DE102013000648A1 - Providing reactor system for preparing phthalic anhydride, involves performing gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons at catalyst, and providing a tube bundle reactor with a number of tubes having diameter, tube length and tube wall - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Reaktorsystems zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe an zumindest einem Katalysator aus einem vanadiumhaltigen Aktivmaterial.The invention relates to a process for providing a reactor system for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons on at least one catalyst of a vanadium-containing active material.
Die großtechnische Produktion von Phthalsäureanhydrid erfolgt durch katalytische Gasphasenoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin. Zu diesem Zweck wird ein für die Reaktion geeigneter Katalysator, im Allgemeinen ein vanadiumhaltiger Kontakt, in einem Reaktor bereitgestellt und ein Reaktionsgas über den Katalysator geleitet. Vorzugsweise verwendet man als Reaktoren sogenannte Rohrbündelreaktoren, in denen eine Vielzahl von Rohren parallel angeordnet ist, die von einem Kühlmittel umströmt werden. Als Kühlmittel verwendet man im Allgemeinen eine Salzschmelze, beispielsweise ein eutektisches Gemisch aus NaNO2 und KNO3.The large-scale production of phthalic anhydride is carried out by catalytic gas phase oxidation of o-xylene and / or naphthalene. For this purpose, a catalyst suitable for the reaction, generally a vanadium-containing contact, is provided in a reactor and a reaction gas passed over the catalyst. Preference is given to using, as reactors, so-called tube bundle reactors, in which a multiplicity of tubes is arranged in parallel, around which a coolant flows. The coolant used is generally a molten salt, for example a eutectic mixture of NaNO 2 and KNO 3 .
Der Katalysator wird in Form von Katalysatorkörpern in die Rohre eingefüllt. Im einfachsten Fall verwendet man eine homogene Schüttung. Über die Schüttung wird dann ein Reaktionsgas geleitet, welches ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas, meist Luft, und dem zu oxidierenden Kohlenwasserstoff, meist o-Xylol oder Naphthalin, enthält.The catalyst is introduced into the tubes in the form of catalyst bodies. In the simplest case, use a homogeneous bed. About the bed then a reaction gas is passed, which contains a mixture of an oxygen-containing gas, usually air, and the hydrocarbon to be oxidized, usually o-xylene or naphthalene.
Die Oxidation des Kohlenwasserstoffs ist stark exotherm, sodass insbesondere im Bereich des Reaktoreingangs eine starke Wärmeentwicklung zu beobachten ist. Um eine hohe Produktivität des Reaktors zu erreichen, ist man dazu übergegangen, strukturierte Katalysatorschüttungen zu verwenden, wobei in den Rohren Lagen aus Katalysatoren unterschiedlicher Aktivität übereinander angeordnet sind.The oxidation of the hydrocarbon is highly exothermic, so that a strong heat development can be observed especially in the area of the reactor inlet. In order to achieve a high productivity of the reactor, it has begun to use structured catalyst beds, wherein in the tubes layers of catalysts of different activity are arranged one above the other.
Gegenwärtig werden meist dreilagige Katalysatorschüttungen verwendet, wobei auf der Seite des Reaktoreingangs eine Katalysatorlage mit relativ niedriger Aktivität angeordnet ist, auf welche dann Katalysatorlagen mit schrittweise erhöhter Aktivität folgen. Die Katalysatorlage mit der höchsten Aktivität ist also auf der Seite des Reaktorausgangs angeordnet. Solche Systeme sind beispielsweise aus der
In jüngerer Zeit ist man dazu übergegangen, Katalysatorsysteme mit vier oder mehr Lagen zu verwenden, wobei an der Reaktoreingangsseite zunächst eine relativ dünne Lage eines Katalysators höherer Aktivität angeordnet ist. An diese Lage höherer Aktivität schließt sich eine Lage mit niedrigerer Aktivität an, die von weiteren Lagen gefolgt wird, bei denen sich die Katalysatoraktivität wieder erhöht. Solche Katalysatorsysteme sind beispielsweise in der
Bei der Oxidation von o-Xylol oder Naphthalin entstehen neben dem Wertprodukt Phthalsäureanhydrid noch eine Reihe unerwünschter Nebenprodukte, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Benzoesäure, Maleinsäureanhydrid oder Citraconsäureanhydrid. Ferner kann das Wertprodukt noch durch Verbindungen verunreinigt sein, die durch unvollständige Umsetzung der Edukte entstehen. Beispiele solcher Zwischenprodukte sind o-Tolylaldehyd und Phthalid. Gewünscht wird eine möglichst hohe Selektivität der Oxidation zu Phthalsäureanhydrid bei möglichst geringen Anteilen von Nebenprodukten bzw. Zwischenprodukten im Endprodukt bei gleichzeitig hohem Umsatz des Ausgangsprodukts.In the oxidation of o-xylene or naphthalene in addition to the desired product phthalic anhydride still a number of undesirable by-products, such as carbon monoxide, carbon dioxide, benzoic acid, maleic anhydride or Citraconsäureanhydrid. Furthermore, the desired product may still be contaminated by compounds that result from incomplete reaction of the starting materials. Examples of such intermediates are o-tolualdehyde and phthalide. Desired is the highest possible selectivity of the oxidation to phthalic anhydride with the lowest possible levels of by-products or intermediates in the final product at the same time high conversion of the starting product.
Gegenwärtig werden molare Selektivitäten an Phthalsäureanhydrid von bis zu 81 mol-% erreicht. Um die Selektivität der Oxidation von o-Xylol bzw. Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid weiter zu erhöhen, können verschiedene Parameter des Katalysatorsystems variiert werden. So kann die Zusammensetzung des Katalysators variiert werden oder auch die Eigenschaften der Schüttung des Katalysators. Dazu kann beispielsweise die Anordnung und Länge der einzelnen Katalysatorlagen variiert werden.At present, molar selectivities of phthalic anhydride of up to 81 mole% are achieved. In order to further increase the selectivity of the oxidation of o-xylene or naphthalene to phthalic anhydride, various parameters of the catalyst system can be varied. Thus, the composition of the catalyst can be varied or the properties of the bed of the catalyst. For this purpose, for example, the arrangement and length of the individual catalyst layers can be varied.
Eine empirische Verbesserung des Katalysators oder der Katalysatorschüttung ist jedoch mit einem sehr hohen experimentellen Aufwand verbunden. Dies trifft insbesondere für Mehrlagensysteme zu, bei welchen die einzelnen Lagen des Systems optimiert und aufeinander abgestimmt werden müssen. Hier kann selbst bei hohem Zeitaufwand nur ein sehr grobes Bild vom Einfluss der einzelnen Parameter auf das gesamte System gewonnen werden.An empirical improvement of the catalyst or the catalyst bed, however, is associated with a very high experimental effort. This is especially true for multi-layer systems, in which the individual layers of the system must be optimized and matched. Here, even with a lot of time, only a very rough picture of the influence of the individual parameters on the entire system can be obtained.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Reaktorsystems zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe an zumindest einem vanadiumhaltigen Aktivmaterial bereitzustellen, das einfach durchzuführen ist und eine rasche Optimierung eines solchen Reaktorsystems ermöglicht.The invention therefore an object of the invention to provide a method for providing a reactor system for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons on at least one vanadium-containing active material, which is easy to perform and allows rapid optimization of such a reactor system.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Modell verwendet, welches auf der Basis einer Wärmebilanz der Katalysator- und der Gasphase, einer jeweils für die Gasphase und die Katalysatorphase aufgestellten Stoffbilanz sowie unter Berücksichtigung des Stofftransports im Katalysatorkörper und einer Reaktionskinetik für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe eine Aussage über den Einfluss der Veränderung der Aktivmassenbeladung Mm,n einer Lage Lm der Katalysatorphase bzw. der von einem Katalysator Am,n in der Lage Lm bereitgestellten Aktivmassenbeladung Mm,n auf einen Leistungsparameter, wie beispielsweise der Selektivität der Reaktion in Bezug auf Phthalsäureanhydrid, ermöglicht. Mit dem Modell kann die Aktivmassenbeladung Mm,n einer Katalysatorlage Lm, systematisch variiert und der Einfluss auf den einen Leistungsparameter systematisch erfasst werden. Auf diese Weise kann die Aktivmassenbeladung Mm,n einer Lage Lm der Katalysatorphase bzw. die durch den Katalysator Am,n in der Lage Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,n auf den Leistungsparameter hin optimiert werden. Die mit dem Modell ermittelte Katalysatorphase kann dann in einem Reaktor bereitgestellt werden, wodurch ein optimiertes Reaktorsystem zur Verfügung steht, welches beispielsweise eine verbesserte Selektivität in Bezug auf Phthalsäureanhydrid aufweist.In the method according to the invention, a model is used which is based on a heat balance of the catalyst and the gas phase, a respectively prepared for the gas phase and the catalyst phase material balance and taking into account the mass transport in the catalyst body and a reaction kinetics for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation aromatic Hydrocarbons a statement about the influence of the change of the active mass loading M m, n a layer L m of the catalyst phase or of a catalyst A m, n in the position L m provided active mass loading M m, n on a performance parameter, such as the selectivity of Reaction with respect to phthalic anhydride. With the model, the active mass loading M m, n of a catalyst layer L m , systematically varied and the influence on the one performance parameters are systematically recorded. In this way, the active mass loading M m, n of a layer L m of the catalyst phase or the active mass loading M m, n provided by the catalyst A m, n in the position L m can be optimized for the performance parameter. The catalyst phase determined with the model may then be provided in a reactor, thereby providing an optimized reactor system having, for example, improved selectivity to phthalic anhydride.
Die Erfindung ist daher gerichtet auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines Reaktorsystems zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe an zumindest einem Katalysator Am,n, umfassend Katalysatorkörper, welche ein vanadiumhaltiges Aktivmaterial enthalten, wobei:
- – ein Rohrbündelreaktor bereitgestellt wird,
- – mit einer Anzahl b von Rohren, welche
- – einen Durchmesser D, sowie
- – eine Rohrlänge L aufweisen; wobei die Rohre eine Rohrwand mit einer bestimmten Rohrwanddicke aufweisen, welche von einem Kühlmittel umströmt wird, welches eine mittlere Kühlmitteltemperatur TK aufweist;
- – in den Rohren eine zumindest eine Lage Lm umfassende Katalysatorphase bereitgestellt wird, wobei die Lage Lm einen Katalysator Am,n umfasst, wobei m einen ganzzahligen Wert zwischen 1 und der maximalen Anzahl der Lagen annimmt und n ein Index von 1 bis n ist, welcher einen bestimmten Katalysator kennzeichnet, und in der Lage Lm von dem Katalysator Am,n eine Aktivmassenbeladung Mm,n bereitgestellt wird; und
- – durch die Rohre ein eine Gasphase bildendes Reaktionsgas geleitet wird, welches zumindest eine Reaktionskomponente enthält;
- – ein Modell bereitgestellt wird, welches für den Rohrbündelreaktor für die Gasphase und die Katalysatorphase in den Rohren des Rohrbündelreaktors
- – eine Wärmebilanz und
- – jeweils für die Gasphase und die Katalysatorphase eine Stoffbilanz, sowie
- – einen Stofftransport im Katalysatorkörper, und
- – eine Reaktionskinetik für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe beschreibt;
- – Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors festgelegt werden, indem zumindest
- – ein bestimmter Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr;
- – eine bestimmte Konzentration der zumindest einen Reaktionskomponente im Reaktionsgas und
- – eine bestimmte mittlere Kühlmitteltemperatur Tk des Kühlmittels eingestellt werden;
- – ein Leistungsmerkmal bestimmt wird, welches Werte Wn annehmen kann;
- – mit dem Modell eine Differenz Δ ermittelt wird, indem
- a) einer Grenzdifferenz ΔG ein Wert zugewiesen wird;
- b) in der Lage Lm mit einem ersten Katalysator Am,1 eine erste Aktivmassenbeladung Mm,1 bereitgestellt und unter den Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors ein erster Wert W1 des Leistungsmerkmals bestimmt wird;
- c) die Aktivmassenbeladung der Lage Lm verändert wird, indem durch einen zweiten Katalysator Am,2 eine zweiten Aktivmassenbeladung Mm,2 in der Lage Lm bereitgestellt wird;
- d) mit dem Modell für den zweiten Katalysator Am,2 unter den Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors ein zweiter Wert W2 des Leistungsmerkmals bestimmt wird;
- e) der erste Wert W1 und der zweite Wert W2 verglichen und die Differenz Δ ermittelt wird; und die Schritte b bis e mit Katalysatoren Am,n solange wiederholt werden, bis die Differenz Δ dem Betrag nach die Grenzdifferenz ΔG unterschreitet;
- – ein aus der Grenzdifferenz ΔG ermittelter Katalysator Am,G bereitgestellt wird, und
- – in den Rohren des Reaktors die aus dem Katalysator Am,G gebildete zumindest eine Lage Lm der Katalysatorphase bereitgestellt wird.
- A tube bundle reactor is provided,
- With a number b of tubes, which
- - a diameter D, as well
- - Have a tube length L; wherein the tubes have a tube wall with a certain tube wall thickness, which is surrounded by a coolant, which has an average coolant temperature T K ;
- - In the tubes at least one layer L m comprehensive catalyst phase is provided, wherein the layer L m comprises a catalyst A m, n , where m takes an integer value between 1 and the maximum number of layers and n is an index of 1 to n which identifies a particular catalyst and in the position L m of the catalyst A m, n an active mass loading M m, n is provided; and
- - Passing through the tubes a gas phase forming reaction gas containing at least one reaction component;
- A model is provided which is suitable for the tube bundle reactor for the gas phase and the catalyst phase in the tubes of the tube bundle reactor
- - a heat balance and
- - in each case for the gas phase and the catalyst phase, a material balance, as well
- A mass transport in the catalyst body, and
- Describes a reaction kinetics for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons;
- - Operating conditions of the tube bundle reactor are set by at least
- A certain flow of the reaction gas per tube;
- A certain concentration of the at least one reaction component in the reaction gas and
- - Setting a certain average coolant temperature T k of the coolant;
- A feature is determined which can take values W n ;
- - With the model, a difference Δ is determined by
- a) is an intrinsic difference Δ G is assigned a value;
- b) in the position L m with a first catalyst A m, 1 a first active mass loading M m, 1 provided and under the operating conditions of the tube bundle reactor , a first value W 1 of the feature is determined;
- c) the active mass loading of the layer L m is changed by providing a second active mass loading M m, 2 in the layer L m by a second catalyst A m, 2 ;
- d) with the model for the second catalyst A m, 2 under the operating conditions of the tube bundle reactor, a second value W 2 of the feature is determined;
- e) the first value W 1 and the second value W 2 are compared and the difference Δ is determined; and the steps b to e with catalysts A m, n are repeated until the difference Δ in the amount below the limit difference Δ G ;
- - a value determined from the intrinsic difference Δ G Catalyst A m, G is provided, and
- - In the tubes of the reactor from the catalyst A m, G formed at least one layer L m of the catalyst phase is provided.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Rohrbündelreaktor bereitgestellt. Dabei können übliche Rohrbündelreaktoren verwendet werden, wie sie für die Phthalsäureanhydridherstellung bekannt sind. Derartige Rohrbündelreaktoren umfassen beispielsweise bis zu 20.000 Rohre die parallel zueinander in einem Kühlmittelraum angeordnet sind, welcher von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Es ist auch möglich, das Verfahren für einen Reaktor durchzuführen, welcher nur ein einzelnes Rohr umfasst. Für eine industrielle Anwendung wird die Anzahl b von Rohren bis zu 50.000, gemäß einer Ausführungsform bis zu 15.000 gewählt. Gemäß einer Ausführungsform wird die Anzahl der Rohre größer als 1.000 gewählt.In the method according to the invention, first a tube bundle reactor is provided. In this case, conventional tube bundle reactors can be used, as they are known for the Phthalsäureanhydridherstellung. Such tube bundle reactors comprise, for example, up to 20,000 tubes which are arranged parallel to one another in a coolant space through which a coolant can flow. It is also possible to carry out the process for a reactor comprising only a single tube. For an industrial application, the number b of tubes is chosen up to 50,000, according to one embodiment up to 15,000. According to one embodiment, the number of tubes is selected greater than 1,000.
Die Rohre weisen einen Durchmesser D auf, wobei hier auf den Innendurchmesser des Rohres Bezug genommen wird. Bevorzugt wird der Durchmesser D des Rohres im Bereich von 10 bis 50 mm, weiter bevorzugt 20 bis 40 mm gewählt. Die Rohre weisen eine Rohrlänge L auf, welche ebenfalls in üblichen Bereichen gewählt wird. Die Rohrlänge entspricht dabei der Länge des Rohres, welches mit der Katalysatorphase gefüllt ist. Abschnitte des Rohres, welche zur Einstellung des Drucks, zum Vorwärmen des Reaktionsgases oder zur Einstellung der Füllhöhe mit einem inerten Material gefüllt sind bzw. leer sind, werden bei der Ermittlung der Rohrlänge L nicht berücksichtigt. Sind mehrere Rohre in einem Reaktor angeordnet, werden jeweils die arithmetischen Mittelwerte des Rohrdurchmessers und der Rohrlänge herangezogen. Die Rohrlänge L wird bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 m, weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 5 m gewählt.The tubes have a diameter D, wherein reference is here made to the inner diameter of the tube. Preferably, the diameter D of the tube is selected in the range of 10 to 50 mm, more preferably 20 to 40 mm. The tubes have a tube length L, which is also selected in the usual ranges. The tube length corresponds to the length of the tube which is filled with the catalyst phase. Portions of the tube which are filled with an inert material for setting the pressure, for preheating the reaction gas or for adjusting the filling level or are empty, are not taken into account in determining the tube length L. If several tubes are arranged in a reactor, the arithmetic mean values of the tube diameter and the tube length are used in each case. The tube length L is preferably selected in the range of 1 to 10 m, more preferably in the range of 2 to 5 m.
Meist sind die Parameter Anzahl b von Rohren, Durchmesser D des Rohres und Rohrlänge L durch den bereits vorhandenen Reaktor vorgegeben, der mit dem Katalysator Am,n befüllt werden soll, beispielsweise als Ersatz für einen verbrauchten Katalysator.In most cases, the parameters number b of tubes, diameter D of the tube and tube length L are given by the already existing reactor which is to be filled with the catalyst A m, n , for example as a replacement for a spent catalyst.
Die Rohre sind in einem üblichen Abstand zueinander im Kühlmittelraum angeordnet. Der horizontale Abstand zwischen zwei Rohren kann beispielsweise 1 bis 5 cm, gemäß einer Ausführungsform 2 bis 4 cm betragen. Im Kühlmittelraum können übliche Einbauten vorgesehen sein, beispielsweise Ablenkbleche, um eine wirksame Durchmischung des Kühlmittels und damit eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten.The tubes are arranged at a standard distance from each other in the coolant space. The horizontal distance between two tubes may for example be 1 to 5 cm, according to one
Die Rohre weisen eine Rohrwand auf, welche die Katalysatorschüttung bzw. im Sinne der Erfindung die Katalysatorphase von dem die Rohre umgebenden Kühlmittel trennt und über welche ein Wärmetransport erfolgt, um die bei der Oxidation der aromatischen Kohlenwasserstoffe entstehende Wärme abzuführen. Die Rohre sind aus einem üblichen Material gefertigt, beispielsweise Stahl, und weisen eine bestimmte Rohrwanddicke auf, die im Bereich einer für solche Rohre üblichen Wandstärke, beispielsweise 1 bis 5 mm, gewählt ist. Über die Wand der Rohre ist ein Wärmeaustausch zwischen der im Inneren des Rohres angeordneten Katalysatorphase bzw. Gasphase und dem Kühlmittel, welches die Rohre umströmt, möglich. Als Kühlmittel werden übliche Kühlmittel eingesetzt, beispielsweise eine Salzschmelze, wie das bereits einleitend erwähnte Eutektikum aus NaNO2 und KNO3. Das Kühlmittel weist eine mittlere Kühlmitteltemperatur TK auf. An sich könnte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein ortsaufgelöster Temperaturverlauf des Kühlmittels herangezogen werden. Dies würde den Aufwand für die Durchführung des Verfahrens jedoch erheblich erhöhen. Als mittlere Kühlmitteltemperatur TK wird eine Temperatur verwendet, welche repräsentativ für die Kühlmitteltemperatur ist. Sie kann durch Mittelwertbildung aus einem oder mehreren Messpunkten ermittelt werden, die geeignet im Kühlmittelraum des Reaktors angeordnet sind. Die mittlere Kühlmitteltemperatur Tk kann beispielsweise ermittelt werden, indem die Temperatur des Kühlmittels in der Kühlmittelzufuhr und in der Kühlmittelabfuhr des Kühlmittelraums des Reaktors gemessen wird und daraus das arithmetische Mittel gebildet wird. Es ist aber auch möglich, mehrere Messpunkte im Reaktor vorzusehen, an denen jeweils die Temperatur des Kühlmittels gemessen wird, um aus diesen Werten dann beispielsweise das arithmetische Mittel zu bilden.The tubes have a tube wall which separates the catalyst bed or in the sense of the invention the catalyst phase from the coolant surrounding the tubes and via which a heat transfer takes place in order to dissipate the heat produced during the oxidation of the aromatic hydrocarbons. The tubes are made of a conventional material, such as steel, and have a certain pipe wall thickness, which is selected in the range of a conventional wall thickness for such pipes, for example 1 to 5 mm. A heat exchange between the catalyst phase or gas phase arranged in the interior of the tube and the coolant which flows around the tubes is possible via the wall of the tubes. The coolant used are customary coolants, for example a molten salt, such as the eutectic already mentioned in the introduction of NaNO 2 and KNO 3 . The coolant has an average coolant temperature T K. In itself, a spatially resolved temperature profile of the coolant could be used in the method according to the invention. However, this would considerably increase the effort required to carry out the process. As the mean coolant temperature T K , a temperature is used which is representative of the coolant temperature. It can be determined by averaging from one or more measuring points which are suitably arranged in the coolant space of the reactor. The mean coolant temperature T k can be determined, for example, by measuring the temperature of the coolant in the coolant supply and in the coolant discharge of the coolant space of the reactor and from this the arithmetic mean is formed. However, it is also possible to provide a plurality of measuring points in the reactor, at which the temperature of the coolant is measured in each case, in order then to form the arithmetic mean from these values, for example.
In den Rohren wird dann eine Katalysatorphase bereitgestellt. Die Katalysatorphase wird aus zumindest einer Lage Lm eines Katalysators Am,n gebildet. Die Lage Lm weist eine Aktivmassenbeladung Mm,n auf, die durch den Katalysator Am,n bereitgestellt wird.A catalyst phase is then provided in the tubes. The catalyst phase is formed from at least one layer L m of a catalyst A m, n . The layer L m has an active mass loading M m, n , which is provided by the catalyst A m, n .
Im einfachsten Fall wird die Katalysatorphase aus einer einzelnen Lage L1 des Katalysators A1,n gebildet.In the simplest case, the catalyst phase is formed from a single layer L 1 of the catalyst A 1, n .
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorphase zumindest zwei Lagen Lm von Katalysatoren Am,n. Bevorzugt wird die Katalysatorphase jedoch aus mehreren Lagen Lm gebildet, vorzugsweise zumindest drei Lagen Lm, gemäß einer weiteren Ausführungsform aus zumindest vier Lagen Lm gebildet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorphase weniger als 6 Lagen Lm, gemäß einer weiteren Ausführungsform weniger als 5 Lagen Lm. According to one embodiment, the catalyst phase comprises at least two layers L m of catalysts A m, n . However, the catalyst phase is preferably formed from a plurality of layers L m , preferably at least three layers L m , according to a further embodiment formed from at least four layers L m . According to one embodiment, the catalyst phase comprises less than 6 layers L m , according to a further embodiment less than 5 layers L m .
Gemäß einer Ausführungsform wird die Katalysatorphase aus genau drei Lagen Lm gebildet, gemäß einer weiteren Ausführungsform aus genau vier Lagen Lm. Der Index m nimmt entsprechend ganzzahlige Werte zwischen 1 und der maximalen Anzahl der Lagen an. Umfasst die Katalysatorphase drei Lagen, kann der Index m entsprechend die Werte 1, 2 und 3 annehmen, wobei jeder Wert eine Lage innerhalb der Katalysatorphase bezeichnet. Umfasst die Katalysatorphase vier Lagen, kann der Index m entsprechend die Werte 1, 2, 3 und 4 annehmen. Innerhalb einer Lage sind die Eigenschaften des Katalysators Am,n bevorzugt homogen, d. h. der Katalysator Am,n weist beispielsweise eine homogene Schüttung sowie eine konstante Zusammensetzung auf, sodass der Katalysator Am,n innerhalb einer Lage Lm eine innerhalb üblicher technischer Schwankungen homogene Aktivität bereitstellt.According to one embodiment, the catalyst phase is formed from exactly three layers L m , according to a further embodiment of exactly four layers L m . The index m correspondingly assumes integer values between 1 and the maximum number of layers. If the catalyst phase comprises three layers, the index m can assume the
Jede Lage Lm,n wird jeweils aus einem Katalysator Am,n gebildet, wobei m die oben definierten Werte annehmen kann und n einen Index darstellt, der Werte von 1 bis n annehmen kann und jeweils einen bestimmten Katalysator bezeichnet, welcher in der Lage Lm angeordnet ist. Durch den Katalysator Am,n wird in der Lage Lm eine Aktivmassenbeladung Mm,n bereitgestellt.Each layer L m, n is in each case formed from a catalyst A m, n , where m can assume the values defined above and n represents an index which can assume values from 1 to n and in each case denotes a specific catalyst which is capable L m is arranged. An active mass loading M m, n is provided by the catalyst A m, n in the position L m .
Der Katalysator Am,n umfasst Katalysatorkörper, welche ein vanadiumhaltiges Aktivmaterial enthalten. Gemäß einer Ausführungsform wird der Katalysator Am,n durch eine Schüttung von Katalysatorkörpern gebildet. Eine Schüttung von Katalysatorkörpern, welche innerhalb des Rohres eine bestimmte Ausdehnung in Längsrichtung des Rohres aufweist, bildet im Sinn der Erfindung eine Lage Lm. Zumindest eine Lage Lm, gemäß einer Ausführungsform mehrere Lagen Lm, bilden dann eine Katalysatorphase im Sinn der Erfindung.The catalyst A m, n comprises catalyst bodies which contain a vanadium-containing active material. According to one embodiment, the catalyst A m, n is formed by a bed of catalyst bodies. A bed of catalyst bodies, which has a certain extent in the longitudinal direction of the tube within the tube, forms a layer L m in the sense of the invention. At least one layer L m , according to one embodiment several layers L m , then form a catalyst phase in the sense of the invention.
Sofern die Katalysatorphase mehrere Lagen Lm umfasst, unterscheiden sich die Lagen Lm durch ihre Aktivmassenbeladung Mm,n, welche von den Katalysatoren Am,n bereitgestellt wird.If the catalyst phase comprises several layers L m , the layers L m differ by their active mass loading M m, n , which is provided by the catalysts A m, n .
Unter Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm wird die innerhalb der Lage Lm durch den Katalysators Am,n bereitgestellte Menge an Aktivmasse verstanden.Active mass loading M m, n of the layer L m is understood as meaning the amount of active mass provided by the catalyst A m, n within the layer L m .
Die Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm kann modifiziert werden, indem die Menge der von einem Katalysator Am,n bereitgestellten Aktivmasse verändert wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Katalysator mit verschiedenen Mengen eines Inertmaterials verdünnt wird.The active mass loading M m, n of the layer L m can be modified by changing the amount of active mass provided by a catalyst A m, n . This can be achieved, for example, by diluting the catalyst with various amounts of inert material.
Unter Aktivität des Katalysators Am,n wird die Fähigkeit des Katalysators Am,n verstanden, innerhalb eines definierten Volumens (= Bilanzraum), beispielsweise eines Reaktionsrohres definierter Länge und Innendurchmessers (z. B. 25 mm Innendurchmesser, 1 m Länge), bei vorgegebenen Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Konzentration, Verweilzeit) ein Edukt umzusetzen. Ein Katalysator hat demgemäß dann eine höhere Aktivität als ein anderer Katalysator, wenn er in diesem vorgegebenen Volumen und unter den jeweils gleichen Reaktionsbedingungen einen höheren Eduktumsatz erzielt. Im Falle von o-Xylol bzw. Naphthalin als Edukt bemisst sich die Katalysatoraktivität somit anhand der Höhe des Umsatzes von o-Xylol bzw. Naphthalin zu den Oxidationsprodukten.The activity of the catalyst A m, n is understood to mean the ability of the catalyst A m, n , within a defined volume (= balance space), for example of a reaction tube of defined length and inside diameter (eg 25 mm internal diameter, 1 m length) given reaction conditions (temperature, pressure, concentration, residence time) react an educt. A catalyst accordingly has a higher activity than another catalyst if it achieves a higher educt conversion in this given volume and under the same reaction conditions. In the case of o-xylene or naphthalene as starting material, the catalyst activity is thus measured on the basis of the amount of conversion of o-xylene or naphthalene to the oxidation products.
Die Lagen Lm können, gemessen in Längsrichtung, also in Strömungsrichtung der Gasphase, eine gleiche oder auch eine unterschiedliche Länge aufweisen.The layers L m can, measured in the longitudinal direction, ie in the flow direction of the gas phase, have the same or a different length.
Die Länge einer bestimmten Katalysatorlage Lm ist gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens konstant und wird daher bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht verändert.The length of a particular catalyst layer L m is constant according to one embodiment of the method and is therefore not changed in carrying out the method according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Katalysatorphase zumindest zwei Lagen Lm auf, gemäß einer Ausführungsform zumindest drei Lagen Lm und gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest vier Lagen Lm auf. Die Aktivmassenbeladung Mm,n der einzelnen Lagen Lm bzw. die vom Katalysator Am,n bereitgestellte Beladung Mm,n an Aktivmasse wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt.According to one embodiment, the catalyst phase has at least two layers L m , according to one embodiment at least three layers L m and according to a further embodiment at least four layers L m . The active mass loading M m, n of the individual layers L m or the charge M m, n of active mass provided by the catalyst A m, n is determined by the method according to the invention.
An sich wäre auch eine Schüttung des Katalysators möglich, bei der sich die Aktivität der Katalysatorphase kontinuierlich in Längsrichtung entlang der Reaktorachse verändert.In itself, a bed of catalyst would be possible in which the activity of the catalyst phase changes continuously in the longitudinal direction along the reactor axis.
Durch die Rohre wird dann ein eine Gasphase bildendes Reaktionsgas geleitet, welches zumindest eine Reaktionskomponente enthält. Unter einer Reaktionskomponente wird zunächst jede Verbindung verstanden, die während der Oxidation des Kohlenwasserstoffs, beispielsweise o-Xylol oder Naphthalin, auftritt, d. h. entsteht oder verbraucht wird. Through the tubes, a gas phase forming reaction gas is then passed, which contains at least one reaction component. A reaction component is first understood to mean any compound which occurs during the oxidation of the hydrocarbon, for example o-xylene or naphthalene, ie arises or is consumed.
Die Reaktionskomponente kann ein Ausgangsprodukt sein, also beispielsweise o-Xylol oder Naphthalin oder auch Sauerstoff, ein Zwischenprodukt, ein Nebenprodukt oder ein Endprodukt.The reaction component may be a starting product, for example, o-xylene or naphthalene or oxygen, an intermediate, a by-product or a final product.
Unter einem Zwischenprodukt wird eine Verbindung verstanden, die aus dem Ausgangsprodukt oder einem weiteren Zwischenprodukt gebildet wird und in Folge der Umsetzung, ggf. über weitere Zwischenprodukte, in das Endprodukt umgewandelt wird. Ein Zwischenprodukt ist beispielsweise o-Tolylaldehyd oder Phthalid.An intermediate is understood as meaning a compound which is formed from the starting product or a further intermediate and is converted into the end product as a result of the reaction, if appropriate via further intermediates. An intermediate is, for example, o-tolualdehyde or phthalide.
Unter einem Nebenprodukt wird eine Verbindung verstanden, welche aus dem Ausgangsprodukt oder einem Zwischenprodukt gebildet wird, die jedoch in der Folge der weiteren Umsetzung, ggf. über weitere Zwischen- oder Nebenprodukte, nicht in ein Endprodukt umgewandelt wird. Nebenprodukte enthalten meist weniger Kohlenstoffatome als das Endprodukt. Beispielhafte Nebenprodukte sind Maleinsäureanhydrid, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid.A by-product is understood as meaning a compound which is formed from the starting product or an intermediate, but which is not converted into an end product as a consequence of the further reaction, if appropriate via further intermediates or by-products. By-products usually contain fewer carbon atoms than the final product. Exemplary by-products are maleic anhydride, carbon dioxide or carbon monoxide.
Das Endprodukt entspricht Phthalsäureanhydrid.The final product corresponds to phthalic anhydride.
Weiter wird ein Modell bereitgestellt, welches für den Rohrbündelreaktor für die Gasphase und die Katalysatorphase in den Rohren des Rohrbündelreaktors
- – eine Wärmebilanz und
- – jeweils für die Gasphase und die Katalysatorphase eine Stoffbilanz, sowie
- – einen Stofftransport im Katalysatorkörper und
- – eine Reaktionskinetik für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe beschreibt.
- - a heat balance and
- - in each case for the gas phase and the catalyst phase, a material balance, as well
- - a mass transport in the catalyst body and
- - describes a reaction kinetics for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons.
Das Modell kann mit Hilfe von Messungen aufgestellt werden, die an einem Referenzreaktor durchgeführt werden und ersetzt letztlich die Durchführung von Messungen an einem zum Referenzreaktor unterschiedlichen Reaktorsystem. Das Modell ersetzt also eine ortsaufgelöste Messung von Temperatur und Stoffzusammensetzung an einem vom Referenzreaktor abweichenden Reaktorsystem. Dies wird erfindungsgemäß ermöglicht, da zusätzlich zur Wärme- und Stoffbilanz der Stofftransport im Katalysatorkörper sowie die Reaktionskinetik berücksichtigt wird.The model can be set up by means of measurements carried out on a reference reactor and ultimately replaces measurements on a reactor system different from the reference reactor. Thus, the model replaces a spatially resolved measurement of temperature and composition of matter on a reactor system other than the reference reactor. This is made possible according to the invention since, in addition to the heat and material balance, the mass transfer in the catalyst body and the reaction kinetics are taken into account.
Im Referenzreaktor werden ortsaufgelöst Temperaturen und Konzentrationen an Reaktionskomponenten gemessen. Die gemessenen Temperaturen ermöglichen die Aufstellung einer Wärmebilanz für den konkreten Zustand des Referenzreaktors. Die gemessenen Konzentrationen ermöglichen die Aufstellung der Stoffbilanz für diesen Zustand sowie der Reaktionskinetik für diesen Zustand. Die Parameter der Reaktionskinetik gehen sowohl in die Wärmebilanz als auch in die Stoffbilanz ein.In the reference reactor, spatially resolved temperatures and concentrations of reaction components are measured. The measured temperatures enable the preparation of a heat balance for the specific state of the reference reactor. The measured concentrations allow the preparation of the material balance for this state as well as the reaction kinetics for this state. The parameters of the reaction kinetics are included in the heat balance as well as in the material balance.
Dabei werden gemäß einer Ausführungsform für das Modell nur die Konzentration an Reaktionskomponenten berücksichtigt, die aus dem aromatischen Kohlenwasserstoff entstehen, nicht jedoch die Konzentration an Sauerstoff. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird für alle Teilreaktionen neben der Konzentration der an der Reaktion beteiligten Reaktionskomponenten ausschließlich der am Reaktoreingang dem Reaktionsgas hinzugefügte aromatische Kohlenwasserstoff, beispielsweise o-Xylol, berücksichtigt.In this case, according to one embodiment, only the concentration of reaction components which arise from the aromatic hydrocarbon, but not the concentration of oxygen, is taken into account for the model. According to a further embodiment, in addition to the concentration of the reaction components involved in the reaction, only the aromatic hydrocarbon added to the reaction gas at the reactor inlet, for example o-xylene, is considered for all partial reactions.
Ausgehend vom Datensatz des Referenzreaktors ist es mit dem Modell möglich, Aussagen über ortsaufgelöste Messungen der Temperatur und der Konzentration von Reaktionskomponenten zu treffen, also letztlich diese Messungen zu ersetzen. Darüber hinaus ist es möglich, bei einem Reaktor, der gleich oder unterschiedlich zum Referenzreaktor ist, die ortsaufgelöste Messung von Temperaturen und Konzentrationen, welche bei veränderten Betriebsbedingungen des Reaktors bewirkt werden, durch das Modell zu ersetzen.Based on the data set of the reference reactor, it is possible with the model to make statements about spatially resolved measurements of the temperature and the concentration of reaction components, ie ultimately to replace these measurements. Moreover, in the case of a reactor that is the same or different from the reference reactor, it is possible to replace the spatially resolved measurement of temperatures and concentrations which are effected under changed operating conditions of the reactor by the model.
Ausgehend von den am Referenzreaktor gemessenen Daten kann mit dem Modell also auf Zustände eines Reaktorsystems geschlossen werden, die sich in zumindest einem Parameter vom Referenzreaktor unterscheiden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist der zu optimierende Katalysatorparameter die durch den Katalysator Am,n in der Lage Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,n. Durch die Veränderung der Aktivmassenbeladung Mm,n wird eine Veränderung der Umsätze von Reaktionskomponenten bewirkt. Diese Veränderung von Umsätzen führt zu einer Veränderung von Stoff- und Wärmebilanz. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass durch die Berücksichtigung der Reaktionskinetik eine deutliche Verbesserung des Modells erreicht werden kann und eine wesentlich genauere Optimierung der Aktivmassenbeladung Mm,n möglich ist.Based on the data measured at the reference reactor, the model can therefore be used to refer to states of a reactor system that differ in at least one parameter from the reference reactor. In the process according to the invention, the catalyst parameter to be optimized is the active mass loading M m, n provided by the catalyst A m, n in the position L m . The change in the active mass loading M m, n causes a change in the conversion of reaction components. This change in sales leads to a change in the material and heat balance. According to the invention was now recognized that by considering the reaction kinetics a significant improvement of the model can be achieved and a much more accurate optimization of the active mass loading M m, n is possible.
Die Wärmebilanz beschreibt die Menge an einem Bilanzraum zugeführter Energie, die Menge an aus dem Bilanzraum abgeführter Energie sowie die Menge an im Bilanzraum entstehender oder verbrauchter Energie.The heat balance describes the amount of energy supplied to a balancing room, the amount of energy dissipated from the balancing room and the amount of energy generated or consumed in the balancing room.
Das Modell wird gemäß einer Ausführungsform ermittelt, indem dieses an einem Referenzreaktor erstellt wird.The model is determined according to one embodiment by creating it on a reference reactor.
Das Modell kann gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt werden, indem
- – ein Referenzreaktor bereitgestellt wird, mit
- – einer Anzahl a von Rohren, welche
- – einen Durchmesser d, sowie
- – eine Rohrlänge l aufweisen; wobei die Rohre eine Rohrwand aufweisen, welche von einem Kühlmittel umströmt wird, welches eine mittlere Kühlmitteltemperatur TK' aufweist;
- – in den Rohren eine aus zumindest einem Katalysator aM gebildete Katalysatorphase bereitgestellt wird, welche zumindest eine Lage lM des Katalysators aM umfasst, wobei M einen ganzzahligen Wert zwischen 1 und der maximalen Anzahl der Lagen annimmt, wobei der Katalysator aM Katalysatorkörper umfasst, welche ein vanadiumhaltiges Aktivmaterial enthalten;
- – durch die Rohre ein eine Gasphase bildendes Reaktionsgas geleitet wird, welches zumindest ein Ausgangsprodukt enthält;
- – Betriebsbedingungen des Referenzreaktors festgelegt werden, indem zumindest
- – ein bestimmter Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr;
- – eine Eintrittstemperatur des Reaktionsgases bei Eintritt in das Reaktionsrohr,
- – eine bestimmte Konzentration des zumindest einen Ausgangsprodukts im Reaktionsgas und
- – eine bestimmte mittlere Kühlmitteltemperatur TK' eingestellt werden;
- – für den Referenzreaktor mit der Katalysatorphase bei den Betriebsbedingungen
- – die Wärmebilanz;
- – die Stoffbilanz für die Gasphase und die Katalysatorphase;
- – der Stofftransport im Katalysatorkörper, und
- – die Reaktionskinetik ermittelt wird, und daraus das Modell erstellt wird.
- - A reference reactor is provided with
- A number a of pipes, which
- - a diameter d, as well
- - Have a tube length l; wherein the tubes have a tube wall, which is surrounded by a coolant, which has an average coolant temperature T K ' ;
- In the tubes, a catalyst phase formed from at least one catalyst a M is provided which comprises at least one layer l M of the catalyst a M , where M assumes an integer value between 1 and the maximum number of layers, the catalyst comprising a M catalyst body containing a vanadium-containing active material;
- - Passing through the tubes a gas phase forming reaction gas containing at least one starting material;
- - Operating conditions of the reference reactor are set by at least
- A certain flow of the reaction gas per tube;
- An inlet temperature of the reaction gas when entering the reaction tube,
- A certain concentration of the at least one starting product in the reaction gas and
- A certain mean coolant temperature T K 'is set;
- For the reference reactor with the catalyst phase at the operating conditions
- - the heat balance;
- - the material balance for the gas phase and the catalyst phase;
- - The mass transport in the catalyst body, and
- - The reaction kinetics is determined, and from the model is created.
Der Referenzreaktor kann eine andere Konfiguration aufweisen als das Reaktorsystem, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens befüllt bzw. bereitgestellt wird.The reference reactor may have a different configuration than the reactor system, which is filled or provided by means of the method according to the invention.
Der Referenzreaktor kann beispielsweise nur ein einzelnes Rohr umfassen (a = 1).For example, the reference reactor may comprise only a single tube (a = 1).
Die Rohre des Referenzreaktors weisen einen Durchmesser d sowie eine Länge l auf. Der Durchmesser d entspricht dem Innendurchmesser des Rohres und die Länge l dem Abschnitt des Rohres, welcher mit der Katalysatorphase gefüllt ist. Der Durchmesser d kann gleich oder verschieden zum Durchmesser D sein und die Länge l kann gleich oder verschieden zur Länge L sein. Bevorzugt werden d und l innerhalb der Bereiche gewählt, die für D und L genannt wurden. So wird d gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 10 bis 50 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 20 bis 40 mm gewählt. Die Länge l wird gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 1 bis 10 m, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 2 bis 5 m gewählt. Die Rohre sind aus üblichen Materialien aufgebaut und weisen eine übliche Wandstärke auf, wie bereits für das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitzustellende Reaktorsystem erläutert wurde.The tubes of the reference reactor have a diameter d and a length l. The diameter d corresponds to the inner diameter of the tube and the length l to the portion of the tube which is filled with the catalyst phase. The diameter d may be equal to or different from the diameter D and the length l may be equal to or different from the length L. Preferably, d and l are chosen within the ranges given for D and L. Thus, according to one embodiment, d is selected in the range of 10 to 50 mm, in another embodiment in the range of 20 to 40 mm. The length l is selected according to an embodiment in the range of 1 to 10 m, according to another embodiment in the range of 2 to 5 m. The tubes are constructed from conventional materials and have a conventional wall thickness, as has already been explained for the reactor system to be provided by the method according to the invention.
Der Referenzreaktor kann eine oder mehrere Entnahmestellen zur Probennahme aufweisen, die entlang der Längsrichtung des Rohres angeordnet sind. Mit Hilfe der Entnahmestellen kann die Zusammensetzung des Reaktionsgases und daraus die Reaktionskinetik bestimmt werden.The reference reactor may have one or more sampling points located along the longitudinal direction of the tube. With the help of the sampling points, the composition of the reaction gas and from it the reaction kinetics can be determined.
Das Rohr bzw. die Rohre des Referenzreaktors werden von einem Kühlmittel umströmt, welches eine mittlere Kühlmitteltemperatur TK' aufweist. Die mittlere Kühlmitteltemperatur TK' kann gleich oder verschieden zur mittleren Kühlmitteltemperatur TK gewählt sein. Sie wird bevorzugt innerhalb der für die mittlere Kühlmitteltemperatur TK genannten Bereiche gewählt und wird analog zu der bei der Ermittlung der mittlere Kühlmitteltemperatur TK geschilderten Weise ermittelt.The tube or the tubes of the reference reactor are flowed around by a coolant, which has an average coolant temperature T K ' . The mean coolant temperature T K ' may be the same or different than the average coolant temperature T K selected. It is preferably selected within the ranges specified for the average coolant temperature T K and is determined analogously to the manner described in the determination of the mean coolant temperature T K.
In den Rohren bzw. im Rohr des Referenzreaktors wird eine aus dem zumindest einem Katalysator aM gebildete Katalysatorphase bereitgestellt, welche zumindest eine Lage lM des Katalysators aM umfasst, wobei M einen ganzzahligen Wert zwischen l und der maximalen Anzahl der Lagen annimmt. In the tubes or in the tube of the reference reactor, a catalyst phase formed from the at least one catalyst a M is provided which comprises at least one layer l M of the catalyst a M , where M assumes an integer value between 1 and the maximum number of layers.
Der Katalysator aM weist eine bekannte Zusammensetzung auf. Der Katalysator aM kann gleich oder verschieden zum Katalysator Am sein. Der Katalysator wird ähnlich zum Katalysator Am,n gewählt, ist also ebenfalls ein vanadiumhaltiger Katalysator für die Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid. Ähnlich bedeutet, dass der Katalysator aM beim erfindungsgemäßen Verfahren auch als Katalysator Am,n eingesetzt werden könnte.The catalyst a M has a known composition. The catalyst a M may be the same or different than the catalyst Am. The catalyst is chosen similarly to the catalyst A m, n , so is also a vanadium-containing catalyst for the gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons for the production of phthalic anhydride. Similarly, the catalyst a M in the process according to the invention could also be used as catalyst A m, n .
Der Katalysator aM umfasst Katalysatorkörper, die ein vanadiumhaltiges Aktivmaterial enthalten. Die Katalysatorkörper und das vanadiumhaltige Aktivmaterial können gleich oder verschieden zu den Katalysatorkörpern und dem Aktivmaterial sein, das im mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellten Reaktorsystem vorhanden ist.The catalyst a M comprises catalyst bodies containing a vanadium-containing active material. The catalyst bodies and the vanadium-containing active material may be the same or different from the catalyst bodies and the active material present in the reactor system provided by the process of the present invention.
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen lM, wird für jede Lage separat ein Modell aufgestellt. Bei der Messung der Parameter zur Aufstellung des Modells wird jedoch bevorzugt eine Katalysatorphase verwendet, welche sämtliche Lagen umfasst. Die Zusammensetzung des Reaktionsgases am Anfang bzw. am Ende der Lage, die Temperatur etc. kann durch Probennahme an entsprechend angeordneten Entnahmestellen bzw. durch Temperaturmessung am Referenzreaktor ermittelt werden.If the catalyst phase comprises
Durch die Rohre bzw. das Rohr des Referenzreaktors wird dann ein Reaktionsgas geleitet, welches zumindest ein Ausgangsprodukt enthält. Bevorzugt enthält das Reaktionsgas o-Xylol oder Naphthalin oder ein Gemisch dieser Verbindungen sowie ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft. An sich entspricht die Zusammensetzung des im Referenzreaktor eingesetzten Reaktionsgases im Wesentlichen der Zusammensetzung des Reaktionsgases, wie es im Reaktorsystem verwendet wird. Die Konzentration an o-Xylol bzw. Naphthalin bzw. des Gemisches der beiden Verbindungen wird bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 4 Vol.-% gewählt.Through the tubes or the tube of the reference reactor, a reaction gas is then passed, which contains at least one starting product. Preferably, the reaction gas contains o-xylene or naphthalene or a mixture of these compounds and an oxygen-containing gas, for example air. As such, the composition of the reaction gas used in the reference reactor essentially corresponds to the composition of the reaction gas as used in the reactor system. The concentration of o-xylene or naphthalene or the mixture of the two compounds is preferably selected in the range of 0.01 to 4 vol .-%.
Es werden dann Betriebsbedingungen des Referenzreaktors festgelegt, indem ein bestimmter Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr, eine bestimmte Konzentration der Ausgangskomponenten im Reaktionsgas, eine bestimmte mittlere Kühlmitteltemperatur TK' sowie eine bestimmte Eintrittstemperatur des Reaktionsgases bei Eintritt in das Reaktionsrohr eingestellt wird.Operating conditions of the reference reactor are then determined by setting a specific flow rate of the reaction gas per tube, a certain concentration of the starting components in the reaction gas, a specific mean coolant temperature T K ' and a certain inlet temperature of the reaction gas entering the reaction tube.
Die Betriebsbedingungen werden ähnlich zu den Betriebsbedingungen gewählt, die nach Bereitstellung des Modells für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung des Reaktorsystems verwendet werden. Die Betriebsbedingungen des Referenzreaktors werden vorzugsweise so gewählt, dass aus den mit dem Referenzreaktor ermittelten Werten eine Aussage über den mit dem erfindungsgemäß bereitgestellten Reaktorsystem möglich ist.The operating conditions are chosen to be similar to the operating conditions used after providing the model for carrying out the method of the invention for providing the reactor system. The operating conditions of the reference reactor are preferably selected such that a statement about the values determined using the reactor system provided according to the invention is possible from the values determined using the reference reactor.
Vorzugsweise wird beim Referenzreaktor der Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr im Bereich von 0,1 bis 10 Nm3/h, die Eintrittstemperatur im Bereich von 150 bis 400°C, die Konzentration des Ausgangsprodukts, bevorzugt des aromatischen Kohlenwasserstoffs, im Bereich von 0,1 bis 4 Vol-% und die mittlere Kühlmitteltemperatur TK' im Bereich von 300 bis 500°C eingestellt.Preferably, in the reference reactor, the flow rate of the reaction gas per tube is in the range of 0.1 to 10 Nm 3 / h, the inlet temperature in the range of 150 to 400 ° C, the concentration of the starting product, preferably of the aromatic hydrocarbon, in the range of 0.1 to 4% by volume and the average coolant temperature T K ' in the range of 300 to 500 ° C set.
Am Referenzreaktor werden dann, ggf. nach einer Anfahrphase zur Einstellung eines stationären Zustands, Parameter zur Aufstellung des Modells gemessen. Die Parameter sind vorzugsweise ausgewählt aus einer ortsaufgelösten Konzentration der Reaktionskomponenten sowie einem ortsaufgelöster Temperaturverlauf. Bevorzugt wird der genannte Parametersatz in seiner Gesamtheit bestimmt.Then, if necessary after a start-up phase for setting a stationary state, parameters for setting up the model are measured at the reference reactor. The parameters are preferably selected from a spatially resolved concentration of the reaction components and a spatially resolved temperature profile. Preferably, said parameter set is determined in its entirety.
Auf der Grundlage der am Referenzreaktor gemessenen Parameter wird dann mit üblichen Verfahren, beispielsweise numerischen Verfahren, das Modell erstellt.Based on the parameters measured at the reference reactor, the model is then created by conventional methods, for example numerical methods.
Beim im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Modell wird zusätzlich zur üblicherweise berücksichtigten Wärmebilanz und Stoffbilanz auch der Stofftransport im Katalysatorkörper sowie die Reaktionskinetik für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe berücksichtigt.In the model used in the process according to the invention, in addition to the heat balance and mass balance usually considered, the mass transport in the catalyst body and the reaction kinetics for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons are also taken into account.
Überraschend wurde gefunden, dass durch die Berücksichtigung des Stofftransports im Katalysatorkörper sowie der Reaktionskinetik für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe bei der Aufstellung des Modells eine wesentlich bessere Aussage über die Auswirkung von Veränderungen von Katalysatorparametern auf ein Leistungsmerkmal getroffen werden können.Surprisingly, it has been found that by taking into account the mass transport in the catalyst body and the reaction kinetics for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation aromatic hydrocarbons can be made much better statement on the effect of changes of catalyst parameters on a performance feature in the preparation of the model.
Die Aussagekraft des Modells und damit die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch eine weitere Differenzierung bei der Aufstellung der Wärmebilanz sowie der Stoffbilanz weiter verbessert werden. Bei den im Weiteren beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden entsprechende Merkmale auch beim Referenzreaktor und der Aufstellung des Modells berücksichtigt.The significance of the model and thus the performance of the method according to the invention can be further improved by further differentiation in the preparation of the heat balance and the material balance. In the preferred embodiments of the method according to the invention described below, corresponding features are also taken into account in the reference reactor and the installation of the model.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmebilanz eine Wärmebilanz für die Katalysatorphase und eine Wärmebilanz für die Gasphase.According to a preferred embodiment, the heat balance comprises a heat balance for the catalyst phase and a heat balance for the gas phase.
Die Wärmebilanz für die Katalysatorphase kann wiederum eine Wärmebilanz für die zumindest eine Lage Lm des Katalysators Am,n umfassen, wobei aus der Gesamtheit der Wärmebilanzen der einzelnen Lagen Lm die Wärmebilanz der Katalysatorphase gebildet wird.The heat balance for the catalyst phase may in turn comprise a heat balance for the at least one layer L m of the catalyst A m, n , the heat balance of the catalyst phase being formed from the entirety of the heat balances of the individual layers L m .
Die Wärmebilanz für die zumindest eine Lage Lm des Katalysators Am,n umfassende Katalysatorphase umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Wärmeleitung im Katalysatorkörper sowie eine Wärmeproduktion durch zumindest eine Reaktion.The heat balance for the at least one layer L m of the catalyst A m, n comprehensive catalyst phase comprises according to a preferred embodiment, at least one heat conduction in the catalyst body and a heat production by at least one reaction.
Die Wärmeleitung im Katalysatorkörper wird durch den Wärmekoeffizienten λ beschrieben. Bevorzugt geht die radiale Wärmeleitung λs im Katalysatorkörper in die Wärmebilanz ein. Unter einer radialen Wärmeleitung wird die Wärmeleitung in Richtung vom Zentrum eines Katalysatorkörpers zur Peripherie des Katalysatorkörpers verstanden.The heat conduction in the catalyst body is described by the thermal coefficient λ. The radial heat conduction λ s in the catalyst body preferably enters into the heat balance. A radial heat conduction is understood to mean the heat conduction in the direction from the center of a catalyst body to the periphery of the catalyst body.
Die Wärmeleitung im Katalysatorkörper kann beschrieben werden durch: Gleichung 1 wobei bedeutet:
Der erste Term beschreibt dabei die Wärmeleitung in radialer Richtung innerhalb eines Katalysatorkörpers, also vom Zentrum des Katalysatorkörpers in Richtung auf die Peripherie des Katalysatorkörpers. Der zweite Term beschreibt die Wärmeproduktion durch eine Reaktion j.The first term describes the heat conduction in the radial direction within a catalyst body, ie from the center of the catalyst body in the direction of the periphery of the catalyst body. The second term describes the heat production by a reaction j.
Die Wärmebilanz der Gasphase umfasst bevorzugt einen radialen Wärmetransport im Rohr und den Wärmeübergang zwischen der Gasphase und der Katalysatorphase.The heat balance of the gas phase preferably comprises a radial heat transfer in the tube and the heat transfer between the gas phase and the catalyst phase.
Unter einem radialen Wärmetransport im Rohr wird eine Wärmeleitung im Rohr vom Ort der Längsachse des Rohrs in Richtung senkrecht auf die Wand verstanden.A radial heat transport in the pipe is understood as meaning a heat conduction in the pipe from the location of the longitudinal axis of the pipe in the direction perpendicular to the wall.
Der Katalysator Am,n bzw. der den Katalysator Am,n bildende Katalysatorkörper weist eine erste Grenzfläche zur Gasphase auf, wobei an der ersten Grenzfläche ein erster Wärmeübergang zwischen Gasphase und Katalysator Am,n erfolgt, welcher bevorzugt in die Wärmebilanz der Gasphase eingeht. The catalyst A m, n or the catalyst body A m, n forming catalyst body has a first interface to the gas phase, wherein at the first interface, a first heat transfer between the gas phase and catalyst A m, n is carried out, which preferably in the heat balance of the gas phase received.
Die Menge der einem Bilanzraum zugeführten Wärme setzt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zusammen aus einem mit dem Durchfluss des Reaktionsgases zugeführten Wärmeanteil und einem über die Rohrwand zugeführten Wärmeanteil.The amount of heat supplied to a balance space is, according to a preferred embodiment, composed of a heat fraction fed with the flow of the reaction gas and a heat fraction supplied via the pipe wall.
Die Menge der aus einem Bilanzraum abgeführten Wärme setzt sich bevorzugt aus einem mit dem Durchfluss der Gasphase abgeführten Wärmeanteil und einem über die Rohrwand abgeführten Wärmeanteil zusammen.The amount of heat removed from a balance chamber is preferably composed of a heat component removed with the flow of the gas phase and a heat component removed via the pipe wall.
Die Wärmebilanz für die Gasphase lässt sich beschreiben durch: Gleichung 2 wobei der erste Term den axialen Wärmetransport im Rohr, der zweite Term den radialen Wärmetransport im Rohr beschreibt und der dritte Term den Wärmeübergang zwischen Katalysator Am,n und Gasphase.The heat balance for the gas phase can be described by:
Dabei bedeutet:
Die Stoffbilanz für eine bestimmte Reaktionskomponente i umfasst die einem Bilanzraum zugeführte Menge der Reaktionskomponente i, die aus dem Bilanzraum abgeführte Menge der Reaktionskomponente i sowie die durch Reaktion im Bilanzraum umgesetzte oder entstehende Menge an Reaktionskomponente i sowie die im Bilanzraum verbleibende Menge an Reaktionskomponente i.The material balance for a specific reaction component i comprises the quantity of the reaction component i supplied to the balance space, the quantity of reaction component i discharged from the balance space, and the amount of reaction component i converted or formed by reaction in the balance space and the amount of reaction component i remaining in the balance space.
Die Stoffbilanz wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform jeweils für die Gasphase und für die Katalysatorphase aufgestellt.The material balance is set up according to a preferred embodiment in each case for the gas phase and for the catalyst phase.
Die Stoffbilanz kann für jede einzelne Reaktionskomponente aufgestellt werden, wobei dann aus der Gesamtheit oder einem Teil der für die Reaktionskomponenten aufgestellten Stoffbilanzen die Stoffbilanz für die Gasphase bzw. für die Katalysatorphase gebildet wird.The material balance can be established for each individual reaction component, in which case the material balance for the gas phase or for the catalyst phase is formed from all or part of the material balances prepared for the reaction components.
Bevorzugt umfasst die Stoffbilanz der Gasphase einen radialen Transport einer Reaktionskomponente i im Rohr und den Übergang der Reaktionskomponente von der Gasphase in die Katalysatorphase. Radialer Transport einer Reaktionskomponente bedeutet einen Transport der Reaktionskomponente senkrecht zur Längsachse des Rohrs.The material balance of the gas phase preferably comprises a radial transport of a reaction component i in the tube and the transition of the reaction component from the gas phase into the catalyst phase. Radial transport of a reaction component means a transport of the reaction component perpendicular to the longitudinal axis of the tube.
Der Stoffübergang der Reaktionskomponente zwischen Gasphase und dem Katalysator findet an der ersten Grenzfläche statt.The mass transfer of the reaction component between the gas phase and the catalyst takes place at the first interface.
Die Stoffbilanz der Gasphase lässt sich bevorzugt beschreiben durch: Gleichung 3 wobei bedeutet:
Dabei beschreibt der erste Term die radiale Diffusion der Reaktionskomponente und der zweite Term den Übergang der Reaktionskomponente von der Gasphase in den Katalysator Am,n.The first term describes the radial diffusion of the reaction component and the second term describes the transition of the reaction component from the gas phase into the catalyst A m, n .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stoffbilanz im Katalysator Am,n die Diffusion bzw. den Stofftransport der zumindest einen Reaktionskomponente in dem Katalysatorkörper sowie die Umsetzung der Reaktionskomponente i.According to a further embodiment, the material balance in the catalyst A m, n comprises the diffusion or mass transport of the at least one reaction component in the catalyst body and the reaction of the reaction component i.
Die Stoffbilanz der Reaktionskomponente i im Katalysatorkörper lässt sich bevorzugt beschreiben durch: Gleichung 4 The material balance of the reaction component i in the catalyst body can preferably be described by:
Dabei beschreibt der erste Term die Diffusion der Reaktionskomponente i im Katalysatorkörper und der zweite Term die Umsetzung der Reaktionskomponente i.The first term describes the diffusion of the reaction component i in the catalyst body and the second term the reaction of the reaction component i.
Dabei bedeutet:
Bevorzugt werden in die Wärmebilanz und die Stoffbilanz auch die Randbedingungen aufgenommen. Dabei gilt: (Gleichung 5) wobei die Variablen folgende Bedeutung haben:
Am Reaktoreingang (z = 0) (Gleichung 5(a)) sind die Temperatur in der Gasphase und dem Katalysator gleich und entsprechen einer Ausgangstemperatur T0.At the reactor inlet (z = 0) (Equation 5 (a)), the temperature in the gas phase and the catalyst are the same and correspond to an initial temperature T 0 .
Die Konzentration einer Reaktionskomponente i in der Gasphase (Cf) am Reaktoreingang entspricht der Konzentration des eingeführten Gases Cf,0 und die Konzentration der Komponente i ist in radialer Richtung konstant. Die axiale Geschwindigkeit uz wird ermittelt aus dem eintretenden Massenstrom und der Gasdichte.The concentration of a reaction component i in the gas phase (C f ) at the reactor inlet corresponds to the concentration of the introduced gas C f, 0 and the concentration of the component i is constant in the radial direction. The axial velocity u z is determined from the incoming mass flow and the gas density.
In der Mitte des Reaktors (r = 0) (Gleichung 5(b)) finden sowohl die axiale Fließgeschwindigkeit, also auch die Temperatur der Gasphase und der festen Phase bevorzugt ein Minimum oder ein Maximum.In the middle of the reactor (r = 0) (Equation 5 (b)), both the axial flow rate, and thus the temperature of the gas phase and the solid phase, preferably find a minimum or a maximum.
An der äußeren Rohrwand (r = R) (Gleichung 5(c)) entspricht der Wärmeübergang von der gasförmigen Phase an die Rohrwand der zu- oder abtransportierten Wärme in der gasförmigen Phase, sowie der Wärmeübergang von der festen Phase in die Rohrwand der zu- oder abtransportierten Wärme in der festen Phase. Bevorzugt findet kein Stoffaustausch mit der Rohrwand statt.On the outer tube wall (r = R) (Equation 5 (c)), the heat transfer from the gaseous phase to the tube wall corresponds to the added or removed heat in the gaseous phase, as well as the heat transfer from the solid phase into the tube wall. or removed heat in the solid phase. Preferably, no mass transfer takes place with the pipe wall.
Sofern als Katalysatorkörper ein Schalenkatalysator verwendet wird, entspricht die Temperatur an der inneren Peripherie der aktiven Schicht (rp = 0) (Gleichung 5(d)) des Katalysatorkörpers der Temperatur des inerten Trägermaterials. Ein Stoffaustauch mit dem inerten Trägermaterial findet nicht statt.When a shell catalyst is used as the catalyst body, the temperature at the inner periphery of the active layer (r p = 0) (Equation 5 (d)) of the catalyst body corresponds to the temperature of the inert support material. A Stoffaustauch with the inert carrier material does not take place.
An der äußeren Peripherie des Katalysatorkörpers (rp = Rp) (Gleichung 5(e)) entspricht die von der Gasphase oder einem angrenzenden Katalysatorkörper übertragene Wärme der im Katalysatorkörper an- oder abtransportierten Wärme. Der aus der Gasphase übertragene Stoffmengenstrom einer Komponente i entspricht dem im Katalysatorkörper an- oder abtransportierten Stoffmengenstrom einer Komponente i.At the outer periphery of the catalyst body (r p = R p ) (Equation 5 (e)), the heat transferred from the gas phase or an adjacent catalyst body corresponds to the heat transferred or removed in the catalyst body. The mass flow of a component i transferred from the gas phase corresponds to the mass flow of a component i transported in or removed from the catalyst body.
Die Aktivmassenbeladung des Katalysators Am,n bestimmt sich durch das entstehende Volumen der Aktivmasse, aus der Katalysatorgeometrie und der Dichte der Aktivmasse sowie dem Volumen und der Dichte des inerten Kerns. Daraus leitet sich die Aktivmassenbeladung Mm,n einer Lage Lm der Katalysatorphase ab.The active mass loading of the catalyst A m, n is determined by the resulting volume of the active composition, the catalyst geometry and the density of the active composition and the volume and density of the inert core. From this, the active mass loading M m, n is derived from a position L m of the catalyst phase.
Während des Anfahrens oder Abschaltens eines Reaktors bzw. in dynamischen Zuständen verändern sich die Stoffbilanz und die Wärmebilanz über die Zeit.During start-up or shutdown of a reactor or in dynamic states, the material balance and the heat balance change over time.
Bevorzugt wird für die Bereitstellung des Reaktorsystems jedoch ein Zustand herangezogen, in welchem die Wärmebilanz und die Stoffbilanz über die Zeit gemessen konstant bleiben. Dies entspricht einem stabilen Betriebszustand des Reaktors.Preferably, however, a state is used for the provision of the reactor system in which the heat balance and the material balance are measured constant over time. This corresponds to a stable operating state of the reactor.
Der Bilanzraum wird jeweils durch ein Volumenelement einer bestimmten Größe gebildet. Der Bilanzraum kann beispielsweise das gesamte Volumen einer in einem Rohr angeordneten Katalysatorphase, das Volumen einer Lage Lm innerhalb der Katalysatorphase oder auch ein, ggf. infinitesimal kleines, Volumen innerhalb einer Lage Lm bzw. innerhalb eines Katalysatorkörpers sein. The balance space is formed in each case by a volume element of a certain size. The balance space may, for example, be the entire volume of a catalyst phase arranged in a pipe, the volume of a layer L m within the catalyst phase, or else a possibly infinitesimal small volume within a layer L m or within a catalyst body.
Der Bilanzraum kann beispielsweise aus einem Volumenelement gebildet werden, welches sich über eine bestimmte Länge entlang der Längsachse des Reaktionsrohrs und über den gesamten Querschnitt des Innenraums des Rohres erstreckt. Der Bilanzraum kann aber auch durch einen Hohlzylinder gebildet werden, welcher sich in Richtung der Längsachse des Reaktionsrohrs über die Länge der Katalysatorphase oder die Länge einer Lage Lm und in Richtung des Querschnitts des Rohres über einen ringförmigen Abschnitt mit einem bestimmten Innenradius und einem bestimmten Außenradius erstreckt. Es ist aber auch möglich, einen Bilanzraum mit einer ringförmigen Gestalt vorzusehen, der sich in Richtung der Längsachse des Rohrs über eine bestimmte Länge erstreckt und einen bestimmten Innenradius und einen bestimmten Außenradius aufweist. Bevorzugt sind mehrere aus den Volumenelementen gebildete Bilanzräume vorgesehen, die bevorzugt aneinander angrenzen, sodass die Wärmebilanz oder die Stoffbilanz über eine Lage Lm oder die im Rohr angeordnete Katalysatorphase erstellt werden kann.The balance space may for example be formed from a volume element which extends over a certain length along the longitudinal axis of the reaction tube and over the entire cross section of the interior of the tube. However, the balance space can also be formed by a hollow cylinder extending in the direction of the longitudinal axis of the reaction tube over the length of the catalyst phase or the length of a layer L m and in the direction of the cross section of the tube via an annular portion having a certain inner radius and a certain outer radius extends. But it is also possible to provide a balance space with an annular shape which extends in the direction of the longitudinal axis of the tube over a certain length and having a certain inner radius and a certain outer radius. Preferably, a plurality of balancing chambers formed from the volume elements are provided, which preferably adjoin one another, so that the heat balance or the material balance can be established via a layer L m or the catalyst phase arranged in the tube.
Weiter umfasst das Modell eine Reaktionskinetik für die Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid.Further, the model comprises a reaction kinetics for the gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons to produce phthalic anhydride.
Als aromatische Kohlenwasserstoffe werden bevorzugt o-Xylol und/oder Naphthalin gewählt.Preferred aromatic hydrocarbons are o-xylene and / or naphthalene.
Die Reaktionskinetik beschreibt in der einfachsten Ausführungsform die Umwandlung des aromatischen Kohlenwasserstoffs, bevorzugt o-Xylol oder Naphthalin, in Phthalsäureanhydrid.The reaction kinetics in the simplest embodiment describes the conversion of the aromatic hydrocarbon, preferably o-xylene or naphthalene, into phthalic anhydride.
Gemäß einer Ausführungsform werden bei der Reaktionskinetik auch weitere Reaktionskomponenten berücksichtigt, die während der Oxidation des aromatischen Kohlenwasserstoffs zu Phthalsäureanhydrid auftreten.According to one embodiment, other reaction components which occur during the oxidation of the aromatic hydrocarbon to phthalic anhydride are also taken into account in the reaction kinetics.
Während der Oxidation des aromatischen Kohlenwasserstoffs zu Phthalsäureanhydrid werden mehrere Zwischenstufen durchlaufen. Ferner werden Nebenprodukte gebildet. Bei diesen Reaktionen wird jeweils aus einer ersten Reaktionskomponente zumindest eine weitere Reaktionskomponente gebildet. Die Bildung dieser zumindest einen weiteren Reaktionskomponente aus der ersten Reaktionskomponente kann durch eine Teilreaktionskinetik beschrieben werden, wobei aus den Teilreaktionskinetiken die Reaktionskinetik für die Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid ermittelt wird.During the oxidation of the aromatic hydrocarbon to phthalic anhydride, several intermediates are passed through. Furthermore by-products are formed. In these reactions, at least one further reaction component is formed in each case from a first reaction component. The formation of this at least one further reaction component from the first reaction component can be described by a partial reaction kinetics, wherein the reaction kinetics for the gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons for the production of phthalic anhydride is determined from the partial reaction kinetics.
Bevorzugt beschreibt die Reaktionskinetik die Reaktionsgeschwindigkeit der Bildung der zumindest einen weiteren Reaktionskomponente aus der ersten Reaktionskomponente in Abhängigkeit von der Temperatur.The reaction kinetics preferably describe the reaction rate of the formation of the at least one further reaction component from the first reaction component as a function of the temperature.
Ferner ist bevorzugt, dass die Reaktionskinetik vom Partialdruck des Sauerstoffs unabhängig ist.It is further preferred that the reaction kinetics be independent of the partial pressure of the oxygen.
Weiter werden Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors festgelegt. Dazu werden zumindest
- – ein bestimmter Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr;
- – eine bestimmte Konzentration der zumindest einen Reaktionskomponente im Reaktionsgas und
- – eine bestimmte mittlere Kühlmitteltemperatur Tk des Kühlmittels
- A certain flow of the reaction gas per tube;
- A certain concentration of the at least one reaction component in the reaction gas and
- A certain mean coolant temperature T k of the coolant
Gemäß einer Ausführungsform wird weiter eine Eintrittstemperatur des Reaktionsgases bei Eintritt in das Reaktionsrohr festgelegt.According to one embodiment, an inlet temperature of the reaction gas is further defined upon entry into the reaction tube.
Bevorzugt wird die Eintrittstemperatur in einem Bereich von 150 bis 250°C gewählt.Preferably, the inlet temperature is selected in a range of 150 to 250 ° C.
Unter einem bestimmten Durchfluss, einer bestimmten Konzentration und einer bestimmten mittleren Kühlmitteltemperatur TK werden jeweils konkrete Zahlenwerte verstanden, sodass die Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors bestimmt sind.A specific flow rate, a specific concentration and a specific average coolant temperature T K are understood to mean specific numerical values, so that the operating conditions of the tube bundle reactor are determined.
Diese Parameter sind an sich im Wesentlichen durch den verwendeten Reaktor bereits vorgegeben. So beeinflusst beispielsweise der Querschnitt und die Länge der Rohre den Durchfluss des Reaktionsgases. Wird das Kühlmittel beispielsweise zur Dampferzeugung genutzt, kann zur Erzeugung einer bestimmten Dampfmenge eine bestimmte mittlere Kühlmitteltemperatur Tk des Kühlmittels erforderlich sein. Die Konzentration der zumindest einen Reaktionskomponente im Reaktionsgas kann beispielsweise durch Explosionsgrenzen des Gemisches der Reaktionskomponenten vorgegeben sein.These parameters are essentially predetermined by the reactor used. For example, the cross section and the length of the tubes affect the flow of the reaction gas. Becomes the coolant used, for example, to generate steam, a certain mean coolant temperature T k of the coolant may be required to produce a certain amount of steam. The concentration of the at least one reaction component in the reaction gas can be predetermined, for example, by explosion limits of the mixture of the reaction components.
Der Fachmann wählt daher auf der Grundlage seines Fachwissens die Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors geeignet aus.The person skilled in the art will therefore suitably select the operating conditions of the tube bundle reactor on the basis of his knowledge.
Bevorzugte Bereiche für den Durchfluss des Reaktionsgases pro Rohr sind beispielsweise 0,1 bis 10 Nm3/h, gemäß einer Ausführungsform 2 bis 4,5 Nm3/h. Die Einheit „Nm3” bezieht sich auf ein Volumen bei Normbedingungen, d. h. 1013 hPa und 25°C. Ein solcher Bereich bezieht sich insbesondere auf einen Rohrdurchmesser von 20 bis 30 mm.Preferred ranges for the flow of the reaction gas per tube are, for example, 0.1 to 10 Nm 3 / h, according to one
Die Konzentration der zumindest einen Reaktionskomponente im Reaktionsgas hängt stark von der betrachteten Reaktionskomponente ab. Die Ausgangskonzentration für o-Xylol und/oder Naphthalin wird bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 4 Vol-% gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 1,5 bis 3,5 Vol.-%, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 2,0 bis 2,5 Vol.-% gewählt.The concentration of the at least one reaction component in the reaction gas depends strongly on the considered reaction component. The starting concentration for o-xylene and / or naphthalene is preferably in the range of 0.01 to 4% by volume in an embodiment in the range of 1.5 to 3.5% by volume, according to another embodiment in the range of 2, 0 to 2.5 vol.% Selected.
Neben der Ausgangskomponente, vorzugsweise o-Xylol und/oder Naphthalin, umfasst das Reaktionsgas ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft.In addition to the starting component, preferably o-xylene and / or naphthalene, the reaction gas comprises an oxygen-containing gas, preferably air.
Die mittlere Kühlmitteltemperatur Tk des Kühlmittels wird gemäß einer Ausführungsform im Bereich von 300 bis 500°C, weiter bevorzugt im Bereich von 350 bis 450°C gewählt.The mean coolant temperature T k of the coolant is selected according to an embodiment in the range of 300 to 500 ° C, more preferably in the range of 350 to 450 ° C.
Weiter wird ein Leistungsmerkmal bestimmt, welches Werte Wn annehmen kann.Furthermore, a feature is determined which can take values W n .
Unter einem Leistungsmerkmal wird ein Parameter verstanden, welcher eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Katalysatorphase erlaubt. Das Leistungsmerkmal kann an sich beliebig ausgewählt werden, solange es eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Katalysatorphase ermöglicht. Das Leistungsmerkmal kann so ausgewählt werden, dass ein möglichst großer Wert einer hohen Leistungsfähigkeit der Katalysatorphase entspricht. Ein solches Leistungsmerkmal ist beispielsweise die Konzentration an Phthalsäureanhydrid im aus dem Reaktor abgeführten Reaktionsgas. Das Leistungsmerkmal kann aber auch so ausgewählt sein, dass ein möglichst geringer Wert einer hohen Leistungsfähigkeit der Katalysatorphase entspricht. In diesem Fall kann das Leistungsmerkmal beispielsweise die Konzentration eines Nebenprodukts im aus dem Reaktor abgeführten Reaktionsgas sein.A feature is understood to be a parameter that allows an assessment of the performance of the catalyst phase. The feature can be arbitrarily selected as long as it allows an assessment of the performance of the catalyst phase. The performance feature can be selected so that the highest possible value of high performance corresponds to the catalyst phase. Such a feature is, for example, the concentration of phthalic anhydride in the reaction gas discharged from the reactor. However, the performance feature may also be selected such that the lowest possible value corresponds to a high performance of the catalyst phase. In this case, the performance feature may be, for example, the concentration of a by-product in the reaction gas discharged from the reactor.
Das Leistungsmerkmal kann Werte Wn annehmen. Der Wert Wn kann dabei jeweils einem bestimmten Katalysator Am,n zugeordnet werden.The feature can take on values W n . The value W n can in each case be assigned to a specific catalyst A m, n .
Mit dem Modell wird dann eine Differenz Δ ermittelt.With the model, a difference Δ is then determined.
Dazu wird zunächst einer Grenzdifferenz ΔG ein Wert zugewiesen.To a cutoff difference Δ G is first assigned a value.
Die Grenzdifferenz ΔG ergibt sich aus dem Grad, bis zu welchem die Optimierung des Leistungsmerkmals durchgeführt wird. Entspricht die Differenz im Wert des Leistungsmerkmals welches bei zwei Schritten mit dem Modell ermittelt wird dem Betrag nach der Grenzdifferenz ΔG bzw. unterschreitet sie diese dem Betrag nach, wird die Optimierung des Leistungsmerkmals beendet. Zwei Katalysatoren Am,n, deren Leistungsmerkmal sich dem Betrag nach weniger unterscheidet als die Grenzdifferenz ΔG werden im Sinne der Erfindung bei den Reaktionsbedingungen als gleichwertig angesehen, da es in Bezug auf den Wert des Leistungsmerkmals keinen Unterschied macht, welcher Katalysator eingesetzt wird.The limit difference Δ G results from the degree to which the optimization of the feature is performed. Corresponds to the difference in value of the feature which is determined in two steps with the model to the amount according to the limit difference Δ G or falls below this the amount by which optimization of the performance feature is terminated. Two catalysts A m, n , the performance of which differs in magnitude less than the limit difference Δ G are considered in the context of the invention in the reaction conditions as equivalent, since it makes no difference in terms of the value of the feature, which catalyst is used.
Im nächsten Schritt wird für einen ersten Katalysator Am,1 welcher eine Aktivmassenbeladung Mm,1 in der Lage Lm bereitstellt, unter den Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors ein erster Wert W1 des Leistungsmerkmals bestimmt. Dieser kann mit Hilfe eines Reaktors ermittelt werden. Es ist jedoch auch möglich, dazu das Modell zu verwenden.In the next step, for a first catalyst A m, 1 which provides an active mass loading M m, 1 in the position L m , a first value W 1 of the feature is determined under the operating conditions of the tube bundle reactor. This can be determined by means of a reactor. However, it is also possible to use the model for this.
Als nächstes wird die Aktivmassenbeladung der Lage Lm verändert, wodurch ein zweiter Katalysator Am,2 erhalten wird, welcher in der Lage Lm eine Aktivmassenbeladung Mm,2 bereitstellt. Mit dem Modell wird dann für den zweiten Katalysator Am,2 unter den Betriebsbedingungen des Rohrbündelreaktors ein zweiter Wert W2 des Leistungsmerkmals bestimmt. Der erste Wert W1 und der zweite Wert W2 werden dann verglichen und die Differenz Δ ermittelt.Next, the active mass loading of the layer L m is changed, whereby a second catalyst A m, 2 is obtained, which in the position L m provides an active mass loading M m, 2 . With the model is then for the second catalyst A m, 2 under the operating conditions of the tube bundle reactor, a second Value W 2 of the feature determined. The first value W 1 and the second value W 2 are then compared and the difference Δ determined.
Unterschreitet die Differenz Δ dem Betrag nach die Grenzdifferenz ΔG, wird die Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm nicht weiter verändert und ein Katalysator Am,G ermittelt. Dieser stellt entsprechend eine optimierte Aktivmassenbeladung Mm,G bereit. Der Index „G” kennzeichnet jeweils den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optimierten Zustand. Diese Aktivmassenbeladung Mm,G entspricht entweder der vom ersten oder vom zweiten Katalysator bzw. einer in Bezug auf die Aktivmassenbeladung zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator liegenden Aktivmassenbeladung Mm,n in der Lage Lm bereit. Wie bereits erläutert, werden Katalysatoren bzw. Katalysatorphasen, deren Wert des Leistungsmerkmals sich um weniger unterscheidet als die Grenzdifferenz ΔG im Sinn der Erfindung in Bezug auf das Leistungsmerkmal als gleichwertig angesehen.Falls below the difference Δ with a value of the boundary difference Δ G, the active mass loading M m, the layer L m n is not further modified and a catalyst A m, G determined. This accordingly provides an optimized active mass loading M m, G. The index "G" in each case characterizes the state optimized by the method according to the invention. This active mass loading M m, G corresponds either to the active mass charge M m, n in the position L m ready from the first or the second catalyst or an active mass charge between the first and the second catalyst. As already explained, are catalysts or catalyst phases, the value of the feature differs by less than the threshold difference Δ G viewed in the context of the invention in terms of the feature as equivalent.
Ist die Differenz Δ dem Betrag nach jedoch größer als die Grenzdifferenz ΔG wird die Aktivmassenbeladung Mm,n weiter verändert, sodass ein dritter Katalysator Am,3 erhalten wird, welcher in der Lage Lm eine Aktivmassenbeladung Mm,n bereitstellt. Es wird nun ein Wert W3 des Leistungsmerkmals und daraus wiederum eine Differenz Δ zum zweiten Wert W2 ermittelt, welche mit der Grenzdifferenz ΔG verglichen wird. Dieser Prozess wird solange fortgeführt, bis zwei Katalysatoren Am,n ermittelt sind, die sich in ihrem Leistungsmerkmal um nicht mehr als die Grenzdifferenz ΔG unterscheiden. Mit Erreichen bzw. Unterschreiten der Grenzdifferenz ΔG erhält man einen Katalysator Am,G, der in Bezug auf die in der Lage Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,G optimiert ist.If the difference Δ in magnitude but greater than the limit difference Δ G is the active mass loading M m, n further modified so that a third catalyst A m, 3 is obtained which provides able L m is an active mass loading M m, n. Now, a value W 3 of the feature and, in turn, a difference Δ to the second value W 2 is determined, which is compared with the limit difference Δ G. This process is continued for as long are found to two catalysts A m, n, which differ in their feature by more than the limit difference Δ G. On reaching or falling below the limit difference Δ G to obtain a catalyst A m, G, which is optimized with respect to the provided in a position m L active mass loading M m, G.
Gemäß einer Ausführungsform geht man bei der Variation der Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm so vor, dass man die Aktivmassenbeladung zunächst in größeren Schritten verändert und daraus die ungefähre Lage des Maximums bzw. des Minimums der Aktivmassenbeladung in Bezug auf das Leistungsmerkmal ermittelt. Wird der Betrag der Differenz Δ im Vergleich zur vorhergehenden Messung kleiner, bewegt man sich auf das Maximum bzw. Minimum zu. Wird die Differenz Δ im Vergleich zur vorhergehenden Messung größer, bewegt man sich vom Maximum bzw. Minimum weg.According to one embodiment, in the variation of the active mass loading M m, n of the layer L m , the active mass loading is initially changed in larger steps and the approximate position of the maximum or the minimum of the active mass loading in relation to the performance feature is determined therefrom. If the amount of the difference Δ is smaller compared to the previous measurement, the maximum or minimum is moved. If the difference Δ increases in comparison to the previous measurement, one moves away from the maximum or minimum.
Innerhalb eines Bereiches um das Maximum bzw. das Minimum des Leistungsmerkmals werden dann die Schritte verkleinert, mit welchen die Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm bzw. die durch den Katalysator Am,n bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,n verändert wird, sodass letztlich zwei Katalysatoren Am,n ermittelt werden können, bei denen sich der Wert des Leistungsmerkmals um weniger als die Grenzdifferenz ΔG unterscheidet.Within an area around the maximum or the minimum of the performance feature, the steps are then reduced with which the active mass loading M m, n of the position L m or the active mass loading M m, n provided by the catalyst A m, n is changed, so that finally two catalysts A m, n can be determined, where the value of the performance characteristic is different by less than the limit difference Δ G.
Der aus der Grenzdifferenz ΔG ermittelte Katalysator Am,G wird bereitgestellt und in die Rohre des Reaktors gefüllt, um eine Lage Lm mit optimierter Aktivmassenbeladung Mm,G bereitzustellen und damit eine optimierte Katalysatorphase zu erhalten.The catalyst A m, G determined from the limiting difference Δ G is prepared and filled into the tubes of the reactor in order to provide a layer L m with optimized active mass loading M m, G and thus to obtain an optimized catalyst phase.
Der Katalysator Am,G entspricht dem in einer Lage Lm der Katalysatorphase vorgesehenen Katalysator, welcher die optimierte Aktivmassenbeladung Mm,G der Lage Lm bereitstellt.The catalyst A m, G corresponds to the catalyst provided in a layer L m of the catalyst phase, which provides the optimized active mass loading M m, G of the layer L m .
Das Leistungsmerkmal, welches zur Optimierung der Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm bzw. der durch den Katalysator Am,n bereitgestellten Beladung an Aktivmasse und damit der Katalysatorphase verwendet wird, kann an sich beliebig ausgewählt werden.The performance feature which is used for optimizing the active mass loading M m, n of the layer L m or the charge of active mass and therefore the catalyst phase provided by the catalyst A m, n can be selected as desired.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Leistungsmerkmal bevorzugt ausgewählt aus
- – Selektivität in Bezug auf eine Produktkomponente;
- – Ausbeute einer Produktkomponente;
- – Umsatz einer Reaktionskomponente;
- – Konzentration eines Nebenprodukts im aus dem Reaktor austretenden Produktstrom.
- Selectivity with respect to a product component;
- - yield of a product component;
- - conversion of a reaction component;
- Concentration of a by-product in the product stream leaving the reactor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Modell eine Impulsbilanz.According to a preferred embodiment, the model comprises a momentum balance.
Bevorzugt lässt sich die Impulsbilanz beschreiben durch: Gleichung 6 wobei bedeutet:
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorphase zumindest zwei Lagen Lm von Katalysatoren Am,n wobei die von den Katalysatoren Am,n in den zumindest zwei Lagen Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladungen Mm,n unterschiedlich sind.According to one embodiment, the catalyst phase comprises at least two layers L m of catalysts A m, n wherein the active mass loads M m, n provided by the catalysts A m, n in the at least two layers L m are different.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorphase zumindest drei Lagen Lm von Katalysatoren Am,n wobei die von den Katalysatoren Am,n in den zumindest drei Lagen Lm zur Verfügung gestellte Aktivmassenbeladungen Mm,n unterschiedlich sind.According to one embodiment, the catalyst phase comprises at least three layers L m of catalysts A m, n wherein the active mass loads M m, n provided by the catalysts A m, n in the at least three layers L m are different.
Weiter bevorzugt umfasst die Katalysatorphase zumindest vier Lagen Lm von Katalysatoren Am,n wobei die von den Katalysatoren Am,n in den zumindest vier Lagen Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,n unterschiedlich ist.More preferably, the catalyst phase comprises at least four layers L m of catalysts A m, n wherein the provided by the catalysts A m, n in the at least four layers L m active mass loading M m, n is different.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Katalysatorphase genau drei Lagen Lm von Katalysatoren Am,n und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform genau vier Lagen Lm von Katalysatoren Am,n.According to one embodiment, the catalyst phase comprises exactly three layers L m of catalysts A m, n and, according to yet another embodiment, exactly four layers L m of catalysts A m, n .
Bei einer Katalysatorphase mit mehr als zwei Lagen kann die Aktivmassenbeladung Mm,n aller Lagen Lm gleichzeitig oder jeweils die Aktivmassenbeladung Mm,n für nur jeweils eine Lage Lm variiert werden.In a catalyst phase with more than two layers, the active mass loading M m, n of all layers L m can be varied simultaneously or in each case the active mass loading M m, n for only one layer L m .
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Fall, dass die Katalysatorphase mehr als eine Lage Lm umfasst, bevorzugt so vorgegangen, dass die Aktivmassenbeladung Mm,n in nur einer Lage Lm variiert wird, während die anderen Lagen unverändert bleiben. Bevorzugt werden also die verschiedenen Lagen der Katalysatorphase einzeln optimiert. Dabei kann auch so vorgegangen werden, dass eine bestimmte Lage Lm mehrmals mit dem erfindungsgemäßen Verfahren optimiert wird.In carrying out the method according to the invention, in the case where the catalyst phase comprises more than one layer L m , preference is given to varying the active mass loading M m, n in only one layer L m while the other layers remain unchanged. Preferably, therefore, the different layers of the catalyst phase are optimized individually. In this case, it is also possible to proceed in such a way that a certain position L m is optimized several times by the method according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform wird nur die Aktivmassenbeladung Mm,n der einzelnen Lagen Lm der Katalysatorphase variiert, während alle anderen Katalysatorparameter konstant gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird also beispielsweise die Länge der Lagen der Katalysatorphase konstant gehalten, während die Aktivmassenbeladung Mm,n der Katalysatorlage Lm und damit die vom Katalysator Am,n bereitgestellte Aktivmassenbeladung variiert wird.According to one embodiment, only the active mass loading M m, n of the individual layers L m of the catalyst phase is varied, while all other catalyst parameters are kept constant. In this embodiment of the method, therefore, the length of the layers of the catalyst phase is kept constant, for example, while the active mass loading M m, n of the catalyst layer L m and thus the active mass loading provided by the catalyst A m, n is varied.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Katalysatorphase mehr als 2 Lagen Lm, wobei m die Werte 1, 2, ... m annehmen kann. Die einzelnen Lagen Lm enthalten jeweils verschiedene Katalysatoren A1,n, A1,n, ..., Am,n. Die Zusammensetzung der Aktivmasse der Katalysatoren A1,n, A2,n, ... Am,n kann für die verschiedenen Lagen Lm gleich oder verschieden sein. Die Katalysatoren A1,n, A2,n, ... Am,n stellen jeweils eine unterschiedliche Aktivmassenbeladung M1,n, M2,n, ..., Mm,n bereit. Der Katalysator A1,n stellt eine Aktivmassenbeladung M1,n, der Katalysator A2,n eine Aktivmassenbeladung M2,n, und der Katalysator A3,n eine Aktivmassenbeladung M3,n bereit.In one embodiment of the method according to the invention, a catalyst phase comprises more than 2 layers L m , where m can assume the
Der Index n des Katalysators Am,n würde dann verschiedenen Mengen vom Katalysator Am,n bereitgestellter Beladung an Aktivmasse bzw. verschiedenen Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm entsprechen.The index n of the catalyst A m, n would then correspond to different amounts of the catalyst A m, n provided load of active mass or different active mass loading M m, n the situation L m .
In der Lage L1 stellt der Katalysator A1,1, der in der ersten Lage L1 der Katalysatorphase enthalten ist, eine erste Aktivmassenbeladung M1,1 in der Lage L1 bereit. Der Katalysator A1,2 würde dann eine zweite Aktivmassenbeladung M1,1 in der aus dem Katalysator A1,2 aufgebauten Lage L1 bereitstellen, usw.In the situation L 1 , the catalyst A 1,1 , which is contained in the first layer L 1 of the catalyst phase, provides a first active mass loading M 1,1 in the position L 1 . The catalyst A 1,2 would then provide a second active mass loading M 1,1 in the layer L 1 built up from the catalyst A 1,2 , etc.
Für die zweite und dritte Lage gilt analog, dass diese aus Katalysatoren A2,n bzw. A3,n aufgebaut sind und der Index n jeweils eine bestimmte Aktivmassenbeladung Mm,n der Lage Lm bzw. eine bestimmte durch den Katalysator Am,n bereitgestellte Beladung mit Aktivmasse bezeichnet. For the second and third layer analogously applies that these are composed of catalysts A 2, n or A 3, n and the index n each have a certain active mass loading M m, n the position L m or a certain by the catalyst A m , n provided load with active mass.
Die optimierte Aktivmassenbeladung Mm,G der einzelnen Lagen Lm der Katalysatorphase bzw. die durch die Katalysatoren Am,G in den einzelnen Lagen Lm bereitgestellte Aktivmassenbeladung Mm,n, werden gemäß einer Ausführungsform nacheinander ermittelt.The optimized active mass loading M m, G of the individual layers L m of the catalyst phase or the active mass loading M m, n provided by the catalysts A m, G in the individual layers L m are determined sequentially according to one embodiment.
Bei dieser Ausführungsform wird also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst die Aktivmassenbeladung M1,G der ersten Lage L1 ermittelt, wobei die erste Lage L1 bevorzugt an der Gaseintrittsseite des Rohres angeordnet ist. Dies erfolgt mit Hilfe eines ersten Leistungsparameters. Man erhält dabei eine erste Aktivmassenbeladung M1,G, welche durch einen Katalysator A1,G bereitgestellt wird.In this embodiment, therefore, first the active mass loading M 1, G of the first layer L 1 is determined with the inventive method, wherein the first layer L 1 is preferably arranged on the gas inlet side of the tube. This is done using a first performance parameter. This gives a first active mass loading M 1, G , which is provided by a catalyst A 1, G.
Anschließend wird, sofern vorgesehen, die Aktivmassenbeladung Mm,G einer zweiten Lage L2 der Katalysatorphase mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, wobei die zweite Lage L2 bevorzugt stromabwärts an die erste Lage L1 anschließend angeordnet ist. Dazu kann der gleiche Leistungsparameter verwendet werden, wie bei der Ermittlung der Aktivmassenbeladung M1,G der ersten Lage L1, oder ein dazu verschiedener Leistungsparameter. Man erhält dabei die Aktivmassenbeladung M2,G, welche vom Katalysator A2,G bereitgestellt wird, sodass insgesamt eine Katalysatorphase mit den stromabwärts nacheinander angeordneten Lagen L1, L2 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G erhalten wird.Subsequently, if provided, the active mass loading M m, G of a second layer L 2 of the catalyst phase is determined by the method according to the invention, wherein the second layer L 2 is preferably arranged downstream of the first layer L 1 . For this purpose, the same performance parameter can be used as in the determination of the active mass loading M 1, G of the first layer L 1 , or a different performance parameter. This gives the active mass loading M 2, G , which is provided by the catalyst A 2, G , so that a total of one catalyst phase with the downstream successively arranged layers L 1 , L 2 with the catalysts A 1, G , A 2, G is obtained.
Umfasst die Katalysatorphase weitere Lagen, wird das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchgeführt und die Aktivmassenbeladung M3,G einer stromabwärts zur zweiten Lage angeordneten dritten Lage L3 ermittelt, sodass eine Katalysatorphase mit den stromabwärts nacheinander angeordneten Lagen L1, L2, L3 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G, A3,G erhalten wird.If the catalyst phase comprises further layers, the process according to the invention is carried out again and the active mass loading M 3, G of a third layer L 3 arranged downstream of the second layer is determined, so that a catalyst phase with the layers L 1 , L 2 , L 3 arranged downstream one after the other Catalysts A 1, G , A 2, G , A 3, G is obtained.
Zur Ermittlung der Aktivmassenbeladung M3,G der dritten Lage L3 kann ein Leistungsparameter verwendet werden, der gleich oder verschieden zu den Leistungsparametern ist, die zur Ermittlung der Aktivmassenbeladung M1,G bzw. M2,G der ersten bzw. zweiten Lage L1, L2 herangezogen wurden.To determine the active mass loading M 3, G of the third layer L 3, it is possible to use a performance parameter which is the same or different from the performance parameters used to determine the active mass loading M 1, G or M 2, G of the first and second layer L, respectively 1 , L 2 were used.
Die Ermittlung der Aktivmassenbeladung Mm,G weiterer stromabwärts gelegener Lagen wird analog zur Ermittlung der Aktivmassenbeladung von erster, zweiter bzw. dritter Lage durchgeführt.The determination of the active mass loading M m, G further downstream layers is carried out analogously to the determination of the active mass loading of the first, second and third layer.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens würde also beispielsweise von einem Dreilagen-System ausgegangen werden, bei dem also die Katalysatorphase drei Katalysatorlagen L1, L2, und L3 umfasst. Die einzelnen Katalysatorlagen würden von Katalysatoren A1,n, A2,n, bzw. A3,n gebildet. Im Ausgangszustand weisen die Katalysatorlagen eine bestimmte Aktivmassenbeladung Mm,1 auf, sodass die Katalysatorphase Katalysatoren A1,1, A2,1 und A3,1 umfasst.In one embodiment of the method, it would therefore be assumed, for example, of a three-layer system in which the catalyst phase thus comprises three catalyst layers L 1 , L 2 , and L 3 . The individual catalyst layers would be formed by catalysts A 1, n , A 2, n , or A 3, n . In the initial state, the catalyst layers have a certain active mass loading M m, 1 , so that the catalyst phase comprises catalysts A 1,1 , A 2,1 and A 3,1 .
Im ersten Schritt wird die Aktivmassenbeladung M1,G der ersten Lage L1 ermittelt. Dazu wird aus dem Katalysator A1,1 die Lage L1 bereitgestellt und der Wert eines Leistungsparameters W1 ermittelt, also beispielsweise die Konzentration an o-Xylol im Abgasstrom, welcher aus der ersten Lage der Katalysatorphase austritt.In the first step, the active mass loading M 1, G of the first layer L 1 is determined. For this purpose, the layer L 1 is provided from the catalyst A 1,1 and the value of a performance parameter W 1 determined, that is to say, for example, the concentration of o-xylene in the exhaust gas flow, which exits from the first layer of the catalyst phase.
Die Aktivmassenbeladung M1,1 der Lage L1 wird dann geändert, indem diese durch einen Katalysator A1,2 bereitgestellt wird. Der Katalysator A1,2 stellt eine zum Katalysator A1,1 verschiedene Aktivmassenbeladung M1,2 zur Verfügung. Dies kann bei Verwendung von Schalenkatalysatoren beispielsweise durch eine unterschiedliche Schichtdicke der Schale erreicht werden. Es wird dann wieder der Wert des Leistungsparameters W2 ermittelt. Dies erfolgt gemäß einer Ausführungsform mithilfe des Modells.The active mass loading M 1,1 of the layer L 1 is then changed by providing it by a catalyst A 1,2 . The catalyst A 1.2 provides a different active mass loading M 1.2 to the catalyst A 1.1 . This can be achieved when using shell catalysts, for example, by a different layer thickness of the shell. The value of the performance parameter W 2 is then determined again. This is done in one embodiment using the model.
Im nächsten Schritt wird nun die Differenz Δ = W1 – W2 ermittelt und mit der zuvor festgelegten Grenzdifferenz ΔG verglichen. Diese Grenzdifferenz kann beispielsweise ein Konzentrationsunterschied an Phthalsäureanhydrid im Abgasstrom von +0,05% sein.In the next step, the difference Δ = W 1 -W 2 is now determined and compared with the previously defined limit difference Δ G. This limit difference can be, for example, a concentration difference of phthalic anhydride in the exhaust gas stream of + 0.05%.
Entspricht das Vorzeichen der Differenz Δ nicht dem Vorzeichen der Grenzdifferenz ΔG wird die Aktivmassenbeladung der Lage L1 in umgekehrter Richtung verändert, beispielsweise indem die Aktivmassenbeladung Mm,n erniedrigt wird, nachdem sie im vorhergehenden Schritt erhöht wurde. Es wird dann ein Wert W3 des Leistungsparameters ermittelt.If the sign of the difference Δ does not correspond to the sign of the limit difference Δ G , the active mass loading of the layer L 1 is changed in the opposite direction, for example by the active mass loading M m, n being lowered after it has been increased in the previous step. A value W 3 of the performance parameter is then determined.
Es wird nun die Differenz Δ = W1 – W3 ermittelt und mit der zuvor festgelegten Grenzdifferenz ΔG verglichen.The difference Δ = W 1 -W 3 is now determined and compared with the previously defined limit difference Δ G.
Ist der Betrag der Differenz Δ größer als der Betrag der Grenzdifferenz ΔG wird die Aktivmassenbeladung der Katalysatorlage weiter verändert, sodass eine Lage L1 mit dem Katalysator A1,4 erhalten wird, welcher eine Aktivmassenbeladung M1,4 bereitstellt. Es wird dann ein Leistungsparameter W4 ermittelt, die Differenz Δ = W3 – W4 ermittelt und dem Betrag nach mit der Grenzdifferenz ΔG verglichen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Differenz Δ dem Betrag nach kleiner ist als die Grenzdifferenz ΔG. If the amount of the difference Δ is greater than the amount of the limit difference Δ G , the active mass loading of the catalyst layer is further changed, so that a layer L 1 with the catalyst A 1,4 is obtained, which provides an active mass loading M 1,4 . There is then a performance parameters W 4 determined W = 3, the difference Δ - W 4 determined and compared to the amount according to the difference Δ G boundary. This process is repeated until the difference Δ in magnitude smaller than the limit difference Δ G.
Man erhält dann eine Katalysatorphase, bei welcher die Aktivmassenbeladung M1,G der ersten Lage L1 ermittelt ist, welche durch den Katalysator A1,G bereitgestellt wird.A catalyst phase is then obtained, in which the active mass loading M 1, G of the first layer L 1 is determined, which is provided by the catalyst A 1, G.
Im nächsten Schritt wird die Aktivmassenbeladung M2,G der zweiten Lage L2 der Katalysatorphase ermittelt, welche sich stromabwärts an die erste Lage L1 anschließt. Dazu wird ein geeigneter Leistungsparameter ausgewählt, beispielsweise die Konzentration an Phthalsäureanhydrid im Abgasstrom, welcher den Reaktor verlässt. Wie bei der Ermittlung der Aktivmassenbeladung M1,G der ersten Lage L1 der Katalysatorphase geschildert, wird die Aktivmassenbeladung M2,G der zweiten Lage L2 ermittelt. Die erste Lage bleibt bei dieser Ausführungsform des Verfahrens unverändert. Man erhält damit eine Katalysatorphase, welche die Lagen L1 und L2 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G umfasst.In the next step, the active mass loading M 2, G of the second layer L 2 of the catalyst phase is determined, which adjoins the first layer L 1 downstream. For this purpose, a suitable performance parameter is selected, for example the concentration of phthalic anhydride in the exhaust gas stream leaving the reactor. As described in the determination of the active mass loading M 1, G of the first layer L 1 of the catalyst phase, the active mass loading M 2, G of the second layer L 2 is determined. The first layer remains unchanged in this embodiment of the method. This gives a catalyst phase which comprises the layers L 1 and L 2 with the catalysts A 1, G , A 2, G.
Im nächsten Schritt wird die Aktivmassenbeladung M3,G der dritten Lage der Katalysatorphase ermittelt. Dazu wird zunächst ein geeigneter Leistungsparameter ausgewählt, beispielsweise die Konzentration eines Nebenprodukts, wie Phthalid, im Abgasstrom, welcher die dritte Lage der Katalysatorphase verlässt. Ferner wird eine Grenzdifferenz ΔG festgelegt.In the next step, the active mass loading M 3, G of the third layer of the catalyst phase is determined. For this purpose, a suitable performance parameter is first selected, for example the concentration of a by-product, such as phthalide, in the exhaust gas stream, which leaves the third layer of the catalyst phase. Further, an intrinsic difference Δ G is set.
Zur Ermittlung der Aktivmassenbeladung M3,G der dritten Lage L3 wird von einer Katalysatorphase mit den Lagen L1, L2, L3 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G, A3,1 ausgegangen und der entsprechende Leistungsparameter W1 ermittelt. Im nächsten Schritt wird die Aktivmassenbeladung der Lage L3, welche vom Katalysator A3,n bereitgestellt wird, verändert, sodass eine Katalysatorphase mit den Lagen L1, L2, L3 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G, A3,2 erhalten wird, zu welcher wiederum der Wert des Leistungsparameters W2 ermittelt wird.To determine the active mass loading M 3, G of the third layer L 3 is assumed by a catalyst phase with the layers L 1 , L 2 , L 3 with the catalysts A 1, G , A 2, G , A 3.1 and the corresponding performance parameters W 1 determined. In the next step, the active mass loading of the layer L 3 , which is provided by the catalyst A 3, n , changed, so that a catalyst phase with the layers L 1 , L 2 , L 3 with the catalysts A 1, G , A 2, G , A 3.2 is obtained, to which in turn the value of the power parameter W 2 is determined.
Es wird dann die Differenz Δ ermittelt und dem Betrag nach mit der Grenzdifferenz ΔG verglichen. Die Grenzdifferenz ΔG kann dem Betrag nach gleich oder verschieden zur Grenzdifferenz ΔG sein, welche bei der Ermittlung der Aktivmassenbeladung der Lagen L1, L2 verwendet wurde, die durch die Katalysatoren A1,G, A2,G bereitgestellt werden.It is then determined, the difference Δ and compared in magnitude with the limit difference Δ G. The intrinsic difference Δ G can be the amount by identical or different to the boundary difference Δ G, which was used in the determination of the active mass loading of the layers L 1, L 2, which are provided by the catalysts A 1, G, A 2, G.
Analog zur oben beschriebenen Ermittlung der Katalysatoren A1,G, A2,G wird dann der Katalysator A3,G ermittelt, sodass eine Katalysatorphase mit den Lagen L1, L2, L3 mit den Katalysatoren A1,G, A2,G, A3,G erhalten wird. Diese Zusammensetzung der Katalysatorphase wird dann als Reaktorsystem zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe bereitgestellt.Analogously to the above-described determination of the catalysts A 1, G , A 2, G , the catalyst A 3 , G is then determined so that a catalyst phase with the layers L 1 , L 2 , L 3 with the catalysts A 1, G , A 2 , G , A 3, G is obtained. This composition of the catalyst phase is then provided as a reactor system for the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons.
Sofern die Katalysatorphase noch weitere Lagen umfasst, beispielsweise eine vierte Lage L4, wird die Aktivmassenbeladung M4,G dieser Lage wie bei der Ermittlung der Aktivmassenbeladung der ersten, zweiten bzw. dritten Lage geschildert, ermittelt.If the catalyst phase comprises further layers, for example a fourth layer L 4 , the active mass loading M 4, G of this layer is described as in the determination of the active mass loading of the first, second or third layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Katalysator Am,n als Schalenkatalysator mit einem inerten Kern und zumindest einer, den inerten Kern umgebenden Schale ausgebildet. Die Schale enthält die Aktivmasse. Durch Veränderung der Schichtdicke kann die Aktivmassenbeladung einer Lage Lm verändert werden.According to a further embodiment, the at least one catalyst A m, n is formed as a shell catalyst having an inert core and at least one shell surrounding the inert core. The shell contains the active material. By changing the layer thickness, the active mass loading of a layer L m can be changed.
Der inerte Kern kann an sich eine beliebige Geometrie aufweisen und beispielsweise die Form von Ringen, Kugeln, Vollzylindern oder Hohlzylindern annehmen. Ringe und Hohlzylinder sind bevorzugt.The inert core can in itself have any geometry and, for example, take the form of rings, balls, solid cylinders or hollow cylinders. Rings and hollow cylinders are preferred.
Der inerte Kern kann aus üblichen Materialien bestehen, die unter den Reaktionsbedingungen der Phthalsäureanhydridherstellung inert sind. Geeignete Materialien für den inerten Träger sind beispielsweise Quarz (SiO2), Porzellan, Magnesiumoxid, Zinndioxid, Siliciumcarbid, Rutil, Tonerde (Al2O3), Aluminiumsilicat, Magnesiumsilicat (Steatit), Zirkoniumsilicat oder Cersilicat, oder Mischungen der vorstehenden Materialien.The inert core may consist of conventional materials which are inert under the reaction conditions of phthalic anhydride production. Suitable materials for the inert support are, for example, quartz (SiO 2 ), porcelain, magnesium oxide, tin dioxide, silicon carbide, rutile, alumina (Al 2 O 3 ), aluminum silicate, magnesium silicate (steatite), zirconium silicate or cerium silicate, or mixtures of the above materials.
Der inerte Kern weist gemäß einer Ausführungsform einen maximalen Durchmesser von 10 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform von höchstens 5 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform von höchsten 4 mm auf.The inert core according to one embodiment has a maximum diameter of 10 mm, according to another embodiment of at most 5 mm, according to another embodiment of the highest 4 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der inerte Kern einen maximalen Durchmesser von mindestens 1 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform von mindestens 2 mm auf. According to a further embodiment, the inert core has a maximum diameter of at least 1 mm, according to a further embodiment of at least 2 mm.
Auf dem inerten Träger ist eine Schale aus dem Aktivmaterial aufgetragen. Die Schale kann dabei aus einer einzelnen Schicht oder auch aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei die einzelnen Schichten auch unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können.On the inert carrier, a shell of the active material is applied. The shell may be composed of a single layer or of several layers, wherein the individual layers may also have different compositions.
Die Dicke der Schale beträgt gemäß einer Ausführungsform 10 bis 1000 μm, gemäß einer weiteren Ausführungsform 50 bis 500 μm. Die Dicke der Schale wird senkrecht zur Oberfläche des inerten Trägers gemessen.The thickness of the shell is according to one
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem inerten Kern und der den inerten Kern umgebenden Schale eine zweite Grenzfläche ausgebildet und zwischen dem inerten Kern und der Schale erfolgt ein zweiter Wärmeübergang, wobei im Modell die Wärmeleitung im Katalysator den zweiten Wärmeübergang umfasst.According to a preferred embodiment, a second interface is formed between the inert core and the shell surrounding the inert core, and a second heat transfer occurs between the inert core and the shell, wherein in the model the heat conduction in the catalyst comprises the second heat transfer.
Besonders bevorzugt ist der Kern unporös, d. h. es findet keine Diffusion von Reaktionskomponenten im Kern statt. Entsprechend ist bei dieser Ausführungsform im Modell vorgesehen, dass kein Stofftransport über die zweite Grenzfläche stattfindet.Most preferably, the core is non-porous, d. H. there is no diffusion of reaction components in the core. Accordingly, it is provided in this embodiment in the model that no mass transfer takes place via the second interface.
Im Modell wird eine Reaktionskinetik berücksichtigt, welche die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe beschreibt.In the model, a reaction kinetics is considered, which describes the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons.
Im einfachsten Fall beschreibt die Reaktionskinetik die Umwandlung des Ausgangsprodukts, bevorzugt o-Xylol und/oder Naphthalin, in Phthalsäureanhydrid.In the simplest case, the reaction kinetics describes the conversion of the starting product, preferably o-xylene and / or naphthalene, into phthalic anhydride.
Bevorzugt berücksichtigt die Reaktionskinetik jedoch auch weitere Reaktionskomponenten, die während der Oxidation des Ausgangsprodukts zum Wertprodukt entstehen, also Zwischen- oder Nebenprodukte.However, the reaction kinetics preferably also take into account further reaction components which form during the oxidation of the starting product to the desired product, ie intermediate or by-products.
Die Reaktionskinetik kann gemäß einer Ausführungsform für die gesamte Katalysatorphase aufgestellt werden.The reaction kinetics can be set up according to one embodiment for the entire catalyst phase.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Reaktionskinetik jeweils für jede Lage Lm innerhalb der Katalysatorphase individuell aufgestellt.According to one embodiment, the reaction kinetics are set up individually for each layer L m within the catalyst phase.
Die Reaktionskinetik ergibt sich gemäß einer Ausführungsform aus der Reaktionskinetik von Teilreaktionen, bei welchen eine Reaktionskomponente in eine andere Reaktionskomponente umgesetzt wird. Die Teilreaktionen bei der Oxidation des Kohlenwasserstoffs zu Phthalsäureanhydrid können durch ein Netzwerk beschrieben werden, welches die Teilreaktionen für die Überführung der einzelnen Reaktionskomponenten in die weiteren Reaktionskomponenten umfasst.The reaction kinetics results according to one embodiment from the reaction kinetics of partial reactions in which one reaction component is converted into another reaction component. The partial reactions in the oxidation of the hydrocarbon to phthalic anhydride can be described by a network comprising the partial reactions for the conversion of the individual reaction components in the other reaction components.
Die verschiedenen Reaktionskomponenten treten während der Umsetzung des aromatischen Kohlenwasserstoffs, vorzugsweise o-Xylol oder Naphthalin, zu Phthalsäureanhydrid in unterschiedlichen Konzentrationen auf, wobei die einzelnen Teilreaktionen einen unterschiedlichen Einfluss auf die Reaktionskinetik der Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe haben.The various reaction components occur during the reaction of the aromatic hydrocarbon, preferably o-xylene or naphthalene, to phthalic anhydride in different concentrations, wherein the individual partial reactions have a different influence on the reaction kinetics of the production of phthalic anhydride by gas phase oxidation of aromatic hydrocarbons.
Gemäß einer Ausführungsform lässt sich die Kinetik einer Teilreaktion beschrieben durch: Gleichung 7 wobei bedeutet:
Gemäß einer weiteren Ausführungsform lässt sich die Kinetik einer Teilreaktion beschreiben durch:
Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit kann gemäß einer Ausführungsform beschrieben werden durch: Gleichung 9 wobei bedeutet:
Bei der Bereitstellung des Modells wird die Reaktionskinetik bevorzugt durch Berücksichtigung von Reaktionskomponenten aufgestellt, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, die gebildet ist aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Phthaldialdehyd, Essigsäure, m-Xylol, Naphthalin, Naphthochinon, p-Xylol, o-Xylol, Nonan, Cumol, p-Benzochinon, o-Tolylaldehyd, Maleinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid, Benzoesäure, o-Tolylsäure, Benzaldehyd, Benzol, Phenol, Hydrochinon, Dimethylmaleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Phthalsäure, Phthalid, Toluol, 2,3-Dimethyl-p-benzochinon, 2-Methyl-p-benzochinon.In providing the model, the reaction kinetics are preferably established by consideration of reaction components selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, phthalaldehyde, acetic acid, m-xylene, naphthalene, naphthoquinone, p-xylene, o-xylene, Nonane, cumene, p-benzoquinone, o-tolualdehyde, maleic anhydride, citraconic anhydride, benzoic acid, o-toluic acid, benzaldehyde, benzene, phenol, hydroquinone, dimethylmaleic anhydride, phthalic anhydride, phthalic acid, phthalide, toluene, 2,3-dimethyl-p-benzoquinone, 2-methyl-p-benzoquinone.
Wie bereits erläutert, kann die Reaktionskomponente ein Ausgangsprodukt, ein Zwischenprodukt, ein Nebenprodukt oder ein Endprodukt bei der Gasphasenoxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid sein.As already explained, the reaction component may be a starting material, an intermediate, a by-product or a final product in the gas-phase oxidation of aromatic hydrocarbons to produce phthalic anhydride.
Der als Ausgangsprodukt verwendete aromatische Kohlenwasserstoff ist bevorzugt ausgewählt aus o-Xylol und Naphthalin.The aromatic hydrocarbon used as the starting material is preferably selected from o-xylene and naphthalene.
Wie bereits erläutert, haben die Teilreaktionen unterschiedlichen Einfluss auf die Reaktionskinetik. Gemäß einer Ausführungsform wird nur ein Teil der Zwischenprodukte bzw. Nebenprodukte bei der Aufstellung der Reaktionskinetik berücksichtigt. Dadurch verringert sich der Aufwand für die Durchführung des Verfahrens zur Bereitstellung des Reaktorsystems.As already explained, the partial reactions have different effects on the reaction kinetics. According to one embodiment, only part of the intermediates or by-products are taken into account in establishing the reaction kinetics. This reduces the effort for carrying out the method for providing the reactor system.
Wird die Reaktionskomponente von einem Zwischenprodukt gebildet, so ist dies gemäß einer Ausführungsform ausgewählt aus einer Gruppe die gebildet ist aus Phthaldialdehyd, Naphthochinon, o-Xylol, o-Tolylaldehyd, o-Tolylsäure, Phthalsäure und Phthalid. When the reaction component is formed from an intermediate, according to one embodiment it is selected from a group formed from phthalaldehyde, naphthoquinone, o-xylene, o-tolualdehyde, o-toluic acid, phthalic acid and phthalide.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zwischenprodukt ausgewählt aus der Gruppe, welche gebildet ist aus o-Tolylaldehyd und Phthalid.In a preferred embodiment, the intermediate is selected from the group formed from o-tolualdehyde and phthalide.
Wird die Reaktionskomponente durch eine Nebenkomponente gebildet, ist die Nebenkomponente gemäß einer Ausführungsform ausgewählt aus der Gruppe, welche gebildet ist aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Essigsäure, p-Benzochinon, Maleinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid, Benzoesäure, Benzaldehyd, Benzol, Phenol, p-Hydrochinon, Toluol, 2,3-Dimethyl-p-Benzochinon, und 2-Methyl-p-Benzochinon.When the reaction component is formed by a minor component, in one embodiment the minor component is selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, acetic acid, p-benzoquinone, maleic anhydride, citraconic anhydride, benzoic acid, benzaldehyde, benzene, phenol, p-hydroquinone, toluene , 2,3-dimethyl-p-benzoquinone, and 2-methyl-p-benzoquinone.
Die Bildung der Nebenkomponente wird jeweils durch eine Teilnebenreaktionskinetik beschrieben, welche in die Reaktionskinetik eingeht.The formation of the minor component is described in each case by a partial secondary reaction kinetics, which enters into the reaction kinetics.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Nebenkomponente ausgewählt aus der Gruppe, welche gebildet ist aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, und Maleinsäureanhydrid.In one embodiment, the minor component is selected from the group consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, and maleic anhydride.
Durch eine Reduktion der bei der Aufstellung der Reaktionskinetik berücksichtigten Nebenkomponenten lässt sich ebenfalls der Aufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erniedrigen.By reducing the consideration taken into account in the preparation of the reaction kinetics secondary components can also reduce the cost of implementing the method according to the invention.
Wie bereits weiter oben erläutert, lassen sich die Entstehung bzw. der Verbrauch von Ausgangsprodukten, Zwischenprodukten und Nebenprodukten bei der Bildung von Phthalsäureanhydrid durch ein Netzwerk darstellen, welches Reaktionswege umfasst, welche die Bildung eines Reaktionsprodukts aus einem anderen Reaktionsprodukt beschreiben.As already explained above, the formation or consumption of starting products, intermediates and by-products in the formation of phthalic anhydride can be represented by a network comprising reaction paths which describe the formation of a reaction product from another reaction product.
Ein solches Netzwerk umfasst zumindest einen Reaktionsweg welcher die Überführung eines ersten Reaktionsprodukts in ein zweites Reaktionsprodukt beschreibt. Die Überführung ist durch eine Teilreaktionskinetik oder eine Teilnebenreaktionskinetik beschrieben.Such a network comprises at least one reaction path which describes the conversion of a first reaction product into a second reaction product. The transfer is described by a partial reaction kinetics or a partial secondary reaction kinetics.
Bevorzugt umfasst das Netzwerk mehr als einen Reaktionsweg. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Netzwerk weniger als 30 Reaktionswege.Preferably, the network comprises more than one reaction path. In one embodiment, the network comprises less than 30 reaction pathways.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Netzwerk keine direkte Oxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid.In a preferred embodiment, the network does not involve direct oxidation of o-xylene to phthalic anhydride.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Nebenprodukt Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und wird im Netzwerk aus o-Xylol und/oder Phthalsäureanhydrid gebildet.According to another embodiment, the by-product carbon monoxide and / or carbon dioxide and is formed in the network of o-xylene and / or phthalic anhydride.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Nebenprodukt Maleinsäureanhydrid und wird im Netzwerk aus o-Xylol, Tolylaldehyd und/oder Phthalsäureanhydrid, bevorzugt Tolylaldehyd gebildet.According to a further embodiment, the by-product is maleic anhydride and is formed in the network from o-xylene, tolualdehyde and / or phthalic anhydride, preferably toluenoaldehyde.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Netzwerk zumindest die folgenden Reaktionswege:
- a) die Oxidation von o-Xylol zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (2), Tolylaldehyd (1),
oder zu 2,3-Dimethylbenzochinon (3); - b) die Oxidation von Tolylaldehyd zu Phthaldialdehyd (8), Tolylsäure (5), Phthalid (4), oder Toluol (11);
- c) die Oxidation von Tolylsäure zu Phthalid (6);
- d) die Oxidation von Phthaldialdehyd zu Phthalsäure (9)
- e) die Oxidation von Toluol zu Benzaldehyd (19), 2-Methyl-p-Benzochinon (12);
- f) die Oxidation von Benzaldehyd zu Benzoesäure (20);
- g) die Oxidation von Benzoesäure zu Benzol (21);
- h) die Oxidation von Benzol zu Phenol (22);
- i) die Oxidation von Phenol zu Hydrochinon (23);
- j) die Oxidation von Hydrochinon zu Benzochinon (24);
- k) die Oxidation von Benzochinon zu Maleinsäureanhydrid (25);
- l) die Oxidation von 2-Methyl-p-Benzochinon zu Maleinsäureanhydrid (14);
- m) die Oxidation von 2-Methyl-p-Benzochinon zu Citraconsäureanhydrid (13);
- n) die Oxidation von Citraconsäureanhydrid zu Essigsäure (18);
- o) die Oxidation von Dimethylbenzochinon zu Dimethylmaleinsäureanhydrid (16) oder Maleinsäureanhydrid (15);
- p) die Oxidation von Dimethylmaleinsäureanhydrid zu Essigsäure (17);
- q) die Oxidation von Phthalid zu Phthalsäureanhydrid (7);
- r) die Überführung von Phthalsäure in Phthalsäureanhydrid (10); sowie
- s) die Oxidation von Phthalsäureanhydrid zu Benzoesäure (26)
- a) the oxidation of o-xylene to carbon monoxide, carbon dioxide (2), tolualdehyde (1), or to 2,3-dimethylbenzoquinone (3);
- b) the oxidation of tolualdehyde to phthalaldehyde (8), toluic acid (5), phthalide (4), or toluene (11);
- c) the oxidation of toluic acid to phthalide (6);
- d) the oxidation of phthalaldehyde to phthalic acid (9)
- e) the oxidation of toluene to benzaldehyde (19), 2-methyl-p-benzoquinone (12);
- f) the oxidation of benzaldehyde to benzoic acid (20);
- g) the oxidation of benzoic acid to benzene (21);
- h) the oxidation of benzene to phenol (22);
- i) the oxidation of phenol to hydroquinone (23);
- j) the oxidation of hydroquinone to benzoquinone (24);
- k) the oxidation of benzoquinone to maleic anhydride (25);
- l) the oxidation of 2-methyl-p-benzoquinone to maleic anhydride (14);
- m) the oxidation of 2-methyl-p-benzoquinone to citraconic anhydride (13);
- n) the oxidation of citraconic anhydride to acetic acid (18);
- o) the oxidation of dimethylbenzoquinone to dimethylmaleic anhydride (16) or maleic anhydride (15);
- p) the oxidation of dimethylmaleic anhydride to acetic acid (17);
- q) the oxidation of phthalide to phthalic anhydride (7);
- r) the conversion of phthalic acid into phthalic anhydride (10); such as
- s) the oxidation of phthalic anhydride to benzoic acid (26)
Das Netzwerk ist in
Bevorzugt umfasst das Netzwerk nur die oben angegebenen Reaktionswege.Preferably, the network comprises only the above-mentioned reaction routes.
Bevorzugt umfasst das Netzwerk eine möglichst geringe Anzahl an Reaktionswegen, wodurch der Aufwand bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sinkt.Preferably, the network comprises the smallest possible number of reaction paths, whereby the effort in carrying out the method according to the invention decreases.
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen, können in den verschiedenen Lagen unterschiedliche Netzwerke bevorzugt sein.If the catalyst phase comprises several layers, different networks may be preferred in the different layers.
Gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform umfasst das Netzwerk zumindest die folgenden Reaktionswege:According to a preferred first embodiment, the network comprises at least the following reaction pathways:
- a) die Oxidation von o-Xylol zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (3), und Tolylaldehyd (1);a) the oxidation of o-xylene to carbon monoxide, carbon dioxide (3), and tolualdehyde (1);
- b) die Oxidation von Tolylaldehyd zu Maleinsäureanhydrid (6), Phthalsäureanhydrid (7) und Phthalid (4);b) the oxidation of tolualdehyde to maleic anhydride (6), phthalic anhydride (7) and phthalide (4);
- c) die Oxidation von Phthalid zu Phthalsäureanhydrid (5); undc) the oxidation of phthalide to phthalic anhydride (5); and
- d) die Oxidation von Phthalsäureanhydrid zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (10).d) the oxidation of phthalic anhydride to carbon monoxide, carbon dioxide (10).
Bevorzugt umfasst das Netzwerk nur die genannten Reaktionswege.Preferably, the network comprises only the mentioned reaction pathways.
Das Netzwerk ist in
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen, so wird das Netzwerk der ersten Lage L1 bevorzugt durch das Netzwerk gemäß der ersten Ausführungsform gebildet.If the catalyst phase comprises a plurality of layers, the network of the first layer L 1 is preferably formed by the network according to the first embodiment.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst das Netzwerk zumindest die folgenden Reaktionswege:According to a second embodiment, the network comprises at least the following reaction paths:
- a) die Oxidation von o-Xylol zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (3), und Tolylaldehyd (1);a) the oxidation of o-xylene to carbon monoxide, carbon dioxide (3), and tolualdehyde (1);
- b) die Oxidation von Tolylaldehyd zu Maleinsäureanhydrid (6), und Phthalid (4);b) the oxidation of tolualdehyde to maleic anhydride (6), and phthalide (4);
- c) die Oxidation von Phthalid zu Phthalsäureanhydrid (5); undc) the oxidation of phthalide to phthalic anhydride (5); and
- d) die Oxidation von Phthalsäureanhydrid zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (10).d) the oxidation of phthalic anhydride to carbon monoxide, carbon dioxide (10).
Bevorzugt umfasst das Netzwerk gemäß der zweiten Ausführungsform nur die genannten Reaktionswege.Preferably, the network according to the second embodiment comprises only the said reaction pathways.
Das Netzwerk ist in
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen Lm, so wird das Netzwerk der zweiten Lage L2 bevorzugt durch das Netzwerk gemäß der zweiten Ausführungsform (
Gemäß einer Ausführungsform ist dabei die vom Katalysator A1,n in der ersten Lage Lm bereitgestellte Aktivität niedriger als die Aktivität, welche vom Katalysator A2,n in der zweiten Lage bereitgestellt wird.In one embodiment, the activity provided by the catalyst A 1, n in the first layer L m is lower than the activity provided by the catalyst A 2, n in the second layer.
Gemäß einer dritten Ausführungsform umfasst das Netzwerk zumindest die folgenden Reaktionswege:According to a third embodiment, the network comprises at least the following reaction paths:
- a) die Oxidation von o-Xylol zu Tolylaldehyd (1); b) die Oxidation von Tolylaldehyd Phthalid (4);a) the oxidation of o-xylene to tolualdehyde (1); b) the oxidation of tolylaldehyde phthalide (4);
- c) die Oxidation von Phthalid zu Phthalsäureanhydrid (5); undc) the oxidation of phthalide to phthalic anhydride (5); and
- d) die Oxidation von Phthalsäureanhydrid zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid (10) und Maleinsäureanhydrid (6).d) the oxidation of phthalic anhydride to carbon monoxide, carbon dioxide (10) and maleic anhydride (6).
Bevorzugt umfasst das Netzwerk gemäß der dritten Ausführungsform nur die genannten Reaktionswege.Preferably, the network according to the third embodiment comprises only the said reaction pathways.
Das Netzwerk ist in
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen, so wird das Netzwerk der dritten Lage bevorzugt durch das Netzwerk gemäß der dritten Ausführungsform (
Gemäß einer Ausführungsform wird dabei vom Katalysator A1,n der ersten Lage L1 eine geringere Aktivität bereitgestellt als vom Katalysator A2,n der zweiten Lage L2 und vom Katalysator A3,n wird eine höhere Aktivität in der Lage L3 bereitgestellt als vom Katalysator A2,n der zweiten Lage L2.According to one embodiment, a lower activity is thereby provided by the catalyst A 1, n of the first layer L 1 than by the catalyst A 2, n of the second layer L 2 and by the catalyst A 3, n is provided a higher activity in the layer L 3 than from the catalyst A 2, n of the second layer L 2 .
Ist die vom Katalysator A1,n in der ersten Lage L1 bereitgestellte Aktivität höher als die vom Katalysator A2,n in der zweiten Lage L2 bereitgestellte Aktivität und die vom Katalysator A3,n der dritten Lage L3 bereitgestellte Aktivität höher als die vom Katalysator A2,n der zweiten Lage L2 bereitgestellte Aktivität, so wird das Netzwerk der ersten Lage L1 und der zweiten Lage L2 gemäß einer Ausführungsform durch das Netzwerk gemäß der ersten Ausführungsform (
Bei einer Katalysatorphase mit 4 Lagen Lm, bei welcher vom Katalysator A1,n in der ersten Lage eine höhere Aktivität bereitgestellt wird als vom Katalysator A2,n in der zweiten Lage L2, und bei dem vom Katalysator A3,n in der dritten Lage eine höhere Aktivität bereitgestellt wird als vom Katalysator A2,n in der zweiten Lage L2, und ferner vom Katalysator A4,n in der vierten Lage eine höhere Aktivität bereitgestellt wird als vom Katalysator A3,n in der dritten Lage L3, wird gemäß einer Ausführungsform das Netzwerk von erster und zweiter Lage L1, L2 durch das Netzwerk gemäß der ersten Ausführungsform (
Bei einer Ausführungsform einer Katalysatorphase mit vier Lagen Lm wird gemäß einer Ausführungsform das Netzwerk der ersten Lage vom Netzwerk gemäß der ersten Ausführungsform (
Der Katalysator aus einem vanadiumhaltigen Material, oder genauer die Aktivmasse des Katalysators, kann an sich eine aus dem Stand der Technik bekannte und übliche Zusammensetzung aufweisen, wobei die konkrete Zusammensetzung des Katalysators auch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.The catalyst of a vanadium-containing material, or more precisely the active material of the catalyst, can per se have a known and customary composition from the prior art, wherein the specific composition of the catalyst can also be determined with the aid of the method according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Katalysator neben Vanadiumoxid noch weitere Komponenten, beispielsweise die in der folgenden Tabelle angegebenen Komponenten, welche vorzugsweise in Mengen innerhalb der angegebenen Bereiche in der aktiven Masse enthalten sind:
Die Prozentangaben beziehen sich jeweils auf das Gesamtgewicht der Aktivmasse.The percentages in each case relate to the total weight of the active composition.
Weiter können in der aktiven Masse Promotoren zur Modulation der Aktivität der Katalysatoren enthalten sein. Geeignete Promotoren sind beispielsweise Alkali- und Erdalkalimetalle, Thallium, Antimon, Phosphor, Eisen, Niob, Kobalt, Molybdän, Silber, Wolfram, Zinn, Blei, Zirkon, Kupfer, Gold und/oder Bismut sowie Mischungen aus zwei oder mehreren der vorstehenden Komponenten. Über die einzelnen Promotoren lässt sich die Aktivität und Selektivität der Katalysatoren bzw. der Aktivmasse beeinflussen, insbesondere durch Absenkung oder Erhöhung der Aktivität. Zu den die Selektivität erhöhenden Promotoren zählen beispielsweise die Alkalimetalloxide, wohingegen oxidische Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphorpentoxid, die Aktivität des Katalysators auf Kosten der Selektivität je nach Promotionsgrad erniedrigen können.Furthermore, promoters for modulating the activity of the catalysts can be present in the active mass. Suitable promoters are, for example, alkali metals and alkaline earth metals, thallium, antimony, phosphorus, iron, niobium, cobalt, molybdenum, silver, tungsten, tin, lead, zirconium, copper, gold and / or bismuth, and Mixtures of two or more of the above components. About the individual promoters, the activity and selectivity of the catalysts or the active composition can be influenced, in particular by lowering or increasing the activity. The selectivity increasing promoters include, for example, the alkali metal oxides, whereas oxidic phosphorus compounds, especially phosphorus pentoxide, can lower the activity of the catalyst at the expense of selectivity depending on the degree of promotion.
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen, unterscheiden sich die Katalysatoren der einzelnen Lagen bevorzugt in ihrer Zusammensetzung.If the catalyst phase comprises several layers, the catalysts of the individual layers preferably differ in their composition.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Katalysator einen Aktivmassegehalt zwischen 7 und 12 Gew.-%, bevorzugt zwischen 8 und 10 Gew.-% auf. Die Aktivmasse (katalytisch aktive Masse) enthält vorzugsweise zwischen 5 bis 15 Gew.-% V2O5, 0 bis 4 Gew.-% Sb2O3, 0,2 bis 0,75 Gew.-% Cs, 0 bis 3 Gew.-% Nb2O5. Neben den vorstehenden Komponenten besteht der Rest der Aktivmasse 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. Ein solcher Katalysator kann beispielsweise vorteilhaft bei einem Zwei- oder Mehrlagen-Katalysator als erste, zur Gaseintrittsseite hin gelegene Katalysatorlage verwendet werden.According to one embodiment, the catalyst has an active composition content of between 7 and 12% by weight, preferably between 8 and 10% by weight. The active composition (catalytically active composition) preferably contains between 5 to 15% by weight of V 2 O 5 , 0 to 4% by weight of Sb 2 O 3 , 0.2 to 0.75% by weight of Cs, 0 to 3 Wt% Nb 2 O 5 . In addition to the above components, the remainder of the active composition is at least 90 wt .-%, preferably at least 95 wt .-%, more preferably at least 98 wt .-%, in particular at least 99 wt .-%, more preferably at least 99.5 wt. -%, In particular 100 wt .-% of TiO 2 . Such a catalyst can be used, for example, advantageously in a two- or multi-layer catalyst as the first, to the gas inlet side located catalyst layer.
Nach einer Ausführungsform liegt die BET-Oberflache des Katalysators bzw. der Aktivmasse zwischen 15 und etwa 25 m2/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche erste Lage L1 der Katalysatorphase Katalysatorlage einen Längenanteil von etwa 40 bis 60% an der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen Lagen der Katalysatorphase (Gesamtlänge des vorhandenen Katalysatorbettes) aufweist.According to one embodiment, the BET surface area of the catalyst or the active composition is between 15 and about 25 m 2 / g. Furthermore, it is preferred that such a first layer L 1 of the catalyst phase catalyst layer has a length fraction of about 40 to 60% of the total length of all existing catalyst layers layers of the catalyst phase (total length of the existing catalyst bed).
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Katalysator einen Aktivmassegehalt von etwa 6 bis 11 Gew.-%, insbesondere 7 bis 9 Gew.-% auf. Die Aktivmasse enthält vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% V2O5, 0 bis 4 Gew.-% Sb2O3, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Cs, 0 bis 2 Gew.-% Nb2O5 und 0–2 Gew.-% Phosphor. Neben den vorstehenden Komponenten besteht der Rest der Aktivmasse 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. Ein solcher Katalysator kann beispielsweise als zweite Lage L2 der Katalysatorphase, d. h. stromab der zur Gaseintrittsseite hin gelegenen ersten Lage L1 der Katalysatorphase eingesetzt werden. Dabei wird bevorzugt, dass der Katalysator bzw. die Aktivmasse eine BET-Oberflache zwischen etwa 15 und 25 m2/g aufweist. Weiterhin wird bevorzugt, dass diese zweite Lage einen Längenanteil von etwa 10 bis 30% der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen einnimmt.According to a further embodiment, the catalyst has an active composition content of about 6 to 11 wt .-%, in particular 7 to 9 wt .-% to. The active composition preferably contains 5 to 15 wt .-% V 2 O 5 , 0 to 4 wt .-% Sb 2 O 3 , 0.05 to 0.3 wt .-% Cs, 0 to 2 wt .-% Nb 2 O 5 and 0-2 wt% phosphorus. In addition to the above components, the remainder of the active composition consists of at least 90% by weight, preferably at least 95% by weight, more preferably at least 98% by weight, in particular at least 99% by weight, more preferably at least 99.5% by weight. %, in particular 100 wt .-% of TiO 2 . Such a catalyst can be used, for example, as the second layer L 2 of the catalyst phase, ie downstream of the first layer L 1 of the catalyst phase located toward the gas inlet side. It is preferred that the catalyst or the active composition has a BET surface area between about 15 and 25 m 2 / g. Furthermore, it is preferred that this second layer occupies a length fraction of about 10 to 30% of the total length of all existing catalyst layers.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Katalysator einen Aktivmassegehalt zwischen etwa 5 und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 6 und 8 Gew.-% auf. Die Aktivmasse (katalytisch aktive Masse) enthält vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% V2O5, 0 bis 4 Gew.-% Sb2O3, 0 bis 0,1 Gew.-% Cs, 0 bis 1 Gew.-% Nb2O5 und 0 bis 2 Gew.-% Phosphor. Neben den vorstehenden Komponenten besteht der Rest der Aktivmasse 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. Ein solcher Katalysator kann beispielsweise als dritte, (bzw. letzte) stromab der vorstehend beschriebenen zweiten Lage L2 der Katalysatorphase angeordnete Lage L3 der Katalysatorphase eingesetzt werden. Bevorzugt wird dabei eine BET-Oberflache des Katalysators bzw. der Aktivmasse, die etwas höher liegt als diejenige der näher zur Gaseintrittsseite hin gelegenen Lagen, insbesondere im Bereich zwischen etwa 25 bis etwa 45 m2/g. Weiterhin wird bevorzugt, dass eine solche dritte Lage L3 einen Längenanteil von etwa 10 bis 50% der Gesamtlänge aller vorhandenen Katalysatorlagen einnimmt.According to a further embodiment, the catalyst has an active composition content of between about 5 and 10% by weight, in particular between 6 and 8% by weight. The active composition (catalytically active composition) preferably contains 5 to 15% by weight of V 2 O 5 , 0 to 4% by weight of Sb 2 O 3 , 0 to 0.1% by weight of Cs, 0 to 1% by weight. % Nb 2 O 5 and 0 to 2 wt% phosphorus. In addition to the above components, the remainder of the active composition is at least 90 wt .-%, preferably at least 95 wt .-%, more preferably at least 98 wt .-%, in particular at least 99 wt .-%, more preferably at least 99.5 wt. -%, In particular 100 wt .-% of TiO 2 . Such a catalyst can be used, for example, as the third (or last) layer L 3 of the catalyst phase arranged downstream of the second layer L 2 of the catalyst phase described above. In this case, a BET surface of the catalyst or of the active composition which is slightly higher than that of the layers closer to the gas inlet side, in particular in the range between about 25 to about 45 m 2 / g, is preferred. Furthermore, it is preferred that such a third layer L 3 occupies a length fraction of about 10 to 50% of the total length of all existing catalyst layers.
Umfasst die Katalysatorphase mehrere Lagen Lm, wird deren Anteil an der Gesamtlänge der Katalysatorphase bzw. des Katalysatorbetts gemäß einer Ausführungsform innerhalb bestimmter Bereiche gewählt.If the catalyst phase comprises a plurality of layers L m , their proportion of the total length of the catalyst phase or of the catalyst bed is selected according to an embodiment within certain ranges.
So weist nach einer Ausführungsform die erste, zur Gaseintrittsseite hin gelegene Lage L1 der Katalysatorphase einen Längenanteil, bezogen auf die Gesamtlänge der Katalysatorphase, von mindestens 40%, insbesondere mindestens 45%, besonders bevorzugt mindestens 50% auf. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil der ersten Lage L1 der Katalysatorphase an der Gesamtlänge der Katalysatorphase zwischen 40 und 70%, gemäß einer weiteren Ausführungsform zwischen 40 und 55%, und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform zwischen 40 und 52%. Die zweite Lage L2 nimmt gemäß einer Ausführungsform etwa 10 bis 40%, gemäß einer weiteren Ausführungsform etwa 10 bis 30% der Gesamtlänge der Katalysatorphase ein. Weiterhin wird gemäß einer Ausführungsform das Verhältnis der Länge z3,G der dritten Lage L3 der Katalysatorphase zur Länge z2,G der zweiten Lage L2 zwischen etwa 1 und 2, gemäß einer weiteren Ausführungsform zwischen 1,2 bis 1,7, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform zwischen 1,3 und 1,6 gewählt.Thus, according to one embodiment, the first layer L 1 of the catalyst phase located toward the gas inlet side has a length fraction, based on the total length of the catalyst phase, of at least 40%, in particular at least 45%, particularly preferably at least 50%. According to one embodiment, the proportion of the first layer L 1 of the catalyst phase in the total length of the catalyst phase is between 40 and 70%, according to a further embodiment between 40 and 55%, and according to yet another embodiment between 40 and 52%. The second layer L 2 according to one embodiment takes about 10 to 40%, according to another embodiment, about 10 to 30% of the total length of the catalyst phase. Furthermore, according to one embodiment, the ratio of the length z 3, G of the third layer L 3 of the catalyst phase to the length z 2, G of the second layer L 2 between about 1 and 2, according to another embodiment between 1.2 to 1.7, selected according to yet another embodiment, between 1.3 and 1.6.
Diese Bereiche finden gemäß einer Ausführungsform bei einer Katalysatorphase mit drei Lagen Anwendung. Dabei ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die in den Lagen von den Katalysatoren Am,n bereitgestellte Aktivität schrittweise von der ersten zur dritten Lage hin ansteigt. These regions find application in a three phase catalyst phase according to one embodiment. In this case, according to one embodiment, it is provided that the activity provided in the layers by the catalysts A m, n increases stepwise from the first to the third position.
Bei einem 4-Lagen-Katalysator weist die erste Lage L1 der Katalysatorphase gemäß einer Ausführungsform einen Längenanteil, bezogen auf die Gesamtlänge der Katalysatorphase bzw. der Katalysatorphase, zwischen etwa 10% und 20% auf. Der Längenanteil der zweiten Lage L2 der Katalysatorphase liegt gemäß einer Ausführungsform zwischen etwa 40% und 60%, bezogen auf die Gesamtlänge der Katalysatorphase. Der Längenanteil der dritten bzw. vierten Lage L3, L4 der Katalysatorphase liegt gemäß einer Ausführungsform jeweils zwischen etwa 15% und 40%, bezogen auf die Gesamtlänge des Katalysatorbettes.In a 4-layer catalyst, the first layer L 1 of the catalyst phase according to one embodiment has a length fraction, based on the total length of the catalyst phase or the catalyst phase, between about 10% and 20%. The length fraction of the second layer L 2 of the catalyst phase is according to one embodiment between about 40% and 60%, based on the total length of the catalyst phase. The length fraction of the third or fourth layer L 3 , L 4 of the catalyst phase is according to one embodiment in each case between about 15% and 40%, based on the total length of the catalyst bed.
Gemäß einer Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die von den Katalysatoren Am,n bereitgestellte Aktivität von der ersten zur zweiten Lage zunächst abfällt und dann zur dritten bzw. vierten Lage hin ansteigt. Dabei ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Länge z1,G der ersten Lage L1 geringer ist als die Lange z2,G der zweiten Lage, gemäß einer Ausführungsform weniger als 50% der Länge z2,G der zweiten Lage L2 beträgt.According to one embodiment, it is provided that the activity provided by the catalysts A m, n initially drops from the first to the second layer and then increases towards the third or fourth position. It is provided according to an embodiment that the length z 1, G of the first layer L 1 is less than the length z 2, G of the second layer, according to one embodiment, less than 50% of the length z 2, G of the second layer L 2nd is.
Durch die Anpassung der Längenanteile der einzelnen Katalysatorlagen kann Einfluss auf die Positionierung des Hot-Spots genommen werden. Ebenso kann die Temperatur des Hot-Spots kontrolliert werden, sodass eine langsamere Deaktivierung des Katalysators und damit eine längere Betriebsdauer des Reaktors ermöglicht wird.By adjusting the length proportions of the individual catalyst layers influence on the positioning of the hot spot can be taken. Likewise, the temperature of the hot spot can be controlled so that a slower deactivation of the catalyst and thus a longer operating time of the reactor is made possible.
Das Aktivitätsprofil der Katalysatorphase, also die Aktivität der einzelnen Lagen innerhalb der Katalysatorphase, kann beispielsweise durch den Gehalt der aktiven Masse an Alkalimetallen beeinflusst werden. Dadurch kann beispielsweise ein Aktivitätsprofil eingestellt werden, bei welchem die Aktivität des Katalysators in den Katalysatorlagen von der Gaseintrittsseite zur Gasaustrittsseite hin sinkt.The activity profile of the catalyst phase, ie the activity of the individual layers within the catalyst phase, can be influenced, for example, by the content of the active mass of alkali metals. As a result, for example, an activity profile can be set at which the activity of the catalyst in the catalyst layers decreases from the gas inlet side to the gas outlet side.
Nach einer Ausführungsform ist der Alkaligehalt, bevorzugt der Cs-Gehalt (berechnet als Cs), in der zweiten Lage L2 der Katalysatorphase kleiner als in der ersten Lage L1 der Katalysatorphase, und in der dritten Lage L3 kleiner als in der zweiten Lage L2 (und gemäß einer Ausführungsform ggf. auf die dritte Lage L3 folgenden Lagen Lm).According to one embodiment, the alkali content, preferably the Cs content (calculated as Cs), in the second layer L 2 of the catalyst phase is smaller than in the first layer L 1 of the catalyst phase, and in the third layer L 3 smaller than in the second layer L 2 (and according to one embodiment optionally to the third layer L 3 following layers L m ).
Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Cs-Gehalt (berechnet als Cs) in der Katalysatorphase von Lage zu Lage in Gasstromrichtung ab. Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält die dritte (und vorzugsweise auch ggf. nachfolgende Lagen) kein Cs. Bevorzugt gilt:
Gemäß einer Ausführungsform weist die letzte Lage Lm der Katalysatorphase kein Cs auf.In one embodiment, the last layer L m of the catalyst phase does not have Cs.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist nur die letzte Lage Lm der Katalysatorphase Phosphor auf. In einer weiteren Ausführungsform ist in der Aktivmasse in der ersten Lage und in der zweiten Lage, und bei einem 4-Lagen-Katalysator vorzugsweise auch in der dritten Lage L3 kein Phosphor enthalten. (Mit ”kein Phosphor enthalten” ist gemeint, dass bei der Präparation kein P aktiv der Aktivmasse zugegeben wurde).According to another embodiment, only the last layer L m of the catalyst phase has phosphorus. In a further embodiment, no phosphorus is contained in the active composition in the first layer and in the second layer, and in a four-layer catalyst preferably also in the third layer L 3 . (By "no phosphorus" is meant that in the preparation no P active was added to the active mass).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann bei Drei- oder Mehrlagen-Katalysatorphasen der Aktivmassengehalt von der ersten, zur Gaseintrittsseite hin gelegenen Lage zu der zur Gasaustrittsseite hin gelegenen Lage abnehmen. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform die erste Lage L1 der Katalysatorphase einen Aktivmassengehalt zwischen etwa 7 und 12 Gew.-% gemäß einer Ausführungsform zwischen etwa 8 und 11 Gew.-% aufweisen, die zweite Lage L2 der Katalysatorphase einen Aktivmassengehalt zwischen etwa 6 und 11 Gew.-% gemäß einer Ausführungsform zwischen etwa 7 und 10 Gew.-%, und die dritte Lage L3 der Katalysatorphase einen Aktivmassengehalt zwischen etwa 5 und 10 Gew.-% gemäß einer Ausführungsform zwischen etwa 6 und 9 Gew.-%.According to a further embodiment, in the case of three-layer or multi-layer catalyst phases, the active material content may decrease from the first layer located towards the gas inlet side to the layer located toward the gas outlet side. In this case, according to one embodiment, the first layer L 1 of the catalyst phase has an active material content between about 7 and 12 wt .-% according to one embodiment between about 8 and 11 wt .-%, the second layer L 2 of the catalyst phase has an active material content between about 6 and 11 wt .-% according to one embodiment between about 7 and 10 wt .-%, and the third layer L 3 of the catalyst phase has an active material content of between about 5 and 10 wt .-% according to one embodiment between about 6 and 9 wt .-%.
Die Ausdrücke erste, zweite bzw. dritte Lage Lm der Katalysatorphase werden wie folgt verwendet: als erste Lage L1 der Katalysatorphase wird die zur Gaseintrittsseite hin gelegene Lage bezeichnet. Zur Gasaustrittsseite hin können in der Katalysatorphase noch zwei weitere Lagen enthalten sein, die als zweite bzw. dritte Lage L2, L3 der Katalysatorphase bezeichnet werden. Die dritte Lage liegt dabei näher zur Gasaustrittsseite als die zweite Lage.The terms first, second and third layer L m of the catalyst phase are used as follows: the first layer L 1 of the catalyst phase is the layer which faces the gas inlet side. Towards the gas outlet side, two further layers may be contained in the catalyst phase, which are referred to as the second or third layer L 2 , L 3 of the catalyst phase. The third layer is closer to the gas outlet side than the second layer.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Katalysatorphase drei oder vier Lagen auf. Bei einer 3-Lagen-Katalysatorphase liegt die dritte Lage L3 an der Gasaustrittsseite. Die Anwesenheit von zusätzlichen Lagen gasstromab der ersten Lage L1 ist jedoch nicht ausgeschlossen. Beispielsweise kann nach einer weiteren Ausführungsform der dritten Lage L3 noch eine vierte Lage L4 (vorzugsweise mit einem gleichen oder noch geringeren Aktivmassegehalt als die dritte Lage L3) nachfolgen. In one embodiment, the catalyst phase has three or four layers. In a 3-layer catalyst phase, the third layer L 3 is located on the gas outlet side. However, the presence of additional layers of gas downstream from the first layer L 1 is not excluded. For example, according to a further embodiment, the third layer L 3 may be followed by a fourth layer L 4 (preferably with an identical or even lower active material content than the third layer L 3 ).
Zur Einstellung des Aktivitätsprofils kann nach einer Ausführungsform der Aktivmassegehalt zwischen der ersten und der zweiten Lage L1, L2 der Katalysatorphase und/oder zwischen der zweiten und der dritten Lage L2, L3 der Katalysatorphase abnehmen. Nach einer weiteren Ausführungsform nimmt der Aktivmassegehalt zwischen der zweiten und der dritten Lage ab. Nach einer weiteren Ausführungsform nimmt dabei die BET-Oberflache von der ersten, zur Gaseintrittsseite hin gelegenen Lage L1 zur dritten, zur Gasaustrittsseite hin gelegenen Lage L3 zu. Geeignete Bereiche für die BET-Oberfläche sind beispielsweise 15 bis 25 m2/g für die erste Lage L1, 15 bis 25 m2/g für die zweite Lage L2 und 25 bis 45 m2/g für die dritte Lage L3 der Katalysatorphase.To set the activity profile, according to one embodiment, the active material content between the first and the second layer L 1 , L 2 of the catalyst phase and / or between the second and the third layer L 2 , L 3 of the catalyst phase decrease. According to a further embodiment, the active material content decreases between the second and the third layer. In accordance with a further embodiment, the BET surface area increases from the first position L 1 located toward the gas inlet side to the third position L 3 located toward the gas outlet side. Suitable ranges for the BET surface area are, for example, 15 to 25 m 2 / g for the first layer L 1 , 15 to 25 m 2 / g for the second layer L 2 and 25 to 45 m 2 / g for the third layer L 3 the catalyst phase.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die BET-Oberfläche der ersten Lage L1 der Katalysatorphase geringer ist als die BET-Oberfläche der dritten Lage L3. Geeignete Katalysatorphasen werden auch erhalten, wenn die BET-Oberflächen der ersten und der zweiten Lage L1, L2 gleich sind, während die BET-Oberfläche der dritten Lage L3 demgegenüber grösser ist. Die Katalysatoraktivität zur Gaseintrittsseite ist nach einer Ausführungsform geringer als die Katalysatoraktivität zur Gasaustrittsseite hin. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass mindestens 0,05 Gew.-% der katalytisch aktiven Masse durch mindestens ein Alkalimetall, berechnet als Alkalimetall (e), gebildet wird. Gemäß einer Ausführungsform wird als Alkalimetall Cäsium verwendet.According to one embodiment, it is provided that the BET surface area of the first layer L 1 of the catalyst phase is less than the BET surface area of the third layer L 3 . Suitable catalyst phases are also obtained when the BET surface areas of the first and second layers L 1 , L 2 are the same, whereas the BET surface area of the third layer L 3 is larger. The catalyst activity to the gas inlet side is according to one embodiment less than the catalyst activity towards the gas outlet side. It can be provided according to an embodiment that at least 0.05 wt .-% of the catalytically active material by at least one alkali metal, calculated as alkali metal (s), is formed. In one embodiment, cesium is used as the alkali metal.
Zudem ist nach den Ergebnissen der Erfinder nach einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Katalysator bzw. die Aktivmasse insgesamt Niob in einer Menge von 0,01 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 1 Gew.-% der Aktivmasse enthält.In addition, according to the results of the inventors, according to one embodiment, it is provided that the catalyst or the active composition contains a total of niobium in an amount of 0.01 to 2 wt .-%, in particular 0.5 to 1 wt .-% of the active composition.
Die Katalysatorkörper der Katalysatoren Am,n werden in der üblichen Weise hergestellt, wobei eine dünne Schicht der Aktivmasse auf den inerten Trägerkörper aufgebracht wird. Dazu kann beispielsweise eine Suspension der Aktivmasse oder eine Lösung bzw. Suspension von Vorläuferverbindungen, die in die Komponenten der Aktivmasse überführt werden können, auf den inerten Träger aufgesprüht. Dies kann beispielsweise bei einer Temperatur von 80 bis 200°C im Wirbelbett erfolgen. Die Aktivmasse kann aber beispielsweise auch in einer Dragiertrommel auf den inerten Träger aufgebracht werden.The catalyst bodies of the catalysts A m, n are prepared in the usual manner, wherein a thin layer of the active composition is applied to the inert support body. For this purpose, for example, a suspension of the active composition or a solution or suspension of precursor compounds, which can be converted into the components of the active composition, sprayed onto the inert carrier. This can be done, for example, at a temperature of 80 to 200 ° C in a fluidized bed. However, the active composition can also be applied, for example, in a coating drum to the inert carrier.
Für den Beschichtungsvorgang wird die wässrige Lösung oder Suspension von Aktivkomponenten und eines organischen Binders, vorzugsweise einem Copolymer aus Vinylacetat/Vinyllaurat, Vinylacetat/Ethylen oder Styrol/Acrylat, über eine oder mehrere Düsen auf den erwärmten, fluidisierten Träger aufgesprüht. Besonders günstig ist es, die Sprühflüssigkeit am Ort der höchsten Produktgeschwindigkeit aufzugeben, wodurch sich der Sprühstoff gleichmäßig im Bett verteilen kann. Der Sprühvorgang wird solange fortgeführt, bis entweder die Suspension verbraucht oder die erforderliche Menge an Aktivkomponenten auf dem Träger aufgebracht ist. Unter Aktivkomponenten werden Komponenten der Aktivmasse verstanden, insbesondere in der Aktivmasse enthaltene Metallverbindungen. Die Aktivkomponenten können als Oxide oder in Form von Vorläuferverbindungen eingesetzt. Unter Vorläuferverbindungen werden Verbindungen verstanden, die sich, beispielsweise durch Erhitzen an Luft, in die Komponenten der Aktivmasse, also die Oxide, überführen lassen. Geeignete Vorläuferverbindungen sind beispielsweise Nitrate, Carbonate, Acetate oder Chloride der Metalle.For the coating process, the aqueous solution or suspension of active components and an organic binder, preferably a copolymer of vinyl acetate / vinyl laurate, vinyl acetate / ethylene or styrene / acrylate, sprayed via one or more nozzles on the heated, fluidized carrier. It is particularly advantageous to give up the spray liquid at the place of the highest product speed, whereby the spray can be evenly distributed in the bed. The spraying process is continued until either the suspension has been consumed or the required amount of active components has been applied to the carrier. Active components are understood to mean components of the active composition, in particular metal compounds contained in the active composition. The active components can be used as oxides or in the form of precursor compounds. Precursor compounds are compounds which can be converted, for example by heating in air, into the components of the active composition, ie the oxides. Suitable precursor compounds are, for example, nitrates, carbonates, acetates or chlorides of the metals.
Nach einer Ausführungsform wird die Aktivmasse im Fließbett oder Wirbelbett unter Beihilfe geeigneter Bindemittel aufgebracht, so dass ein Schalenkatalysator erzeugt wird. Geeignete Bindemittel umfassen dem Fachmann geläufige organische Binder, bevorzugt Copolymere, vorteilhaft in Form einer wässrigen Dispersion, von Vinylacetat/Vinyllaurat, Vinylacetat/Acrylat, Styrol/Acrylat, Vinylacetat/Maleat sowie Vinylacetat/Ethylen. Besonders bevorzugt wird ein organischer polymerer oder copolymerer Kleber, insbesondere ein Vinylacetat-Copolymer-Kleber, als Bindemittel verwendet. Das verwendete Bindemittel wird in üblichen Mengen der Aktivmasse zugegeben, beispielsweise mit etwa 10 bis 20 Gew.-% bezogen auf den Feststoffgehalt der Aktivmasse. Beispielsweise kann auf die
Soweit die Aufbringung der Aktivmasse bei erhöhten Temperaturen von etwa 150°C erfolgt, kann diese auch ohne organische Bindemittel auf den Träger aufgebracht werden. Brauchbare Beschichtungstemperaturen bei Verwendung der vorstehend angegebenen Bindemittel liegen beispielsweise zwischen etwa 50 und 450°C. Die verwendeten Bindemittel brennen beim Ausheizen des Katalysators bei Inbetriebnahme des gefüllten Reaktors innerhalb kurzer Zeit aus. Die Bindemittel dienen in erster Linie der Verstärkung der Haftung der Aktivmasse auf dem Träger und der Verringerung von Abrieb beim Transport und Einfüllen der Katalysatorkörper in den Reaktor.As far as the application of the active composition takes place at elevated temperatures of about 150 ° C, it can be applied to the carrier without organic binders. Useful coating temperatures when using the above-mentioned binders are for example between about 50 and 450 ° C. The binders used burn when the catalyst is heated during commissioning of the catalyst filled reactor within a short time. The binders serve primarily to enhance the adhesion of the active composition to the support and to reduce abrasion during transport and filling of the catalyst bodies in the reactor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird aus einer Lösung und/oder einer Suspension der Aktivmasse und/oder deren Vorläuferverbindungen, gegebenenfalls in Anwesenheit von Hilfsmitteln für die Katalysatorherstellung, zunächst ein Pulver hergestellt, das anschließend für die Katalysatorherstellung auf dem inerten Träger, gegebenenfalls nach Konditionierung sowie gegebenenfalls nach Wärmebehandlung zur Erzeugung der katalytisch aktiven Metalloxide schalenförmig aufgebracht und der auf diese Weise beschichtete Träger einer Wärmebehandlung zur Erzeugung der Aktivmasse oder einer Behandlung zur Entfernung flüchtiger Bestandteile unterzogen.According to a further embodiment, first of all a powder is prepared from a solution and / or a suspension of the active composition and / or its precursor compounds, optionally in the presence of auxiliaries for the preparation of the catalyst, which is then used for catalyst preparation on the inert support, optionally after conditioning and optionally after heat treatment to produce the catalytically active metal oxides cup-shaped applied and subjected to the thus coated carrier to a heat treatment to produce the active composition or a treatment for devolatilization.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Beispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to examples.
Beispielexample
Ein 4-Lagen Katalysatorsystem mit nachfolgender Zusammensetzung und Lagenlängen wurde in einem salzbadgekühlten Rohrreaktor mit 25 mm inneren Durchmesser gefüllt. Im Reaktionsrohr befand sich zentrisch angeordnet eine 3 mm Thermohülse mit eingebautem Zugelement zur Temperaturmessung. Tabelle 1: Zusammensetzung der Aktivmasse der Katalysatoren
Das Rohr war auf einer Länge von 400 cm von einem Kühlmantel umgeben, welcher von einem Kühlmedium (eutektisches Gemisch aus NaNO2 und KNO3) durchströmt wurde. Die Temperatur des Kühlmediums wurde auf einer Höhe von 50 cm und 400 cm entlang der Länge des Rohres gemessen. Das arithmetische Mittel der Temperaturen wurde als mittlere Kühlmitteltemperatur TK angenommen.The tube was surrounded over a length of 400 cm by a cooling jacket, which was flowed through by a cooling medium (eutectic mixture of NaNO 2 and KNO 3 ). The temperature of the cooling medium was measured at a height of 50 cm and 400 cm along the length of the pipe. The arithmetic mean of the temperatures was assumed to be the mean coolant temperature T K.
In das Rohr wurde ein Katalysatorbett (Katalysatorphase) eingefüllt, das eine Gesamtlänge von 300 cm aufwies. Das Katalysatorbett war so angeordnet, dass sich das gesamte Katalysatorbett in dem Bereich des gekühlten Reaktionsrohres befindet.Into the tube was charged a catalyst bed (catalyst phase) having a total length of 300 cm. The catalyst bed was arranged so that the entire catalyst bed is in the area of the cooled reaction tube.
Am Austritt des Reaktionsrohres, sowie an den Übergängen zwischen den einzelnen Katalysatorlagen befanden sich Messstellen zur Messung der Zusammensetzung des Reaktionsgases.At the outlet of the reaction tube, and at the transitions between the individual catalyst layers were measuring points for measuring the composition of the reaction gas.
Durch das Rohr wurden stündlich von oben nach unten 3–4 Nm3 Luft mit einer Beladung von 30–100 g o-Xylol/Nm3 Luft (Reinheit o-Xylol > 99%) und einem Gesamtdruck von ca. 1450 mbar geleitet.3-4 Nm 3 of air with a loading of 30-100 g o-xylene / Nm 3 air (purity o-xylene> 99%) and a total pressure of about 1450 mbar were passed through the tube from top to bottom every hour.
Es wurden bei nachfolgenden Betriebsbedingungen im Abstand von 10 cm Temperaturen in der Thermohülse aufgenommen sowie die Zusammensetzung des Reaktionsgases am Austritt des Reaktors bestimmt. Tabelle 2: Betriebsbedingungen zur Ermittlung des Modells Temperatures in the thermal sleeve were recorded at subsequent operating conditions at a distance of 10 cm and the composition of the reaction gas at the outlet of the reactor was determined. Table 2: Operating conditions for determining the model
Die Diffusions- und Wärmetransportparameter wurden entsprechend bekannter Korrelationen, beispielsweise nach VDI-Wärmeatlas abgeschätzt.The diffusion and heat transport parameters were estimated according to known correlations, for example, according to VDI heat atlas.
Mit den gemessenen Temperatur- und Konzentrationsdaten wurden die Gleichungen 1 bis 5 mit Hilfe der Software gPROMS® gelöst und damit die Reaktionskinetik der einzelnen Katalysatoren bestimmt.With the measured temperature and concentration data,
Die ermittelte Reaktionskinetik setzt sich für die verschiedenen Katalysatorlagen aus folgenden Teilreaktionskinetiken zusammen.The determined reaction kinetics are composed of the following partial reaction kinetics for the different catalyst layers.
Für Lage 1 wurden die Teilreaktionskinetiken entsprechend
Der Parameter KoX nimmt den Wert 1.5 bar–1 an.The parameter K oX assumes the value 1.5 bar -1 .
Für Lage 2 wurden die Teilreaktionskinetiken entsprechend
Der Parameter KoX nimmt den Wert 1.5 bar–1 an.The parameter K oX assumes the value 1.5 bar -1 .
Für Lage 3 wurden die Teilreaktionskinetiken entsprechend
Der Parameter KoX nimmt den Wert 1.5 bar–1 an.The parameter K oX assumes the value 1.5 bar -1 .
Für Lage 4 wurden die Teilreaktionskinetiken entsprechend
Der Parameter KoX nimmt den Wert 1.5 bar–1 an.The parameter K oX assumes the value 1.5 bar -1 .
Für einen salzbadgekühlten Rohrreaktor mit 25 mm inneren Durchmesser, ohne Thermohülse wurde ein optimierter Katalysator mit nachfolgenden Zusammensetzung und Aktivmassenbeladung bereitgestellt. Tabelle 7: Zusammensetzungen und Aktivmassenbeladungen des optimierten Systems
Daraus können folgende Vorteile für den optimierten Katalysator abgeleitet werden, die nicht für nur dieses spezifische Beispiel, sondern allgemein für das Katalysatorsystem gelten:
- • Geringerer Gehalt an CO und CO im Reaktionsgas und ein höherer Anteil an Phthalsäureanhydrid
- • Geringere Umsetzung von Phthalsäureanhydrid zu CO und CO2, da die Konzentration von Phthalsäureanhydrid in den ersten beiden Lagen eine gewisse Grenze nicht überschreitet.
- • Lower content of CO and CO in the reaction gas and a higher proportion of phthalic anhydride
- • Lower conversion of phthalic anhydride to CO and CO 2 , as the concentration of phthalic anhydride in the first two layers does not exceed a certain limit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Babett Fiebig und Thomas Kuchling: „Oxidation von o-Xylol zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid; Teil 1: Prozesssimulation der heterogen katalysierten Gasphasenoxidation", Chemie Ingenieur Technik, Bd. 81, Nr. 9, 27. August 2009, Seiten 1467-1472 |
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