DE102015121037A1

DE102015121037A1 - Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einem Oxidationsreaktor, Oxidationsreaktor und Anlage mit einer solchen Vorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102015121037A1
Application number: DE102015121037.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Menzel
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einem Oxidationsreaktor mit einer Verteilerplatte (10), die mehrere schlitzförmige Durchlässe (13) für ein Prozessgas (P) aufweist, wobei die Verteilerplatte (10) Vorverteilerkanäle (30) umfasst, die einen Sauerstoffanschlussstutzen (32) mit Sauerstoffzufuhrkanälen (31) verbinden, und wobei die Sauerstoffzufuhrkanäle (31) in Strömungsrichtung des Prozessgases (P) unmittelbar vor oder in den Durchlässen (13) münden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einem Oxidationsreaktor. Ferner betrifft die Erfindung einen Oxidationsreaktor und eine Anlage mit einer solchen Vorrichtung. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Betriebsverfahren, insbesondere ein Verfahren zur oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen.
Aus der Praxis ist es bekannt, die Propan-Dehydrierung in einem Oxidationsreaktor durchzuführen, bei dem Prozessgas Sauerstoff zugemischt wird. Dabei hat sich die gestufte Sauerstoffdosierung als vorteilhaft gezeigt. Dieses aus EP 1 562 879 B1 bekannte Verfahren nutzt mehrere Katalysatorbetten, wobei zwischen den einzelnen Katalysatorbetten vergleichsweise geringe Mengen an Sauerstoff dem Prozessgas zugeführt werden. Da auf diese Weise gegenüber der Fahrweise eines einstufigen Oxidationsreaktors pro Stufe eine geringere Sauerstoffdosierung erforderlich ist, kommt es zu einer geringeren Nebenproduktbildung. Ferner ermöglicht die stufenweise Sauerstoffzudosierung eine gezielte Erhöhung der Temperatur des Prozessgases, was Vorteile für die Reaktionskinetik hat und außerdem das Propanumsatzpotential sukzessive erhöht. Insgesamt bietet die gestufte Sauerstoffdosierung die beste Möglichkeit bei vergleichsweiser geringer Nebenproduktbildung, um den Propanumsatzgrad zu steigern.
Die Sauerstoffzuführung wurde bislang, insbesondere bei einstufigen Oxidationsreaktoren, durch Düsen innerhalb des Oxidationsreaktors erreicht. Die Düsen sind oberhalb des Katalysatorbetts angeordnet, so dass dem durchströmenden Prozessgas zunächst Sauerstoff zugeführt wird, bevor das mit Sauerstoff vermischte Prozessgas an den Katalysator gelangt. Eine solche Düsenkonstruktion ist jedoch vergleichsweise aufwändig und führt in ihren Verteilerrohren relativ große Mengen an Sauerstoff. Damit besteht das Risiko, dass es bei einer Leckage zu einer Verpuffung kommt. Schlimmstenfalls kann dies zu einem Brand des Oxidationsreaktors führen. Insbesondere ist es erforderlich, die Düsen unter Druck zu betreiben, so dass der Sauerstoff in den Verteilerrohren nicht nur in relativ großer Menge, sondern auch unter einem relativ hohen Druck vorliegt. Eine Leckage in den Verteilerrohren kann so zu einem schnellen und voluminösen Austritt von Sauerstoff führen. Außerdem ist das Bauvolumen für eine solche Düsenverteilung des Sauerstoffs relativ hoch, so dass die Anzahl der Stufen in einem Oxidationsreaktor begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung anzugeben, die einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweist und eine effiziente Sauerstoffdosierung ermöglicht. Insbesondere soll auch das Betriebsrisiko eines Oxidationsreaktors reduziert und eine Erhöhung des Propanumsatzes im Oxidationsreaktor ermöglicht werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Oxidationsreaktor und eine Anlage mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Betriebsverfahren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf den Oxidationsreaktor durch den Gegenstand des Patentanspruchs 15, im Hinblick auf die Anlage durch den Gegenstand des Patentanspruchs 17 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Patentanspruchs 18 gelöst.
So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einem Oxidationsreaktor mit einer Verteilerplatte anzugeben, die mehrere schlitzförmige Durchlässe für ein Prozessgas aufweist. Die Verteilerplatte umfasst Vorverteilerkanäle, die einen Sauerstoffanschlussstutzen mit Sauerstoffzufuhrkanälen verbinden. Die Sauerstoffzufuhrkanäle münden in Strömungsrichtung des Prozessgases vor oder in den Durchlässen der Verteilerplatte. Insbesondere können die Sauerstoffzufuhrkanäle in Strömungsrichtung des Prozessgases unmittelbar bzw. direkt vor den Durchlässen der Verteilerplatte angeordnet sein, so dass Sauerstoff in den engsten Strömungsquerschnitt der Durchlässe dem Prozessgas zuführbar ist.
Die Verteilerplatte reduziert den Strömungsquerschnitt für das Prozessgas, so dass das Prozessgas beim Durchtritt durch die Durchlässe beschleunigt wird. Konkret weisen die schlitzförmigen Durchlässe einen sich in Strömungsrichtung des Prozessgases verengenden Strömungsquerschnitt für das Prozessgas auf. Insbesondere können die schlitzförmigen Durchlässe Venturi-Düsen für die Beschleunigung des Prozessgases bilden. Das Prozessgas kann auf diese Weise beim Durchtritt durch die Durchlässe beschleunigt werden, wodurch ein Unterdruck entsteht. Indem die Sauerstoffzufuhrkanäle unmittelbar vor oder in den Durchlässen münden, wirkt der Unterdruck auf die Sauerstoffzufuhrkanäle ein, so dass der Sauerstoff im Wesentlichen in das Prozessgas gesogen wird und sodann intensiv im engsten Querschnitt vermischt wird. Damit wird erreicht, dass das Sauerstoffverteilungssystem insgesamt mit einem relativ niedrigen Überdruck (gegenüber dem Prozessgas) betrieben werden kann. Dies reduziert das Betriebsrisiko eines Oxidationsreaktors. Zudem wird durch die Reduktion des Strömungsquerschnitts des Prozessgases und der geringen Bauhöhe des Verteilers erreicht, dass eine vergleichsweise geringe Menge an Sauerstoff in den Oxidationsreaktor geführt werden muss. Insgesamt ist also in der Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung eine relativ geringe, insbesondere verschwindend geringe, Menge an Sauerstoff vorhanden, so dass selbst bei einem vollständigen Freisetzen des in der Vorrichtung befindlichen Sauerstoffs eine Brand- oder Verpuffungsgefahr nahezu ausgeschlossen ist.
Vorzugsweise sind die Sauerstoffzufuhrkanäle durch zwei parallele Platten begrenzt. Die Sauerstoffzufuhrkanäle sind insofern vorzugsweise an die schlitzförmigen Durchlässe angepasst und weisen ebenfalls einen schlitzförmigen Mündungsaustritt auf. Dies verbessert die Sauerstoffzudosierung und ermöglicht die Verwendung einer relativ geringen Menge an Sauerstoffinventar in der gesamten Sauerstoffverteilungsvorrichtung.
Die Verteilerplatte kann einen Rost mit Stegen aufweisen, die die schlitzförmigen Durchlässe begrenzen. Die Verwendung eines Rosts ist in konstruktiver Hinsicht vorteilhaft, um den Strömungsquerschnitt für das Prozessgas wirksam zu reduzieren. Dabei kann der Rost außerdem gut an der Wand des Oxidationsreaktors fixiert werden, beispielsweise durch einen Auflagering. Denkbar ist auch, den Rost bzw. allgemein die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung unmittelbar auf eine darunterliegende Katalysatorschicht aufzulegen.
Die Stege des Rosts können jeweils eine sich entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases verjüngende Rippe mit zwei zueinander konvergierenden Seitenflächen bilden. Mit anderen Worten können die Stege im Querschnitt zumindest eine abschnittsweise trapezförmige oder dreieckförmige Kontur aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Stege eine halbkreisförmige oder andersartig gewölbte Querschnittskontur aufweisen. Jedenfalls ist es vorteilhaft, wenn zwei unmittelbar benachbarte Stege, die beidseitig einen schlitzförmigen Durchlass begrenzen, geneigte Seitenflächen aufweisen, so dass sich der Strömungsquerschnitt zum Durchlass hin verjüngt. Insofern können zwei benachbarte Stege einen trichterförmigen Einlaufabschnitt für das Prozessgas bilden, der sich zum Durchlass hin verjüngt.
Auf die Rippe, die durch einen Steg gebildet sein kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Abdeckung aufgesetzt. Die Abdeckung kann zwei Strömungsplatten aufweisen, wobei zwischen den Seitenflächen der Rippe und den Strömungsplatten ein Spalt zur Sauerstoffzufuhr ausgebildet ist. Der Spalt zur Sauerstoffzufuhr kann im Wesentlichen einen Sauerstoffzufuhrkanal bilden. Der zwischen der Abdeckung und der Rippe gebildete Spalt bildet insofern einen schlitzförmigen Sauerstoffzufuhrkanal, so dass vorzugsweise über die gesamte Länge des Durchlasses Sauerstoff an den Durchlass geführt werden kann. Durch die schlitzförmige Sauerstoffzufuhr wird die Effizienz der Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung verbessert.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen den Seitenflächen der Rippe und den Strömungsplatten der Abdeckung Abstandshalter angeordnet sind. Die Abstandshalter gewährleisten einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Seitenflächen der Rippe und den Strömungsplatten der Abdeckung. Außerdem kann über die Abstandshalter die Stabilität der Sauerstoffzufuhrkanäle insgesamt erhöht werden. Es ist auch möglich, dass die Abstandshalter zusätzlich dazu genutzt werden, den Strömungsquerschnitt für den Sauerstoff zu verringern, so dass eine verbesserte Sauerstoffdosierung ermöglicht ist.
Die Abdeckung kann ein dreieckförmiges, halbkreisförmiges oder trapezförmiges Querschnittsprofil aufweisen. Vorzugsweise entspricht das Querschnittsprofil der Abdeckung zumindest abschnittsweise dem Querschnittsprofil der Stege bzw. der durch die Stege gebildeten Rippe. Damit ist sichergestellt, dass der Spalt zur Sauerstoffzufuhr eine gleichmäßige Breite aufweist. Insoweit ist gewährleistet, dass der im Sauerstoffverteilsystem befindliche Sauerstoff auf ein minimales Volumen reduziert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zwischen der Rippe und der Abdeckung der Vorverteilerkanal angeordnet sein. Das hat den Vorteil, dass der Vorverteilerkanal so durch die Abdeckung vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Die Abdeckung weist insoweit eine Doppelfunktion auf. Einerseits begrenzt sie den Sauerstoffzufuhrkanal und bildet mit der Rippe gemeinsam eine schlitzartige Mündung für den Austritt des Sauerstoffs im Bereich des Durchlasses. Andererseits wird allein bereits durch die Abdeckung der Sauerstoffvorverteilerkanal gebildet, was den Materialaufwand für den Verteiler deutlich reduziert.
Es ist möglich, dass der Vorverteilerkanal durch die von den Strömungsplatten begrenzte, innere, freie Querschnittsfläche gebildet ist. Ein separates Bauteil für den Vorverteilerkanal kann so vermieden werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Sauerstoffzuführkanäle alternierend offene und geschlossene Mündungen aufweisen und alternierend offene und geschlossene Durchlässe für das Prozessgas vorgesehen sind, wobei die offenen Mündungen und die offenen Durchlässe zumindest teilweise überdeckend zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten können sowohl die Durchlässe der Sauerstoffkanäle als auch die Prozessgasdurchlässe teilweise längs der Öffnungsschlitze verschlossen sein (z.B. durch eine durchgehende Materialbrücke an den Strömungsplatten bzw. durch einen durchgehenden Steg zwischen Strömungsplatten und konvergierenden Seitenplatten), wobei sich verschlossene Längsschlitze mit „offenen“ Längsschlitzen abwechseln und bevorzugt die offenen Längsschlitze der Durchgänge für das Prozessgas, mit den „offenen“ Durchgängen für den Sauerstoff zusammenfallen. Die Verteilerplatte kann insofern mehrere schlitzartige, voneinander getrennte Öffnungen aufweisen, die durch offene Mündungen und offene Durchlässe gebildet sind. Getrennt sind die schlitzartigen Öffnungen durch geschlossene Mündungen und geschlossene Durchlässe. Das Prozessgas gelangt nur durch die offenen Durchlässe durch die Verteilerplatte. Lediglich in diesen Bereichen wird Sauerstoff zugeführt, so dass hier die Sauerstoffzufuhrkanäle geöffnet sind.
Vorzugsweise werden mehrere Vorverteilerkanäle von einer, insbesondere gemeinsamen, Versorgungsleitung mit Sauerstoff versorgt. Dies vereinfacht den Aufbau der Gesamtvorrichtung.
Im Allgemeinen kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Verteilerplatte ein Auflagesieb zur Aufnahme eines Katalysators aufweist. Das Auflagesieb kann im Wesentlichen auch als Auflagerost ausgebildet sein. Insoweit kann die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung auch zur Abgrenzung unterschiedlicher Katalysatorschichten in einem Oxidationsreaktor genutzt werden. Der Auflagerost bildet somit eine Basis bzw. Grundlage für eine Katalysatorschicht.
Das Auflagesieb kann auf der Abdeckung angeordnet sein. Insoweit kann die Abdeckung eine weitere Funktion erfüllen, nämlich als Stütze für das Auflagesieb dienen.
Um die Vermischung von Prozessgas mit dem hinzudosierten Sauerstoff zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die Stege der Verteilerplatte, insbesondere auf einer den Rippen gegenüberliegenden Seite, konvex gewölbt sind (Venturidüsen-Prinzip). Mit anderen Worten können sich die Durchlässe in der Verteilerplatte in Strömungsrichtung des Prozessgases nach einer Engstelle wieder aufweiten. Dies ist strömungsdynamisch vorteilhaft.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft einen Oxidationsreaktor mit einer oder mehreren Vorrichtungen zur Sauerstoffverteilung, wie sie zuvor beschrieben sind. Insbesondere kann der Oxidationsreaktor als mehrstufiger Reaktor ausgebildet sein, wobei mehrere dieser Vorrichtungen zur Sauerstoffverteilung vorgesehen sind, zwischen welchen sich jeweils Katalysatorbetten bzw. Katalysatorschichten erstrecken. Durch die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Sauerstoffverteilung ist es möglich, einen gestuften Oxidationsreaktor mit mehr als zwei Katalysatorbetten, insbesondere wenigstens 3 Katalysatorbetten, bzw. wenigstens 4 oder 5 Katalysatorbetten, zu bilden. Mit einem solchen Oxidationsreaktor sind signifikant bessere Propan-Umsätze realisierbar, insbesondere verglichen mit einem einstufigen Oxidationsreaktor.
Die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung ist vorteilhaft zwischen zwei Katalysatorbetten angeordnet. Dabei kann die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung insbesondere das darin integrierte Auflagesieb gut nutzen, um ein darüber liegendes Katalysatorbett zu stützen.
Ebenfalls offenbart und beansprucht wird im Rahmen der Anmeldung eine Anlage zur Herstellung von Propylen durch oxidative Dehydrierung von Propan mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung oder einem zuvor beschriebenen Oxidationsreaktor.
Ferner beruht die Erfindung auf dem Gedanken, ein Verfahren zur oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Oxidationsreaktors oder einer zuvor beschriebenen Anlage, anzugeben. Bei dem Verfahren wird ein Prozessgas, welches Kohlenwasserstoff enthält, in kontinuierlicher Fahrweise in einen Oxidationsreaktor geführt und in dem Oxidationsreaktor durch ein Katalysatorbett zur Oxidation von Wasserstoff und zur Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen geleitet. Dabei wird das Prozessgas durch eine Verteilerplatte geleitet, so dass das Prozessgas beschleunigt wird. Dem beschleunigten Prozessgas wird im Bereich der Verteilerplatte Sauerstoff zugeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine besonders effiziente Zuführung und Vermischung von Sauerstoff in das Prozessgas erreicht.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Prozessgas im Oxidationsreaktor vor dem Durchtritt durch das Katalysatorbett Wasserdampf beigemischt. Diese auch als STAR-Prozess bekannte Fahrweise hat sich als besonders vorteilhaft und effizient zur Herstellung von Propylen erwiesen. Denn die Dehydrierung findet bei dem STAR-Verfahren katalytisch in Gegenwart von Wasserdampf statt. Durch den Betrieb mit Wasserstoff wird der Partialdruck der Kohlenwasserstoffe herabgesetzt, wodurch der Propanumsatz steigt. Außerdem kann die Reaktion so bei einem vergleichsweise hohen Absolutdruck durchgeführt werden. Insbesondere ist ein Absolutdruck von ca. 6 bar realisierbar. Dies führt zu einer Reduktion der Investitionskosten und senkt den Energieverbrauch bei der folgenden Rohgas-Kompression. Ein weiterer Vorteil der katalytischen Dehydrierung in Gegenwart von Wasserdampf besteht darin, dass das Risiko von Kohlenstoffablagerungen auf dem Katalysator reduziert und somit die Regeneration des Katalysators wesentlich vereinfacht wird. Insgesamt hat sich gezeigt, dass eine um 25% höhere Produktivität gegenüber üblichen Crackverfahren erreicht wird.
Das Prozessgas kann vor der Einleitung in den Oxidationsreaktor in einem beheizten Reformer durch einen Reformer-Katalysator geleitet werden. Der Reformer kann als außenbeheizter Rohrreaktor ausgeführt sein. Dabei sind die Rohre mit dem Reformer-Katalysator gefüllt. Die Rohre selbst befinden sich vorzugsweise in einer deckenbefeuerten Ofenbox. Das von außen beheizte Prozessgas wird durch die katalysatorgefüllten Rohre geleitet und anschließend dem Oxidationsreaktor zugeführt.
Nach dem Oxidationsreaktor kann das Prozessgas zur Auskühlung durch mehrere Wärmetauscher geführt werden. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Abwärme des auskühlenden Prozessgases mittels der Wärmetauscher zur Vorwärmung des Prozessgases vor dem Eintritt in den Oxidationsreaktor genutzt wird. Dies erhöht die Energieeffizienz des Verfahrens. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zuführung von Sauerstoff zum Prozessgas im Oxidationsreaktor durch eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung erfolgt, wie sie zuvor beschrieben ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Zumischung und Verteilung von Sauerstoff in einem gegebenen Querschnitt zu einem aus brennbaren Gasen bestehenden Prozessgas, wobei das Prozessgas in der senkrecht zur Strömungsrichtung gebildeten Querschnittsfläche bzw. Querschnittsebene mehr als eine Querschnittsverengung erfährt und Sauerstoff bzw. ein Dampf-/Sauerstoffgemisch über getrennte, zugehörige Kanäle kurz, insbesondere direkt, für die jeweils herbeigeführten Querschnittsverengungen, in bevorzugter Weise an die Stelle kurz vor Ende des engsten Querschnitts, geführt wird. Dabei kann der der gegebene Querschnitt durch einen Reaktor, ein Rohr, einen Zylinder oder einen Rechteck-Kanal gebildet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
1 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung gemäß 1.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung im Querschnitt, wobei die Vorrichtung eine Verteilerplatte 10 aufweist. Die Verteilerplatte 10 umfasst mehrere Durchlässe 13, die für die Durchströmung mit einem Prozessgas P vorgesehen sind. Die Durchlässe 13 sind im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet und jeweils durch Stege 12 der Verteilerplatte begrenzt.
Konkret sind die Stege 12 in einem Rost 11 ausgebildet, der Teil der Verteilerplatte 10 ist. Im Bereich des Rosts 11 weisen die Durchlässe 13 eine Engstelle, also die engste Schlitzbreite auf. Insofern wirken die Durchlässe 13 als Venturi-Düsen, in welchen das Prozessgas P beschleunigt wird.
Die Stege 12 weisen ferner Rippen 23 auf, die sich entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases P verjüngen. Die Rippen 23 sind als Hohlprofile ausgebildet und integral mit dem Rost 11 ausgeformt. Es ist auch möglich, dass die Rippen 23 ein Vollprofil aufweisen. Jedenfalls umfasst jede Rippe 23 zwei Seitenflächen 15, die entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases P zueinander konvergieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Seitenflächen 15 durch eine Deckfläche 17 miteinander verbunden. Die Deckfläche 17 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Rosts 11, so dass die Rippen 23 bzw. Stege 12 zumindest abschnittsweise ein Trapez-Querschnittsprofil aufweisen.
Die Stege 12 umfassen ferner eine Bodenfläche 16, die auf der den Rippen 23 gegenüberliegenden Seite des Rosts 11 angeordnet ist. Die Bodenfläche 16 kann im Wesentlichen parallel zur Deckfläche 17 ausgerichtet sein. Dies ist in 1 bei den in der rechten Bildhälfte vollständig dargestellten Stegen 12 gegeben. Eine alternative Ausgestaltung zeigt der in 1 links dargestellte Steg 12. Dieser Steg 12 weist eine konvex gekrümmte Bodenfläche 16 auf. Dies beeinflusst das Strömungsverhalten des Prozessgases P, wie durch die Strömungspfeile veranschaulicht ist. Eine konvexe Wölbung der Bodenfläche 16 kann in verschiedenen Anwendungsfällen vorteilhaft sein.
Die Verteilerplatte 10 umfasst außerdem eine Abdeckung 18, wobei die Abdeckung 18 jeweils über eine Rippe 23 der Stege 12 angeordnet ist. Die Abdeckung 18 weist im Wesentlichen ein Dreieckprofil aus zwei Strömungsplatten 19 auf. Konkret ist die Abdeckung 18 im Querschnitt V-förmig ausgebildet. Die Strömungsplatten 19 der Abdeckung 18 konvergieren zueinander oder berühren sich in einer Spitze 20. Die Spitze 20 bildet in dreidimensionaler Hinsicht eine spitze Kante, die sich entlang des Stegs 12 erstreckt.
Wie in 1 gut erkennbar ist, ist die Abdeckung 18 von der Rippe 23 beabstandet angeordnet, so dass sich ein Sauerstoffspalt 34 ergibt. Der Abstand zwischen den Seitenflächen 15 der Rippe 23 und den Strömungsplatten 19 der Abdeckung 18 kann beispielsweise durch Abstandshalter vorgegeben sein. Abstandshalter sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt. Über die Dicke der Abstandshalter in Längsrichtung ist es möglich, den Querschnitt innerhalb der Sauerstoffkanalzuführung (bestimmt durch die Kanalbreite zwischen den Kanalwänden (15) und (19)) weiter zu verengen und so bei Bedarf die Strömungsgeschwindigkeit der Sauerstoffzuführung zum Prozessgas zu erhöhen.
Zwischen der Abdeckung 18 und der Rippe 23 ist außerdem ein Hohlkanal 14 ausgebildet. Der Hohlkanal 14 erstreckt sich im Wesentlichen zwischen der Spitze 20 der Abdeckung 18 und der Deckfläche 17 der Rippe 23. Der Hohlkanal 14 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine dreieckförmige Querschnittskontur auf. Der Hohlkanal 14 übernimmt gleichzeitig die Funktion des Sauerstoff-Vorverteilerkanals. Im Allgemeinen ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Sauerstoffzufuhr mehrere (interne) Vorverteilerkanäle 30 aufweist. Das über einen Sauerstoffanschlussstutzen 32 zugeführte Sauerstoffgas wird an die mehreren Vorverteilerkanäle 30 verteilt, die mit jeweils mehreren Hohlkanälen 14 verbunden sind. Der Vorverteilerkanal 30 weist dazu Auslassöffnungen auf, so dass der Sauerstoff O den Vorverteilerkanal 30 verlassen und in den Hohlkanal 14 einströmen kann. Der Strömungsverlauf des Sauerstoffs O ist in 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet. Es ist erkennbar, dass der Sauerstoff O die Vorverteilerkanäle 30 verlässt und über die Sauerstoffzufuhrkanäle 31, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Sauerstoffspalte 34 gebildet sind, an die Durchlässe 13 geleitet werden.
In 1 ist außerdem sehr gut erkennbar, dass die Sauerstoffzufuhr unmittelbar vor der Engstelle in den Durchlässen 13 erfolgt. Die Sauerstoffzufuhrkanäle 31 bzw. Sauerstoffspalte 34 sind so ausgerichtet oder angeordnet, dass sie unmittelbar vor bzw. an den Durchlässen 13 eine Mündung 33 aufweisen. Die Mündung 33 kann im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet sein. Jedenfalls ist vorgesehen, dass die Mündung 33 unmittelbar im Bereich des Durchlasses 13 angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass durch den Venturi-Effekt, der das Prozessgas P beschleunigt, ein Unterdruck im Bereich der Mündung 33 erzeugt wird. Der Sauerstoff O, der im Sauerstoffspalt 34 angeordnet ist, wird so durch den Unterdruck aus dem Sauerstoffspalt 34 gesogen.
In 1 ist außerdem ein Auflagesieb 22 erkennbar, das auf den Spitzen 20 der Abdeckung 18 angeordnet ist. Das Auflagesieb 22 dient zur Aufnahme eines ersten Katalysatorbetts 40. Ein zweites Katalysatorbett 41 ist unterhalb des Rosts 11 angeordnet. Mit anderen Worten liegt der Rost 11 bzw. die Verteilerplatte 10 auf dem zweiten Katalysatorbett 41 auf.
Die Darstellung in 1 zeigt die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einer Einbausituation. Innerhalb eines Oxidationsreaktors strömt das Prozessgas P vorzugsweise vertikal von oben nach unten. Das Prozessgas P durchläuft also zunächst das erste Katalysatorbett 40 und wird dann durch die Geometrie der Abdeckung 18 bzw. insgesamt der Verteilerplatte 10 zu den Durchlässen 13 geleitet. Dabei sind zwischen den im Wesentlichen dreieckförmigen Abdeckungen 18 Einlauftrichter 21 ausgebildet. Über die Einlauftrichter 21 wird das Prozessgas P an die Durchlässe 13 geleitet und dabei beschleunigt. Dadurch entsteht der Unterdruck, der für die Sauerstoffdosierung vorteilhaft ist.
Anschließend gelangt das Prozessgas, das die Durchlässe 13 durchlaufen hat, an das zweite Katalysatorbett 41. Unterhalb des zweiten Katalysatorbetts 41 kann eine weitere Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung angeordnet sein. Insgesamt können bis zu sechs Vorrichtungen zur Sauerstoffverteilung innerhalb eines Oxidationsreaktors angeordnet sein, so dass sich ein sechsstufiger Oxidationsreaktor ergibt.
In 2 ist die Verteilerplatte 10 in der Draufsicht gezeigt. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der Abdeckung 18 verzichtet. Konkret sind in 2 lediglich die Vorverteilerkanäle 30 detailliert dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Verteilerplatte 10 einen Sauerstoffanschlussstutzen 32 aufweist. Von dem Sauerstoffanschlussstutzen 32 gehen mehrere Vorverteilerkanäle 30 aus, die den über den Sauerstoffanschlussstutzen 32 zugeführten Sauerstoff O an die einzelnen Rippen 23, bzw. an die die Sauerstoffverteilung bewirkenden Hohlkanäle 14 der Verteilerplatte 10 verteilen.
Wie aus den Figuren und aus der restlichen Beschreibung gut erkennbar wird, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, eine Sauerstoffzufuhr und – Verteilung durch eine Querschnittsverengung des Oxidationsreaktorquerschnitts herbeizuführen, wobei der Sauerstoff O bzw. das Gemisch aus Sauerstoff O und Dampf über Vorverteilerkanäle 30 an dem Bereich einer Verteilerplatte 10 geführt wird, in welchem das Prozessgas P die größte Querschnittsverengung erfährt. Dies ist vorzugsweise im Bereich der Durchlässe 13 gegeben.
Das Prozessgas P verlässt die Verteilerplatte 10 mit einer relativ hohen Austrittsgeschwindigkeit. Es ist auch möglich, den Strömungsquerschnitt im Bereich der Durchlässe 13 weiter zu verengen, beispielsweise durch wechselweises Bedecken der Durchlässe 13.
Es wird darauf hingewiesen, dass in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein einziger Sauerstoffanschlussstutzen 32 gezeigt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Sauerstoffanschlussstutzen 32 an der Verteilerplatte 10 angeordnet sind. Diese können beispielsweise gegenüberliegend vorgesehen sein. Die Vorverteilerkanäle 30 können einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere können die Vorverteilerkanäle einen kreisrunden, einen dreieckigen oder einen rechteckigen Querschnitt umfassen. Mittels CFD-Berechnungen lassen sich die einzelnen Parameter der Verteilerplatte 10, beispielsweise die Anzahl der Stege 12 bzw. Rippen 23, die Höhe der Stege 12 bzw. Rippen 23, der Durchmesser bzw. die Querschnittsfläche der Vorverteilerkanäle 30, die Breite des Sauerstoffzufuhrkanals 31 bzw. Sauerstoffspalts 34 sowie die Breite der Durchlässe 13 optimieren.
Es ist möglich, dass die Verteilerplatte 10 in einem Oxidationsreaktor mittels eines Auflagerings befestigt wird. Alternativ kann die Verteilerplatte 10 direkt auf der darunterliegenden Katalysatorschicht bzw. auf dem zweiten Katalysatorbett 41 aufgelegt werden. In letzterem Fall sollte eine zusätzliche Abdichtung der Verteilerplatte gegenüber der Reaktorwand erfolgen.
Innerhalb eines Oxidationsreaktors können mehrere Verteilerplatten 10 angeordnet sein. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Verteilerplatten zueinander jeweils um 90° verdreht anzuordnen, so dass die Vorverteilerkanäle 30 verschiedener Verteilerplatten 10 jeweils im rechten Winkel zueinander verlaufen. Damit kann die Durchströmung des Oxidationsreaktors vergleichmäßigt werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die geringe Bauhöhe der Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung bzw. der Verteilerplatte 10. Insbesondere weist die Verteilerplatte 10 vorzugsweise eine Bauhöhe von 5 bis 10 cm, insbesondere zwischen 6 und 9 cm, vorzugsweise 8 cm, auf. Wegen der geringen Bauhöhe kann die Anzahl der Verteilerplatten 10 innerhalb eines Oxidationsreaktors erhöht werden. So kann ein gestufter Oxidationsreaktor mit sechs Katalysatorbetten realisierbar sein. Insgesamt können so verbesserte Propanumsätze ermöglicht werden. Jedenfalls weist ein Oxidationsreaktor mit mehreren Katalysatorbetten, insbesondere mit mehr als zwei Katalysatorbetten, erheblich bessere Umsätze als ein einstufiger Oxidationsreaktor auf. Ein weiterer Vorteil der mehrstufigen Ausführung des Oxydationsreaktors gegenüber dem einstufigen Oxydationsreaktor, ist, dass dem Oxy-Dehydrierungsprozess in Summe deutlich mehr Sauerstoff zugeführt werden kann, da bei einem einstufigen Oxydationsreaktor eine maximal zulässige Katalysatorbetttemperatur nicht überschritten werden sollte, womit in Folge die maximal mögliche Sauerstoffmenge für den einstufigen Oxydationsprozess festliegt. Beim mehrstufigen Prozess liegt diese Beschränkung nicht vor, sodass demnach mittels des mehrstufigen Oxy-Dehydrierungsprozesses eine weitere Erhöhung des Propanumsatzes möglicht wird.
Bezugszeichenliste

10: Verteilerplatte
11: Rost
12: Steg
13: Durchlass
14: Hohlkanal
15: Seitenfläche
16: Bodenfläche
17: Deckfläche
18: Abdeckung
19: Strömungsplatte
20: Spitze
21: Einlauftrichter
22: Auflagesieb
23: Rippe
30: Vorverteilerkanal
31: Sauerstoffzufuhrkanal
32: Sauerstoffanschlussstutzen
33: Mündung
34: Sauerstoffspalt
40: erstes Katalysatorbett
41: zweites Katalysatorbett
P: Prozessgas
O: Sauerstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1562879 B1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung in einem Oxidationsreaktor mit einer Verteilerplatte (10), die mehrere schlitzförmige Durchlässe (13) für ein Prozessgas (P) aufweist, wobei die Verteilerplatte (10) Vorverteilerkanäle (30) umfasst, die einen Sauerstoffanschlussstutzen (32) mit Sauerstoffzufuhrkanälen (31) verbinden, und wobei die Sauerstoffzufuhrkanäle (31) in Strömungsrichtung des Prozessgases (P) vor den Durchlässen (13) münden oder wobei die Sauerstoffzufuhrkanäle (31) in den Durchlässen (13) münden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Durchlässe (13) einen sich in Strömungsrichtung des Prozessgases (P) verengenden Strömungsquerschnitt für das Prozessgas (P) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmigen Durchlässe (13) Venturi-Düsen für die Beschleunigung des Prozessgases (P) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffzufuhrkanäle (31) durch zwei parallele Platten begrenzt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (10) einen Rost (11) mit Stegen (12) aufweist, die die schlitzförmigen Durchlässe (13) begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) jeweils eine sich entgegen der Strömungsrichtung des Prozessgases (P) verjüngende Rippe (23) mit zwei zueinander konvergierenden Seitenflächen (15) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Rippe (23) eine Abdeckung (18) mit zwei Strömungsplatten (19) aufgesetzt ist, wobei zwischen den Seitenflächen (15) der Rippe (23) und den Strömungsplatten (19) ein Spalt (34) zur Sauerstoffzufuhr ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (18) ein dreieckförmiges, halbkreisförmiges und/oder trapezförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Rippe (23) und der Abdeckung (18) der Vorverteilerkanal (30) angeordnet ist, wobei bereits die von den Strömungsplatten (19) begrenzte, innere, freie Querschnittsfläche den Vorverteilerkanal (30) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffzufuhrkanäle (21) alternierend offene und geschlossene Mündungen (33) aufweisen und alternierend offene und geschlossene Durchlässe (13) für das Prozessgas (P) vorgesehen sind, wobei die offenen Mündungen (33) und die offenen Durchlässe (13) zumindest teilweise überdeckend zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorgezeichneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Vorverteilerkanäle (30) von einer, insbesondere gemeinsamen, Versorgungsleitung mit Sauerstoff versorgt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (10) ein Auflagesieb (22) zur Aufnahme eines Katalysators (41) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflagesieb (22) auf der Abdeckung (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) der Verteilerplatte (10), insbesondere auf einer den Rippen gegenüberliegenden Seite, konvex gewölbt sind.
Oxidationsreaktor mit einer oder mehrerer Vorrichtungen zur Sauerstoffverteilung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Oxidationsreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Sauerstoffverteilung zwischen zwei Katalysatorbetten (40, 41) angeordnet ist.
Anlage zur Herstellung von Propylen durch oxidative Dehydrierung von Propan mit einer Vorrichtung oder einem Oxidationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zum Betreiben eines Oxidationsreaktors oder einer Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem ein Prozessgas (P) enthaltend Kohlenwasserstoff in kontinuierlicher Fahrweise in einen Oxidationsreaktor geführt und in dem Oxidationsreaktor durch ein Katalysatorbett (40, 41) zur Oxidation von Wasserstoff und zur Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen geleitet wird, wobei das Prozessgas (P) durch eine Verteilerplatte (10) geleitet wird, so dass das Prozessgas (P) beschleunigt wird, und wobei dem beschleunigten Prozessgas (P) im Bereich der Verteilerplatte (10) Sauerstoff (O) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas (P) im Oxidationsreaktor vor dem Durchtritt durch das Katalysatorbett (40, 41) Wasserdampf beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (P) vor der Einleitung in den Oxidationsreaktor in einem beheizten Reformer durch einen Reformerkatalysator geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (P) nach dem Oxidationsreaktor zur Auskühlung durch mehrere Wärmetauscher geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des auskühlenden Prozessgases (P) mittels der Wärmetauscher zur Vorwärmung des Prozessgases (P) vor dem Eintritt in den Oxidationsreaktor genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Sauerstoff (O) zum Prozessgas (P) im Oxidationsreaktor durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 erfolgt.
Vorrichtung zur Zumischung und Verteilung von Sauerstoff in einem gegebenen Querschnitt zu einem aus brennbaren Gasen bestehenden Prozessgas, wobei das Prozessgas in der senkrecht zur Strömungsrichtung gebildeten Querschnittsfläche bzw. Querschnittsebene mehr als eine Querschnittsverengung erfährt und Sauerstoff bzw. ein Dampf-/Sauerstoffgemisch über getrennte, zugehörige Kanäle vor die jeweils herbeigeführten Querschnittsverengungen, in bevorzugter Weise an die Stelle kurz (bevorzugt < 25 mm) vor Ende des engsten Querschnitts, geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der gegebene Querschnitt durch einen Reaktor, ein Rohr, einen Zylinder oder einen Rechteck-Kanal gebildet ist.