DE102014211278A1 - Compact catalyst test stand and filling it - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Reaktoren, in denen sich zumindest ein Reaktionsraum als Windung erstreckt, vorzugsweise von Reaktoren mit mehrfach gewundenen Reaktionsräumen, insbesondere spiralförmig gewundenen Reaktor-Rohren, zum Testen von Katalysatoren, insbesondere zum parallelen Testen, sowie ein Verfahren zum Befüllen solcher Reaktoren mit zumindest einer Windung, welche schwer zugänglich und somit auch schwer mit konventionellen Methoden zu befüllen sind, insbesondere, wenn das Füllgut pulverförmig ist, insbesondere ein Katalysator-Festbett.The present invention relates to the use of reactors in which at least one reaction space extends as a turn, preferably of reactors with multiply wound reaction spaces, in particular spirally wound reactor tubes, for testing catalysts, in particular for parallel testing, and a method for filling such Reactors with at least one turn, which are difficult to access and thus difficult to fill with conventional methods, especially when the contents are powdery, in particular a fixed catalyst bed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Reaktoren, in denen sich zumindest ein Reaktionsraum als Windung erstreckt, vorzugsweise von Reaktoren mit mehrfach gewundenen Reaktionsräumen, insbesondere von spiralförmig gewundenen Reaktor-Rohren, zum Testen von Katalysatoren, insbesondere zum parallelen Testen von Katalysatoren. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Befüllen solcher Reaktoren mit zumindest einer Windung, welche schwer zugänglich und somit auch schwer mit konventionellen Methoden zu befüllen sind, insbesondere, wenn das Füllgut pulverförmig ist, beispielsweise im Falle eines Katalysator-Festbetts.The present invention relates to the use of reactors in which at least one reaction space extends as a turn, preferably of reactors with multiply wound reaction spaces, in particular helically wound reactor tubes, for testing catalysts, in particular for parallel testing of catalysts. The present invention also relates to a method for filling such reactors with at least one turn, which are difficult to access and thus difficult to fill with conventional methods, in particular when the contents are powdery, for example in the case of a catalyst fixed bed.
Reaktoren, insbesondere Reaktoren mit pulverförmiger und/oder partikulärer Feststoff-Befüllung, insbesondere Festbett-Befüllung, wie diese beispielsweise für Katalysator-Teststände von Relevanz sind, zeichnen sich gemäß dem Stand der Technik dadurch aus, dass sie in einer Ebene und parallel zueinander angeordnet sind. Einzelne Reaktoren weisen dabei in einer geraden Flucht angeordnete (typischerweise vertikal "linear" angeordnete) Reaktorräume auf welche aufgrund ihrer Anordnung vergleichsweise leicht befüllt, entleert, beheizt, gekühlt sowie kontrolliert werden können.Reactors, in particular reactors with powdery and / or particulate solid filling, in particular fixed-bed filling, as are of relevance for example for catalyst test stands, are characterized according to the prior art in that they are arranged in one plane and parallel to one another , In this case, individual reactors have reactor chambers arranged in a straight alignment (typically vertically "linearly" arranged) which, owing to their arrangement, can be filled, emptied, heated, cooled and controlled comparatively easily.
Allerdings limitiert eine solche "vertikale" oder "geradlinige" Anordnung und Form die Einsatzmöglichkeiten von solcher Reaktoren in Katalysator-Testständen, insbesondere auch, weil stets eine gewisse "Höhe" des Katalysator-Bettes notwendig ist und auf die Dimensionierung des gesamten Teststandes einen großen Einfluss hat, bzw. maßgeblich ist. Insbesondere dann wenn Katalysatoren im Gramm-Maßstab oder größeren Maßstäben befüllt und getestet werden sollen.However, such a "vertical" or "straight" arrangement and shape limits the applications of such reactors in catalyst test stands, especially because a certain "height" of the catalyst bed is always necessary and on the dimensioning of the entire test a great impact has, or is relevant. Especially when catalysts are to be filled and tested on a gram scale or larger scales.
Solche parallel in einer Ebene angeordnete Reaktoren sind beispielsweise aus der
Eine entsprechende Testung in „U“-förmigen Reaktoren ist aus
Im Lichte des bekannten Standes der Technik, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, deutlich verkleinerte und/oder kompaktere Teststände für Katalysatoren bereitzustellen, insbesondere solche, die eine geringere Höhe bzw. Einbauhöhe aufweisen, und die dennoch die Testung von Katalysatoren im „Grammbereich“ also größer al 0,1 g, bevorzugt größer als 0,2 g, weiter bevorzugt größer als 0,5 g ermöglichen, sowie die auch ein effektives paralleles Testen von Katalysatoren ermöglichen.In the light of the known prior art, it is an object of the present invention to provide significantly smaller and / or more compact test stands for catalysts, in particular those having a lower height or installation height, and yet the testing of catalysts in the "gram range" Thus, greater than 0.1 g, preferably greater than 0.2 g, more preferably greater than 0.5 g allow, and also allow an effective parallel testing of catalysts.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von zumindest einem Reaktor, in welchem sich zumindest ein Reaktionsraum als Kreissegment („Windung“) erstreckt.This object is achieved by the use of at least one reactor in which at least one reaction space extends as a circle segment ("turn").
Vorzugsweise liegt der Reaktionsraum auf einem Kreisbogen, oder stellt eine 3 dimensional spiralförmige Anordnung dar, wobei diese Anordnung bevorzugt schraubenförmig ist, d.h. die Radien der Windungen der Schraube sind gleich oder ähnlich. Archimedische, logarithmische, fermatsche oder hyperbolische Spiralen sind auch bevorzugt, sowie auch dreidimensionale Anordnungen wie archimedische Kugelspiralen, konische Spiralen und loxodrome.Preferably, the reaction space is on a circular arc, or represents a 3-dimensional helical arrangement, which arrangement is preferably helical, i. the radii of the turns of the screw are the same or similar. Archimedean, logarithmic, Fermat or hyperbolic spirals are also preferred, as are three-dimensional arrays such as Archimedean sphere spirals, conical spirals and loxodromes.
Vorzugsweise weist zumindest ein Reaktor zumindest einem mehrfach gewundenen Reaktionsraum auf, weiter vorzugsweise mit zumindest einem spiralförmig gewundenen Reaktor-Rohr, und wird in einem Katalysator-Teststand eingesetzt, wobei dieser Reaktor aufgrund seiner kompakten Dimensionierung, hier bedingt durch die "schlaufenförmige" oder "spiralförmige", in jedem Fall gewundene Anordnung, auch in eine kleine Volumen-Segment, insbesondere einen den Ofenbereich zur Temperierung, integriert werden kann, wodurch ein Teststand bereitgestellt wird, der besonders im Vergleich zur klassischen Bauweise von Testreaktoren platzsparend, einfach zu temperieren ist wegen des homogeneren Temperaturfeldes und somit Energie und aufwändige Regelungstechnik spart. Preferably, at least one reactor has at least one multiply wound reaction space, more preferably with at least one spiral wound reactor tube, and is used in a catalyst test stand, this reactor due to its compact dimensions, here due to the "loop-shaped" or "spiral ", in any case, tortuous arrangement, even in a small volume segment, in particular a furnace temperature range, can be integrated, creating a test stand is provided, especially in comparison to the classical design of test reactors space saving, easy to temper because of more homogeneous temperature field and thus saves energy and complex control technology.
Im Hinblick auf den Reaktionsraum, also dem im Inneren eines Reaktors befindlichen und mit Katalysator zu befüllenden Volumensegment, bestehen erfindungsgemäß keine Beschränkungen, außer dass dieser in Flussrichtung des durch den Reaktionsraum hindurchströmenden Fluids zumindest 5-mal, bevorzugt zumindest 10-mal, weiter bevorzugt zumindest 100-mal größer dimensioniert ist, als senkrecht hierzu. Besonders bevorzugt ist der Reaktionsraum im wesentlichen rohrförmig ausgebildet, also senkrecht zur Flussrichtung durch einen charakteristischen Durchmesser gekennzeichnet, der dann zumindest 5-mal, 10-mal oder 100-mal kleiner ist als die Länge des rohrförmigen Reaktionsraumes. With regard to the reaction space, that is to say the volume segment located inside a reactor and to be filled with catalyst, according to the invention there are no restrictions except that it is at least 5 times, preferably at least 10 times, more preferably at least 5 times in the direction of flow of the fluid flowing through the reaction space 100 times larger dimensioned than perpendicular thereto. Particularly preferably, the reaction space is substantially tubular, ie perpendicular to the flow direction characterized by a characteristic diameter, which is then at least 5 times, 10 times or 100 times smaller than the length of the tubular reaction space.
Ein weiterer Vorteil eines spiralförmigen Reaktionsraumes ist es, dass bei Betrieb als Zapfstellenreaktor alle Leitungen der Zapfstellen zu einer Analyseeinheit leicht gleich lang gestaltet werden können, was automatisch sicherstellt, dass ähnlicher Druckabfall auf den Leitungen herrscht und sicherstellt, dass die Verweilzeit der Fluidmischungen in der Analysenleitung für alle Leitungen gleich lang ist. Another advantage of a spiral reaction space is that when operated as a tap reactor all lines of the taps to an analysis unit can easily be made the same length, which automatically ensures that similar pressure drop prevails on the lines and ensures that the residence time of the fluid mixtures in the analysis line for all lines is the same length.
Besonders bevorzugt ist es, dass zumindest zwei, weiter bevorzugt zumindest vier, weiter bevorzugt zumindest 16 solcher Reaktoren, in welchen sich jeweils zumindest ein Reaktionsraum als Windung erstreckt, in einem Katalysator-Teststand parallel zu einander getestet werden, wobei bevorzugt zumindest auf der Edukt-Seite die Reaktionsräume in fluidischer Kommunikation zueinander stehen. It is particularly preferred that at least two, more preferably at least four, more preferably at least 16 such reactors, in each of which at least one reaction space extends as a turn, be tested in a catalyst test stand parallel to each other, wherein preferably at least on the reactant Side the reaction spaces in fluid communication with each other.
Die vorliegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein System umfassend:
- • zumindest einen Reaktionsraum, der sich als Windung erstreckt, vorzugsweise ausgestaltet als ein mehrfach gewundener Reaktionsraum, vorzugsweise aus- gestaltet als zumindest ein spiralförmig gewundenes Reaktor-Rohr;
- • zumindest eine Einheit zur Analyse, wobei diese Einheit zur Analyse den zumindest einen solchen Reaktionsraum vollständig umschließt, vorzugsweise der Reaktionsraum Bestandteil dieser Einheit zur Analyse ist.
- At least one reaction space that extends as a turn, preferably designed as a multiply wound reaction space, preferably configured as at least one spiral-wound reactor tube;
- At least one unit for analysis, this unit for analysis completely enclosing the at least one such reaction space, preferably the reaction space is part of this unit for analysis.
Vorzugsweise umfasst das System zusätzlich zumindest einen Katalysator, der pulverförmig oder in fester partikulärer Form vorliegt, vorzugsweise als Feststoff in einem Feststoffbett vorliegt, und in diesen besagten Reaktionsraum eingebracht ist. Dabei ist es in keiner Weise ausgeschlossen, dass besagtes System auch mehrere Katalysatoren aufweisen kann. Preferably, the system additionally comprises at least one catalyst which is in powder form or in solid particulate form, preferably present as a solid in a solid bed, and introduced into said reaction space. It is in no way excluded that said system can also have multiple catalysts.
Die Einheit zur Analyse kann jede für das Testen von fluiden Produktströmen gebräuchliche Analyseeinheit sein. Beispiele sind unter anderem: Gaschromatographen, Massenspektrometer, UV-VIS Spektrometer, IR Spektrometer. Kombinationen hiervon, sind besonders bevorzugt. The unit of analysis may be any analytical unit commonly used for testing fluid product streams. Examples include: gas chromatograph, mass spectrometer, UV-VIS spectrometer, IR spectrometer. Combinations thereof are especially preferred.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung und das erfindungsgemäße System lassen sich auch größere Reaktionsräume in unmittelbarer Nähe von Einheiten zur Analyse anbringen, beziehungsweise sogar in Einheiten zur Analyse integrieren, beispielsweise in GC-Öfen integrieren und isotherm beheizen, und somit in unmittelbarer räumlicher Nähe analysieren.The use according to the invention and the system according to the invention also make it possible to install larger reaction spaces in the immediate vicinity of units for analysis, or even to integrate them in units for analysis, for example to integrate them in GC ovens and to heat them isothermally, and thus analyze them in the immediate vicinity.
Die vorliegende Erfindung nachfolgend anhand von weiteren Ausführungsformen beschrieben. Dabei dienen die folgenden Figuren der beispielhaften Illustration der Erfindung.The present invention will be described below with reference to further embodiments. The following figures serve the exemplary illustration of the invention.
Aus dem Gebiet von Reaktoren, die zur Untersuchung von Reaktionskinetiken eingesetzt werden, sind gekrümmte oder helix- bzw. spiralförmig verlaufende Reaktionsrohre prinzipiell bekannt, wobei diese oftmals eine für diese Art der Untersuchung erforderlichen Mindestlänge aufweisen müssen, die den herkömmlichen Längenbereich von Reaktoren in einem Bereich von 0,2 m bis 0,8 m überschreiten. Beispiele für derartige Reaktoren sind sogenannte "Zapfstellenreaktoren", die eine Länge im Bereich von 0,5 m bis 10 m aufweisen und deren Innendurchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 20 mm liegt. From the field of reactors used to investigate reaction kinetics, curved or helical reaction tubes are known in principle and often have to have a minimum length required for this type of assay, which is the conventional length range of reactors in a range from 0.2 m to 0.8 m. Examples of such reactors are so-called "tap reactor", which have a length in the range of 0.5 m to 10 m and whose inner diameter is in the range of 0.5 mm to 20 mm.
Zapfstellenreaktoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus
Solche gekrümmten oder helixförmig verlaufenden Reaktionsrohre werden allerdings bisher im Stand der Techik nicht zum Testen von Katalysatoren, insbesondere von Festbett-Katalysatoren, eingesetzt, da es bisher nicht möglich ist, in solche schwer zugänglichen Reaktionsräume reproduzierbar einen Feststoff einzubringen. Insbesondere aber für das parallele, also vergleichende Testen von Katalysatoren, muss allerdings sichergestellt werden, dass sich in jedem Reaktionsraum einer parallelen Anordnung (2, 4, 8, 16, 32 ... Reaktionsräume) reproduzierbar dieselbe Menge an Katalysator in einer Schüttung derselben Dichte vorliegt. Sollte dies nicht gewährleistet sein, so können Reaktionsergebnisse nicht aussagekräftig verglichen werden.However, such curved or helically extending reaction tubes are not hitherto used in the prior art for testing catalysts, in particular solid-bed catalysts, since it has hitherto not been possible to reproducibly introduce a solid into such difficult-to-reach reaction spaces. In particular, however, for the parallel, ie comparative testing of catalysts, it must be ensured that in each reaction chamber of a parallel arrangement (2, 4, 8, 16, 32 ... reaction spaces) reproducibly the same amount of catalyst in a bed of the same density. If this is not guaranteed, reaction results can not be meaningfully compared.
Katalysator-Teststände im Sinne der vorliegenden Erfindung liegen vorzugsweise im "benchscale" vor, können also auf einer Laborbank positioniert werden. Besonders bevorzugt ist es, dass Katalysatormengen im Bereich von 0,1 g bis 1 kg gehandhabt werden können. Vorzugsweise liegt die Katalysatormenge im Bereich von 0,2 g bis 500 g, weiter bevorzugt im Bereich von 0,3 g bis 250 g und insbesondere im Bereich von 0,5 g bis 100 g. Vorzugsweise liegt dieser Katalysator als eine feste pulverförmige oder partikelförmige Substanz, insbesondere als Festbettkatalysator, vor.Catalyst test stands in the sense of the present invention are preferably in "benchscale", so they can be positioned on a laboratory bench. It is particularly preferred that amounts of catalyst in the range of 0.1 g to 1 kg can be handled. The amount of catalyst is preferably in the range from 0.2 g to 500 g, more preferably in the range from 0.3 g to 250 g and in particular in the range from 0.5 g to 100 g. This catalyst is preferably present as a solid pulverulent or particulate substance, in particular as a fixed bed catalyst.
Wie bereits oben erwähnt, ist im Sinne der vorliegenden Erfindung für den zumindest einen Reaktoren, vorzugsweise für eine Anordnung mit 2, 4, 16, 32 oder mehr Reaktoren (zum parallelen Testen) ein Reaktionsraum bevorzugt, der sich als Windung erstreckt, sowie der vorzugsweise als ein mehrfach gewundener Reaktionsraum ausgestaltet ist, sowie weiter vorzugsweise als ein spiralförmig (oder helix-artiges) gewundenes Reaktor-Rohr ausgestaltet ist, und zwar mit einer Länge von 10 cm bis 2 m, vorzugsweise von 15 cm bis 1,5 m, weiter vorzugsweise von 20 m bis 1,2 m, für die Länge des Reaktionsraumes (Erstreckung in Flussrichtung), sowie mit einem charakteristischen Maß für die räumliche Erstreckung senkrecht zur Flussrichtung von 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 15 mm, wobei diese charakteristische Erstreckung senkrecht zur Flussrichtung im Falle eines Rohres der Innendurchmesser des Rohres ist. As already mentioned above, for the purposes of the present invention, for the at least one reactor, preferably for an arrangement with 2, 4, 16, 32 or more reactors (for parallel testing), a reaction space which extends as a turn is preferred, and preferably is designed as a multiply wound reaction space, and more preferably as a helical (or helical) coiled reactor tube, with a length of 10 cm to 2 m, preferably 15 cm to 1.5 m, further preferably from 20 m to 1.2 m, for the length of the reaction space (extension in the flow direction), and with a characteristic measure of the spatial extent perpendicular to the flow direction of 1 mm to 50 mm, preferably from 2 mm to 15 mm, these characteristic extent perpendicular to the flow direction in the case of a tube is the inner diameter of the tube.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist der mehrfach gewundene, vorzugsweise der spiralförmig gewundene Reaktionsraum, beziehungsweise das Reaktor-Rohr, mindestens zwei gekrümmten Segmenten auf, welche im Sinne der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche Windung darstellen, die sich über ein 360° Segment erstreckt („Windung“), vorzugsweise mindestens drei Windungen, weiter vorzugsweise von zwei bis zehn Windungen, weiter vorzugsweise von zwei bis fünf Windungen. Der resultierende helix- oder spiralförmige Reaktor ist schematisch in
Der Durchmesser eines solchen Reaktors, bestimmt durch den Außendurchmesser der größten solchen "Windungen" (Spirale), liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 cm bis 50 cm, vorzugsweise von 10 cm bis 30 cm, weiter vorzugsweise von 15 cm bis 20 cm. The diameter of such a reactor, determined by the outer diameter of the largest such "turns" (spiral), is preferably in a range of 5 cm to 50 cm, preferably 10 cm to 30 cm, more preferably 15 cm to 20 cm.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Teststand für Katalysatoren im technischen Maßstab (typischerweise für 60 g an Katalysator pro Reaktionsraum) eine Dimension auf, welche dem Ofen-raums eines Gaschromatographen entspricht. Dabei kann der Reaktor ohne Schwierigkeiten im Innenraum des Ofens angeordnet werden.Preferably, the inventive test scale for catalysts on an industrial scale (typically for 60 g of catalyst per reaction space) has a dimension which corresponds to the furnace chamber of a gas chromatograph. In this case, the reactor can be arranged without difficulty in the interior of the furnace.
Der erfindungsgemäße schlaufen- oder spiralförmige Reaktor wird vorzugsweise unter gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhtem Druck und/oder gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur betrieben. Temperatur und Drucklimitierungen des Reaktionsraumes resultieren beispielsweise aus dem Herstellungsverfahren des Reaktionsraumes. So weist beispielsweise ein Stahlrohr, welches kalt gewickelt wird, eine geringere Druckstabilität auf als ein Stahlrohr, welches heiß gewickelt wird. Für kalt gewickelte Stahlreaktoren liegt der bevorzugte Betriebsdruck in einem Bereich von 1 bar bis 300 bar, vorzugsweise von 1 bar bis 200 bar. The loop or spiral reactor according to the invention is preferably operated under elevated pressure relative to the ambient pressure and / or elevated temperature relative to the ambient temperature. Temperature and pressure limitations of the reaction space result, for example, from the production process of the reaction space. For example, a steel pipe that is cold-rolled has a lower pressure stability than a steel pipe that is hot-wound. For cold-rolled steel reactors, the preferred operating pressure is in the range from 1 bar to 300 bar, preferably from 1 bar to 200 bar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der schlaufen- oder spiralförmige Reaktor zumindest eine "Zapfstelle", also Entnahmestelle für flüssige und/oder feste Proben, entlang der Strömungsrichtung des Reaktionsgemische im Reaktors auf, vorzugsweise zumindest 2, 3, 5 oder 10 solcher Zapfstellen, wobei diese Zapfstellen in einer weiter bevorzugten Ausführungsform mit einem Multiportventil (beispielsweise einem Ventil des Herstellers VICI Valco Instruments Co. Inc.) in Wirkverbindung stehen. Ein solcher Reaktor ist entsprechend auch als "Zapfstellenreaktor" bekannt. Diese Anordnung solches "Zapfstellen" (57) ist gleichfalls in
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung von Zapfstellen, die eine Probenentnahme entlang der Strömungsrichtung, d.h. entlang des Reaktionsfortschritts, ermöglicht, da eine solche Anordnung es insbesondere erlaubt, aussagekräftige Kinetik-Untersuchungen durchführen zu können. Particularly advantageous is an arrangement of taps which allow sampling along the flow direction, i. along the reaction progress, allows, as such an arrangement in particular allows to carry out meaningful kinetics studies.
Bevorzugt erfolgt die Probenentnahme in der Gasphase, allerdings ist auch eine Entnahme von Flüssigkeit möglich, vorzugsweise über eine Sammelvorrichtung für Flüssigkeiten. Insbesondere können die Reaktoren als gas-fest, flüssig-fest und als gas-flüssig-fest Reaktoren in sumpf-, trickle-bed und als hochbelastete Flüssig-Kolonne betrieben werden.Preferably, the sampling takes place in the gas phase, but also a removal of liquid is possible, preferably via a collecting device for liquids. In particular, the reactors can be operated as gas-solid, liquid-solid and as gas-liquid-solid reactors in swamp, trickle bed and as highly loaded liquid column.
In einer vorteilhaften Ausführungsform, sind an verschieden Stellen des Zapfstellenreaktors Probenentnahmeleitungen vorgesehen, die mit zumindest einem Selektor-Ventil in Wirkverbindung stehen. Vorzugsweise weisen die einzelnen Probenentnahmeleitungen die gleiche Länge und/oder den gleichen Durchmesser auf. In an advantageous embodiment, sampling lines are provided at different locations of the tap reactor, which are in operative connection with at least one selector valve. Preferably, the individual sampling lines have the same length and / or the same diameter.
Die Probenentnahmeleitungen weisen vorzugsweise eine Länge im Bereich von 10 cm bis 200 cm auf. In einer bevorzugten Anordnung ist das Multiportventil in der Tür eines Ofens, vorzugsweise eines Umluftofens, weiter bevorzugt eines GC-Ofens, angeordnet. In dieser Ausgestaltung ist die Zugänglichkeit des Ofeninnenraums derart, dass dort weitere technische Elemente der Katalysatortestungsapparatur angeordnet werden, so wie insbesondere Gas-Sättiger oder Wärmetauscher zum Vorwärmen von Gasströmen The sampling lines preferably have a length in the range of 10 cm to 200 cm. In a preferred arrangement, the multiport valve is in the door of a furnace, preferably a convection oven, more preferably a GC oven, arranged. In this embodiment, the accessibility of the furnace interior is such that further technical elements of the catalyst testing apparatus are arranged there, such as, in particular, gas saturators or heat exchangers for preheating gas streams
Wie bereits oben erwähnt wurde, basieren die bekannten Hochdurchsatzsysteme, die dem Fachmann zum Testen von Katalysatoren bekannt sind, auf geraden, insbesondere im Wesentlichen vertikal angeordneten Reaktoren (Reaktionsrohre). Um diese "geraden" Reaktoren als Zapfstellenreaktoren zu betreiben, wäre es notwendig, die Heizung als Heizmanschetten um die Zapfstellen herumanzuordnen, was mit großem technischen Aufwand beziehungsweise Nachteilen verbunden ist. Die Nachteile bestehen darin, dass ein ungleich höherer Aufwand erforderlich ist, als dies in Verbindung mit einem schlaufen- oder spiralförmigen Reaktor notwendig ist, der von einem fluiden Medium beheizt wird. Zudem ist die "in sich gewundene" spiral- oder helixförmige Bauweise sehr platzsparend und hat weitere Vorteile, die nachfolgend erläutert werden.As already mentioned above, the known high-throughput systems, which are known to the person skilled in the art for testing catalysts, are based on straight, in particular substantially vertically arranged reactors (reaction tubes). To operate these "straight" reactors as tapping reactors, it would be necessary to arrange the heating around the taps as heating sleeves, which is associated with great technical effort or disadvantages. The disadvantages are that a much greater effort is required than is necessary in connection with a loop or spiral reactor which is heated by a fluid medium. In addition, the "spiraling" spiral or helical construction is very space saving and has other advantages, which are explained below.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der schlaufenförmige oder spiral- /helixartiger Reaktor mit einem Wärmeträgermedium (beispielsweise mit Gas)beheizt und auf diese Weise ein möglichst isothermes Temperaturfeld realisiert. Die Beheizung eines solchen Reaktors kann auch über ein anderes fluides Wärmeträgermedium erfolgen, wie eine Flüssigkeit (Öl, Wasser), eine Schmelze (Salz, Metall) oder ein festes Wärmträgermedium wie Sand, Silizium- oder Siliziumcarbidpulver oder Metallpulver oder ein Gas wie Stickstoff oder Luft.In one embodiment of the invention, the loop-shaped or helical / helical reactor is heated with a heat transfer medium (for example, with gas) and realized in this way a possible isothermal temperature field. The heating of such a reactor can also take place via another fluid heat transfer medium, such as a liquid (oil, water), a melt (salt, metal) or a solid heat transfer medium such as sand, silicon or silicon carbide powder or metal powder or a gas such as nitrogen or air ,
Das Einbringen des erfindungsgemäßen schlaufen- oder spiralförmigen Reaktors in das Wärmeträgermedium ist vergleichsweise einfach und der Reaktor kann platzsparend untergebracht werden. Kassettenartige Module sind bevorzugt, insbesondere für eine Hochdurchsatzanlage zum Testen von Katalysatoren, die auch eine Austestung bei unterschiedlichen Temperaturen, jeweils in einem Modul in einer Anlage, möglich macht.The introduction of the loop or spiral reactor according to the invention in the heat transfer medium is relatively simple and the reactor can be accommodated to save space. Cassette-type modules are preferred, in particular for a high-throughput system for testing catalysts, which also makes it possible to test at different temperatures, in each case in a module in a system.
Ebenfalls bevorzugt ist die inhomogene Beheizung solcher Kassetten durch Anwenden eines inhomogenen Temperaturfeldes, vorzugsweisen unter Verwendung fester Wärmeträger. Die Module können horizontal oder vertikal gestapelt und/oder gereiht vorliegenAlso preferred is the inhomogeneous heating of such cassettes by applying an inhomogeneous temperature field, preferably using solid heat transfer medium. The modules can be stacked horizontally or vertically and / or ranked
Vorzugsweise ist zumindest ein Thermoelement in Wirkverbindung mit mindestens einer Zapfstelle, was Probenentnahme und gleichzeitige Temperaturmessung, insbesondere auch des Katalysatorbetts, an dieser Stelle ermöglicht.Preferably, at least one thermocouple is in operative connection with at least one tapping point, which enables sample removal and simultaneous temperature measurement, in particular also of the catalyst bed, at this point.
Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines gekrümmten Reaktors Ein besonderes Problem auf dem Gebiet der Katalysator-Testung ist es, insbesondere für die heterogene Katalyse, dass die Reaktoren mit einem Festbett beschickt werden müssen, beispielsweise mit Katalysator-Pellets. Ein solches Beschicken eines Reaktors mit einem pulverförmigen oder pellet-artigen Feststoff ist für einen entsprechend dimensionierten linearen Reaktor technisch gut zu realisieren, nicht aber für einen gewundenen, insbesondere schlaufenförmigen Reaktor. Method and Apparatus for Filling a Curved Reactor A particular problem in the field of catalyst testing, especially for heterogeneous catalysis, is that the reactors must be charged with a fixed bed, for example with catalyst pellets. Such a charging of a reactor with a pulverulent or pellet-like solid is technically easy to realize for a suitably dimensioned linear reactor, but not for a tortuous, in particular loop-shaped reactor.
Somit ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschicken eines vorstehend beschriebenen gewundenen Reaktors, oder generell eines schlecht zugänglichen, nicht im Wesentlichen geradlinigen Reaktors, bereitzustellen.Thus, it is another object of the present invention to provide a method for charging a tortuous reactor described above, or generally a poorly accessible, non-substantially rectilinear reactor.
Im Gegensatz zu einem schlecht zugänglichen Reaktor ist ein frei zugänglicher Reaktor dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum linear angeordnet ist und das innere Volumen des Reaktionsraumes (im ungefüllten Zustand) von der Eingangsöffnung und in Richtung der Sichtachse vollständig einsehbar ist. Als Beispiele für solche frei zugängliche Reaktoren ist ein gerades Rohr genannt, oder ein Block der geradlinige Bohrungen aufweist. In contrast to a poorly accessible reactor, a freely accessible reactor is characterized in that the reaction space is arranged linearly and the inner volume of the reaction space (in the unfilled state) is completely visible from the inlet opening and in the direction of the viewing axis. As examples of such freely accessible reactors is called a straight tube, or a block having straight bores.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen/Einfüllen von pulverartigen Gütern, vorzugsweise pulverförmigen Katalysatoren, in gekrümmte und/oder nicht einfach zugängliche Reaktionsräume oder Reaktionsräume in Reaktoren, insbesondere in den erfindungsgemäßen gekrümmten und miniaturisierten Katalysator-Testständen.The present invention thus also relates to an apparatus and a method for introducing / introducing powdery goods, preferably pulverulent catalysts, into curved and / or not easily accessible reaction spaces or reaction spaces in reactors, in particular in the curved and miniaturized catalyst test stands according to the invention.
Nicht einfach zugängliche Reaktionsräume oder Reaktionsräume sind dadurch gekennzeichnet, dass diese Windungen aufweisen, die mehr oder weniger regelmäßig angeordnet sind und durch die ein direkter Zugang zum Leitungsbereich "abgeschattet" wird. Die Abschattung führt dazu, dass die Bereiche für technische Anwendungen nicht in gleicher weise zugänglich sind, wie dies bei den linearen Reaktionsräumen der Fall ist.Not easily accessible reaction spaces or reaction spaces are characterized in that they have windings which are arranged more or less regularly and by which a direct access to the line area is "shadowed". The shadowing means that the areas for technical applications are not accessible in the same way as is the case with the linear reaction spaces.
Aus dem Stand der Technik ist das Befüllung von gepackten Säulen bekannt, die in der Chromatographie eingesetzt werden. Beispielsweise werden flüssige Aufschlämmungen des pulverförmigen Schüttguts gebildet und diese flüssigen Aufschlämmungen dann in Form der flüssigen Phase mittels Pumpen in die gekrümmte Rohrleitungsbereiche hineingefördert. Dies ist allerdings mit dem Nachteil der Anwesenheit einer oft unerwünschten flüssigen Phase verbunden. From the prior art, the filling of packed columns is known, which are used in chromatography. For example, liquid slurries of the powdered bulk material are formed and these liquid slurries are then conveyed in the form of the liquid phase by means of pumps in the curved pipe sections. However, this is associated with the disadvantage of the presence of an often undesirable liquid phase.
Auch ist das Befüllen von gekrümmten Rohrleitungen mit Pulvern über Trichter und unter Verwendung von Vibrationsvorrichtungen ist bekannt. Diese Verfahren sind allerdings unter räumlich begrenzten Bedingungen schlecht einsetzbar. It is also known to fill curved conduits with powders via funnels and using vibration devices. However, these methods are difficult to use under spatially limited conditions.
Somit ist es eine erfindungsgemäße Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, mittels derer/dessen das Befüllen von gekrümmten Reaktionsräumen verbessert wird. Thus, it is an object of the invention to provide an apparatus and a method by which the filling of curved reaction spaces is improved.
Die hier genannte Aufgabe und weitere Aufgaben, wird/werden dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befüllung von gekrümmten Reaktionsräumen bereitgestellt wird.The object mentioned here and further objects are / is achieved by providing an apparatus and a method for filling curved reaction spaces.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zum Befüllen von zumindest einem in seiner Zugänglichkeit eingeschränkten Reaktionsraum, insbesondere eines gekrümmten/ gewundenen Reaktionsraumes, zumindest die folgenden Komponenten auf:
- • zumindest einen Dosiergutspeicher (
4 ), - • zumindest ein Vorratsgefäß (
7 ), - • wobei Dosiergutspeicher (
4 ) und Vorratsgefäß (7 ) über zumindest ein Trichterelement (5 ) miteinander stoffschlüssig verbunden sind, - • wobei der Dosiergutspeicher (
4 ) weiterhin über zumindest ein Wirkverbindung (8 ) mit dem zu befüllenden Reaktionsraum (9 ) stoffschlüssig verbunden ist, - • und der Dosiergutspeicher (
4 ) eine weitere Verbindung (3 ) aufweist, und zwar zu einer Vorrichtung zu Druckluftzufuhr (1 ),
wobei das Innenvolumen des Dosiergutspeichers (
- At least one dosing storage (
4 ) - At least one storage vessel (
7 ) - • where dosing storage (
4 ) and storage vessel (7 ) via at least one funnel element (5 ) are materially connected to each other, - • where the dosing storage (
4 ) via at least one active compound (8th ) with the reaction space to be filled (9 ) is cohesively connected, - • and the dosing storage (
4 ) another compound (3 ), to a device for compressed air supply (1 )
where the internal volume of the dosing storage (
Die Dimensionierung von Vorratsgefäß und Dosiergutspeicher ist dabei insbesondere auf die erfindungsgemäße Verwendung (Testen von Katalysatoren in kompakten Reaktoren) sowie das erfindungsgemäße System abgestimmt.The dimensioning of storage vessel and Dosiergutspeicher is particularly adapted to the inventive use (testing of catalysts in compact reactors) and the inventive system.
Besonders bevorzugt ist, dass das Vorratsgefäß (
Die unterschiedlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den
Insbesondere ist die Vorrichtung dazu geeignet, Reaktionsräume zu befüllen, die rohrförmig aufgebaut sind, wobei diese vorzugsweise eine Länge im Bereich von 0,5 m bis 10 m und einen Durchmesser im Bereich von 5 mm bis 25 mm aufweisen. Die damit in Verbindung stehenden Pulverpackungen weisen vorzugsweise ein Bettvolumen im Bereich von 0,5 cm3 bis 1.000 cm3, vorzugsweise 1 cm3 bis 500 cm3 und noch weiter vorzugsweise 5 cm3 bis 250 cm3 auf.In particular, the device is suitable for filling reaction chambers which are of tubular construction, these preferably having a length in the range of 0.5 m to 10 m and a diameter in the range of 5 mm to 25 mm. The associated therewith powder packets preferably have a bed volume in the range 0.5 cm 3 to 1000 cm 3, preferably from 1 cm 3 to 500 cm 3, and even more preferably from 5 cm 3 to 250 cm 3.
Der zu befüllende Reaktionsraum (
Der oder die Ausgänge (
Des Weiteren steht in einer bevorzugten Ausführungsform der Dosiergutspeicher (
Das Ventil (
Dies bedeutet, dass es möglich ist, mittels des Ventils in einer vorgegebenen Zeitspanne einen bestimmten Druck im System aufzubauen, insbesondere in der Wirkverbindung (
Der Zeitraum, innerhalb dessen im Inneren der Vorrichtung, insbesondere in der Wirkverbindung (
Die Pausen zwischen den Druckphasen liegen vorzugsweise im gleichen Zeitbereich, wie die Druckstöße selbst. Es ist jedoch nicht zwingend, dass die Pausen zwischen zwei Druckphasen die gleiche Länge aufweisen, wie die Druckphasen. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass der Druck in der Vorrichtung schnell ansteigt, d.h. der Druck zum Aufbau der Druckphase soll in 1 ms, bevorzugt 10 ms bevorzugt in 500 ms 80% des Gleichgewichtsdrucks erreichen. Eine Folge aus Druckphase und druckloser Phase wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Druckimpuls bezeichnet. The pauses between the pressure phases are preferably in the same time range as the pressure surges themselves. However, it is not mandatory for the pauses between two pressure phases to have the same length as the pressure phases. In any case, it is preferred that the pressure in the device rises rapidly, ie the pressure for establishing the pressure phase should reach 80% of the equilibrium pressure in 1 ms, preferably 10 ms, preferably in 500 ms. A sequence of pressure phase and pressureless phase is referred to as pressure pulse in the sense of the present invention.
Das Vorratsgefäß (
In einer bevorzugten Ausführungsform wird auch das Vorratsgefäß (
Ein bevorzugtes Vorratsgefäß (
In
In
In der Variante entsprechend den
Im Hinblick auf alle vorstehend genannten Ausführungsformen weist die Wirkverbindung (
Die Druckluft-Befüllung im Sinne der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass das pulverförmige Gut nicht mit einer Flüssigkeit in Berührung kommt, die leicht die Oberfläche des Materials verändern kann oder auch die Poren verstopfen kann. Darüber hinaus ist nach der Druckluftbefüllung auch keine Reinigung oder Trocknung des Katalysatorbettes beziehungsweise des Pulverbettes erforderlich.The compressed air filling in the context of the present invention has the advantage that the powdery material does not come into contact with a liquid which can easily change the surface of the material or even clog the pores. In addition, no cleaning or drying of the catalyst bed or the powder bed is required after the compressed air filling.
Verfahren zum Befüllen von gekrümmten ReaktionsräumenMethod for filling curved reaction spaces
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Befüllen eines gekrümmten und in seiner Zugänglichkeit eingeschränkten Reaktionsraumes, wobei dieses Verfahren durch die nachfolgenden Schritte gekennzeichnet ist:
- • druckloser Transfer von pulverförmigem Gut von einem Vorratsgefäß (
7 ) über einen Trichter (5 ) in einen Dosiergutspeicher (4 ), der mit dem zu füllenden Reaktionsraum (9 ) und mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen verbunden ist, - • zumindest einmalige Druckbeaufschlagung des Dosiergutspeichers (
4 ) und Transfer des pulverförmigen Guts vom Dosiergutspeicher (4 ) in den zu füllenden Reaktionsraum (9 ), - • zumindest einmaliges, bevorzugt mehrmaliges Wiederholen der Verfahrensschritte (i) und (ii).
- • pressureless transfer of powdered material from a storage vessel (
7 ) via a funnel (5 ) into a dosing storage (4 ), with the reaction space to be filled (9 ) and connected to a device for generating pressure pulses, - • at least one pressurization of the dosing material storage (
4 ) and transfer of the powdery material from the dosing material storage (4 ) in the reaction space to be filled (9 ) - At least once, preferably several times, repeating the method steps (i) and (ii).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann es durch den Druckaufbau in der Apparatur dazu kommen, dass Fluid in den Trichter strömt und das Pulver anhebt.In a preferred embodiment, pressure buildup in the apparatus may cause fluid to flow into the hopper and lift the powder.
Nach Abbau des Drucks rieselt erneut Pulver in den Raum des Dosiergutspeichers. Durch den zweiten Druckimpuls wird das nun im Dosiergutspeicher vorhandene Pulver in den Reaktionsraum gefördert. Zugleich wird das bereits in dem Reaktionsraum befindliche Pulver durch den Druckstoß verdichtet. Nach zumindest zwei, vorzugsweise zumindest vier Druckimpulsen ist der Reaktionsraum vollständig gefüllt und das bereits in dem Reaktionsraum vorhandenen Pulver ist verdichtet. After the pressure has been reduced again, powder trickles into the space of the dosing storage. As a result of the second pressure pulse, the powder now present in the metered product store is conveyed into the reaction space. At the same time, the powder already in the reaction space is compressed by the pressure surge. After at least two, preferably at least four pressure pulses, the reaction space is completely filled and the powder already present in the reaction space is compressed.
Die zur Befüllung eingesetzten Druckimpulse können einen absoluten Druck im Bereich von 1 bar bis 200 bar aufweisen. Vorzugsweise weist der absolute Druck Werte im Bereich von 1 bar bis 50 bar auf, weiter vorzugsweise von 2 bar bis 10 bar, insbesondere von 3 bar bis 6 bar.The pressure pulses used for filling can have an absolute pressure in the range of 1 bar to 200 bar. The absolute pressure preferably has values in the range from 1 bar to 50 bar, more preferably from 2 bar to 10 bar, in particular from 3 bar to 6 bar.
In einer weiterhin bevorzugten Form der Vorrichtung, steht das Vorratsgefäß (
In der bevorzugten Ausführungsform mit Druckausgleich verfügt das Vorratsgefäß (
Zusammenspiel erfindungsgemäßer Reaktor/Teststand und Befüll-VerfahrenInteraction of inventive reactor / test stand and filling process
Zwischen der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung (bzw. dem entsprechenden Verfahren) und dem erfindungsgemäßen Reaktor mit zumindest einer Windung/Schlaufe bestehen Synergieeffekte, da aufgrund der verbesserten Herstellung von Reaktorpackungen in schlaufenförmigen Reaktoren deren praktischer Einsatz zur Katalysator-Testung vorteilhaft ermöglicht wird.There are synergy effects between the filling device according to the invention (or the corresponding method) and the reactor according to the invention with at least one turn / loop, since their practical use for catalyst testing is made possible due to the improved production of reactor packs in loop-shaped reactors.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft auch die Anwendung in Flüssig-Fest-Systemen, bei denen Flüssigkeiten durch Feststoffschüttungen geleitet werden oder auch Trickle-Bed-Anwendungen, bei denen Flüssigkeiten und Gase durch die Katalysatorschüttung geleitet werden. Insbesondere sind hierbei auch die Anwendungen GTL (gas-to-liquid), FT (Fischer-Tropsch-Verfaren) oder auch HBF-Kolonnen bevorzugt.Another preferred aspect of the invention also relates to the use in liquid-solid systems in which liquids are passed through solids beds or Trickle-Bed applications in which liquids and gases are passed through the catalyst bed. In particular, the applications GTL (gas-to-liquid), FT (Fischer-Tropsch-Verfaren) or HBF columns are also preferred.
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme betrifft das Durchführen von kinetischen Messungen. Möglich ist auch die Bestimmung einer sogenannten Globalkinetik für bestimmte Katalysatorsysteme. Besonders bevorzugt können solche Daten zur Ermittlung der Mikrokinetik verwendet werden.A preferred field of use of the reactor systems according to the invention relates to carrying out kinetic measurements. It is also possible to determine a so-called global kinetics for certain catalyst systems. Particularly preferably, such data can be used to determine the microkinetics.
Ein besonders vorteilhafter Einsatz der erfindungsgemäßen Systeme in Forschung und Technik ist gegeben, da besonders flexibel und vielseitig. Insbesondere auch für die Durchführung von kinetische Untersuchungen hausragende Eigenschaften. Aufgrund der Einbringung von großen Katalysatormengen ist es möglich, Testdaten zu erzielen, die eine hohe technische Aussagekraft und daher eine hohe Relevanz haben. Limitierungen können dadurch gegeben sein, wenn es bei den durchgeführten Reaktionen sehr große Wärmetönungen auftreten. Dem Fachmann sollte es dann jedoch möglich sein, die Dimensionierung des Reaktors zu verändern oder das Katalysatormaterial mit Inertmaterial zu verdünnen, um so gezielt durch eine Abänderung und Anpassung der experimentellen Gegebenheiten zur Systemoptimierung beizutragen und das erfindungsgemäße System in einem reproduzierbaren Verfahren zum Einsatz zu bringen. A particularly advantageous use of the systems according to the invention in research and technology is given since particularly flexible and versatile. In particular, for the performance of kinetic studies house-building properties. Due to the introduction of large amounts of catalyst, it is possible to obtain test data that have a high technical relevance and therefore a high relevance. Limitations can be given if there are very large heat of reaction in the reactions carried out. However, it should then be possible for a person skilled in the art to modify the dimensioning of the reactor or to dilute the catalyst material with inert material in order to specifically contribute to system optimization by modifying and adapting the experimental conditions and to use the system according to the invention in a reproducible method.
Anordnung von Reaktoren in komplexeren SystemenArrangement of reactors in more complex systems
Weiterhin ist festzustellen, dass die Erfindung nicht auf die Darstellung in der Beschreibung und den Zeichnungen beschränkt ist, sondern die Reaktoren auch in komplexeren Systemen angeordnet sein können, die in ganz verschiedenen Ausführungsformen vorliegen können. In einer dieser komplexeren Ausführungsformen sind zwei oder mehr Reaktoren schraubenförmig zusammengewunden, so dass die so angeordneten Reaktoren eine mehrgängige Schraubenlinie erzeugen. Beispielsweise weist eine Ausgestaltung aus zwei Reaktoren die Form einer DNS-Doppelhelix als eine zweigängige Schraubenlinie. Die komplexeren Anordnungen können als Verdrillungen in Form von Twisted-Pairs oder auch Twisted-Tripletts vorliegen. Die Anordnung in komplexeren Ausführungen liefert einen weiteren Beitrag, um die Reaktoranordnungen gegenüber einfachen Reaktoren kompakter zu gestalten. Durch den kompakteren Aufbau kann auch die Modularisierung der Bauelemente erleichtert werden, was wiederum zu einer Verkleinerung der Systeme führt, die auch in einer flexiblen Art und Weise angeordnet werden können. Die Befüllung der Reaktoren konnte ja bereits mit Hilfe des erfindungsgemäßen Befüllverfahrens und der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung gelöst werden, was auch Bestandteil der vorliegenden Offenbarung ist. Furthermore, it should be noted that the invention is not limited to the description in the description and the drawings, but the reactors may be arranged in more complex systems, which may be present in quite different embodiments. In one of these more complex embodiments, two or more reactors are helically wound together so that the reactors so arranged produce a multi-threaded helix. For example, an embodiment of two reactors is in the form of a DNA double helix as a two-turn helix. The more complex arrangements may be in the form of twisted pairs or twisted triplets. The more complex arrangement provides another contribution to making the reactor arrangements more compact than simple reactors. The more compact design also facilitates the modularization of the components, which in turn leads to a reduction of the systems, which can also be arranged in a flexible manner. The filling of the reactors could already be solved with the help of the filling method according to the invention and the filling device according to the invention, which is also part of the present disclosure.
Flexibilität in der Verfahrensführung und Nutzung der ReaktorsystemeFlexibility in process control and use of the reactor systems
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutsam ist auch deren flexible Verwendung in ganz unterschiedlichen Verfahren – beispielsweise zur Auftrennung von Stoffgemischen oder zur Durchführung von kinetischen Untersuchungen. In einer speziellen Ausgestaltung kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, um Experimente im Sinne von SMB (Simulated Moving Bed) durchzuführen, bei die Wanderung des Katalysatorbetts durch Ventilschaltung und Fluidstromführung in einer speziellen Weise gesteuert wird. Dabei ist es möglich, dass das Edukt im Laufe der Reaktion über die Zapfstellen zugeführt und nach einer gewissen Zeit weiter weitergeschaltet wird. Dabei kommt es teilweise zu einer Umkehrung der Strömungsrichtung. Durch diese Strömungsumkehr entsteht ein Zeitverhalten, dass man äquivalent einem bewegten Bett beschreiben kann. Durch das Weiterschalten des Einspeisepunkts – im Sinn vom Eingang Richtung Ausgang – Treffen die Edukte immer wieder auf eine „frisches“ Bett. In der mathematischen Beschreibung erscheint das wie ein sich bewegendes Bett. SMB-Verfahren werden im Bereich der HPLC-Chromatographie eingesetzt – auch im semi- und präparativen Maßstab. Significant in connection with the present invention is also its flexible Use in very different processes - for example, for the separation of mixtures or to carry out kinetic studies. In a particular embodiment, the apparatus may be used to perform Simulated Moving Bed (SMB) experiments in which migration of the catalyst bed is controlled by valve switching and fluid flow guidance in a specific manner. It is possible that the educt is supplied via the taps in the course of the reaction and further switched after a certain time. This sometimes leads to a reversal of the flow direction. This flow reversal creates a time behavior that can equivalently be described as a moving bed. By switching the entry point - in the sense of the entrance towards the exit - the educts meet again and again on a "fresh" bed. In the mathematical description this seems like a moving bed. SMB processes are used in the field of HPLC chromatography - also on a semi-preparative scale.
Betrieb des Reaktorsystems analog zur RührkesselkaskadeOperation of the reactor system analogous to the stirred tank cascade
Darüber hinaus ist es in einer weiteren Verfahrensführung möglich, die jeweiligen Zapfstellen dazu zu benutzen, um das Edukt in Teilströmen über die ganze Länge des Reaktors zuzuführen. Am Beispiel einer Oxidationsreaktion könnte dies beispielsweise bedeuten, dass die zu oxidierenden Stoffe am Eingangsrohr des Reaktors dosiert werden und das Oxidationsmittel portionsweise über alle Zapfstellen verteilt zugeführt. Hierdurch wird beispielsweise vermieden, dass im ersten Teil des Katalysatorbetts eine zu hohe Wärmetönung auftritt, wie dies bei hoher Reaktivität sehr leicht der Fall sein kann. In addition, it is possible in a further process control to use the respective taps to supply the starting material in partial streams over the entire length of the reactor. By way of example of an oxidation reaction, this could mean, for example, that the substances to be oxidized are metered in at the inlet pipe of the reactor and the oxidizing agent is supplied in portions distributed over all tapping points. As a result, it is avoided, for example, that in the first part of the catalyst bed too high a heat of reaction occurs, as can be very easily the case with high reactivity.
BeispieleExamples
Vorliegend wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der
Die Vorrichtung war mit einem Dosiergutspeicher (
Bei der Durchführung mehrerer Beispiele konnte der Zapfstellenreaktor innerhalb kurzer Zeit und mit einer Anzahl von 20 bis 40 Druckstößen reproduzierbar dicht gepackt befüllt werden. In carrying out several examples, the tap reactor could be filled in a densely packed manner in a reproducible manner within a short time and with a number of 20 to 40 pressure surges.
Zur Kontrolle der Packungsgüte wurde jeweils die Länge des Reaktorbetts im Reaktorrohr eines Zapfstellenreaktors bestimmt, wobei auch das Gewicht der in das Katalysatorrohr eingebrachten Pulvermenge bestimmt wurde. Anhand der Gewichtsmenge an Katalysatorpulver und der Reaktorbettlänge wurde die Packungsdichte ermittelt, da der Rohrdurchmesser des Zapfstellenreaktors bekannt ist. Es wurden Vergleichsuntersuchungen zur Packung in einem linear aufgebauten Rohrreaktor durchgeführt, bei denen die gleichen Katalysatorpulver jeweils innerhalb des Reaktorrohrs mittels eines Stampfverdichters komprimiert wurde.To control the quality of the package, the length of the reactor bed in the reactor tube of a tap reactor was determined in each case, wherein the weight of the introduced into the catalyst tube powder amount was determined. On the basis of the weight amount of catalyst powder and the reactor bed length, the packing density was determined, since the tube diameter of the tap reactor is known. Comparative tests were carried out for packing in a linear tube reactor in which the same catalyst powder was compressed in each case within the reactor tube by means of a tamping compressor.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass erwartungsgemäß die Reaktorpackungen, die mit in einem linearen Reaktorrohr mittels Stampfverdichter hergestellt wurden, die also mithin als "ideal gepackter" Reaktor anzusehen sind, eine höhere Schüttdichte aufwiesen als diejenigen Reaktorpackungen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Zapfstellenreaktor mit Spiralwindung hergestellt wurden. Die Schüttdichte, die mittels des linearen Reaktorrohrs erhalten wurde, wurde als die maximal zu erreichende Packungsdichte angenommen. Der maximalen Schüttdichte im linearen Rohrreaktor wurde ein Wert von 100 % zugeordnet. In Bezug auf die Schüttdichte, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, konnte ein Wert erzielt werden, der bei 62,2 % lag. Die Messungen wurden zehnmal wiederholt und die Schwankung des Schüttdichte lag bei 2 % bis 3 %. Hervorzuheben ist, dass eine Abweichung von 1 % einer Änderung der Packungsdichte von 0,004 g/cm3 entspricht. Somit weist das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr hohe Reproduzierbarkeit auf. As a result, it was found that, as expected, the reactor packs which were produced in a linear reactor tube by means of tamping compressors, which are thus to be regarded as "ideally packed" reactor, a higher bulk density than those reactor packs by means of the inventive method in a tap reactor with Spiral winding were made. The bulk density obtained by the linear reactor tube was taken as the maximum packing density to be achieved. The maximum bulk density in the linear tube reactor was assigned a value of 100%. With regard to the bulk density, which was produced by means of the device according to the invention and the method according to the invention, a value could be achieved which was 62.2%. The measurements were repeated ten times and the bulk density variation was 2% to 3%. It should be emphasized that a deviation of 1% corresponds to a change in the packing density of 0.004 g / cm 3 . Thus, the inventive method has a very high reproducibility.
Damit ist gezeigt, dass dicht gepackte spiralförmige oder schlaufenförmige Reaktoren gerade auch für Katalysator-Testung und insbesondere auch für die parallele Testung eingesetzt werden können, da vergleichbare Katalysatorbetten eingestellt werden können.This shows that tightly packed spiral or loop-shaped reactors can also be used for catalyst testing and, in particular, for parallel testing since comparable catalyst beds can be set.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Zuleitung einer Fluidversorgung (Druckluftzufuhr) Supply of a fluid supply (compressed air supply)
- 22
- Schaltventil switching valve
- 33
- Wirkverbindung zwischen Schaltventil und Dosiergutspeicher Active connection between switching valve and dosing system memory
- 44
- Dosiergutspeicher Dosiergutspeicher
- 55
- Wirkverbindung zwischen Vorratsgefäß für pulverartiges Gut und Dosiergutspeicher Operative connection between storage vessel for powdered material and dosing product storage
- 66
- Pulverartiges Gut Powdery good
- 77
- Vorratsgefäß für pulverartiges Gut Storage vessel for powdery good
- 88th
- Wirkverbindung zwischen Dosiergutspeicher und zu befüllendem Reaktionsraum Active connection between the dosing product storage and the reaction space to be filled
- 99
- zu befüllender Reaktionsraum to be filled reaction space
- 1010
- Ausgang des Reaktionsraumes Exit of the reaction space
- 1111
- Elemente zum Rückhalten von pulverartigem Gut Elements for retaining powdered material
- 1212
- Deckel zum Verschluss des Vorratsgefäßes Cover for closing the storage vessel
- 1313
- Leitung für Druckausgleich zwischen Dosiergutspeicher und Vorratsgefäß Line for pressure equalization between dosing product storage and storage vessel
- 2020
-
Verbindung zum Schaltventil (
2 )Connection to the switching valve (2 ) - 2121
- Volumen zum Speichern von Gas unter Druck Volume for storing gas under pressure
- 2222
- Zweites Ventil Second valve
- 2323
- Gasversorgung gas supply
- 5151
-
Zuleitung einer Fluidversorgung (entspricht
1 ) Supply line of a fluid supply (corresponds1 ) - 5252
-
Schaltventil (entspricht
2 )Switching valve (corresponds2 ) - 5353
- Dosiergutspeicher Dosiergutspeicher
- 5454
-
Wirkverbindung (entspricht
3 )Active compound (corresponds3 ) - 5555
-
Vorratsgefäß bzw. Dosiergutspeicher (entspricht
4 )Storage vessel or Dosiergutspeicher (corresponds4 ) - 5656
-
spiralförmiger Reaktionsraum (entspricht
9 )spiral reaction space (corresponds9 ) - 5757
- Ableitungsrohre der Zapfstellen Drain pipes of taps
- 5858
- Auswahlventil selector valve
- 5959
- Wirkverbindung zu analytischen Instrumenten Active link to analytical instruments
- 6060
- Versorgungsstrang (Versorgungsrail) Supply line (supply rail)
- 6161
- Reaktoren reactors
- 6262
- Edukt-Zuführungsleitungen zu den Reaktoren, die gegebenenfalls auch Verteilungselemente enthalten Feedstock supply lines to the reactors, which may also contain distribution elements
- 6363
- Ableitung der Produkte Derivation of the products
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19809477 [0004] DE 19809477 [0004]
- EP 1796897 [0004] EP 1796897 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Jozsef M. Berty: Experiments in Catalytic Reaction Engineering, Elsevier Science (1999), ISBN 0-444-54137-3, S. 31 ff [0005] Jozsef M. Berty: Experiments in Catalytic Reaction Engineering, Elsevier Science (1999), ISBN 0-444-54137-3, page 31 et seq. [0005]
- Solc. Jozsef M. Berty: Experiments in Catalytic Reaction Engineering. 292 Seiten, Elsevier Science (1999), ISBN 0-444-54137-3, S. 31 ff [0024] Solc. Jozsef M. Berty: Experiments in Catalytic Reaction Engineering. 292 pages, Elsevier Science (1999), ISBN 0-444-54137-3, p. 31 et seq. [0024]
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