Temperaturmessung im Reaktor ermöglichen. Ein Thermorohr ist ein Reaktionsrohr, welches mit einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur versehen ist. Diese Thermorohre sollen dabei das Temperaturprofil sämtlicher Normalrohre möglichst repräsentativ wiedergeben. Dies ist aber mit Schwierigkeiten verbunden.
Um die Temperatur in einem der Rohre messen zu können, ist meist ein Schutzrohr entlang der Längsachse im Innenraum des Thermorohrs angeordnet, in welchem wiederum ein Temperaturfühler angeordnet ist, beispielsweise ein Widerstandsthermometer. Die Katalysatorkörper sind im Ringspalt zwischen Schutzrohr und der Innenfläche des Thermorohres angeordnet. Meist ist es nicht möglich, die Katalysatorkörper in den Thermorohren und in den Normalrohren in der gleichen Weise anzuordnen. Im Allgemeinen weisen die Katalysatorkörper in den Thermorohren und den Normalrohren eine unterschiedliche Schüttdichte auf. Auch sind die Strömungsverhältnisse im Normalrohr und Thermorohr unterschiedlich. Dies bewirkt, dass die Wärmeentwicklung und damit auch das Temperaturprofil in Strömungsrichtung für Normalrohr und Thermorohr unterschiedlich sind. Die in den Thermorohren gemessenen Temperaturen lassen sich daher nicht unmittelbar auf die Normalrohre übertragen, sondern müssen zunächst korrigiert werden. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen, dass der im Thermorohr gemessene Temperaturverlauf mathematisch korrigiert wird oder indem die Anordnung der Katalysatorkörper im Thermorohr so modifiziert wird, dass der Temperaturverlauf an den Temperaturverlauf im Normalrohr angepasst wird.
In der US 2008/0014,127 A1 wird ein Testverfahren beschrieben, mit welchem die Reaktionsbedingungen für eine katalytische Gasphasenreaktion in einem Rohrbündelreaktor ermittelt werden können. Die Testbedingungen werden an einer deutlich geringeren Anzahl an Rohren ermittelt, wie sie im für die industrielle Produktion vorgesehenen Rohrbündelreaktor enthalten sind. Im einfachsten Fall wird dazu ein Testreaktor verwendet, welcher zwei Rohre umfasst, die in ihren Abmessungen den Rohren entsprechen, wie sie im technischen Reaktor vorgesehen sind. Das erste Rohr wird mit Katalysatorkörpern gefüllt. Das zweite Rohr wird ebenfalls mit Katalysatorkörpern gefüllt, enthält aber zusätzlich eine Temperaturmesseinrichtung, mit welcher das Temperaturprofil im Rohr ermittelt werden kann. Der Testreaktor wird dann auf eine bestimmte Temperatur eingestellt, indem die beiden Rohre mit einem Wärmeträgermedium umspült werden, das eine bestimmte Temperatur aufweist. Es wird dann das Temperaturprofil im zweiten Rohr und die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte im ersten Rohr bestimmt. Die Temperatur wird dann so lange verändert, bis die besten Bedingungen für die Reaktion gefunden wurden. Die Bedingungen für den technischen Reaktor werden dann anhand der mit dem Testreaktor ermittelten Parameter eingestellt, sodass der Temperaturverlauf im Thermorohr des Reaktors eine Produktzusammensetzung in den Normalrohren ergibt, wie sie mit dem Testreaktor ermittelt wurden.
Bei diesem Verfahren werden also die Bedingungen für den technischen Reaktor mit Hilfe eines Testreaktors ermittelt. Eine Überwachung der Anfahrphase bzw. eine Anpassung der Reaktionsbedingung an die Alterung des Katalysators ist nicht möglich.
In der EP 1 484 299 werden bestimmte Rohre eines Rohrbündelreaktors für die Messung des Temperaturprofils ausgewählt. Dabei wird ein Rohrbündelreaktor verwendet, welcher mit Umlenkplatten für das Wärmeträgermedium versehen ist. Das Temperaturprofil wird nur in solchen Rohren gemessen, die nicht mit einer Umlenkplatte verbunden sind. Auch bei diesem Lösungsvorschlag wird eine unterschiedliche Schüttung der Katalysatorkörper in Normalrohren und Thermorohren nicht berücksichtigt.
In der EP 0 873 783 A1 wird als Lösung vorgeschlagen, unterschiedliche Mengen an Aktivmasse in Normalrohr und Thermorohr zu verwenden, um somit die unterschiedlichen Bedingungen in den beiden Rohren auszugleichen. Dabei wird zum Einen die mittlere Lineargeschwindigkeit des Gasstroms in allen Rohren auf den gleichen Wert eingestellt. Dazu wird der Druckverlust gemessen, indem eine Menge eines inerten Gases durch das betreffende Rohr geleitet wird, wobei die Gasmenge proportional zur freien Querschnittsfläche des Rohres gewählt ist. Zum Anderen wird die Menge an Feststoffteilchen, welche in das Normalrohr sowie in das Thermorohr eingefüllt wird, so gewählt, dass das Verhältnis von Masse der Feststoffteilchen zur freien Querschnittsfläche für Normalrohr und Thermorohr gleich ist. Für die in der EP 0 873 783 A1 beschriebene Reaktorvorrichtung gilt also die Bedingung
Wobei bedeutet:

AR:: die Menge an Aktivmasse im Normalrohr
AT:: die Menge an Aktivmasse im Thermorohr
raR:: den Innenradius des Normalrohrs
raT:: den Innenradius des Thermorohrs
riT:: den Außendurchmesser des im Thermorohr angeordneten Schutzrohrs für den Temperaturfühler.

Die Einstellung des Druckverlusts und somit der linearen Gasgeschwindigkeit über die Katalysatorteilchen kann durch den Einsatz von Feststoffteilchen unterschiedlicher Größe und/oder Geometrie erfolgen. Dazu kann beispielsweise im Thermorohr eine Mischung aus Vollkatalysatorkörpern und aus den Vollkatalysatoren hergestelltem Split verwendet werden. Dazu wird nach einer bestimmten Formel ein Anteil der Vollkatalysatoren zu einem feinen Split vermahlen und die Mischung aus Split und Vollkatalysatoren in das Thermorohr eingefüllt.
Das Verfahren ermöglicht zwar eine Annäherung des Temperaturverlaufs von Thermorohr und Normalrohr. Die Anpassung ist jedoch insbesondere bei einer Anwendung auf Schalenkatalysatoren mit großen Fehlern verbunden. Bei einer Anwendung der Methode auf Vollkatalysatoren lässt sich die Mischung aus Vollkatalysator und aus dem Vollkatalysator hergestelltem feinem Split nicht homogen in das Thermorohr einfüllen. Beim Einfüllen der beiden Fraktionen in das Thermorohr trennen sich diese zumindest teilweise auf. Auch während des Betriebs des Rohrbündelreaktors erfolgt eine weitere Auftrennung, da die feineren Anteile in den unteren Teil des Thermorohrs wandern. Damit erfolgt auch der Druckabfall über die Länge des Thermorohrs nicht konstant. Die Reaktionsbedingungen in Normalrohr und Thermorohr sind daher nicht gleich, sodass der Temperaturverlauf im Thermorohr den Temperaturverlauf im Normalrohr nur sehr ungenau wiedergibt. Das Patent beschreibt die Anwendung der Methode auf Vollkatalysatoren. Diese lassen sich ohne weiteres zu einem Split vermahlen. Die Möglichkeit der Anwendung der Methode auf Schalenkatalysatoren wird zwar in der Beschreibung erwähnt. Es wird jedoch nicht erläutert, wie eine derartige Anpassung von Normalrohr und Thermorohr im Fall von Schalenkatalysatoren vorgenommen werden soll.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Reaktorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Thermorohre den Temperaturverlauf im Normalrohr möglichst genau wiedergeben.
Diese Aufgabe wird mit einer Reaktorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Reaktorvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei den von den Erfindern systematisch durchgeführten Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass das Temperaturprofil im Normalrohr wesentlich besser durch das Temperaturprofil im Thermorohr abgebildet werden kann, wenn die Aktivität der in einem bestimmten Volumenabschnitt des Rohrs angeordneten Aktivmasse zur Innenfläche des Rohrs in diesem Abschnitt gesetzt wird und das Verhältnis sowohl für das Normalrohr als auch für das Thermorohr annähernd gleich eingestellt ist.
Um den Temperaturverlauf des Normalrohrs im Thermorohr abbilden zu können, werden gemäß einer Ausführungsform Druckabfall und/oder die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Reaktionsgases in den Normalrohren und den Thermorohren auf einen annähernd gleichen Wert eingestellt. Die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Reaktionsgases ist definiert als der Quotient aus Masse an Aktivmasse im Reaktor und dem Volumenstrom des Reaktionsgases. Der Volumenstrom ist definiert als das Volumen an Gas, beispielsweise angegeben in Nm³, das in einer Zeiteinheit, beispielsweise einer Stunde, durch den Reaktor, z. B. ein Rohr oder einen Kessel, fließt. Da bei dieser Ausführungsform nicht die lineare Gasgeschwindigkeit als Parameter herangezogen wird, sondern die auf die Menge der Aktivmasse bezogene modifizierte Verweilzeit τ_mod, wird bei gleicher Zusammensetzung der Aktivmasse in Normalrohren und Thermorohren der gleiche Umsatz erzielt. Die lineare Gasgeschwindigkeit würde beispielsweise eine unterschiedliche Schüttdichte in den beiden Rohrtypen nicht berücksichtigen. Bei der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung bewegt sich also ein Partialvolumen des Gasstroms mit annähernd gleicher Geschwindigkeit in beiden Rohren parallel von der Einlassseite zur Auslassseite, wobei in Normalrohren und Thermorohren ein gleicher Umsatz erzielt wird.
Bei der Umsetzung in einem realen technischen Reaktor lassen sich jedoch ideale Bedingungen meist nicht verwirklichen, sodass Abweichungen von dem idealen Zustand beobachtet werden. Unter einem ”gleichen Wert” ist daher zu verstehen, dass Druckabfall und modifizierte Verweilzeit τ_mod sowohl in den Rohren innerhalb einer Gruppe als auch zwischen Rohren verschiedener Gruppen eine Abweichung zeigen dürfen, die durch technische Toleranzen bedingt ist. Unter einem im Wesentlichen gleichen Wert wird daher ein Zustand verstanden, bei welchem der Druckabfall bzw. die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Reaktionsgases in einem individuellen Rohr nicht mehr als ±20%, gemäß einer Ausführungsform nicht mehr als ±10%, gemäß einer weiteren Ausführungsform nicht mehr als ±5% vom Mittelwert (arithmetisches Mittel) abweicht, der über die gesamte Menge der Rohre bestimmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt das Verhältnis des Druckabfalls, gemessen am Normalrohr, zum Druckabfall, gemessen am Thermorohr, Werte zwischen 0,8 und 1,2, gemäß einer weiteren Ausführungsform Werte zwischen 0,9 und 1,1 an.
Der Staudruck an einem Normalrohr oder einem Thermorohr, gemessen bei einem Gasstrom von 4 Nm³/h, liegt gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 1 bis 5 bar_absolut, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 1,1 bis 1,6 bar_absolut.
Der Druckabfall an einem Normalrohr oder einem Thermorohr, gemessen bei einem Gasstrom von 4 Nm³/h, liegt gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 80 bis 600 mbar, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 90 bis 500 mbar.
Gemäß einer Ausführungsform nimmt das Verhältnis der modifizierten Verweilzeit τ_mod, gemessen im Normalrohr, zur modifizierten Verweilzeit τ_mod, gemessen im Thermorohr, Werte zwischen 0,7 und 1,4, gemäß einer weiteren Ausführungsform Werte zwischen 0,8 und 1,2 und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform Werte zwischen 0,9 und 1,1 an.
Die Raum-Zeit-Geschwindigkeit (GHSV) in den Normalrohren und den Thermorohren liegt gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 500 bis 10.000 h^–1, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 800 bis 4.000 h^–1. Bei der technischen Umsetzung lässt sich meist nicht in allen Rohren des Reaktors die gleiche GHSV einstellen sondern es müssen Abweichungen in Kauf genommen werden. Gemäß einer Ausführungsform weicht die GHSV eines bestimmten Rohres um nicht mehr als ±20%, gemäß einer weiteren Ausführungsform um nicht mehr als ±10% und gemäß einer weiteren Ausführungsform um nicht mehr als ±5% vom Mittelwert der GHSV (arithmetisches Mittel), gemessen über alle Rohre des Reaktors hinweg, ab.
Der Druckabfall sowie die modifizierte Verweilzeit τ_mod werden bevorzugt gemessen, ehe der Reaktor in Betrieb geht. Dazu wird ein Inertgasstrom jeweils durch das individuelle Rohr geleitet und mit diesem Inertgasstrom der Druckabfall sowie die modifizierte Verweilzeit τ_mod bestimmt und ggf. eingestellt. Die Bestimmung wird dabei bevorzugt bei Ruamtemperatur, beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 40°C, insbesondere bei einer Temperatur von 20°C durchgeführt.
Die Reaktorvorrichtung entspricht zunächst einem üblichen Rohrbündelreaktor. Der Rohrbündelreaktor umfasst im Wesentlichen zwei Gruppen von Rohren. Als Normalrohre werden solche Rohre bezeichnet, welche mit Katalysatorkörpern beschickt sind, jedoch keine Vorrichtung zur Messung der Temperatur aufweisen. Die Normalrohre bilden die Gruppe G_m von Rohren. Als Thermorohre werden solche Rohre bezeichnet, welche mit Katalysatorkörpern beschickt sind und eine Messvorrichtung umfassen, mit welcher die Temperatur bzw. das Temperaturprofil innerhalb des Rohrs gemessen werden kann. Die Thermorohre bilden die Gruppe G_n von Rohren. Ein üblicher Rohrbündelreaktor umfasst etwa 5000 bis 30.000 Normalrohre sowie 3 bis 20 Thermorohre. Höhere oder niedrigere Zahlen sind jedoch ebenfalls möglich. Die Rohre sind in einem Kessel angeordnet, welcher von einem Wärmeträgermedium durchflossen wird, beispielsweise einer Salzschmelze. Die Rohre sind bevorzugt gleichmäßig verteilt im Inneren des Kessels angeordnet, wobei der Abstand der Längsachsen zwischen benachbarten Rohren bevorzugt im Bereich von 20 bis 80 mm, gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 35 bis 45 mm gewählt ist. Das Wärmeträgermedium umströmt die im Kessel angeordneten Rohre sodass den Rohren Wärme zugeführt bzw. Wärme von den Rohren abgeführt werden kann. Die Rohre sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet und weisen üblicherweise eine Länge zwischen 1 m und 8 m, meist 2 bis 5 m, beispielsweise 3 bis 3,5 m auf. Von diesen Bereichen abweichende Abmessungen sind möglich. In den Rohren ist jeweils ein aus den Katalysatorkörpern K_m,n gebildetes Katalysatorbett angeordnet. Das Katalysatorbett ist bevorzugt in einem Bereich des Rohres angeordnet, welcher durch ein Wärmeträgermedium thermostatisiert werden kann. In Längsrichtung der Rohre erstreckt sich das Katalysatorbett bevorzugt über zumindest 50%, gemäß einer weiteren Ausführungsform über zumindest 70% und gemäß einer weiteren Ausführungsform über zumindest 80% der Länge der Rohre. Meist wird nicht die gesamte Länge des Rohrs vom Katalysatorbett eingenommen, um beispielsweise Raum für mechanische Katalysatorträger, Körper zur Einstellung des Druckabfalls oder zum Vorwärmen des Reaktionsgases zur Verfügung zu haben. Gemäß einer Ausführungsform nimmt das Katalysatorbett weniger als 97% der Länge des Rohrs ein, gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 90% der Länge des Rohrs ein. In dem vom Wärmeträgermedium durchflossenen Raum des Reaktors können Ablenkbleche vorgesehen sein, welche das Wärmeträgermedium ablenken und damit durchmischen, wodurch ein besserer und gleichmäßiger Wärmetransport zu den Rohren bzw. von den Rohren weg erreicht wird, sodass die Reaktion in allen Rohren unter näherungsweise gleichen Bedingungen, insbesondere bei einer gleichen Temperatur erfolgt. Die Rohre können an ihren beiden Enden jeweils in einen gemeinsamen Gasraum münden, sodass die Edukte aus dem gemeinsamen Gasraum in die einzelnen, mit Katalysator beschickten Rohre strömt und auf der anderen Seite des Rohres die Reaktionsprodukte in einen gemeinsamen Gasraum fließen, von welchem aus dann die Verteilung an weiterverarbeitende Vorrichtungen, beispielsweise Destillationskolonnen oder Waschtürme, erfolgen kann.
Die Rohre bestehen aus einem Werkstoff, welcher unter den Reaktionsbedingungen stabil ist und insbesondere während des Betriebs des Reaktors nicht versprödet. Ein geeignetes Material für die Herstellung der Rohre ist beispielsweise ferritischer Stahl. Die Rohre weisen gemäß einer Ausführungsform einen Innendurchmesser von 15 bis 50 mm und einen Außendurchmesser im Bereich von 16 bis 55 mm auf. Von diesen Bereichen abweichende Abmessungen sind jedoch möglich. Normalrohre und Thermorohre müssen nicht notwendigerweise den gleichen Durchmesser aufweisen. Meist sind die Thermorohre mit einem größeren Querschnitt dimensioniert um den Volumenverlust des Reaktionsraums durch die bevorzugt im Zentrum der Thermorohre angeordnete Temperaturmessvorrichtung zu kompensieren. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Rohre eine Wandstärke im Bereich von 1 bis 3 mm auf. Die Rohre weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es ist aber auch möglich, Rohre mit einem anderen Querschnitt zu verwenden, beispielsweise einem ovalen oder einem rechteckförmigen Querschnitt. Bevorzugt weisen alle Rohre einer Gruppe den gleichen Querschnitt auf. Es ist aber auch möglich, Rohre mit unterschiedlichem Querschnitt in der Reaktorvorrichtung vorzusehen. Der Innendurchmesser der Normalrohre wird vorzugsweise im Bereich von 15 bis 35 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 15 bis 30 mm gewählt. Der Innendurchmesser der Thermorohre wird meist größer gewählt. Vorzugsweise wird der Innendurchmesser der Thermorohre im Bereich von 15 bis 50 mm gewählt.
Sowohl in der ersten Gruppe G_m von Rohren als auch in der zweiten Gruppe G_n von Rohren wird eine Reaktionsstrecke S definiert, welche bevorzugt in beiden Gruppen von Rohren die gleiche Abmessung hat. An sich kann die Reaktionsstrecke S im Thermorohr und im Normalrohr auch unterschiedlich gewählt werden und beispielsweise auch jeweils die gesamte Länge der Katalysatorschüttung umfassen. Die Reaktionsstrecke ist für beide Gruppen von Rohren relativ zu deren Gaseintritts- sowie Gasaustrittsseite bevorzugt gleich positioniert, sodass in den Thermorohren Messungen durchgeführt werden können, die eine repräsentative Messung des Temperaturverlaufs in den Normalrohren ermöglichen. Auf diese Weise können die Temperaturprofile in Normalrohren und Thermorohren annähernd gleich verlaufen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Reaktionsstrecke S also einen in allen Rohren bereitgestellten Abschnitt, welcher jeweils mit entsprechenden Katalysatorkörpern gefüllt ist und in welchem an sich für alle Rohre ein annähernd gleiches Temperaturprofil eingestellt werden kann. Die gleichartige Anordnung der Reaktionsstrecke S in Thermo- und Normalrohren ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der überwiegende Teil der Umsetzung im Katalysatorbett nahe der Gaseintrittsseite erfolgt, also der überwiegende Teil der Wärmeentwicklung nahe der Gaseintrittsseite im Katalysatorbett erfolgt, während im weiteren Verlauf des Katalysatorbetts beispielsweise nur eine Optimierung der Zusammensetzung der Reaktionsprodukte erfolgt, ohne dass eine vergleichbare Wärmetönung auftritt wie bei der Hauptreaktion nahe dem Gaseintritt. Die Reaktionsstrecke S im Normalrohr und im Thermorohr soll also annähernd das gleiche Reaktionsprofil im Katalysatorbett umfassen. Die Reaktionsstrecke S kann die gesamte Füllhöhe des Katalysatorbetts umfassen. Es ist aber auch möglich, eine Reaktionsstrecke S zu wählen, die kleiner ist als die Gesamtstrecke, die durch die Katalysatorkörper innerhalb eines Rohres in Längsrichtung bereitgestellt wird, also letztlich die Füllhöhe des Katalysatorbetts im betreffenden Rohr. Um jedoch eine Aussage über den Temperaturverlauf im gesamten Normalrohr treffen zu können, wird die Reaktionsstrecke bevorzugt so gewählt, dass sie zumindest dem zehnfachen Radius des Normalrohres, bevorzugt dem mindestens 100-fachen des Radius des Normalrohres entspricht. Bevorzugt umfasst die Reaktionsstrecke S zumindest 50%, gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest 70% und gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest 90% der Länge des Katalysatorbetts in den Rohren. Unter der Länge des Katalysatorbetts wird dabei, in Strömungsrichtung des Reaktionsgases betrachtet, ein Abschnitt im Rohr verstanden, der in allen Rohren innerhalb des Reaktors mit Katalysatorkörpern gefüllt ist.
Durch die Reaktionsstrecke S wird zum einen ein Volumenabschnitt im Normalrohr bzw. im Thermorohr definiert. Bei einem Normalrohr mit kreisförmigem Querschnitt, welches keine Einbauten enthält, würde sich der Volumenabschnitt berechnen nach (r^N _a)² × π × S, wobei r^N _a den Innenradius des Normalrohrs bedeutet. Für ein Thermorohr, welches ein inneres Schutzrohr mit ebenfalls kreisförmigem Querschnitt für die Temperaturmessvorrichtung umfasst, würde sich der Volumenabschnitt berechnen zu S × π × ((r^T _a)² – (r^T _i)²), wobei r^T _a für den Innenradius des äußeren Rohres und r^T _i für den Außenradius des inneren Schutzrohres steht. Im Thermorohr weist bei dieser Ausführungsform der Volumenabschnitt die Gestalt eines Hohlzylinders auf. Durch die Reaktorstrecke S wird ferner in beiden Rohren eine Wandfläche W definiert. Bei einem kreisförmigen Querschnitt beträgt die Wandfläche für das Normalrohr 2πr^N _a × S, wobei r^N _a für den Innenradius des Normalrohrs steht und 2πr^r _a × S für das Thermorohr, wobei r^T _a für den Innenradius des Außenrohrs steht.
Der in den Normalrohren bzw. den Thermorohren zur Verfügung stehende, durch die Reaktionsstrecke S definierte Volumenabschnitt ist mit Katalysatorkörpern K_m,n gefüllt. Die Gestalt sowie die Zusammensetzung der Katalysatorkörper ist zunächst keinen Einschränkungen unterworfen. So können die Katalysatorkörper innerhalb eines Abschnitts die gleiche Gestalt aufweisen. Zwei Katalysatorkörper weisen die gleiche Gestalt auf, wenn sie die gleiche Form, die gleichen Abmessungen und die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Es ist aber auch möglich, unterschiedlich gestaltete Katalysatorkörper in dem Abschnitt vorzusehen. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass in den Normalrohren und den Thermorohren der gleiche Katalysator, insbesondere ein Katalysator mit gleicher Zusammensetzung verwendet wird. Es wird lediglich die Anforderung gestellt, dass der im Thermorohr eingebrachte Katalysator über die Länge des Thermorohrs einen solchen Aktivitätsverlauf zeigt, dass ein Temperaturprofil erzeugt wird, wie es näherungsweise auch im Normalrohr erzeugt wird.
Die in den durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitten der Normalrohre und der Thermorohre zur Verfügung gestellten Katalysatoraktivitäten werden so abgestimmt, dass sie der folgenden Gleichung genügen:
wobei bedeutet:

Am:: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der ersten Gruppe G_m bereitgestellt wird,
An:: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der zweiten Gruppe G_m bereitgestellt wird,
Wm:: eine Innenfläche des Rohrs aus der ersten Gruppe G_m, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
Wn:: eine Innenfläche des Rohrs aus der zweiten Gruppe G_n, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
a:: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist.

Der Korrekturfaktor a berücksichtigt eine Abweichung eines realen Reaktors von einem idealen Reaktor. In einem idealen Reaktor mit einer idealen Schüttung der Katalysatorpartikel würde a den Wert 1 annehmen. Da aber beispielsweise Schwankungen in der Schüttung der Katalysatorkörper K_m,n sowohl innerhalb eines Rohres als auch beim Vergleich verschiedener Rohre der gleichen Gruppe und damit Abweichungen der Katalysatoraktivität zwischen verschiedenen Rohren unvermeidlich sind, kann durch den Korrekturfaktor a ein Ausgleich geschaffen werden, der diese Abweichungen berücksichtigt. Es ist vorteilhaft wenn der Korrekturfaktor möglichst wenig vom Wert 1 abweicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Korrekturfaktor a in einem Bereich von 0,9 bis 1,1.
Die in dem Volumenabschnitt bereitgestellte Katalysatoraktivität A_b berechnet sich nach der Gleichung A_b = A^l _b·M_b wobei bedeutet:

Alb:: eine intrinsische Aktivität einer vom Katalysatorkörper K_b bereitgestellten Aktivmasse,
Mb:: die Masse der von den Katalysatorkörpern K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bereitgestellten Aktivmasse,
b:: einen Index, welcher aus n und m ausgewählt ist und den Katalysatorkörper K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bezeichnet.

Unter einer intrinsischen Aktivität eines Katalysatorkörpers K_b kann an sich eine Aktivität der Aktivmasse für eine bestimmte Reaktion unter Bedingungen verstanden, unter denen die Reaktion an einem infinitisimalen Katalysatorpartikel abläuft und die Reaktion durch die Nachbarschaft des Katalysatorpartikels unbeeinflusst ist. Solche Bedingungen würden einem Temperaturgradienten über den Reaktor von 0°C, einer Raum-Zeit-Geschwindigkeit des Gases von 0 h^–1 und einer unendlichen Entfernung zwischen den infinitisimalen Katalysatorpartikeln entsprechen. Eine solche intrinsische Aktivität lässt sich beispielsweise durch eine Versuchsreihe ermitteln, die es ermöglicht, die Aktivität des Katalysatorkörpers in einem Zustand zu extrapolieren, der einem solchen idealen Zustand entspricht.
Bei der praktischen Durchführung wird jedoch gemäß einer Ausführungsform so vorgegangen, dass ein Katalysatorkörper mit einer bestimmten Geometrie und einem bestimmten Gehalt an Aktivmasse hergestellt wird. Ferner wird angenommen, dass die Reaktion erster Ordnung abläuft, unabhängig von der Ordnung, mit welcher die Reaktion tatsächlich abläuft. Dieser standardisierte Katalysatorkörper wird dann mit inerten Körpern so weit verdünnt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Gaseintritts- und der Gasaustrittsseite geringer als 25°C, bevorzugt geringer als 10°C ist, die Reaktion also unter nahezu isothermen Bedingungen abläuft, wobei der Druckabfall über den Reaktor weniger als 30 mbar, bevorzugt weniger als 10 mbar beträgt und wobei der Umsatz auf einen Wert im Bereich von 65 bis 95% eingestellt wird.
Dazu wird der Katalysatorkörper mit Inertkörpern verdünnt. Die Geometrie der Katalysatorkörper und der Inertkörper wird so gewählt, dass der geforderte geringe Druckabfall verwirklicht wird. Das Verhältnis von Inertkörpern zu Katalysatorkörpern wird so gewählt, dass der geforderte Umsatz erreicht wird und gleichzeitig die Wärmeentwicklung so gering ist, dass die geforderte geringe Temperaturdifferenz zwischen Gaseintritt und Gasaustritt eingehalten wird. Bezogen auf das Volumen, welches sich aus der Schüttdichte der Katalysatorkörper bzw. der Inertkörper ergibt, wird bevorzugt ein Verhältnis von Katalysatorkörpern zu Inertkörpern von 1:5 bis 1:10 gewählt. Die Abmessungen des Testreaktors werden je nach der betrachteten Reaktion zwischen 1 und 6 m für die Länge und zwischen 18 und 32 mm für den Durchmesser des Rohres gewählt. Bei schnellen Reaktionen wird eine kurze Länge gewählt, während für langsam ablaufende Reaktionen eine größere Reaktionsstrecke benötigt wird, um die geforderten Umsätze zu erreichen.
Es wird dann bei bestimmten Raum-Zeit-Geschwindigkeiten und bei verschiedenen bestimmten Temperaturen der Umsatz der Reaktion gemessen, die von der Aktivmasse des Katalysatorkörpers katalysiert wird. Aus den Umsätzen lässt sich dann die aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante A* des Katalysators in Abhängigkeit vom Umsatz nach der folgenden Formel berechnen:
Wobei bedeutet:

A*:: die aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante der Aktivmasse bei einer bestimmten Temperatur und GHSV;
GHSV:: die Raum-Zeitgeschwindigkeit [h^–1]
mAktivmasse:: die Menge der im Testrohr eingebrachten Aktivmasse [g];
U:: der Umsatz des Edukts, wobei sich dieser berechnet nach

Wobei bedeutet:

Mrein:: Menge an Edukt [mol] welches der Katalysatorfüllung zugeführt wird
Mraus:: Menge an Edukt [mol] welches die Katalysatorfüllung verlässt

Aus den ermittelten aktivmassenbezogenen Aktivitätskonstanten wird dann die aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante bei einem bestimmten Umsatz ermittelt. Dieser Umsatz wird so gewählt, dass dieser Umsatz im linearen Bereich der Abhängigkeit der aktivmassenbezogenen Aktivitätskonstante vom Umsatz liegt. Beispielsweise kann ein Umsatz von 85% als Bezugsgröße festgelegt werden. Die für einen Umsatz von beispielsweise 85% ermittelte aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante wird dann als intrinsische Aktivität Aⁱ _b bezeichnet. An sich kann auch ein anderer Wert für den Umsatz festgelegt werden. Der Wert sollte sich jedoch an der beabsichtigten technischen Umsetzung orientieren. Gemäß einer Ausführungsform wird der Wert des Umsatzes zur Ermittlung der intrinsischen Aktivität Aⁱ _b in einem Bereich gewählt, der ±20% zum Umsatz liegt, bei welcher die betreffende Reaktion technisch umgesetzt wird, wobei der Umsatz in einem Bereich der Kurve von aktivmassenbezogener Aktivitätskonstante und Umsatz liegt, der annähernd linear verläuft.
Aus der in einem Modellreaktor ermittelten intrinsischen Aktivität Aⁱ _b lässt sich dann durch Multiplikation mit der Masse der Aktivmasse, die innerhalb des durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitts des Rohres G_m oder G_n bereitgestellt wird, die Katalysatoraktivität A_b berechnen.
Die in der Reaktorvorrichtung vorgesehenen Thermorohre umfassen eine Temperaturmessvorrichtung, mit welcher sich die Temperatur bzw. das Temperaturprofil im Thermorohr bestimmen lässt. Dabei können an sich beliebige Messvorrichtungen verwendet werden. Bevorzugt werden solche Temperaturmessvorrichtungen verwendet, die eine Ermittlung des Temperaturprofils über die Reaktionsstrecke S hinweg ermöglichen. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in bestimmten Abständen innerhalb des Thermorohrs Temperatursensoren vorgesehen sind, mit denen die Temperatur an definierten Stellen des Rohrs gemessen werden kann. Es ist beispielsweise aber auch möglich, einen verschiebbaren Temperatursensor vorzusehen, mit welchem eine relativ genaue Bestimmung des Temperaturprofils entlang der Längsachse des Thermorohrs möglich ist. Insbesondere bei einer industriellen Anwendung ist vorgesehen, dass die Temperaturmessvorrichtung als entlang der Längsachse des Thermorohrs angeordnetes Rohr ausgebildet ist, in welchem zumindest ein Temperaturfühler angeordnet ist. Durch das Rohr wird der Temperaturfühler vor Beschädigungen geschützt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Temperaturfühler so ausgebildet ist, dass er im Rohr verschoben werden kann. Auf diese Weise kann im Thermorohr ein Temperaturprofil in Strömungsrichtung aufgenommen werden. Bei dieser Ausführungsform wird zwischen der Wand des Thermorohrs und der Wand des im Thermorohr angeordneten Rohrs ein Volumenabschnitt ausgebildet, welcher die Form eines Hohlzylinders ausbildet.
Die Katalysatorkörper K_m, K_n können an sich eine beliebige Form aufweisen, wobei auch innerhalb eines Rohres verschiedene Katalysatorkörper miteinander kombiniert werden können. Werden innerhalb eines Rohres ein Katalysatorbett aus Katalysatorkörpern unterschiedlicher Gestalt verwendet, kann dies beim Befüllen jedoch zu einer teilweisen oder vollständigen Entmischung der unterschiedlich gestalteten Katalysatorkörper führen. Dies würde in einem inhomogenen Aktivitätsverlauf resultieren, weshalb die Möglichkeit besteht, dass der Temperaturverlauf, wie er im Thermorohr gemessen wird, nicht mehr repräsentativ für den Temperaturverlauf im Normalrohr ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Katalysatorkörper K_m, K_n in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt eine homogene Schüttung ausbilden. Unter einer homogenen Schüttung wird eine Schüttung verstanden, deren Schüttdichte gemessen über die Länge des betreffenden Rohres eine Abweichung vom Mittelwert (arithmetisches Mittel) von nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5% aufweist. Werden Katalysatorkörper unterschiedlicher Geometrie innerhalb eines gemeinsamen Katalysatorbetts verwendet, kann eine homogene Schüttung erreicht werden, indem beispielsweise die unterschiedlich gestalteten Katalysatorkörper in einer bestimmten Anordnung oder Abfolge in das betreffende Rohr eingefüllt werden, sodass eine definierte Verteilung der unterschiedlichen Katalysatorkörper innerhalb des im Rohr angeordneten Katalysatorbetts erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist bei der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung vorgesehen, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt jeweils eine homogene Gestalt aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist also vorgesehen, dass die Katalysatorkörper jeweils eines Rohres die gleichen Eigenschaften aufweisen, also beispielsweise die gleiche Form besitzen, die gleiche Zusammensetzung der Aktivmasse, die gleiche Menge an Aktivmasse etc. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n eine zueinander homogene Gestalt aufweisen, also sowohl in den Normalrohren als auch in den Thermorohren gleiche Katalysatorkörper angeordnet sind. Vielmehr ist im Allgemeinen vorgesehen, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n unterschiedlich sind, also beispielsweise eine unterschiedliche Form aufweisen, sich in der Zusammensetzung der Aktivmasse unterscheiden oder beispielsweise eine unterschiedliche Menge an Aktivmasse beinhalten.
Die in der Reaktorvorrichtung verwendeten Katalysatorkörper K_m,n können als Vollkatalysatoren ausgebildet sein, also beispielsweise über ihr gesamtes Volumen eine homogene Zusammensetzung aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n als Trägerkatalysatoren, insbesondere als Schalenkatalysatoren, mit einer Schicht aus der Aktivmasse ausgebildet sind. Die Trägerkatalysatoren können in üblicher Weise ausgestaltet sein. Die Trägerkatalysatoren können einen Trägerkörper umfassen, der eine an sich beliebige Form aufweisen kann. Der Trägerkörper kann beispielsweise die Form eines Rings, einer Kugel oder eines Hohlzylinders aufweisen. Trägerkörper in Form eines Hohlzylinders sind bevorzugt. Bevorzugt weisen die Hohlzylinder eine Länge im Bereich von 2 bis 10 mm, gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 4 bis 8 mm auf. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hohlzylinder einen Außendurchmesser im Bereich von 3 bis 8 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform von 4 bis 7 mm auf. Die Wandstärke der Hohlzylinder liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 4 mm, gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 1 bis 2 mm Beispielhafte Abmessungen für geeignete Hohlzylinder sind 8 × 6 × 5 mm, 7 × 7 × 4 mm, 7 × 4 × 4 mm und 6 × 5 × 4 mm (Außendurchmesser × Länge × Innendurchmesser). Gemäß einer Ausführungsform sind Hohlzylinder geeignet, die einen effektiven Durchmesser im Bereich von 4 bis 10 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 5 bis 8 mm aufweisen. Unter einem effektiven Durchmesser wird dabei das arithmetische Mittel aus Länge und Außendurchmesser des Trägerkörpers verstanden.
Die Trägerkörper sind bevorzugt aus einem Material aufgebaut, das eine sehr geringe Porosität aufweist, beispielsweise eine Porosität von weniger als 1 ml/100 g. Die Trägerkörper können aus üblichen Materialien hergestellt sein, beispielsweise Porzellan, Quarz, Magnesiumoxid, Zinkdioxid, Siliciumcarbid, Rutil, Tonerde (Al₂O₃), Aluminiumsilicat, Magnesiumsilicat (Steatit), Zirkoniumsilicat oder Cersilicat oder aus Mischungen der genannten Materialien. Auf den Trägerkörper ist eine Schicht aus der Aktivmasse angeordnet. Die Aktivmasse kann zusätzlich noch weitere Materialien enthalten, beispielsweise ein Bindemittel. Die Aktivmasse wird entsprechend der in der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung durchgeführten Reaktion ausgewählt.
Die Schichtdicke der auf dem Trägerkörper aufgebrachten Schale aus der Aktivmasse wird gemäß einer Ausführungsform zwischen 10 und 800 μm und gemäß einer weiteren Ausführungsform zwischen 50 und 500 μm gewählt.
Bei Reaktionen mit sehr schneller Kinetik, die oftmals diffusionslimitiert sein können, wird die Schichtdicke der auf dem Trägerkörper aufgetragenen Schale bevorzugt gering gewählt, sodass beispielsweise bei Oxidationsreaktionen die Partialoxidation gegenüber der Totaloxidation stark bevorzugt ist. Um eine gute Kontrolle der Reaktion zu erreichen, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Menge an Aktivmasse, welche in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt bereitgestellt wird, bezogen auf die Rohrwandfläche des Abschnitts im Bereich von 0,01 bis 1 g/cm², gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 0,02 bis 0,08 g/cm² gewählt wird.
Wird gemäß einer Ausführungsform sowohl für die Katalysatorkörper der Normalrohre als auch für die Katalysatorkörper der Thermorohre die gleiche Aktivmasse verwendet, kann die Katalysatoraktivität in Normalrohren und Thermorohren über die Menge an Aktivmasse eingestellt werden, die in dem betreffenden Rohr innerhalb des durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitts bereitgestellt wird.
Setzt man das Verhältnis der Masse an Aktivmasse zur Rohrwandfläche, welches für Normalrohr und Thermorohr ermittelt wird, zueinander ins Verhältnis, so liegt dies gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 0,8 bis 1,2, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 0,9 bis 1,1.
Bei dieser Ausführungsform gilt daher:
wobei bedeutet:

Mm:: die Masse der Aktivmasse, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der ersten Gruppe G_m bereitgestellt wird,
Mn:: die Masse der Aktivmasse, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der zweiten Gruppe G_n bereitgestellt wird,
Wm:: eine Innenfläche des Rohrs aus der ersten Gruppe G_m, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
Wn:: eine Innenfläche des Rohrs aus der zweiten Gruppe G_n, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
a:: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist.

Gemäß einer Ausführungsform wird a im Bereich von 0,9 bis 1,1 gewählt.
Die im durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des betreffenden Rohres zur Verfügung gestellte Katalysatoraktivität kann gemäß einer Ausführungsform bei Verwendung von Schalenkatalysatoren beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die Aktivmasse der Katalysatorkörper K_m, K_n eine gleiche Zusammensetzung aufweist und die Aktivität A_b durch die Schichtdicke der auf dem Trägerkörper aufgetragenen Aktivmasse bestimmt ist. Bei dieser Ausführungsform wird also die Menge an Aktivmasse, die in dem Volumenabschnitt des Rohres bereitgestellt wird, durch die Schichtdicke der Aktivmasse bestimmt. Eine höhere Schichtdicke ermöglicht es dabei, eine höhere Menge an Aktivmasse bereitzustellen und damit eine höhere Katalysatoraktivität A_b. Bei dieser Ausführungsform besitzt also die von den Katalysatorkörpern K_m,n bereitgestellte Aktivmasse jeweils die gleiche intrinsische Aktivität, sodass die Einstellung der Katalysatoraktivität im durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt des Rohres über die Menge der bereitgestellten Aktivmasse erfolgt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen lässt sich die Aktivität jedoch auch einstellen, indem die intrinsische Aktivität angepasst wird. Dazu kann beispielsweise die Zusammensetzung der Aktivmasse verändert werden, beispielsweise indem der Aktivmasse Promotoren oder Moderatoren beigegeben werden. Die Konzentration der Promotoren bzw. Moderatoren in der Aktivmasse kann dazu in den Katalysatorkörpern K_m, K_n unterschiedlich gewählt werden.
Eine Anpassung der intrinsischen Aktivität der Aktivmasse und damit der innerhalb des durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitts bereitgestellten Katalysatoraktivität kann aber beispielsweise auch dadurch erfolgen, dass das Porenvolumen der Aktivmasse für die Katalysatorkörper K_m, K_n unterschiedlich gewählt wird. Dazu kann beispielsweise das Porenvolumen einzelner Komponenten der Aktivmasse angepasst werden.
Eine weitere Ausführungsform erreicht eine Anpassung der intrinsischen Aktivität durch die Anpassung der Kristallitgröße der Aktivmasse in den Katalysatorkörper K_m, K_n.
An sich kann der Fachmann zur Anpassung der Katalysatoraktivität in den Volumenabschnitten des Normalrohrs bzw. des Thermorohrs auf alle Maßnahmen zurückgreifen, die zu einer Modifikation der intrinsischen Aktivität der Aktivmasse führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Anpassung der in den Volumenabschnitten bereitgestellten Katalysatoraktivität dadurch erreicht, dass die Katalysatorkörper K_m, K_n eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Die Katalysatorkörper in den Normalrohren und den Thermorohren können dazu in beiden Rohren die gleiche Form aufweisen, beispielsweise Kugeln oder Hohlzylinder, wobei die Abmessungen der Formkörper im Normalrohr und im Thermorohr jedoch unterschiedlich gewählt sind. Dadurch kann der Effekt ausgenutzt werden, dass kleinere Katalysatorkörper eine höhere spezifische Oberfläche aufweisen. Werden beispielsweise kugelförmige Katalysatorkörper gewählt, kann bei gleicher Schichtdicke der Aktivmasse durch die Verwendung kleinerer Kugeln die Menge an Aktivmasse in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt erhöht werden. Es ist aber auch möglich, in den durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitten von Normal- und Thermorohr Katalysatorkörper vorzusehen, die sich in ihrer Form unterscheiden.
Gemäß einer Ausführungsform werden Schalenkatalysatoren verwendet, wobei der Schalenkatalysator die Form eines Hohlzylinders aufweist. Um die Menge an Aktivmasse, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt bereitgestellt wird, zu modifizieren, können dann Trägerkörper verwendet werden, die einen kleineren Innen- bzw. Außendurchmesser oder eine geringere Länge aufweisen als die Trägerkörper der Katalysatorkörper in den Rohren der jeweils anderen Gruppe.
Es ist aber auch möglich, dass die Katalysatorkörper in Thermorohr und Normalrohr vollständig unterschiedlich gewählt sind, also beispielsweise in einem Rohr die Katalysatorkörper die Form von Hohlzylindern aufweisen während in den anderen Rohren die Katalysatorkörper die Form von Kugeln aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anpassung der in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt bereit gestellte Katalysatoraktivität dadurch erfolgt, dass den Katalysatorkörpern Inertkörper zugegeben werden. Werden in den durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitten gleiche Katalysatorkörper eingesetzt, kann die Katalysatoraktivität dadurch eingestellt werden, dass die Katalysatorkörper in einem der Rohre durch Zugabe von Inertkörpern „verdünnt” werden. Die Inertkörper können die gleiche Form aufweisen, wie die Katalysatorkörper oder auch eine von diesen abweichende Form aufweisen.
Schließlich ist es auch möglich, die oben beschriebenen Maßnahmen zu kombinieren, um die erforderliche Katalysatoraktivität zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass in den Normalrohren und den Thermorohren die Schüttung über die gesamte Länge des Katalysatorbetts jeweils homogene Eigenschaften aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist also nur eine Reaktionsstrecke S im Normalrohr bzw. Thermorohr vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in den Rohren der ersten Gruppe G_m und in den Rohren der zweiten Gruppe G_n mehr als eine Reaktionsstrecke S vorgesehen ist, wobei die Reaktionsstrecken S^α jeweils Volumenabschnitte in den Rohren definieren, und in den Volumenabschnitten unterschiedliche Katalysatorkörper K^α _m, K^α _n angeordnet sind. α bezeichnet dabei jeweils eine Schicht in den Rohren der Gruppen G_m und G_n in welcher die betreffende Reaktionsstrecke S^α angeordnet ist. Sind beispielsweise drei Schichten von Katalysatorkörpern in den Normalrohren bzw. den Thermorohren angeordnet, so bezeichnet α die erste, zweite bzw. dritte Schicht.
Eine derartige Ausführungsform entspricht einem Katalysatorbett, welches mehrere Schichten umfasst, wobei die in den einzelnen Schichten enthaltenen Katalysatorkörper unterschiedlich gewählt sind. Auf diese Weise kann ein bestimmtes Aktivitätsprofil im Normalrohr eingestellt werden und dadurch beispielsweise die Bildung von Nebenprodukten gesteuert oder eine Totaloxidation unterdrückt werden. In jeder einzelnen Schicht wird dann eine Anpassung der im Normalrohr bzw. im Thermorohr bereitgestellten Katalysatoraktivität vorgenommen, sodass das durch die Verwendung unterschiedlicher Katalysatorkörper im Normalrohr ausgebildete Temperaturprofil in den Thermorohren entsprechend abgebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Rohre der Gruppe G_m bzw. G_n jeweils zumindest zwei Reaktionsstrecken S^α, gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest drei Reaktionsstrecken S^α und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform zumindest vier Reaktionsstrecken S^α. Gemäß einer Ausführungsform sind in den Rohren jeweils genau zwei Reaktionsstrecken S^α, gemäß einer weiteren Ausführungsform jeweils genau drei Reaktionsstrecken S^α und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform jeweils genau vier Reaktionsstrecken S^α angeordnet. Die Länge der einzelnen Reaktionsstrecken S^α kann innerhalb eines Rohres gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Zwischen den verschiedenen Gruppen G_m, G_n von Rohren sind die entsprechenden Reaktionsstrecken S^α jedoch vorzugsweise jeweils gleich lang gewählt, sodass eine Abbildung des im Normalrohr erzeugten Temperaturprofils im Thermorohr möglich ist.
Innerhalb der Rohre einer bestimmten Gruppe umfassen die verschiedenen Reaktionsstrecken S^α dann Bereiche, die eine unterschiedliche Katalysatoraktivität bereitstellen. Bei der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung werden der Druckabfall und/oder die modifizierte Verweilzeit τ_mod so eingestellt, dass sie innerhalb üblicher Fehlergrenzen und technischer Schwankungen für alle Rohre gleich sind. Dabei wird gemäß einer Ausführungsform so vorgegangen, dass zur Einstellung des Druckabfalls, insbesondere zur Erhöhung des Druckabfalls eine Schicht aus Inertkörpern vorgesehen wird. Diese Inertkörper weisen vorzugsweise eine andere Geometrie auf als die Katalysatorkörper. Beispielsweise kann zur Erhöhung des Druckabfalls eine Schicht aus Sand vorgesehen werden, wodurch der Druckabfall erhöht werden kann. Diese Schicht aus Inertkörpern wird vorzugsweise auf der Gasaustrittsseite des Katalysatorbetts vorgesehen. Sofern der Druckabfall in einem der Rohre erniedrigt werden soll kann auch in der Weise vorgegangen werden, dass die Länge des im betreffenden Rohr angeordneten Katalysatorbetts verkürzt wird. Die Reaktionsstrecke S kann dann gegebenenfalls an das verkürzte Katalysatorbett angepasst werden.
Über die durch das Katalysatorbett des betreffenden Rohres geleitete Gasmenge lässt sich dann die GHSV berechnen. Die GHSV lässt sich dann angleichen, indem Katalysatorkörper ergänzt bzw. weggenommen werden, bis die gewünschte GHSV erreicht ist.
Durch die Verwendung einer entsprechenden Aktivmasse kann die Reaktorvorrichtung an sich an alle Reaktionen angepasst werden, die der heterogenen Katalyse zugänglich sind. Bevorzugt wird die Reaktorvorrichtung für solche Reaktionen verwendet, die in der Gasphase durchgeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Reaktorvorrichtung für Reaktionen verwendet, die diffusionskontrolliert ablaufen und für welche gemäß einer Ausführungsform beispielsweise Schalenkatalysatoren eingesetzt werden. Die Reaktionen können dabei sowohl exotherm als auch endotherm verlaufen. Entsprechend kann durch das in der Reaktorvorrichtung vorgesehene Wärmeträgermedium entweder Wärme aus der Reaktorvorrichtung abgeführt werden, wenn die Reaktion exotherm verläuft, oder es kann Wärme zugeführt werden, wenn die Reaktion endotherm verläuft. Besonders gut eignet sich die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung für die Durchführung exothermer Reaktionen, wie Oxidations-, Dehydrierungs-, Hydrierungs- und Oxidehydrierungsreaktionen, wobei als Beispiele die Herstellung von Phthalsäureanhydrid aus o-Xylol, von Acrolein aus Propen, von Acrylsäure aus Propen/Acrolein, von Methacrylsäure aus Methacrolein, von Methacrolein aus i-Buten, von Acrylnitril aus Propen, von Formaldehyd aus Methanol, von Ethylenoxid aus Ethylen oder die Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus Butan genannt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid aus o-Xylol und/oder Naphthalin eingerichtet. Dabei kann an sich auf bekannte Reaktorvorrichtungen und Katalysatoren für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Oxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zurückgegriffen werden. Die Befüllung der Reaktorvorrichtung bzw. die Anpassung der Katalysatoraktivität in den Normalrohren sowie den Thermorohren wird jedoch entsprechend der oben beschriebenen Reaktorvorrichtung vorgenommen.
Die Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid kann in der Weise durchgeführt werden, dass in den Normalrohren bzw. den Thermorohren nur eine einzelne aus den Katalysatorkörpern gebildete Schicht angeordnet ist. Insbesondere bei der Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid ist jedoch bevorzugt, mehrere Schichten von unterschiedlichen Katalysatoren in den Rohren anzuordnen, wobei sich die Katalysatoren der in einem Rohr vorgesehenen Schichten beispielsweise in ihrer Zusammensetzung und insbesondere in ihrer Aktivität unterscheiden können. Dies ermöglicht es, die Bildung von Nebenprodukten, beispielsweise von Phthalid, zurückzudrängen. Die erfindungsgemäße Anpassung der in der anderen Gruppe von Rohren angeordneten Katalysatorkörper erfolgt dann für jede Schicht nach den oben beschriebenen Grundsätzen.
Die für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid verwendeten Katalysatoren beruhen vorzugsweise auf Vanadiumpentoxid und Titandioxid. Das Titandioxid wird im Allgemeinen in der Anatas-Modifikation eingesetzt und weist eine spezifische Oberfläche im Bereich von 10 bis 50 m²/g auf. Neben den genannten Komponenten können übliche weitere Komponenten in der Aktivmasse enthalten sein, wodurch die Aktivität des Katalysators in der gewünschten Weise angepasst werden kann. Die Zusammensetzung der Aktivmasse wird bevorzugt in den folgenden Bereichen gewählt:

V₂O₅ 1 bis 25 Gew.-%

Sb₂O₃ 0 bis 4 Gew.-%

Cs 0 bis 1 Gew.-%

P 0 bis 2 Gew.-%.
Neben diesen Komponenten können noch weitere übliche Verbindungen in der Aktivmasse enthalten sein, mit welchen die Aktivität des Katalysators modifiziert werden kann. Solche Verbindungen sind beispielsweise Verbindungen der Alkali- und Erdalkalimetalle, Thallium, Antimon, Eisen, Niob, Kobalt, Molybdän, Silber, Wolfram, Zinn, Blei sowie Wismut. In der aktiven Form des Katalysators liegen diese Elemente meist in der Form ihrer Oxide vor. Der Anteil dieser Metalle, berechnet als stabilstes Oxid und bezogen auf die Aktivmasse in ihrer aktiven Form, liegt bevorzugt im Bereich von 0 bis 3 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 2 Gew.-%. Die genannten Elemente bzw. deren Oxide können alleine oder auch in Form eines Gemisches in der Aktivmasse enthalten sein. Der auf 100 Gew.-% fehlende Anteil der Aktivmasse, bezogen auf ihre aktivierte oxidische Form, wird bevorzugt durch TiO₂ gebildet, wobei dieses bevorzugt in der Anatas-Modifikation vorliegt. Das TiO₂ weist bevorzugt eine BET-Oberfläche von mindestens 15 m²/g, weiter bevorzugt eine BET-Oberfläche zwischen 15 und 60 m²/g, insbesondere eine BET-Oberfläche zwischen 15 und 45 m²/g und besonders bevorzugt zwischen 15 und 40 m²/g auf.
Sofern die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung für eine Anwendung für die Gasphasenoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin ausgestaltet ist, werden die Katalysatorkörper bevorzugt als Schalenkatalysatoren bereitgestellt.
Ein solcher Schalenkatalysator umfasst einen inerten Trägerkörper, welcher unter den Reaktionsbedingungen inert ist. Geeignete Materialien und Formen für die Trägerkörper wurden bereits weiter oben beschrieben. Auf den Trägerkörper wird die Aktivmasse in Form einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichtdicke der auf den Trägerkörper aufgebrachten Aktivmasse wird bevorzugt im Bereich von 50 bis 500 μm gewählt. Die Aktivmasse kann in Form einer einzelnen Schicht aufgebracht sein. Es ist aber auch möglich, zwei oder mehrere Schichten der gleichen oder von unterschiedlich zusammengesetzten Aktivmassen auf dem Trägerkörper vorzusehen.
Um eine hohe Ausbeute an Phthalsäure zu erhalten und die Bildung von Nebenprodukten zu unterdrücken, werden in den Rohren der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung bevorzugt mehrere Schichten von Katalysatorkörpern angeordnet, wobei sich die einzelnen Schichten innerhalb eines Rohres in ihrer Aktivität unterscheiden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zur Gaseintrittsseite hin gelegene Schicht die niedrigste katalytische Aktivität auf. Die sich zur Gasaustrittsseite hin anschließenden Schichten weisen dann eine steigende katalytische Aktivität auf, sodass die zur Gasaustrittsseite hin angeordnete Schicht die höchste katalytische Aktivität aufweist.
Neben einem Aktivitätsprofil, bei welchem die katalytische Aktivität in Richtung von der Gaseintrittsseite zur Gasaustrittsseite hin schrittweise zunimmt, kann auch ein anderes Aktivitätsprofil gewählt werden. Beispielsweise kann zur Gaseintrittsseite zunächst eine Schicht vorgesehen sein, deren katalytische Aktivität höher ist als die katalytische Aktivität der sich in Richtung der Gasaustrittsseite hin anschließenden Schicht. Bei der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung spiegelt sich das Aktivitätsprofil, wie es beispielsweise im Normalrohr eingestellt wird, im Aktivitätsprofil des Thermorohrs wieder, sodass das im Thermorohr gemessene Temperaturprofil für die Temperaturverteilung im Normalrohr repräsentativ ist.
Werden bei der Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid mehrere Schichten unterschiedlicher Katalysatorkörper in einem Rohr angeordnet, so wird die Ausdehnung der einzelnen Schichten bevorzugt im Bereich von 30 bis 200 cm gewählt, wobei die Anordnung der Katalysatorschichten insgesamt eine Ausdehnung in Längsrichtung der Rohre von bevorzugt zwischen 2 und 3,50 m aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung wird die Katalysatoraktivität in den Rohren der beiden Gruppen G_m, G_n entsprechend der oben beschriebenen Formel angepasst. Dazu können die bereits oben beschriebenen Maßnahmen durchgeführt werden. Um eine Steigerung der Katalysatoraktivität im betreffenden durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt zu erreichen, kann im durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt ein höherer Aktivmassegehalt als in den Rohren der jeweils anderen Gruppe vorgesehen werden. Es kann aber auch direkt die Aktivität der Aktivmasse erhöht werden, indem beispielsweise die Aktivmasse einen höheren Vanadiumgehalt und/oder einen geringeren Sb-Gehalt und/oder einen geringeren Cs-Gehalt aufweist. Um die Aktivität der Aktivmasse zu steigern, kann auch ein TiO₂ mit einer höheren BET-Oberfläche vorgesehen werden. Ferner können der Aktivmasse Promotoren beigegeben werden oder deren Anteil erhöht werden, welche die Aktivität der Aktivmasse steigern. Ebenso kann der Anteil an dämpfenden Promotoren in der Aktivmasse erniedrigt werden.
Um den Aktivmassegehalt im Volumenabschnitt zu steigern, kann beispielsweise die Schichtdicke der Aktivmasse auf dem Trägerkörper erhöht werden. Es kann aber auch die Geometrie des Trägerkörpers in der Weise verändert werden, dass die Schüttdichte erhöht wird. Kombinationen dieser Maßnahmen sind ebenfalls möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung für die Herstellung von Acrolein durch Oxidation von Propen und/oder von Acrylsäure aus Acrolein, oder für die Herstellung von Methacrolein durch Oxidation von Isobuten und/oder von Methacrylsäure aus Methacrolein eingerichtet. Auch bei diesen Reaktionen kann an sich auf bekannte Reaktorvorrichtungen und Katalysatoren für die Herstellung von Acrolein und Acrylsäure durch Oxidation von Propen bzw. Acrolein oder für die Herstellung von Methacrolein und Methacrylsäure durch Oxidation von Isobuten bzw. Methacrolein zurückgegriffen werden. Die Befüllung der Reaktorvorrichtung bzw. die Anpassung der Katalysatoraktivität in den Normalrohren sowie den Thermorohren wird jedoch entsprechend zur oben beschriebenen Reaktorvorrichtung vorgenommen.
Wie bereits bei der Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin beschrieben, kann auch bei der Partialoxidation von Propen bzw. Isobuten oder von Acrolein bzw. Methacrolein eine einzelne Katalysatorschicht in den Normalrohren bzw. den Thermorohren vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, mehrere Schichten von Katalysatoren in den Rohren anzuordnen, wobei die Zusammensetzung und damit die Aktivität der Katalysatoren in den einzelnen Schichten unterschiedlich ist.
Für die Partialoxidation können sowohl Vollkatalysatoren als auch Schalenkatalysatoren verwendet werden. Um die Katalysatoraktivität bei Verwendung von Vollkatalysatoren einzustellen, können beispielsweise Katalysatorkörper mit unterschiedlicher Geometrie verwendet werden, sodass letztlich die Schüttdichte der Katalysatorkörper in Normal- und Thermorohren unterschiedlich ist. Alternativ kann die Aktivmasse mit einem inerten Material verdünnt werden, um die Katalysatoraktivität im jeweiligen Rohr anpassen zu können. Schließlich können die Katalysatorkörper auch mit inerten Körpern verdünnt werden, um die Katalysatoraktivität im jeweiligen Rohr auf einen bestimmten Wert einzustellen, sodass das Verhältnis der Katalysatoraktivität von Normalrohr und Thermorohr auf den gewünschten Wert eingestellt wird. Bei Verwendung von Schalenkatalysatoren kann die Katalysatoraktivität mit Mitteln eingestellt werden, wie sie bereits weiter oben beschrieben wurden, also beispielsweise durch Einstellung der Schichtdicke der Aktivmasseschicht auf dem inerten Trägerkörper.
Als Aktivmasse können an sich Katalysatormassen verwendet werden, wie sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind. Geeignete Katalysatoren für die Partialoxidation von Propen bzw. von Isobuten für die Herstellung von Acrolein oder von Methacrolein beruhen beispielsweise auf Molybdän und Wismut. Ein geeigneter Katalysator wird beispielsweise in der DE 23 38 111 C2 beschrieben. Dieser weist eine Zusammensetzung der Formel Mo₁₂Bi_aMe¹ _bMe² _cMe³ _dMe⁴ _eMe⁵ _fZn_hO_g auf wobei bedeutet:
Me¹: In und/oder La;
Me²: Fe und/oder Cu;
Me³: Ni und/oder Co;
Me⁴: mindestens ein Element aus der Gruppe P, B, As, Cr, V und/oder W;
Me⁵: mindestens ein Element aus der Gruppe Cd, Ta, Nb, Ag, Pb, Mn, Re, Mg, Ca und/oder Ba;
a: 0,1 bis 6, vorzugsweise 0,5 bis 3;
b: 0,005 bis 3, vorzugsweise 0,01 bis 2;
c: 0,1 bis 8, vorzugsweise 0,3 bis 6;
d: 4 bis 12;
e: 0 bis 6, vorzugsweise 0,05 bis 5;
f: 0 bis 3;
g: 36 bis 102, vorzugsweise 38 bis 95;
h: 0,1 bis 10, vorzugsweise 0,5 bis 6.
Die Dimensionierung des Reaktors, also beispielsweise die Anzahl der Rohre sowie deren Abmessungen kann analog zu den oben beschriebenen Parametern gewählt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung einer Reaktorvorrichtung wie sie oben beschrieben worden ist. Die Reaktorvorrichtung umfasst zumindest eine erste Gruppe G_m von Rohren, die zumindest ein Normalrohr umfasst, und eine zweite Gruppe G_n von Rohren, die zumindest ein mit einer Temperaturmessvorrichtung versehenes Thermorohr umfasst.
In einer Gruppe G_p von Rohren, die von der ersten Gruppe G_m oder der zweiten Gruppe G_n von Rohren gebildet wird, werden Katalysatorkörper K_p eingefüllt, sodass zumindest ein durch eine Reaktionsstrecke S bestimmter Volumenabschnitt des Rohrs mit den Katalysatorkörpern Kp gefüllt ist.
Bei der Bereitstellung der oben beschriebenen Reaktorvorrichtung können also entweder zunächst die Normalrohre gefüllt und dann die Füllung der Thermorohre angepasst werden, indem entsprechende Katalysatorkörper bereitgestellt werden. Es ist aber auch möglich, zunächst die Thermorohre mit Katalysatorkörpern zu füllen, um dann die Füllung der Normalrohre anzupassen, indem geeignete Katalysatorkörper ausgewählt werden. Aus praktischen Gründen werden bevorzugt zunächst die Katalysatorkörper für die Befüllung der Normalrohre ausgewählt, und dann entsprechende Katalysatorkörper bereitgestellt, um die Thermorohre zu befüllen.
In dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt des Rohrs aus der Gruppe G_p wird eine Katalysatoraktivität A_p bestimmt.
In einer Gruppe G_q von Rohren, die nicht der Gruppe G_p angehören, werden Katalysatorkörper K_q eingefüllt, wobei die Katalysatorkörper K_q eine Aktivität aufweisen, dass in einem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitts des Rohrs aus der Gruppe G_q eine Katalysatoraktivität A_q erhalten wird, wobei gilt:
wobei bedeutet:

Ap:: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in einem Rohr aus der Gruppe G_p bereitgestellt wird,
Aq:: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in einem Rohr aus der Gruppe G_q bereitgestellt wird,
Wp:: eine Innenfläche des Rohrs aus der Gruppe G_p, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
Wq:: eine Innenfläche des Rohrs aus der Gruppe G_q, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
a:: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist,

_d

A_d = A^l _d·M_d

Ald:: eine intrinsische Aktivität einer vom Katalysatorkörper K_b bereitgestellten Aktivmasse,
Md:: die Masse der von den Katalysatorkörpern K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bereitgestellten Aktivmasse,
d:: einen Index, welcher aus p und q ausgewählt ist und den Katalysatorkörper K_d in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bezeichnet.

Der in den Rohren der Gruppe G_p und der in den Rohren der Gruppe G_q erzeugte Druckabfall und die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Gases wird dann gemäß einer Ausführungsform auf einen nahezu gleichen Wert eingestellt. Unter einem nahezu gleichen Wert wird ein Wert verstanden, der nicht mehr als 10 vorzugsweise nicht mehr als 5% vom Mittelwert (arithmetisches Mittel), gemessen über alle Rohre, abweicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also zunächst eine Reaktorvorrichtung mit zwei Gruppen von Rohren bereitgestellt. Die Rohre umfassen eine erste Gruppe G_m von Rohren, welche die Normalrohre umfassen. Die zweite Gruppe G_n von Rohren umfasst die Thermorohre. Bei der Beladung der Rohre mit den Katalysatorkörpern wird zunächst eine Gruppe von Rohren ausgewählt, also entweder die Gruppe G_m von Rohren, die zumindest ein Normalrohr umfasst, oder die zweite Gruppe G_n von Rohren, die zumindest ein mit einer Temperaturmessvorrichtung versehenes Thermorohr umfasst. Die ausgewählte Gruppe von Rohren bildet dann die Gruppe G_p und die andere Gruppe von Rohren bildet die Gruppe G_q im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bevorzugt werden zunächst die Normalrohre, also die erste Gruppe G_m von Rohren mit Katalysatorkörpern beladen. Es können dabei alle Rohre der Gruppe beladen werden. Bei dieser Ausführungsform würden also die Gruppe G_m von Rohren die Gruppe G_p gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bilden. Vorteilhaft wird jedoch in der Weise vorgegangen, dass zunächst wenigstens ein repräsentatives Rohr ausgewählt und dieses mit den entsprechenden Katalysatorkörpern beladen wird. Es wird dann eine Reaktionsstrecke S bestimmt und die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmtem Volumen des Rohrs bereitgestellte Katalysatoraktivität ermittelt. Dazu kann beispielsweise aus der Schüttdichte der Katalysatorkörper in dem betreffenden Rohr und dem Anteil der Aktivmasse am Katalysatorkörper die Masse der Aktivmasse berechnet werden, welche im betreffenden Abschnitt des Rohres bereitgestellt ist. Da die Rohre meist einen relativ kleinen Querschnitt aufweisen, wird die Schüttdichte vorteilhaft in dem Rohr selbst bestimmt, sodass Effekte, die durch die Anordnung der einzelnen Katalysatorkörper im Rohr bedingt sind, berücksichtigt werden. Aus der in dem betreffenden Volumenabschnitt zur Verfügung gestellten Aktivmasse lässt sich durch Multiplikation mit der entsprechenden intrinsischen Aktivität die Katalysatoraktivität A_p bestimmen. Ferner lässt sich aus der Länge der Reaktionsstrecke S und dem Radius des Rohres die entsprechende Fläche W_p berechnen.
Im nächsten Schritt wird dann die Katalysatoraktivität A_q bestimmt, welche in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Abschnitt in den Rohren der jeweils anderen Gruppe bereitgestellt werden muss. Für eine erste Berechnung wird dazu der Korrekturfaktor a auf den Wert 1 gesetzt. Über die intrinsische Aktivität der in diesem Rohr verwendeten Aktivmasse kann dann die Menge an Aktivmasse berechnet werden, die im entsprechenden Abschnitt des Rohres eingebracht werden soll, sodass die oben genannte Gleichung erfüllt ist. Diese Aktivmasse wird dann über die entsprechenden Katalysatorkörper in das Rohr eingebracht. Die Katalysatorkörper werden dazu in der Weise ausgewählt, dass zumindest der durch die Reaktionsstrecke S bestimmte Volumenabschnitt des entsprechenden Rohres gefüllt ist.
Werden in einer Ausführungsform beispielsweise Schalenkatalysatoren in dem Rohr verwendet, kann zunächst mit Hilfe von nicht aktiven Katalysatorkörpern, beispielsweise den Trägerkörpern selbst oder indem die Trägerkörper beispielsweise mit einer definierten Schicht einer Masse beschichtet werden, die eine vergleichbare Dichte wie das Aktivmaterial aufweist, eine Schüttdichte der Katalysatorkörper ermittelt werden. Aus dieser Schüttdichte kann dann zusammen mit der berechneten Menge an Aktivmasse ein Katalysatorkörper ermittelt werden, welcher die erforderliche Menge an Aktivmasse enthält, die zur Bereitstellung der gewünschten Katalysatoraktivität erforderlich ist. Die Schüttdichte wird auch in diesem Fall vorteilhaft direkt in dem entsprechenden Rohr ermittelt, um Effekte zu berücksichtigen, die durch den geringen Querschnitt der Rohre bei der Anordnung der Katalysatorkörper verursacht werden.
Die auf diese Weise ermittelten und bereitgestellten Katalysatorkörper werden nach ihrer Herstellung in das entsprechende Rohr eingefüllt.
Da bei der technischen Ausführung durch Schwankungen, beispielsweise im Querschnitt der Rohre oder der Form der Katalysatorkörper oder auch durch Schwankungen der Schüttdichte der Katalysatorkörper Abweichungen vom idealen Zustand erzeugt werden, wird bei der Umsetzung im technischen Maßstab der an der fertigen Reaktorvorrichtung ermittelte Korrekturfaktor a meist nicht mehr dem Wert 1 entsprechen, sondern von diesem geringfügig abweichen. Eine zufriedenstellende Abbildung des Temperaturprofils im Normalrohr im Thermorohr ist nach den Erfahrungen der Erfinder jedoch möglich, wenn der Wert des Korrekturfaktors a in einem Bereich von 0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,9 bis 1,1 liegt.
Nach der Befüllung der Rohre wird gemäß einer Ausführungsform für jedes einzelne Rohr der Druckabfall und/oder die modifizierte Verweilzeit τ_mod bestimmt, indem vorzugsweise jeweils ein inerter Gasstrom durch das betreffende Rohr geleitet wird. Nach den Erfahrungen der Erfinder werden für eine technische Ausführung zufriedenstellende Werte erreicht, wenn die Einstellung des Druckabfalls bzw. der modifizierten Verweilzeit τ_mod vereinfacht bei Raumtemperatur mit einem Inertgas vorgenommen wird. An sich könnte die Einstellung auch beispielsweise bei Reaktionsbedingungen vorgenommen werden. Dies ist jedoch in der technischen Ausführung schwierig.
Durch die bereits erläuterten Abweichungen vom idealen Zustand, die bei der Umsetzung in technischen Anlagen unvermeidlich sind, schwanken der Druckabfall und die modifizierte Verweilzeit τ_mod auch zwischen Rohren innerhalb der gleichen Gruppe. Die Bestimmung des Druckabfalls sowie der modifizierten Verweilzeit τ_mod erfolgt daher bevorzugt für jedes einzelne Rohr gesondert.
Der Druckabfall und die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Gases wird bevorzugt mit einem Inertgas bestimmt, beispielsweise Luft. Die Korrektur der Parameter wird dann in üblicher Weise durchgeführt. Um den Druckabfall innerhalb eines Rohres zu erniedrigen, kann beispielsweise die Säulenlänge der Schüttung der Katalysatorkörper verkürzt werden. Diese Verkürzung der Katalysatorschüttung wird vorzugsweise an der Gasaustrittsseite durchgeführt, also bei mehrlagigen Katalysatoranordnungen bevorzugt durch Kürzen der dem Gasaustritt am Nächsten angeordneten Schicht von Katalysatorkörpern. Der gekürzte Abschnitt kann dann beispielsweise durch eine entsprechende Stützvorrichtung ersetzt werden, die einen sehr geringen Druckabfall erzeugt. Um den Druckabfall innerhalb einer Säule zu erhöhen, kann in der Säule ein Abschnitt vorgesehen werden, welcher mit, vorzugsweise inerten, Körpern befüllt ist, welche einen hohen Druckabfall erzeugen. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Sand. Dieses inerte Material wird vorzugsweise ebenfalls auf der Gasaustrittsseite der im Rohr angeordneten Schüttung aus Katalysatorkörpern angeordnet. Dazu kann bei der praktischen Durchführung zunächst der Druckabfall bestimmt werden, welcher durch die Beschickung des Rohrs mit der gewünschten Menge an Katalysatorkörpern erzeugt wird. Daraus lässt sich eine Differenz zum gewünschten Druckabfall errechnen, woraus wiederum die Menge an Inertkörpern, beispielsweise Sand, die erforderlich ist, um den gewünschten Druckabfall einzustellen, berechnet werden kann. Wird das Rohr beispielsweise während des Betriebes von oben nach unten vom Reaktionsgas durchströmt, werden die in dem Rohr eingefüllten Katalysatorkörper zunächst wieder entfernt und dann zunächst auf der Gasaustrittsseite die entsprechende Schicht aus dem Inertmaterial eingefüllt. Auf diese Schicht zur Korrektur des Druckabfalls werden dann anschließend wieder die zuvor entfernten Katalysatorkörper aufgebracht.
Andere Verfahren, um den Druckabfall der Rohre anzugleichen, sind ebenfalls möglich. So können beispielsweise Katalysatorkörper einer bestimmten Geometrie verwendet werden, um einen gewünschten Druckabfall zu erreichen.
Bei der Befüllung der Rohre des Reaktors wird vorzugsweise so vorgegangen, dass auf der Gaseintrittsseite die Katalysatorschüttung in allen Rohren relativ zum Reaktorgehäuse in etwa das gleiche Niveau erreicht, sodass für alle Rohre ein vergleichbares Temperaturprofil bei der Durchführung der betreffenden Reaktion erreicht wird. Eine Höhenanpassung kann gegebenenfalls durch das Vorsehen von Stützkörpern erreicht werden, die auf der Gasaustrittsseite bzw. dem unteren Abschnitt des Rohrs angeordnet werden, wobei diese Korrekturkörper nur einen sehr geringen Druckabfall erzeugen.
Legt man gemäß einer Ausführungsform eine Ebene durch die Rohre, welche dem Mittelwert der Abweichungen von der Füllhöhe entspricht, so beträgt der Abstand zwischen der Ebene und dem oberen Abschluss der Schüttung eines Rohres vorzugsweise nicht mehr als ±5 cm, gemäß einer weiteren Ausführungsform nicht mehr als ±2 cm und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform nicht mehr als ±1 cm.
Die modifizierte Verweilzeit τ_mod des Gases wird in der oben beschriebenen Weise eingestellt, indem Katalysatorkörper zum Katalysatorbett hinzugefügt oder aus diesem entnommen werden.
Sofern dies erforderlich ist, kann der Reaktor nach dem Befüllen noch einer Aktivierungsbehandlung unterzogen werden, während welcher der Katalysator in die aktive Form überführt wird, indem beispielsweise Bindemittel abgebrannt und ggf. Vorläuferverbindungen von Komponenten der Aktivmasse, beispielsweise Carbonate, Hydroxide oder Nitrate, in die entsprechenden Oxide überführt werden.
Wie bereits erläutert, müssen die Aktivmassen, welche von den Katalysatorkörpern im Normalrohr bzw. im Thermorohr zur Verfügung gestellt werden, nicht gleich sein. Die Aktivmassen können unterschiedliche intrinsische Aktivitäten Aⁱ aufweisen, aus welchen sich dann die benötigte Mengen an Aktivmasse im durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Abschnitt des betreffenden Rohrs berechnet werden können.
Um die Katalysatoraktivität verändern zu können, können an sich übliche Maßnahmen ergriffen werden, wie sie bereits oben beschrieben wurden. So kann die Zusammensetzung der Aktivmasse verändert werden, sodass die Aktivmassen im Normalrohr bzw. Thermorohr eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Dazu können beispielsweise Promotoren oder Moderatoren der Aktivmasse zugegeben werden. Auch ist es beispielsweise möglich, die BET-Oberfläche oder das Porenvolumen der Aktivmasse zu verändern, um auf diese Weise unterschiedliche intrinsische Aktivitäten für die in den beiden Gruppen von Rohren verwendeten Katalysatoren zu erhalten. Ggf. können die Katalysatorkörper in einer Gruppe von Rohren auch „verdünnt” werden, indem der Schüttung Inertkörper zugesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sowohl in den Normalrohren als auch in den Thermorohren die gleiche Aktivmasse verwendet wird. Dies vereinfacht es, den Temperaturverlauf im Normalrohr über einen längeren Zeitraum hinweg im Thermorohr abzubilden, sodass beispielsweise auch nach einer längeren Betriebszeit des Reaktors genauere Angaben über den Zustand der Normalrohre gegeben werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise auch Alterungsprozesse im Reaktor verfolgt werden können. Wenn sich die Aktivmassen im Normalrohr und Thermorohr in ihrer Zusammensetzung oder ihren physikalischen Eigenschaften deutlich unterscheiden, kann dies dazu führen, dass die entsprechenden Aktivmassen unterschiedlich rasch altern, sodass bei längerer Betriebszeit eine Diskrepanz zwischen dem Temperaturprofil, wie es im Thermorohr gemessen wird, und dem Temperaturprofil des Normalrohrs auftritt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Aktivität der Katalysatorkörper K_q durch eine Anpassung der Menge der in dem Katalysatorkörper K_q bereitgestellten Aktivmasse eingestellt wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem bei der Verwendung von Schalenkatalysatoren die Menge an Aktivmasse, welche in der Schale des Schalenkatalysators enthalten ist, entsprechend angepasst wird und beispielsweise die Schichtdicke der Schale erhöht wird. Bei Vollkatalysatoren kann zum Beispiel in der Weise vorgegangen werden, dass einer der Katalysatorkörper, welche in das Normalrohr bzw. das Thermorohr eingefüllt werden, mit Hilfe eines inerten Füllmaterials entsprechend verdünnt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in der Weise vorgegangen, dass die Aktivität der Katalysatorkörper K_q durch eine Anpassung der Form der Katalysatorkörper K_q eingestellt wird. Bei dieser Ausführungsform weisen die Katalysatorkörper in den Normalrohren im Vergleich zu den Katalysatorkörpern in den Thermorohren also eine unterschiedliche Geometrie auf. Auf diese Weise lässt sich zum Einen die Schüttdichte der Katalysatorkörper und damit die eingebrachte Menge an Aktivmasse verändern. Zum Anderen weisen kleinere Katalysatorkörper eine höhere spezifische Oberfläche auf, sodass sich eine größere Menge an Aktivmasse auf die Katalysatorkörper aufbringen lässt.
Eine Anpassung der Form der Katalysatorkörper K_q kann beispielsweise erfolgen, indem in einem der Rohre beispielsweise Hohlzylinder verwendet werden, die eine größere Länge oder einen größeren Außen- oder Innendurchmesser aufweisen als die Katalysatorkörper, die im anderen Rohr verwendet werden.
Beispielsweise können gemäß einer Ausführungsform in einem der Rohre hohlzylinderförmige Katalysatorkörper verwendet werden, welche Abmessungen von 8 × 6 × 5 mm aufweisen, während in der anderen Gruppe von Rohren Hohlzylinder mit Abmessungen von 8 × 6 × 5, 7 × 7 × 4, 6 × 5 × 4 oder 7 × 4 × 4 mm verwendet werden (Außendurchmesser × Länge × Innendurchmesser).
Es lassen sich auch bestehende Anlagen so umrüsten, dass eine erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung erhalten wird. Bei dieser Ausführungsform wird die mit gebrauchten Katalysatorkörpern beladene Reaktorvorrichtung zunächst entladen, das heißt, die gebrauchten Katalysatorkörper werden zunächst aus den Rohren der Gruppe G_p und den Rohren der Gruppe G_q entnommen. Anschließend wird die Reaktorvorrichtung erneut mit Katalysatorkörpern beladen, wobei in der oben geschilderten Weise vorgegangen wird.
Wird die Reaktorvorrichtung für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin verwendet, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in der im Folgenden geschilderten Weise vorgegangen werden.
Bei einer Verwendung der Reaktorvorrichtung für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin wird als Katalysatorkörper vorzugsweise ein Schalenkatalysator verwendet. Als Trägerkörper werden bevorzugt Hohlzylinder aus einem inerten Material verwendet, auf welchen eine Schicht aus dem Aktivmaterial aufgetragen wird. Als Aktivmaterial können übliche Aktivmaterialien für die Gasphasenoxidation von o-Xylol oder Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid verwendet werden. Bevorzugt wird eine Aktivmasse verwendet, deren Zusammensetzung bereits weiter oben beschrieben wurde.
Bei der Beschichtung der Trägerkörper mit der Aktivmasse werden übliche Verfahren angewandt. Dabei wird gemäß einer Ausführungsform zunächst eine Lösung bzw. Suspension der im Aktivmaterial verwendeten Verbindungen bzw. deren Vorläuferverbindungen hergestellt. Unter Vorläuferverbindungen werden solche Verbindungen verstanden, die nach beispielsweise einer Kalzinierung in die entsprechenden katalytisch aktiven Verbindungen, insbesondere die Oxide umgewandelt werden können. Eine solche Suspension oder Lösung wird häufig auch als Maische bezeichnet. Als Lösungsmittel können bevorzugt Wasser, jedoch auch organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Alkohole verwendet werden. Diese Maische kann dann beispielsweise in einer beheizten Dragiertrommel oder im Wirbelbett auf die inerten Trägerkörper aufgetragen werden. Insbesondere bei einem Auftrag der Maische im Wirbelbett kann die Schichtdicke, mit welcher die Aktivmasse auf den inerten Trägerkörper aufgetragen wird, sehr genau bestimmt werden. Die Maische kann gegebenenfalls ein Bindemittel enthalten, sodass die Komponenten der Aktivmasse in einem festen Film auf dem inerten Trägerkörper gebunden werden können. Gängige Bindemittel sind beispielsweise organische Polymere, wie Copolymere aus Vinylacetat/Vinyllaurat, Vinylacetat/Ethylen oder Styrol/Acrylat, Vinylacetat/Maleat sowie Vinylacetat/Ethylen. Das verwendete Bindemittel wird in üblichen Mengen der katalytisch aktiven Masse zugegeben, beispielsweise in einem Anteil von etwa 0,5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt der katalytisch aktiven Masse. Neben dem Bindemittel können auch weitere übliche Komponenten in der Maische enthalten sein, beispielsweisen Porenbildner. Der mit den Komponenten der Aktivmasse beschichtete Trägerkörper kann dann in das entsprechende Rohr der Reaktionsvorrichtung eingefüllt werden. Dort kann das Bindemittel dann während der Aktivierung des Katalysators ausgebrannt werden. Die Einstellung des Druckabfalls bzw. der linearen Gasgeschwindigkeit erfolgt dann in der oben beschriebenen Weise. Ausgehend von der Befüllung der Rohre aus der einen Gruppe wird ein Katalysatorkörper für die Befüllung der anderen Gruppe von Rohren hergestellt, wobei in der oben beschriebenen Weise vorgegangen wird.
Bei der Verwendung der Reaktionsvorrichtung für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Partialoxidation von o-Xylol oder Naphthalin werden gemäß einer Ausführungsform Schüttungen von Katalysatorkörpern verwendet, die mehrere Schichten umfassen, wobei die Schichten eine unterschiedliche Katalysatoraktivität aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Katalysatoranordnung drei Schichten, wobei die zur Gaseintrittsseite hin gelegene Schicht die niedrigste Aktivität und zur Gasaustrittsseite hin gelegene Schicht die höchste Katalysatoraktivität aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Katalysatoranordnung wenigstens vier Schichten, wobei die zur Gaseintrittsseite hin gelegene Schicht eine höhere Aktivität aufweist als die nächste, zur Gasaustrittsseite hin gelegene Schicht.
Die Aktivmasse der Katalysatorkörper der einzelnen Schichten weist dabei eine Zusammensetzung auf, wie sie oben bereits beschrieben wurde. Die Anpassung der Aktivität kann erfolgen, indem eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um die Aktivität der Schicht gegenüber der in Gasrichtung zuvor angeordneten Schicht zu erhöhen:

– einen höheren Gehalt an Aktivmasse als in der in Strömungsrichtung zuvor angeordneten Schicht;
– eine höhere BET-Oberfläche;
– einen höheren Vanadiumgehalt;
– eine Erhöhung der Schüttdichte, beispielsweise durch Verwendung anderer Geometrien des Katalysatorkörpers;
– die Zugabe aktivitätssteigernder Promotoren bzw. die Erhöhung des Anteils des Promotors in der Aktivmasse; oder
– die Abwesenheit bzw. die Verringerung der Menge an aktivitätsdämpfenden Moderatoren.

Die Maßnahmen können einzeln oder auch in Kombination verwirklicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysatorkörpers der ersten Katalysatorschicht zwischen 5 und 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 3 Gew.-% Nb₂O₅, 0 bis 2 Gew.-% P. Der Rest der Aktivmasse besteht zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew.-%, insbesondere bevorzugt mindestens 99 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 99,5 Gew.-% und insbesondere 100 Gew.-% aus TiO₂. Nach einer Ausführungsform liegt dabei die BET-Oberfläche des TiO₂ zwischen 15 und 45 m²/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche erste Katalysatorschicht einen Längenanteil von 5 bis 25%, besonders bevorzugt 10 bis 25% an der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorschichten, das heißt der Gesamtlänge des vorhandenen Katalysatorbetts aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform enthält die Aktivmasse in der zweiten Katalysatorschicht zwischen 1 bis 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅ und 0 bis 2 Gew.-% P. Der Rest der Aktivmasse besteht aus TiO₂ in den bei der ersten Katalysatorschicht beschriebenen Anteilen. Die BET-Oberfläche des TiO₂ liegt bevorzugt zwischen 15 und 25 m²/g. Die zweite Katalysatorschicht umfasst einen Längenanteil von etwa 15 bis 60%, bevorzugt 20 bis 60%, weiter bevorzugt 20 bis 50% an der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorschichten.
Nach einer weiteren Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysators der dritten Katalysatorschicht 1 bis 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅ sowie 0 bis 2 Gew.-% P. Der Rest der Aktivmasse besteht im Wesentlichen aus TiO₂ in den bei der Beschreibung der ersten Katalysatorschicht wiedergegebenen Anteilen. Bevorzugt weist das in der Aktivmasse der dritten Katalysatorschicht verwendete TiO₂ eine BET-Oberfläche zwischen 15 und 25 m²/g auf. Weiterhin weist die dritte Katalysatorschicht bevorzugt einen Längenanteil von etwa 20 bis 50% der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorschichten auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind in den Rohren vier Schichten von Katalysatorkörpern vorgesehen, wobei die von den Katalysatorschichten bereitgestellte Aktivität bevorzugt von der Gaseintrittsseite zur Gasauntrittsseite hin zunimmt.
Die erste Katalysatorschicht, welche am nächsten zur Gaseintrittsseite gelegen ist, weist, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers, vorzugsweise einen Aktivmassegehalt zwischen 5 und 26 Gew.-%, bevorzugt zwischen etwa 7 und 15 Gew.-% auf. Die Aktivmasse enthält dabei bevorzugt zwischen 1 und 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅, 0 bis 2 Gew.-% P sowie den Rest auf 100 Gew.-% TiO₂. Die zweite Katalysatorschicht enthält, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers, bevorzugt einen Aktivmassegehalt zwischen 6 und 12 Gew.-%, bevorzugt zwischen 6 und 11 Gew.-%. Die Aktivmasse dieser Schicht enthält vorzugsweise zwischen 1 und 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅, 0 bis 2 Gew.-% P und den Rest auf 100 Gew.-% TiO₂. Die dritte Katalysatorschicht kann, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers, einen Aktivmassegehalt von 5 bis 11 Gew.-%, insbesondere 6 bis 10 Gew.-% aufweisen. Die Aktivmasse dieser Schicht enthält vorzugsweise 1 und 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅, 0 bis 2 Gew.-% P und den Rest auf 100 Gew.-% TiO₂. Die vierte Katalysatorlage weist, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers, einen Aktivmassegehalt zwischen etwa 7 und 25 Gew.-% auf. Die Aktivmasse der vierten Schicht enthält vorzugsweise 1 und 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅, 0 bis 2 Gew.-% P sowie den Rest auf 100 Gew.-% TiO₂.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysators der ersten Katalysatorlage zwischen 5 bis 16 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 5 Gew.-% Sb₂O₃, 0,2 bis 0,75 Gew.-% Cs, 0–1 Gew.-% P und 0 bis 3 Gew.-% Nb₂O₅. Der Rest der Aktivmasse besteht zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 99,5 Gew.-%, insbesondere 100 Gew.-% aus TiO₂. Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt dabei die BET-Oberfläche des TiO₂ zwischen 15 und etwa 45 m²/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche vorgeschaltete Katalysatorlage einen Längenanteil von 5–25%, besonders bevorzugt 10–25 % an der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen (Gesamtlänge des vorhandenen Katalysatorbettes) aufweist.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysators der zweiten Katalysatorlage zwischen 5 bis 15 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 5 Gew.-% Sb₂O₃, 0,2 bis 0,75 Gew.-% Cs, 0–1 Gew.-% P und 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅. Der Rest der Aktivmasse besteht zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 99,5 Gew.-%, insbesondere 100 Gew.-% aus TiO₂. Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt dabei die BET-Oberfläche des TiO₂ zwischen 15 und etwa 25 m²/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche zweite Katalysatorlage einen Längenanteil von etwa 15 bis 60%, insbesondere 20 bis 60% oder 20 bis 50% an der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen (Gesamtlänge des vorhandenen Katalysatorbettes) aufweist.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysators der dritten Katalysatorlage 5 bis 15 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 4 Gew.-% Sb₂O₃, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Cs, 0–1 Gew.-% P und 0 bis 2 Gew.-% Nb₂O₅ _. Der Rest der Aktivmasse besteht zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew-%, insbesondere mindestens 99 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 99,5 Gew-%, insbesondere 100 Gew-% aus TiO₂. Dabei wird bevorzugt, dass das TiO₂ eine BET-Oberfläche zwischen etwa 15 und 25 m²/g aufweist. Weiterhin wird bevorzugt, dass diese dritte Lage einen Längenanteil von etwa 10 bis 30% der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen einnimmt, insbesondere sofern sich an die dritte Lage noch mindestens eine weitere Katalysatorlage anschließt. Handelt es sich bei der dritten Lage um die letzte, also die dem Reaktorausgang am nächsten gelegene Lage, so ist ein Längenanteil für die dritte Lage von 20–50% bevorzugt.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die Aktivmasse des Katalysators der vierten Katalysatorlage 5 bis 25 Gew.-% V₂O₅, 0 bis 5 Gew.-% Sb₂O₃, 0 bis 0,2 Gew.-% Cs, 0–2 Gew.-% P und 0 bis 1 Gew.-% Nb₂O₅. Der Rest der Aktivmasse besteht zu mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew-%, insbesondere mindestens 99 Gew-%, weiter bevorzugt mindestens 99,5 Gew-%, insbesondere 100 Gew-% aus TiO₂. Soweit die vierte Lage die an der Gasaustrittseite des Reaktors gelegene (letzte) Katalysatorlage darstellt, wird dabei eine BET-Oberfläche des TiO₂ bevorzugt, die etwas höher liegt als diejenige der näher zur Gaseintrittsseite hin gelegenen Schichten, insbesondere im Bereich zwischen etwa 15 bis etwa 45 m²/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche vierte Katalysatorlage einen Längenanteil von etwa 10 bis 50%, insbesondere bevorzugt 10 bis 40% der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen einnimmt. Eine fünfte Katalysatorlage ist dann in der Regel nicht erforderlich, jedoch möglich.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Produkts, wobei zumindest ein gasförmiges Edukt einer Reaktorvorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, zugeführt wird. Das zumindest eine gasförmige Edukt wird an Katalysatorkörpern K_m, K_n, welche in der ersten und der zweiten Gruppe G_m, G_n von Rohren bereitgestellt werden, zu einem Produkt umgesetzt, wobei die Reaktionsbedingungen für die Umsetzung des zumindest einen Edukts zu dem zumindest einen Produkt so gewählt sind, dass in den Thermorohren der zweiten Gruppe G_n von Rohren eine bestimmte Temperatur bzw. ein bestimmter Temperaturgradient eingestellt ist.
Die oben beschriebene Reaktorvorrichtung eignet sich für eine Vielzahl von Umsetzungen, welche durch einen festen Katalysator katalysiert werden. Da die Temperatur bzw. das Temperaturprofil in den Normalrohren sehr gut in den Thermorohren abgebildet wird, kann das Temperaturprofil oder auch eine Temperatur an einer bestimmten Stelle des Thermorohrs dazu genutzt werden, um die Bedingungen in den Normalrohren mit hoher Genauigkeit einzustellen, also beispielsweise den Zustrom des zumindest einen Edukts, die Steuerung der durch ein Wärmeträgermedium den Rohren zugeführte bzw. aus diesen abgeführte Wärmemenge oder auch die Zugabe von Moderatoren zum Reaktionsgasstrom. Ferner kann auch die Alterung des Katalysators oder genauer der Aktivmasse beobachtet werden, sodass bei einer Verschlechterung des Umsatzes die Reaktionsbedingungen nachgeführt werden können, wobei ein neues Temperaturprofil in den Thermorohren und damit auch in den Normalrohren eingestellt wird.
Die Reaktionsbedingungen werden in an sich für die betreffende Reaktion üblichen Bereichen gewählt, wobei jedoch die Steuerung der Reaktion, also beispielsweise die Nachregelung des Reaktors bei einer Alterung der Aktivmasse, über das Temperaturprofil der Thermorohre erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Partialoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin in der Gasphase verwendet. Dabei wird allgemein ein gasförmiger Strom, der o-Xylol und/oder Naphthalin sowie molekularen Sauerstoff enthält, bei erhöhter Temperatur, insbesondere zwischen etwa 250 und 490°C, durch die Normalrohre bzw. Thermorohre geleitet. In den Rohren sind dabei vorzugsweise mehrere Schichten von Katalysatorkörpern angeordnet, insbesondere drei oder vier Schichten, wobei die Katalysatoraktivität der verschiedenen Schichten vorzugsweise unterschiedlich gewählt ist, insbesondere bevorzugt die Katalysatoraktivität in Strömungsrichtung des Gasstroms von Schicht zu Schicht zunimmt.
Die Beladung des Gasstroms mit o-Xylol oder Naphthalin wird dabei bevorzugt in einem Bereich von 40 bis 100 g/Nm³ Luft gewählt. Der Staudruck in den Rohren wird vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 5 bar_absolut, bevorzugt 1 bis 2 bar_absolut gewählt.
Der Druckabfall über die in den Rohren bereitgestellte Katalysatorschüttung liegt vorzugsweise im Bereich von 80 bis 600 mbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Reaktorvorrichtung zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid verwendet. Als Edukt wird dabei vorzugsweise Benzol oder Butan eingesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Reaktorvorrichtung dazu verwendet werden, um Vinylacetatmonomere durch Gasphasenoxidation von Ethylen in Gegenwart von Essigsäure herzustellen.
Ferner kann die Reaktorvorrichtung zur Herstellung von Ethylenoxid durch Partialoxidation von Ethylen eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann mit der erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung auch Acrolein oder Acrylsäure durch Partialoxidation von Propen hergestellt werden.
Die Reaktorvorrichtung eignet sich auch zur Herstellung von Methacrolein und Methacrylsäure durch Gasphasenoxidation von iso-Buten.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Reaktorvorrichtung zur Herstellung von Formaldehyd durch Gasphasenoxidation von Methanol eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine Kurve, bei welcher die bei einer bestimmten GHSV und einer bestimmten Temperatur ermittelte aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante A* der Aktivmasse gegen den o-Xylol-Umsatz aufgetragen ist.
Für die Bestimmung der Parameter des Katalysators wurden mit die folgenden Verfahren verwendet:
BET-Oberfläche
Die Bestimmung der spezifischen BET-Oberfläche und der Mesoporen erfolgt nach der BJH-Methode gemäß DIN 66134.
Porenradienverteilung/Porenvolumen
Die Bestimmung der Porenradienverteilung und des Porenvolumens erfolgte durch Quecksilberporosimetrie gemäß DIN 66133; maximaler Druck: 2000 bar, Porosimeter 4000 (Firma Porotec, DE), nach Angaben des Herstellers.
Partikelgrößen
Die Bestimmung der Partikelgrößen erfolgte durch Laserbeugung mit einem Fritsch Particle Sizer Analysette 22 Economy (Firma Fritsch, DE) nach den Angaben des Herstellers. Zur Probenvorbereitung wird die Probe in deionisiertem Wasser ohne Zusatz von Hilfsmitteln 5 Minuten durch Behandlung mit Ultraschall homogenisiert.
Die Bestimmung der BET-Oberfläche, der Porenradienverteilung bzw. des Porenvolumens sowie der Partikelgrößenverteilung erfolgte bei der Charakterisierung des Titandioxids jeweils an einem bei 150°C im Vakuum getrocknetem, uncalciniertem Material.
Der Aktivmasseanteil (Anteil der katalytisch aktiven Masse, ohne Bindemittel) bezieht sich jeweils auf den Anteil (Gew.-%) der katalytisch aktiven Masse am Gesamtgewicht des Katalysatorkörpers, einschließlich Trägerkörper in der jeweiligen Katalysatorlage, gemessen nach Konditionierung über 4 Stunden bei 400°C in Luft.
A) Bestimmung der intrinsischen Aktivität der Aktivmasse
a) Testreaktor
Für die Bestimmung der intrinsischen Aktivität des Katalysators wird ein Reaktionsrohr mit einer Länge von 120 cm und einem Innendurchmesser von 24,8 mm verwendet. Im Inneren des Reaktionsrohrs ist für die Temperaturmessung entlang der Längsachse ein Innenrohr angeordnet, das einen Außendurchmesser von 3 mm aufweist. In dem Innenrohr ist ein Temperatursensor angeordnet, welcher entlang der Längsachse verschoben werden kann, sodass über die ganze Länge des Reaktionsrohrs ein Temperaturprofil aufgenommen werden kann. Das Reaktionsrohr kann über eine Länge von 100 cm mit einem Wärmeträgermedium temperiert werden.
Am oberen Ende des Reaktionsrohrs kann über einen Masseflussregler ein definierter Luftstrom in das Reaktionsrohr eingespeist werden. Der Luftstrom passiert zunächst eine thermostatisierte Mischkammer, in welcher eine definierte Menge o-Xylol in den Luftstrom eingespritzt und mit diesem vermischt werden kann. Der Druckabfall wird durch jeweils am Anfang und am Ende des Reaktionsrohrs angeordnete Manometer überwacht.
In das Reaktionsrohr wird eine Katalysatorschüttung eingebracht, welche eine Länge von 80 cm aufweist. Die Katalysatorschüttung wird im isothermen Bereich des Reaktionsrohrs angeordnet.
b) Herstellung der Katalysatorkörper
Für die Herstellung der Katalysatorkörper werden 2000 g Hohlzylinder aus Steatit mit den Abmessungen 8 × 6 × 5 mm (Außendurchmesser × Länge × Innendurchmesser) verwendet. Diese Trägerkörper werden in einem Wirbelschichtcoater bei 70°C mit einer Maische der Aktivmasse beschichtet. Zur Herstellung der Maische wurden in 2000 g Wasser 17 g Vanadiumpentoxid, 7,03 g Antimontrioxid, 1,14 g Cäsiumsulfat, 1,7 g Ammoniumdihydrogenphosphat, 195,0 g Titanoxid mit einer BET-Oberfläche von 21 m²/g, sowie 130,5 g Bindemittel (50%-ige Dispersion von Vinylacetat/Ethylencopolymer in Wasser (Vinnapas^® EP 65 W, Airflex, DE)) suspendiert.
Der Katalysator wies einen Aktivmassenanteil von 8 Gew.-% auf, wobei die Aktivmasse eine Zusammensetzung von 7,5 Gew.-% Vanadiumpentoxid, 3,2 Gew.-% Antimontrioxid, 0,40 Gew.-% Cäsium (berechnet als Cäsium), 0,2 Gew.-% Phosphor und den Rest auf 100 Gew.-% Titanoxid aufwies.
c) Beschickung des Testreaktors
Die Katalysatorkörper werden im Massenverhältnis 17:1 (w/w) mit Steatit-Inertkörpern verdünnt. Als Inertkörper werden Hohlzylinder mit den Abmessungen 5 × 5 × 2,5 mm verwendet. Die Katalysatorkörper und die Inertkörper werden einzeln in den Innenraum des Reaktionsrohrs gegeben, sodass eine gleichmäßige Verteilung von Katalysatorkörpern und Inertkörpern im Reaktionsraum des Reaktionsrohrs erreicht wird.
d) Aktivierung der Katalysatoren
Zur Aktivierung wird der Luftstrom auf 400 Nl/h und das Wärmeträgermedium auf eine Temperatur von 420°C eingestellt. Der Reaktor wird dann für 60 h kaiziniert. An die Kalzinierung anschließend folgt eine Äquilibrierung des Katalysators bei einer Temperatur von 420°C und einer Gaszusammensetzung von 60 g/Nm³ o-Xylol (Reinheit 99,9%) und 400 Nl/h Luft für 48 Stunden.
e) Durchführung der Messung
Zur Ermittlung der Leistungsdaten werden nach der Äquilibrierung 60 g/Nm³ o-Xylol bei maximal 400 Nl/h Luft über den Katalysator geleitet, wobei eine auf die Katalysatormasse bezogene Raum-Zeit-Geschwindigkeit von 5 l/h × m_kat (GHSV₁), 10 1/h × m_kat(GHSV₂), bzw. 15 l/h × m_kat (GHSV₃) eingestellt wird. Die Reaktionstemperatur wird jeweils auf 420°C eingestellt. Nach der Einstellung neuer Reaktionsbedingungen wird der Reaktor für jeweils eine Stunde äquilibriert. Das Reaktionsgas wird nach dem Austritt aus dem Reaktionsrohr auf seine Bestandteile hin analysiert und der o-Xylol-Umsatz bei 420°C mittlere Katalysatortemperatur bestimmt.
Aus den gemessenen o-Xylol-Umsätzen wird dann die aktivmassenbezogene Aktivitätskonstante A* nach der bereits oben erläuterten Formel berechnet.
Die Menge der Aktivmasse m_Aktivmasse beträgt 1,5 g.
Der o-Xylol-Umsatz berechnet sich nach
Die ermittelten Umsätze und Aktivitätskonstanten sind zusammen mit den Reaktionsbedingungen in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: Werte zur Bestimmung der aktivmassenbezogenen Aktivität A* (T = 420°C)

GHSV (h^–1) T (°C) U_o-Xylol A* [l/h*g]

5 420 90 435

10 420 85 480

15 420 80 515
In 1 ist die aktivmassenbezogene Aktivität A* gegen den o-Xylol-Umsatz aufgetragen. Daraus ergibt sich bei einem o-Xylol-Umsatz von 85% eine intrinsische Aktivität Aⁱ von 480 [l/h*g].
B) Prüfung der Temperaturprofile an einer erfindungsgemäßen Reaktorvorrichtung
a) Testreaktor
Für die Durchführung der Versuche wird eine Anlage verwendet, welche mit einer Aufnahme für Rohre mit einem Durchmesser von 20 bis 30 mm versehen ist. In die Aufnahme können Rohre mit einer Länge von 4 m eingesetzt werden, wobei eine Strecke von 3,50 m mit einem Salzbad thermostatisiert werden kann. Als Normalrohre werden Rohre mit einem Innendurchmesser von 25 mm oder 21 mm verwendet. Um das Temperaturprofil in den Normalrohren bestimmen zu können, sind in den Normalrohren entlang der Längsachse Temperatursonden in einem bestimmten Abstand fest angeordnet. Der Platzbedarf dieser Temperatursonden ist minimal. Für die Durchführung der Beispiele wird daher für die Normalrohre der Außendurchmesser der Temperatursonden (Innenrohr) als „0” angenommen.
Als Thermorohre werden Rohre mit einem Innendurchmesser von 21, 25, 27 oder 29 mm verwendet, die mit einem Innenrohr mit einem Außendurchmesser von 3, 8 oder 10 mm versehen sind. Im Innenrohr ist jeweils eine in Längsrichtung des Innenrohrs verschiebbare Temperatursonde angeordnet. Die Maße der verwendeten Rohre sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Am Kopf der Rohre befindet sich ein Gaseinlass, über welchen mittels eines Massenflussreglers ein konstanter Gasstrom in die Rohre geleitet werden kann. Der Gasstrom passiert vor Eintritt in den Reaktor eine Mischstrecke, in welche o-Xylol eindosiert werden kann.
b) Herstellung der Katalysatorkörper für Normalrohre
Analog der oben beschriebenen Herstellung der Katalysatorkörper zur Bestimmung der intrinsischen Aktivität werden Testkörper mit einem Aktivmassegehalt von 8 Gew.-% (Normalrohr mit 25 mm Innendurchmesser) hergestellt. Als Trägerkörper werden ebenfalls Steatit-Hohlzylinder verwendet. Die Maße der Trägerkörper sowie der Aktivmassengehalt der Katalysatorkörper sind in Tabelle 2 angegeben.
c) Herstellung der Katalysatorkörper für Thermorohre
Auf der Grundlage der Schüttung in den Normalrohren wurden Katalysatorkörper für die Thermorohre hergestellt. Dabei wurden für die Trägerkörper die in Tabelle 2 angegebenen Aktivmassengehalte bestimmt.
d) Beschickung des Testreaktors

Die Normal- und Thermorohre des Testreaktors werden mit den in Tabelle 2 angegebenen Katalysatorkörpern gefüllt. Die Anpassung des Druckabfalls am Thermorohr erfolgt über die Auswahl der Geometrie der Katalysatorkörper sowie über die Länge der Schüttung. Bei zu hohem Druckabfall wird die Schüttung gekürzt, bei zu niedrigem Druckabfall erfolgt die Korrektur durch Vorlegen von Inertringen (5 × 5 × 2,5; A × L × I) bzw. durch Quarzsand. Die Schüttungslängen sowie der Druckabfall des betreffenden Rohrs sind ebenfalls in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2: Parameter des Testreaktors

Nr.	Rohrtyp	d_i/d_a (mm)	Träger (mm)	Aktivm./Körper (Gew.-%)	Aktivm/Fläche (g/cm²)	Druckverl. (mbar)	Länge Bett (mm)
1	Normal	25/0	8 × 6 × 5	8	0,041	99	3000
2	Thermo	29/10	8 × 6 × 5	7,3	0,040	91	3000*

d_i/d_a (mm):	Innendurchmesser des Außenrohrs/Außendurchmesser des Innenrohrs
Träger (mm):	Abmessungen des Hohlzylinders (Außendurchmesser × Länge × Innendurchmesser)
Aktivm./Körper: (Gew.-%)	Aktivmassegehalt bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers
Aktivm/Fläche: (g/cm²)	Aktivmassegehalt pro Rohrwandfläche
Druckverl. (mbar):	Druckverlust bei 3000 cm Schüttungslänge, lineare Gasgeschwindigkeit 4 Nm³/h, RT
Länge Bett:	Schüttungslänge der Katalysatorkörper im Rohr
*:	mit 5 bis 20 mm Sand am Gasauslass

e) vergleichende Temperaturmessung
Für die Temperaturmessung wird ein Luftstrom von oben nach unten durch das Thermo- bzw. das Normalrohr geleitet, wobei der Luftstrom auf eine Flussrate von 4 Nm³/h eingestellt ist. Der Luftstorm ist mit 30 bis 100 g/Nm³ o-Xylol beladen (Reinheit o-Xylol: > 99%). Der Gesamtdruck beträgt ca. 1450 mbar. Die Temperatur des Salzbades wird auf 352 bis 356°C eingestellt. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
f) Vergleichsbeispiel
Zum Vergleich wird eine Anpassung des Aktivmassengehalts in Normalrohr und Thermorohr analog zur Methode durchgeführt, wie sie in der EP 0 873 783 A beschrieben ist. Da im vorliegenden Fall jedoch keine Voll- sondern Schalenkatalysatoren verwendet werden, wird der Druckabfall durch eine Sandschicht eingestellt, die an der Gasauslassseite an die Schüttung der Katalysatorkörper anschließt.
Beim Vergleichsbeispiel wird das Verhältnis von Menge der Aktivmasse zur freien Querschnittsfläche für Normal- und Thermorohr auf den gleichen Wert eingestellt.
Für das Beispiel werden für das Normalrohr Steatit-Hohlzylinder mit den Abmessungen 8 × 6 × 5 mm verwendet, die einen Aktivmassengehalt von 8%, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers aufweisen. Für das Thermorohr werden Steatit-Hohlzylinder mit den Abmessungen 8 × 6 × 5 mm verwendet, die einen Aktivmassengehalt von 8%, bezogen auf das Gewicht des Katalysatorkörpers aufweisen.
Normalrohr:
Das Normalrohr wies ein Verhältnis der Menge an Aktivmasse zur freien Rohrquerschnittfläche von 1227 g Katalysator: 491 mm² = 2,50 auf. Der Druckabfall beim Testreaktor wurde bei einer Gasflussrate von 4 Nm³/h zu 99 mbar bestimmt, was eine lineare Gasgeschwindigkeit von 3,33 m/s und eine modifizierte Verweilzeit τ_mod von 2454 g/Nm³h ergab.
Thermorohr:
Bei etwa gleicher Füllhöhe der Katalysatorschüttung weist das Thermorohr ein Verhältnis von Menge der Aktivmasse zur freien Rohrquerschnittsfläche von 1552 g Katalysator: 582 mm² = 2,67 auf, wobei bei einer Gasflussrate von 4 Nm³/h ein Druckabfall im Testreaktor von 91 mbar gemessen wird. Dies entspricht einer linearen Gasgeschwindigkeit von 2,91 m/s und einer modifizierten Verweilzeit τ_mod von 2832 g/Nm³h.
Um das Verhältnis von Menge der Aktivmasse zur freien Rohrquerschnittsfläche auf den Wert des Normalrohrs von 2,50 einzustellen, wird nun das Thermorohr mit nur 1457 g Katalysator beschickt. Bei einer linearen Gasgeschwindigkeit von 4 Nm³/h wird dann ein Druckabfall im Testreaktor von 87 mbar gemessen. Um den Druckabfall auf 99 mbar einzustellen, wird auf der Gasaustrittsseite der Katalysatorschüttung Sand vorgelegt, was eine lineare Gasgeschwindigkeit von 2,89 m/s und eine modifizierte Verweilzeit τ_mod von 2914 h^–1 ergab.

Die mit der Vergleichsanordnung gemessenen Werte sind ebenfalls in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3: Versuchsergebnisse

Bsp.	Thermorohr				Normalrohr				Anp. Δp^a %	Gen. T-Mess. %
	T_Hotspot °C	Δp mbar	V_gas (lin) m/s	τ_mod g/Nm³h	T_Hotspot °C	Δp mbar	V_gas (lin) m/s	τ_mod g/Nm³h	Anp. Δp^a %	Gen. T-Mess. %
erf	441	91	2,91	2832	441	99	3,33	2454	6	100
Vgl	457	84^a	2,89	2914	441	99	3,33	2454	15^a	104

Δp: Druckabfall
v_gas (lin): lineare Gasgeschwindigkeit
Anp. Δp^a: Anpassung Druckabfall
Gen. T-Mess.: Genauigkeit der Temperaturmessung
^a: durch Vorlegen von Sand

g) Überprüfung der Gleichung zur Einstellung der Katalysatoraktivität
Zur Überprüfung der Gleichung sind im Weiteren die zu den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel durchgeführten Berechnungen exemplarisch ausgeführt.
Die Gleichung lautet:
wobei bedeutet:

AN:: die Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt im Normalrohr bereitgestellt wird,
AT:: die Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke bestimmten Volumenabschnitt im Thermorohr bereitgestellt wird,
WN:: die Innenfläche des Normalrohrs, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
WT:: die Innenfläche des Thermorohrs die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist,
a:: den Korrekturfaktor.

Die Aktivität A_N,T berechnet sich zu A_N,T = Aⁱ·M_N,T wobei bedeutet:

Ai:: die intrinsische Aktivität der Aktivmasse,
MN,T:: die Menge der von den Katalysatorkörpern in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Normal- bzw. Thermorohres bereitgestellten Aktivmasse.

Wie oben dargelegt, wurde die intrinsische Aktivität der Aktivmasse Aⁱ zu 480 [l/h*g] bestimmt.
Bestimmung des Korrekturfaktors a

Die Daten zur Überprüfung der Gleichung sind in Tabelle 4 noch einmal zusammengefasst. Tabelle 4: Daten zur Überprüfung des erfindungsgemäßen Beispiels

	Normalrohr	Thermorohr
d_innen, Außenrohr (mm)	25	29
d_außen, Innenrohr (mm)	0	10
Länge Schüttung (mm) (Reaktionsstrecke S)	3000	3000
Aktivgehalt/Kat.körper (Gew.-%)	8,0	7,0
Schüttdichte Kat.körper (kg/l)	0,84	0,91
Aktivmasse/Rohrwandfläche (g/cm²)	0,041	0,040
Aktivität A_N,T	47117	54382
Aktivität A_N,T/Rohrwandfläche (A_N,T/cm²)	20,0	19,9

Damit ergibt sich a zu 0,99
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0014127 A1 [0007]
EP 1484299 [0009]
EP 0873783 A1 [0010, 0010]
DE 2338111 C2 [0085]
EP 0873783 A [0171]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 66134 [0146]
DIN 66133 [0147]

Claims

Reaktorvorrichtung mit zumindest einer ersten Gruppe G_m von Rohren, die zumindest ein Normalrohr umfasst, welches mit Katalysatorkörpern K_m gefüllt ist, und einer zweiten Gruppe G_n von Rohren, die zumindest ein mit einer Temperaturmessvorrichtung versehenes Thermorohr umfasst, welches mit Katalysatorkörpern K_n gefüllt ist, wobei die Katalysatorkörper K_m, K_n jeweils in einem sich in Längsrichtung der Rohre entlang einer Reaktionsstrecke S erstreckenden Volumenabschnitt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass gilt:
wobei bedeutet: A_m: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der ersten Gruppe G_m bereitgestellt wird, A_n: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der zweiten Gruppe G_n bereitgestellt wird, W_m: eine Innenfläche des Rohrs aus der ersten Gruppe G_m, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist, W_n: eine Innenfläche des Rohrs aus der zweiten Gruppe G_n, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist, a: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist, wobei sich die Katalysatoraktivität A_b berechnet nach A_b = Aⁱ _b·M_b wobei bedeutet: Aⁱ _b: eine intrinsische Aktivität einer vom Katalysatorkörper K_b bereitgestellten Aktivmasse, M_b: die Masse der von den Katalysatorkörpern K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bereitgestellten Aktivmasse, b: einen Index, welcher aus n und m ausgewählt ist und den Katalysatorkörper K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bezeichnet.
Reaktorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre der ersten und der zweiten Gruppe G_m, G_n den im Wesentlichen gleichen Druckabfall und/oder die im Wesentlichen gleiche modifizierte Verweilzeit τ_mod aufweisen.
Reaktorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung als entlang der Längsachse des Thermorohrs angeordnetes Rohr ausgebildet ist, in welchem zumindest ein Temperaturfühler angeordnet ist.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkörper K_m, K_n in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt eine homogene Schüttung ausbilden.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt jeweils eine homogene Gestalt aufweisen.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Aktivmasse in den Rohren der Gruppe G_m und den Rohren der Gruppe G_n eine gleiche Zusammensetzung aufweist und ferner gilt:
wobei bedeutet: M_m: die Masse der Aktivmasse, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der ersten Gruppe G_m bereitgestellt wird, M_n: die Masse der Aktivmasse, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in dem Rohr aus der zweiten Gruppe G_n bereitgestellt wird, W_m: eine Innenfläche des Rohrs aus der ersten Gruppe G_m, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist, W_n: eine Innenfläche des Rohrs aus der zweiten Gruppe G_n, die durch die Reaktionsstrecke S bestimmt ist, a: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkörper K_m und die Katalysatorkörper K_n als Trägerkatalysatoren mit einer Schicht aus der Aktivmasse ausgebildet sind.
Reaktorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmasse der Katalysatorkörper K_m, K_n eine gleiche Zusammensetzung aufweist und Aktivität A_b durch die Schichtdicke der auf dem Trägerkatalysator aufgetragenen Aktivmasse bestimmt ist.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkörper K_m, K_n eine unterschiedliche Geometrie aufweisen.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohren der ersten Gruppe G_m und in den Rohren der zweiten Gruppe G_n mehr als eine Reaktionsstrecke S vorgesehen ist, wobei die Reaktionsstrecken S jeweils Volumenabschnitte in den Rohren definieren, und in den Volumenabschnitten unterschiedliche Katalysatorkörper K_m, K_n angeordnet sind.
Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schicht aus Inertkörpern zur Einstellung des Druckabfalls und der linearen Gasgeschwindigkeit vorgesehen ist.
Verfahren zur Bereitstellung einer Reaktorvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, mit zumindest einer ersten Gruppe G_m von Rohren, die zumindest ein Normalrohr umfasst, und einer zweiten Gruppe G_n von Rohren, die zumindest ein mit einer Temperaturmessvorrichtung versehenes Thermorohr umfasst, wobei in einer Gruppe G_p von Rohren, die aus der ersten Gruppe G_m oder der zweiten Gruppe G_n von Rohren ausgewählt ist, Katalysatorkörper K_p eingefüllt werden, sodass zumindest ein durch eine Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt des Rohrs mit den Katalysatorkörpern K_p gefüllt ist, in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt des Rohrs aus der Gruppe G_p eine Katalysatoraktivität A_p bestimmt wird, in einer Gruppe G_q von Rohren, die nicht der Gruppe G_p angehören, Katalysatorkörper K_q eingefüllt werden, wobei die Katalysatorkörper K_q eine Aktivität aufweisen, dass in einem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt des Rohrs aus der Gruppe G_q eine Katalysatoraktivität A_q erhalten wird, wobei gilt:
wobei bedeutet: A_p: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in einem Rohr aus der Gruppe G_p bereitgestellt wird, A_q: eine Katalysatoraktivität, die in dem durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt in einem Rohr aus der Gruppe G_q bereitgestellt wird, W_p: eine Innenfläche des Rohrs aus der Gruppe G_p, die durch den durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt bestimmt ist, W_q: eine Innenfläche des Rohrs aus der Gruppe G_q, die durch den durch die Reaktionsstrecke S bestimmten Volumenabschnitt bestimmt ist, a: einen Korrekturfaktor, der im Bereich von 0,8 bis 1,2 gewählt ist, wobei sich die Katalysatoraktivität A_d berechnet nach A_d = A^l _d·M_d wobei bedeutet: A^l _d: eine intrinsische Aktivität einer vom Katalysatorkörper Kb bereitgestellten Aktivmasse, M_d: die Masse der von den Katalysatorkörpern K_b in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bereitgestellten Aktivmasse, d: einen Index, welcher aus p und q ausgewählt ist und den Katalysatorkörper K_d in dem durch die Reaktionsstrecke S definierten Volumenabschnitt des Rohres bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in den Rohren der Gruppe G_p und der in den Rohren der Gruppe G_q erzeugte Druckabfall und/oder die modifizierte Verweilzeit τ_mod auf einen im Wesentlichen gleichen Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Aktivität der Katalysatorkörper K_q durch eine Anpassung der Menge der in dem Katalysatorkörper K_q bereitgestellten Aktivmasse eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Aktivität der Katalysatorkörper K_q durch eine Anpassung der Form der Katalysatorkörper K_q eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Reaktorvorrichtung mit gebrauchten Katalysatorkörpern beladen ist und die gebrauchten Katalysatorkörper zunächst aus den Rohren der Gruppe G_p und den Rohren der Gruppe G_q entnommen werden.
Verfahren zur Herstellung zumindest eines Produkts, wobei zumindest ein gasförmiges Edukt einer Reaktorvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11 zugeführt wird, das zumindest eine gasförmige Edukt an in der ersten und der zweiten Gruppe G_m, G_n von Rohren bereitgestellten Katalysatorkörpern K_m, K_n zu einem Produkt umgesetzt wird, wobei die Reaktionsbedingungen für die Umsetzung des zumindest einen Edukts zu dem zumindest einen Produkt so gewählt sind, dass in den Thermorohren der zweiten Gruppe G_n von Rohren eine bestimmte Temperatur oder ein bestimmter Temperaturgradient eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Edukt ausgewählt ist aus der Gruppe von o-Xylol und Naphthalin und das Produkt Phthalsäureanhydrid ist.