DE102015122129A1 - Reactor for carrying out exo- or endothermic reactions - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor und ein Verfahren zur Umsetzung eines gasförmigen und/oder flüssigen Reaktionsmediums mit wenigstens zwei zumindest teilweise mit einem Katalysator gefüllten Reaktionsräumen, welche dadurch gebildet werden, dass in dem Reaktor wenigstens drei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Wärmetransporträume angeordnet sind, die so die einzelnen Reaktionsräume wenigstens teilweise voneinander trennen. Die Wärmetransporträume werden durch jeweils wenigstens ein Thermoblech gebildet, wobei jedes Thermoblech aus zwei Blechen besteht, welche an den Rändern und einer Vielzahl von weiteren Positionen über der Oberfläche miteinander verbunden sind. Im Betrieb ist die horizontale Ausdehnung des Reaktors in wenigstens einer Achse größer als seine vertikale Ausdehnung. Zudem sind der Einlass sowie der Auslass für das Reaktionsmedium so vorgesehen, dass der Reaktor von dem Reaktionsmedium vertikal durchströmt wird.The invention relates to a reactor and a process for reacting a gaseous and / or liquid reaction medium with at least two reaction spaces at least partially filled with a catalyst, which are formed by arranging in the reactor at least three heat transport spaces arranged substantially parallel to one another. so at least partially separate the individual reaction spaces from each other. The heat transport spaces are each formed by at least one thermal blanket, wherein each thermal blanket consists of two sheets which are interconnected at the edges and a plurality of further positions above the surface. In operation, the horizontal extent of the reactor in at least one axis is greater than its vertical extent. In addition, the inlet and the outlet for the reaction medium are provided so that the reactor is vertically flowed through by the reaction medium.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Umsetzung eines gasförmigen oder flüssigen Reaktionsmediums mit wenigstens zwei zumindest teilweise mit einem Katalysator gefüllten Reaktionsräumen, welche dadurch gebildet werden, dass in dem Reaktor wenigstens drei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Wärmetransporträume vorgesehen sind, die so die einzelnen Reaktionsräume wenigstens teilweise voneinander trennen, wobei die Wärmetransporträume durch jeweils wenigstens ein Thermoblech gebildet werden und wobei jedes Thermoblech aus zwei Blechen besteht, welches an den Rändern zusammengeschweißt sind und über deren Oberfläche eine Vielzahl von Punktschweißungen, die die Platten ebenfalls verbinden, verteilt sind. Ebenso betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Reaktionsführung in einem solchen Reaktor. The invention relates to a reactor for reacting a gaseous or liquid reaction medium with at least two at least partially filled with a catalyst reaction spaces, which are formed by the fact that in the reactor at least three substantially mutually parallel heat transfer spaces are provided, so the individual reaction spaces at least partially each separate, wherein the heat transport spaces are formed by at least one thermal blanket and wherein each thermal blanket consists of two sheets, which are welded together at the edges and on the surface of a plurality of spot welds, which also connect the plates are distributed. Likewise, the invention also relates to a method for carrying out the reaction in such a reactor.
Eine Reihe von typischen heterogen-katalysierten exothermen Gasphasenreaktionen werden in sogenannten Festbettreaktoren durchgeführt. Dabei wird jeweils eine Schüttung (Festbett) aus Katalysatorpartikeln oder mit Katalysator beschichteten Trägern mit dem Reaktionsmedium durchströmt. Anschließend durchströmt das Reaktionsmedium einen Wärmetauscher, um die entstandene Reaktionswärme zumindest teilweise abzuführen, bevor es in die nächste Katalysatorschüttung eintritt. Alternativ kann die Temperatursenkung auch durch Einführung eines Materialstroms zur Quenchung realisiert werden. Insgesamt besitzen typische Reaktoren 4 bis 6 Festbetten, die nacheinander durchströmt werden.A number of typical heterogeneously catalyzed exothermic gas phase reactions are carried out in so-called fixed bed reactors. In each case, a bed (fixed bed) of catalyst particles or catalyst-coated carriers is flowed through with the reaction medium. Subsequently, the reaction medium flows through a heat exchanger to at least partially remove the heat of reaction formed before it enters the next catalyst bed. Alternatively, the temperature reduction can also be realized by introducing a material flow for quenching. Overall, typical reactors have 4 to 6 fixed beds, which are flowed through in succession.
Am Beispiel einer Umsetzung von Methanol zu Propylen (MTP-Verfahren) soll die Ausgestaltung solcher Festbettreaktoren genauer erklärt werden.
Anschließend tritt das Gemisch aus Oxygenat, vorzugsweise Methanol, Propylen und anderen Reaktionsprodukten in das Festbett
In einer typischen MTP-Anlage sind jeweils drei dieser Reaktoren vorgesehen, von denen je zwei parallel betrieben werden und der dritte im Stand-by ist beziehungsweise der Katalysator gerade regeneriert wird. Eine typische Gestaltung einer solchen Anlage und Verfahren findet sich in der
Das heutige Reaktionskonzept benötigt ein großes Reaktorvolumen von etwa 2000 m3 (für eine Anlagenkapazität von ca. 450 kta Propylen), was daraus resultiert, dass neben den adiabaten Katalysatorbetten die bereits angesprochenen Kühlzonen in Form von Wärmetauschern oder Quenchsektionen vorgesehen sein müssssen. Darüber hinaus ist für die Befüllung und Entleerung des Katalysators entsprechender Raum vorzusehen.. The present reaction concept requires a large reactor volume of about 2000 m 3 (for a plant capacity of about 450 kta of propylene), which results from the fact that in addition to the adiabatic catalyst beds already mentioned cooling zones must be provided in the form of heat exchangers or quench sections. In addition, appropriate space must be provided for the filling and emptying of the catalyst.
In der Regel sind sechs Festbetten übereinander angeordnet, die jeweils eine Höhe von 20 bis 60 cm aufweisen. In jedem Reaktor sind etwa 150 Mt Katalysator über diese sechs Katalysatorbetten verteilt, wobei die Gesamtmenge an Katalysator über die Betten ansteigt. Dies bedeutet, dass im ersten Bett weniger Katalysator zu finden ist, sodass hier die Reaktion gezielt nicht vollständig ablaufen kann, sondern durch die Katalysatormenge limitiert ist. Dadurch soll ein Durchgehen der Reaktion in Folge einer zu großen lokalen Wärmeproduktion durch exotherme Reaktionen verhindert werden. Indem das letzte, das sechste Bett, die größte Menge Katalysator beinhaltet, kann sichergestellt werden, dass das Methanol vollständig oder annähernd vollständig umgesetzt wird. As a rule, six fixed beds are arranged one above the other, each having a height of 20 to 60 cm. In each reactor, about 150 M of catalyst is distributed over these six catalyst beds, with the total amount of catalyst rising above the beds. This means that less catalyst is to be found in the first bed, so that here the reaction can not run completely targeted, but is limited by the amount of catalyst. This is to prevent a runaway reaction due to excessive local heat production by exothermic reactions. By including the last, the sixth bed, the largest amount of catalyst, it can be ensured that the methanol is completely or almost completely reacted.
Üblicherweise finden sich in jedem Festbett ungefähr 100 Fächer, welche mit Katalysator einzeln befüllt werden. Dieses Verfahren gestaltet sich gegenüber dem erfindungsgemäßen Konzept (nur 1 Bett) als relativ aufwendig. In der Durchströmung des Festbettes mit dem Katalysator ist darauf zu achten, dass später alle Fächer gleichmäßig angeströmt werden, um lokale Katalysatorschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich muss auch vermieden werden, dass der Katalysator mit Flüssigkeit in Kontakt kommt, da dies zu einer dauerhaften Schädigung des Katalysators führen kann. Um die Temperatur in jedem Festbett einzustellen, wird überdies schon teilweise umgesetztes Reaktionsmedium mit frischem Reaktionsmedium gemischt. Usually there are about 100 compartments in each fixed bed, which are individually filled with catalyst. This method is compared to the inventive concept (only 1 bed) as relatively expensive. In the flow through the fixed bed with the catalyst is to ensure that later all subjects are flown evenly to avoid local catalyst damage. In addition, it must also be avoided that the catalyst comes into contact with liquid, as this can lead to permanent damage to the catalyst. In addition, to adjust the temperature in each fixed bed, partially reacted reaction medium is mixed with fresh reaction medium.
Weiterhin muss bei dem Reaktor darauf geachtet werden, dass ein möglichst geringer Druckverlust über das Festbett auftritt, um so die Selektivität hin zu den Zielprodukten, den kurzkettigen Olefinen, besonders Propylen, zu gewährleisten. Furthermore, it must be ensured in the reactor that the lowest possible pressure loss occurs over the fixed bed, so as to ensure the selectivity towards the target products, the short-chain olefins, especially propylene.
Wie oben erläutert bedarf das heutige Reaktorkonzept für die übliche Propylenkapazität von mehr als 450.000 t pro Jahr ein vergleichsweise großes Reaktorvolumen und einen entsprechenden Reaktordurchmesser, um den Druckverlust gering zu halten. Daher kann der Reaktor nicht ohne weiteres noch größer ausgelegt werden und auch Konstruktion und Transport sind limitiert. As explained above, the current reactor concept requires a comparatively large reactor volume and reactor diameter for the usual propylene capacity of more than 450,000 t per year in order to keep the pressure loss low. Therefore, the reactor can not easily be designed even larger and also construction and transport are limited.
Zusammenfassend existiert also bei dem beschriebenen Anlagenaufbau durchaus Verbesserungspotential, insbesondere hinsichtlich der sehr großen Reaktorvolumen sowie -durchmesser, der anspruchsvollen Verteilung des Reaktionsmediums und des relativ aufwendigen Katalysatorhandlings. In summary, there is therefore definitely room for improvement in the plant construction described, in particular with regard to the very large reactor volume and diameter, the demanding distribution of the reaction medium and the relatively complex handling of the catalyst.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kleiner dimensionierten Reaktor bereitzustellen, bei dem exotherme Reaktionen, insbesondere die MTP-Reaktion durchgeführt werden kann, wobei ein gleichmäßiges Temperaturprofil bei niedrigem Druckverlust das Ziel der Auslegung ist. Zudem soll das Handling, insbesondere das Füllen mit neuem Katalysator erleichtert werden. It is therefore an object of the present invention to provide a smaller sized reactor in which exothermic reactions, in particular the MTP reaction can be carried out, with a uniform temperature profile at low pressure loss is the aim of the design. In addition, the handling, especially the filling with new catalyst should be facilitated.
Diese Aufgabe wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a reactor having the features of
Ein solcher Reaktor zur Umsetzung eines gasförmigen oder flüssigen Reaktionsmediums umfasst wenigstens zwei zumindest teilweise mit einem Katalysator gefüllten Reaktionsräumen. Diese Reaktionsräume werden dadurch gebildet, dass in dem Reaktor wenigstens drei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Wärmetransporträume angeordnet sind. Im Wesentlichen im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Verlauf der Wärmetransporträume maximal um +/–20° bevorzugt 10°, besonders bevorzugt 5°, ganz besonders bevorzugt 2° voneinander abweicht. Diese einzelnen, parallelen Wärmetransporträume trennen die einzelnen Reaktionsräume wenigstens teilweise voneinander. Such a reactor for reacting a gaseous or liquid reaction medium comprises at least two reaction spaces at least partially filled with a catalyst. These reaction spaces are formed by arranging at least three heat transport spaces arranged substantially parallel to one another in the reactor. Essentially in the context of the invention means that the course of the heat transport spaces deviates by a maximum of +/- 20 °, preferably 10 °, particularly preferably 5 °, very particularly preferably 2 ° from one another. These individual, parallel heat transport spaces separate the individual reaction spaces at least partially from one another.
Die Wärmetransporträume werden durch jeweils wenigstens ein Thermoblech gebildet. Ein Thermoblech im Sinne der Erfindung besteht aus zwei Blechen, welche an den Rändern verbunden, vorzugsweise zusammengeschweißt sind und über deren Oberfläche eine Vielzahl von zusätzlichen Verbindungen, vorzugsweise Punktschweißungen, die die Platten ebenfalls miteinander verbinden, verteilt sind. Solche Platten können automatisiert von Robotern oder Maschinen und somit zu sehr günstigen Preisen hergestellt werden. Nach der Verschweißung werden die Bleche durch eine hydraulische Umformung, in der Regel also das Einpressen einer Flüssigkeit unter hohem Druck, expandiert, wodurch kissenartige Kanäle zwischen den Blechen entstehen. The heat transport spaces are formed by in each case at least one thermal blanket. A thermo sheet according to the invention consists of two sheets, which are connected at the edges, preferably welded together and on the surface of a plurality of additional compounds, preferably spot welds, which also connect the plates together, are distributed. Such plates can be produced automatically by robots or machines and thus at very reasonable prices. After welding, the sheets are expanded by a hydraulic forming, usually so the injection of a liquid under high pressure, whereby pillow-like channels between the sheets arise.
Über die Wärmetransporträume kann der Reaktion sowohl Wärmeenergie zu- als auch abgeführt werden, wobei im Folgenden primär auf exotherme Reaktionen eingegangen werden soll, bei denen demgemäß eine Abfuhr von Wärmeenergie erforderlich ist.Both thermal energy can be supplied to and removed from the reaction via the heat transport spaces, with the focus on exothermic reactions in the following, in which a removal of heat energy is accordingly required.
Gegenstand der Erfindung ist nun, dass im Betrieb die horizontale Ausdehnung des Reaktors in wenigstens einer Achse größer als seine vertikale Ausdehnung ist. Dies bedeutet, dass der Fluss des Reaktionsmediums orthogonal zur horizontalen Achse des Reaktors verläuft. Die Thermobleche können dabei parallel nebeneinander auf der horizontalen Achse oder orthogonal zur horizontalen Achse in dem Reaktor orientiert sein.The invention is now that in operation, the horizontal extent of the reactor in at least one axis is greater than its vertical extent. This means that the flow of the reaction medium is orthogonal to the horizontal axis of the reactor. The thermal sheets may be oriented parallel to each other on the horizontal axis or orthogonal to the horizontal axis in the reactor.
Im Vergleich zu den bisherigen Reaktoren ändert sich die Anordnung in dem erfindungsgemäßen Reaktor. Die Ein- und Auslässe für das Reaktionsmedium sind so vorgesehen, dass der Reaktor von dem Reaktionsmedium vertikal durchströmt wird. Bevorzugter Weise erfolgt die Durchströmung dabei so, dass die Strömungsrichtung mit der Erdanziehungskraft verläuft. Dies hat den Vorteil, dass während der Durchströmung es nicht zu Strukturänderungen in dem Festbett des Katalysators kommen kann.In comparison to the previous reactors, the arrangement in the reactor according to the invention changes. The inlets and outlets for the reaction medium are provided so that the reactor is vertically flowed through by the reaction medium. Preferably, the flow takes place in such a way that the flow direction runs with the gravitational force. This has the advantage that it can not come to structural changes in the fixed bed of the catalyst during the flow.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Reaktors, welcher weniger in die Höhe denn in die Breite ausgebildet ist, bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Zum einen kann prinzipiell auf verschiedene Festbetten mit dazwischen angeordneten Wärmetauschern verzichtet werden, vielmehr befinden sich die Thermoplatten innerhalb eines einzelnen Festbettes. The inventive design of a reactor which is less in height than in width, offers a variety of advantages. On the one hand, in principle can be dispensed with different fixed beds with interposed heat exchangers, but the thermal plates are within a single fixed bed.
Zum anderen ergeben sich nun Dimensionen, die ein deutlich niedrigeren Druckverlust nach sich ziehen, da ja bereits oberhalb der einzelnen Reaktionsräume sich die Strömung des Reaktionsmediums aufteilen muss, um durch die einzelnen Reaktionsräume hindurchzutreten. Dann durchströmt das Reaktionsmedium in jedem Fall nur ein Katalysatorfestbett mit der vertikalen Höhe des Reaktors, anstatt wie in der bisher üblichen Ausführungsform durch mehrere Festbetten geführt zu werden. Der Begriff Reaktorbehälter im Sinne der Erfindung meint einen Behälter im Inneren des Reaktors, der zumindest die Thermobleche und Ihre Zwischenräume umfasst und im Begriff zumindest teilweise, vorzugsweise ganz mit Katalysator gefüllt ist. Die dadurch signifikant verringerte Wegstrecke des Reaktionsmediums zieht auch deutlich geringere Druckverluste nach sich. Aufgrund der verringerten Wegstrecke des Reaktionsmediums sind auch insgesamt die Bedingungen über die von dem Reaktionsmedium zurückgelegte Reaktionsstrecke wesentlich einheitlicher als bei einer Reaktorgestaltung, bei der der Reaktor über eine deutlich längere vertikale Strecke durchströmt wird. Dies führt dazu, dass bei dem erfindungsgemäßen Reaktor die Reaktionsführung deutlich enger an den idealen isothermen Reaktionsbedingungen verlaufen kann und somit weniger Nebenprodukte und mehr gewünschtes Produkt, beispielsweise Propylen, gebildet werden kann. On the other hand, there are now dimensions that entail a significantly lower pressure drop, since the flow of the reaction medium must already be divided above the individual reaction spaces in order to pass through the individual reaction spaces. In each case, the reaction medium then only flows through a fixed catalyst bed with the vertical height of the reactor, instead of being passed through a plurality of fixed beds as in the previously customary embodiment. The term reactor vessel in the context of the invention means a container inside the reactor, which comprises at least the thermoplates and their interspaces and is at least partially, preferably completely filled with catalyst. The thus significantly reduced path of the reaction medium also entails significantly lower pressure losses. Due to the reduced path of the reaction medium and the overall conditions over the covered by the reaction medium reaction path are much more uniform than in a reactor design in which the reactor is flowed through over a much longer vertical distance. As a result, in the reactor according to the invention, the reaction procedure can be much closer to the ideal isothermal reaction conditions and thus fewer by-products and more desired product, for example propylene, can be formed.
Weiterhin ist der Austausch des Katalysators deutlich vereinfacht, da hier weniger Betten, besonders bevorzugt ein Bett anstatt den zum Beispiel im MTP-Prozess üblichen 6 Festbetten ausgetauscht werden muss. Weiterhin weist der Reaktor einen deutlich kleineren Durchmesser auf, wodurch der Transport und die Konstruktion stark vereinfacht wird.Furthermore, the replacement of the catalyst is significantly simplified, since fewer beds, more preferably a bed instead of the usual, for example in the
Schließlich hat ein solcher Reaktor den Vorteil, dass er eine sehr einfache Projektierung für größere und kleinere Kapazitäten möglich macht, da ab der kritischen Menge an Thermoplatten von mindestens 10 Thermoplatten, welche 10 Wärmetransporträume bilden, davon auszugehen ist, dass die Reaktionsbedingungen in jeden Reaktionsraum gleich sind und somit die Anzahl der Reaktionsräume direkt aus der Menge an gewünschtem Produkt durch einfache Multiplikation errechenbar ist. Gleichzeitig können so endlich auch Reaktoren gefertigt werden, welche eine geringere Menge umsetzen, sodass der Reaktor insbesondere auch für kleine Anlagen sinnvoller erscheint als die bisherigen Reaktoren, die bestimmte Mindestdimensionierungen erfordert haben. Insbesondere beim Ansatz, Methanol aus nachwachsenden Rohstoffen zu generieren, was zwangsweise zu einer Dezentralisierung der weiteren Verarbeitung des Methanols führen wird, ist dieses Konzept vielversprechend. Grundsätzlich ist es möglich mit diesem Konzept Kapazitäten von weniger als 100 kt pro Jahr Propylen zu realisieren. Finally, such a reactor has the advantage that it makes a very simple configuration possible for larger and smaller capacities, since, starting from the critical amount of thermal plates of at least 10 thermal plates, which form 10 heat transport spaces, it can be assumed that the reaction conditions in each reaction chamber are the same and thus the number of reaction spaces directly from the amount of the desired product by simple multiplication is calculated. At the same time reactors can finally be manufactured, which implement a smaller amount, so that the reactor appears to be more useful, especially for small plants than the previous reactors, which required certain minimum dimensions. In particular, in the approach to generate methanol from renewable resources, which will inevitably lead to a decentralization of the further processing of methanol, this concept is promising. In principle, it is possible with this concept to realize capacities of less than 100 kt per year of propylene.
Zudem ist mit nur einem Festbett das sogenannte Steaming, also eine Vorbehandlung des Katalysators mit Wasserdampf, stark vereinfacht, da nur noch ein Festbett behandelt werden muss und so eine bessere Steuerung des Temperaturprofils während des Steamingvorgangs möglich ist. In addition, the so-called steaming, so pretreatment of the catalyst with steam, is greatly simplified with only a fixed bed, since only a fixed bed must be treated and so better control of the temperature profile during the steaming process is possible.
Die Reaktorabmessungen sind dabei bevorzugt derart gestaltet, dass ein Mensch darin ohne Probleme arbeiten kann und alle Teile gut erreichbar sind. Dies vereinfacht insbesondere Wartungsarbeiten. Es sind aber auch kleinere Reaktorabmessungen, insbesondere für kleinere Produktionskapazitäten, möglich.The reactor dimensions are preferably designed such that a human can work in it without problems and all parts are easily accessible. This simplifies maintenance in particular. However, smaller reactor dimensions are also possible, in particular for smaller production capacities.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn sich die Reaktionsräume vertikal über die Ausdehnung der Wärmetransporträume erstrecken. In der Praxis bedeutet dies, dass im unteren Teil des Reaktors, also dem in Betrieb der Erdoberfläche am nächsten stehende Bereich, ausschließlich Katalysatorfestbett vorzufinden ist, nicht jedoch Thermobleche, sodass hier die Reaktion adiabatisch verläuft. Da dies der Bereich ist, bei dem das Reaktionsmedium bereits zu einem großen Teil umgesetzt ist, weil es die längste Wegstrecke vertikal durch das Katalysatorfestbett bereits durchströmt hat, kann durch die adiabaten Reaktionsbedingungen an dieser Stelle eine Vervollständigung des Umsatzes erreicht werden.Furthermore, it is preferred if the reaction spaces extend vertically over the extent of the heat transport spaces. In practice this means that in the lower part of the reactor, ie the area closest to the surface of the earth, only fixed catalyst bed is to be found, but not thermoplates, so that here the reaction is adiabatic. Since this is the area in which the reaction medium is already implemented to a large extent because it has already passed through the longest distance vertically through the fixed catalyst bed, can be achieved by the adiabatic reaction conditions at this point, a completion of the conversion.
Zudem hat es sich als günstig herausgestellt, wenn die zusätzlichen Verbindungen, vorzugsweise Punkts, chweißungen des Thermobleches auf Geraden liegen, wobei eine Gerade dadurch definiert ist, dass die jeweils benachbarten Schweißpunkte auf einer Gerade liegen. Bevorzugt ist die Distanz der einzelnen Punkte, welche auf einer Geraden liegen, zueinander immer der gleiche Abstand d3 und die Geraden haben zueinander immer den gleichen Abstand d5, verlaufen also parallel. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Punkte auf den einzelnen Geraden versetzt zueinander angeordnet sind, sodass Geraden nur innerhalb einer Dimension festzustellen sind. Dadurch entsteht ein System, welches gleichermaßen ausreichend Kanäle für einen optimalen Wärmeaustausch und somit eine gleichmäßige Temperatur über das gesamte Thermoblech sicherstellt. In addition, it has turned out to be favorable if the additional connections, preferably points, of the thermal sheet lie on straight lines, a straight line being defined by the fact that the respectively adjacent weld points lie on a straight line. Preferably, the distance of the individual points, which lie on a straight line to each other, always the same distance d3 and the straight lines always have the same distance d5 to each other, so they are parallel. In this case, it is particularly preferred if the points on the individual straight lines are offset relative to one another, so that straight lines can only be detected within one dimension. This creates a system that equally sufficient channels for ensures optimal heat exchange and thus a uniform temperature over the entire thermal plate.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Thermobleche zwischen den zusätzlichen Verbindungen, vorzugsweise Punktschweißungen ,die bereits angesprochenen kissenartigen Kanäle auf, bei denen der maximale Abstand der beiden Bleche zueinander die Distanz d2 ist. Gleichzeitig wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Thermoblechen als d1 bezeichnet. Erfindungsgemäß ist nun der Abstand d1 zwischen den beiden benachbarten Thermoflächen und also somit dieser Reaktionsraum immer größer als d2, nämlich der maximalen Aufweitung des Thermobleches zwischen zwei zusätzlichen Verbindungen, vorzugsweise Punktschweißungen. Gleichzeitig ist der Abstand d1 immer kleiner als das Hundertfache der Distanz d2. Es ist daher ein Aspekt der Erfindung, dass die bereits angesprochene vorteilhafte isotherme Reaktionsführung insbesondere dann sichergestellt werden kann, wenn diese beiden geometrischen Parameter entsprechend angepasst sind.In a particularly preferred embodiment, the thermal sheets between the additional compounds, preferably spot welds, the already mentioned pillow-like channels, in which the maximum distance between the two sheets to each other is the distance d2. At the same time, the distance between two adjacent thermal sheets is referred to as d1. According to the invention, the distance d1 between the two adjacent thermal surfaces and thus thus this reaction space is always greater than d2, namely the maximum expansion of the thermoplate between two additional connections, preferably spot welds. At the same time, the distance d1 is always less than one hundred times the distance d2. It is therefore an aspect of the invention that the already mentioned advantageous isothermal reaction procedure can be ensured in particular if these two geometrical parameters are adapted accordingly.
Besonders günstig ist dabei, wenn der Abstand und somit die Breite eines Reaktionsraumes d1 zwischen dem 1,5-fachen von d2 und dem 10-fachen von d2 liegt. Ganz besonders für die Herstellung von Propylen aus Methanol ergibt sich so eine optimierte Reaktionsführung, bei der Hotspots im Katalysatorfestbett ebenso ausgeschlossen werden können wie Stellen, die so kalt sind, dass es zu keiner Reaktion oder sogar zur Auskondensation von Methanol kommt. It is particularly favorable if the distance and thus the width of a reaction space d1 is between 1.5 times d2 and 10 times d2. Especially for the production of propylene from methanol results in an optimized reaction, in which hotspots in fixed catalyst bed can be excluded as well as bodies that are so cold that there is no reaction or even the condensation of methanol.
Ein Aspekt der Erfindung ist die Integration einer Vorrichtung zur Entnahme des Katalysators. Dies kann zum Beispiel derart gestaltet sein, dass die Auflagefläche des Katalysators durch einen Klappmechanismus geöffnet werden kann, so dass der Katalysator nach unten fällt. Eine andere, besonders platzsparende Gestaltungsform sieht vor, die Auflagefläche des Katalysators in wenigstens zwei Teile zu teilen und diese so auf Schienen zu lagern, dass jeweils ein Teil der Auflagefläche unter die jeweils andere geschoben werden kann und so der Katalysator durch die Schwerkraft nach unten fällt. One aspect of the invention is the integration of a device for removing the catalyst. This may be designed, for example, such that the support surface of the catalyst can be opened by a folding mechanism, so that the catalyst falls down. Another, particularly space-saving design provides to divide the bearing surface of the catalyst into at least two parts and store them on rails so that in each case a part of the support surface can be pushed under the other and so the catalyst falls by gravity down ,
Weiterhin ist es eine Besonderheit der Erfindung, dass die Thermobleche so ausgelegt sind, dass sie zur Führung einer Salzschmelze geeignet sind. Neben einer optimierten Führung hinsichtlich des Temperaturprofils werden die Kanäle in den Thermoblechen so ausgeführt, dass bei Abstellungen oder Außerbetriebnahme eine quasi vollständige Entleerung der Hohlräume in den Thermoblechen mittels Schwerkraft gewährleistet wird. Nach Abkühlung des Apparates bleibt so kein erstarrtes Salz im Thermoblech zurück und reduziert die Gefahr einer Schädigung des Thermobleches. Auch die Wiederinbetriebnahme wird hierdurch entsprechend erleichtert). Die Nutzung einer Salzschmelze hat den Vorteil, dass die Wanddicke der Thermoplatten deutlich geringer ausfallen kann als bei der üblichen Nutzung von Hochtemperaturdampf als Wärmetransportmedium, da die Druckbelastung entsprechend geringer ist. Dadurch wird wiederum der Wärmeübergang stark verbessert. Bei geringen Drücken innerhalb der Thermobleche, wie beim Einsatz von Salzschmelzen, wird man bevorzugt Wandstärken zwischen 0,5 und 1,5 mm pro Blech (Thermoblech besteht aus 2 Blechen) wählen – einige Hersteller bevorzugen es konstruktionsbedingt nicht unter 1 mm zu gehen. Bei Systemen mit hohen Drücken wird man sich eher zwischen 1,5 und 3 mm Wandstärke bewegen – größer 3 mm ist wohl kaum möglich, denn es lässt sich nicht mehr entsprechend verformen, aber mit 3 mm können hier bereits Designdrücke von deutlich über 100 bar realisiert werden. Furthermore, it is a special feature of the invention that the thermal sheets are designed so that they are suitable for guiding a molten salt. In addition to an optimized guidance with regard to the temperature profile, the channels in the thermoplates are designed so that when shutdowns or decommissioning a virtually complete emptying of the cavities in the thermal sheets is ensured by gravity. After the apparatus has cooled, no solidified salt remains in the thermoplate and reduces the risk of damage to the thermoplate. The re-commissioning is thereby facilitated accordingly). The use of a molten salt has the advantage that the wall thickness of the thermal plates can be significantly lower than in the usual use of high-temperature steam as a heat transport medium, since the pressure load is correspondingly lower. This in turn greatly improves the heat transfer. At low pressures within the thermoplates, such as when using molten salts, it is preferable to choose wall thicknesses between 0.5 and 1.5 mm per sheet (thermo sheet consists of 2 sheets) - some manufacturers prefer not to go below 1 mm due to the design. For systems with high pressures, it is more likely to move between 1.5 and 3 mm wall thickness - larger than 3 mm is hardly possible, because it can no longer deform accordingly, but with 3 mm design pressures of well over 100 bar can already be realized become.
Es ist weiterhin auch möglich, Hochdruckdampf als Wärmetransportmedium zu nutzen, wie es üblicherweise bei der Verwendung von Thermoblechen geschieht. Solcher Hochdruckdampf weist einen Druck von bis zu 100 bar auf und verfügt daher über eine entsprechende Wärmekapazität. Größere Anlagenverbundsysteme sind in der Regel mit Dampfsystemen mit verschiedenen Drücken (Hoch-, Mittel- und Niederdampf) ausgeführt, welche zur Energieführung zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten geeignet sind und wobei teilweise auch aus erzeugtem Dampf Strom gewonnen wird. Die Einbindung des erfindungsgemäßen Reaktortyps in ein solches Hochdampfsystem ist daher insbesondere in einem Anlagenverbund empfehlenswert.It is also also possible to use high-pressure steam as a heat transport medium, as is usually done when using thermoplates. Such high-pressure steam has a pressure of up to 100 bar and therefore has a corresponding heat capacity. Larger system composite systems are usually designed with steam systems with different pressures (high, medium and low steam), which are suitable for carrying energy between the individual system components and in some cases electricity is also obtained from steam produced. The integration of the reactor type according to the invention in such a high-steam system is therefore recommended, in particular in a plant network.
Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die mit einer Katalysatorschüttung gefüllten Reaktionsräume und die zugehörigen Wärmetransporträume in der Art dimensioniert sind, dass der Reaktor pro Kubikmeter Katalysator wenigstens ein Thermoblech und/oder pro Kubikmeter Katalysatorschüttung wenigstens 10 m2 Kühlfläche aufweist, wobei sich die Kühlfläche direkt als Fläche eines der beiden Bleche des Thermobleches darstellt. Dadurch ergibt sich eine überraschend einfache Korrelation in Bezug auf die Gesamtmenge der verwendeten Thermobleche. Another aspect of the invention provides that the reaction chambers filled with a catalyst bed and the associated heat transport spaces are dimensioned such that the reactor has at least one thermoplate per cubic meter of catalyst and / or at least 10 m 2 of cooling surface per cubic meter of catalyst bed Cooling surface directly represents the surface of one of the two sheets of thermal blanket. This results in a surprisingly simple correlation with respect to the total amount of thermal sheets used.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in einzelnen Thermoplatten Durchtrittsöffnungen von einem Reaktionsraum zu einem anderen vorgesehen sind, beispielsweise durch Löcher innerhalb der Thermobleche, wobei die beiden Bleche durch eine Rundschweißung an diesen Löchern dicht miteinander verbunden sind. Durch diese zusätzlichen Öffnungen kann sich das Reaktionsmedium über die Reaktionsräume vermischen, wodurch teilweise die Homogenität des Produktes weiter gesteigert werden kann. A further embodiment of the invention provides that in individual thermal plates passage openings are provided from one reaction space to another, for example through holes within the Thermo sheets, wherein the two sheets are connected by a round weld at these holes tightly together. Through these additional openings, the reaction medium can mix over the reaction spaces, which partially the homogeneity of the product can be further increased.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, bei der der Reaktor eine Gasverteilungsvorrichtung vorsieht, durch die das Reaktionsmedium gleichmäßig auf alle Reaktionsräume verteilt wird. Eine solche Gasverteilungsvorrichtung einer solchen Verteilvorrichtung kann entweder eine Verteilungskammer sein, aus der eine Vielzahl von Öffnungen (diese können z. B. auch als Schlitze ausgeführt werden, die z. B. längs oder quer zur horizontalen Reaktorachse verlaufen) oder Düsen das Reaktionsmedium in den Reaktor mit seinen Reaktionsräumen strömen lässt, wodurch eine sehr gleichmäßige Verteilung über alle Rektionsräume erreicht werden kann. Genauso ist es auch möglich, ohne eine Verteilungskammer das Reaktionsmedium direkt über Düsen oberhalb der Reaktionsräume einzubringen, von wo aus es sich auf die verschiedenen Reaktionsräume verteilt. Prinzipiell ist es möglich, mit größeren und kleineren Düsenmengen und entsprechenden Verbindungsventilen und Rohren zu arbeiten, oder aber die einzelnen Düsen und das zugehörige Equipment größer auszulegen. Eine große Anzahl von Düsen hat den Vorteil, dass die Verteilung des Reaktionsmediums optimiert im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Verteilung erfolgen kann und zudem eine höhere Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Anströmmengen in unterschiedlichen Reaktionsräumen möglich ist.Furthermore, the invention comprises a device in which the reactor provides a gas distribution device, through which the reaction medium is uniformly distributed to all reaction spaces. Such a gas distribution device of such a distribution device can either be a distribution chamber from which a multiplicity of openings (for example, these can also be slits extending, for example, longitudinal or transverse to the horizontal axis of the reactor) or nozzles, the reaction medium into the Flow reactor with its reaction spaces, whereby a very uniform distribution over all spaces Rektionsräume can be achieved. It is equally possible, without a distribution chamber, to introduce the reaction medium directly via nozzles above the reaction spaces, from where it is distributed to the various reaction spaces. In principle, it is possible to work with larger and smaller nozzle quantities and corresponding connecting valves and pipes, or to make the individual nozzles and the associated equipment larger. A large number of nozzles has the advantage that the distribution of the reaction medium can be optimized in terms of a uniform distribution as possible and also a higher flexibility in terms of different flow rates in different reaction spaces is possible.
Der Katalysator kann teilweise auch durch ein entsprechendes Gitter oder eine andere Vorrichtung innerhalb der Reaktionsräume platziert werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Trägerstruktur eingebracht werden kann, die zusammen mit dem Katalysator aus den Reaktionsräumen wieder entfernbar ist. The catalyst may also be partially placed through a corresponding grid or other device within the reaction spaces. This has the advantage that a support structure can be introduced, which is removable again together with the catalyst from the reaction spaces.
Vorteilhaft ist auch, oberhalb des Katalysators ein Netz und/oder inertes Material aufzubringen, um den Katalysator so in demjenigen Bereich, der dem Zufluss des Reaktionsmediums zugewandt ist, da insbesondere dort, wo noch kein Wärmetransportraum vorgesehen ist, oder dieser gerade beginnt, der Wärmeabfluss verringert ist. Dadurch kann der Katalysator zusätzlich geschützt werden. It is also advantageous to apply a net and / or an inert material above the catalyst in order to move the catalyst in that region which faces the inflow of the reaction medium, in particular where heat transfer space is not yet provided or if it is just starting, the heat flow is reduced. As a result, the catalyst can be additionally protected.
Weiterhin ist es auch möglich, zusammen mit einer Katalysatorschüttung auch inertes Material einzubringen, sodass die Katalysatordichte in der Schüttung verringert wird und somit auch die lokale Reaktionsrate abgesenkt wird. Denkbar ist auch eine nicht homogene Katalysatorschüttung, durch die zusätzlich die lokale Reaktionsrate beeinflusst werden kann. Furthermore, it is also possible to introduce inert material together with a catalyst bed so that the catalyst density in the bed is reduced and thus the local reaction rate is lowered. Also conceivable is a non-homogeneous catalyst bed, which additionally influences the local reaction rate.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Umsetzung eines gasförmigen oder flüssigen Reaktionsmediums in einem Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Dabei umfasst ein solcher Reaktorr wenigstens zwei zumindest teilweise mit einem Katalysator gefüllte Reaktionsräume, welche von dem Reaktionsmedium durchströmt werden. Die Reaktionsräume werden durch wenigstens drei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Wärmetransporträume gebildet, wobei ein Wärmetransportmedium durch die Wärmetransporträume strömt. The invention also provides a process for reacting a gaseous or liquid reaction medium in a reactor having the features of claim 11. In this case, such a reactor comprises at least two reaction spaces at least partially filled with a catalyst, through which the reaction medium flows. The reaction spaces are formed by at least three heat transport spaces arranged essentially parallel to one another, wherein a heat transport medium flows through the heat transport spaces.
Die Wärmetransporträume bestehen jeweils aus zumindest einem Thermoblech, wobei jedes Thermoblech wiederrum aus zwei Blechen besteht, welche an den Rändern zusammengeschweißt sind und über deren Oberfläche eine Vielzahl von Punktschweißungen, die die Platten ebenfalls verbinden, verteilt sind. The heat transport spaces each consist of at least one thermal blanket, wherein each thermal blanket in turn consists of two sheets, which are welded together at the edges and over the surface of a plurality of spot welds, which also connect the plates are distributed.
Es ist Gegenstand der Erfindung, dass das Reaktionsmedium den Reaktor vertikal, bevorzugt in Richtung der Erdanziehungskraft, durchströmt, und das die horizontale Ausdehnung des Reaktors in wenigstens einer Achse größer als seine vertikale Ausdehnung ist. Dies bietet den Vorteil, dass ein Beladen und Entladen mit dem Katalysator deutlich vereinfacht wird. It is the object of the invention that the reaction medium flows through the reactor vertically, preferably in the direction of gravitational force, and that the horizontal extent of the reactor in at least one axis is greater than its vertical extent. This offers the advantage that loading and unloading with the catalyst is significantly simplified.
Weiterhin ist auch der Reaktor selbst aufgrund eines insgesamt schmaleren Durchmessers wesentlich einfacher zu handhaben. Auch ein in Bezug auf heutige Anlagenkapazitäten verkleinerter Reaktor mit einer Kapazität von 100–250 kt pro Jahr oder auch weniger am Beispiel einer Umwandlung von Methanol zu Propylen ist denkbar. Furthermore, the reactor itself is much easier to handle due to an overall narrower diameter. Also, a reduced in terms of today's plant capacity reactor with a capacity of 100-250 kt per year or less on the example of a conversion of methanol to propylene is conceivable.
Entscheidend ist, dass das Katalysatorbett so sehr homogen angeströmt wird, eine isotherme Reaktionsführung erreicht wird und gleichzeitig der Druckverlust geringer ist als bei einer herkömmlichen Reaktionsführung. It is crucial that the catalyst bed is flowed so very homogeneous, an isothermal reaction is achieved and at the same time the pressure loss is lower than in a conventional reaction.
Es ist ein Aspekt der Erfindung, dass das Wärmetransportmedium im Gleichstrom zum Reaktionsmedium geführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die größte Temperaturdifferenz zwischen Reaktionsmedium und Wärmetransportmedium im Bereich des Eintritts des Reaktionsmediums in die Reaktionsräume erfolgt, wo lokal auch die höchsten Umsätze und somit bei einer exothermen Reaktion auch die größte Wärmeentwicklung vorliegt. It is an aspect of the invention that the heat transport medium is conducted in cocurrent to the reaction medium. This has the advantage that the largest temperature difference between the reaction medium and the heat transport medium in the region of the entry of the reaction medium takes place in the reaction chambers, where locally also the highest conversions and thus with an exothermic reaction also the largest heat development exists.
Es ist jedoch ebenso auch möglich das Wärmetransportmedium im Gegen- oder sogar im Kreuzstrom (abhängig von der Anordnung der Thermobleche, welche sich sowohl vertikal als auch horizontal zur Strömungsrichtung des Reaktionsmediums orientieren können) zuzuführen, da so insgesamt ein homogeneres Temperaturprofil erzeugt werden kann. However, it is also possible to supply the heat transfer medium in countercurrent or even in crossflow (depending on the arrangement of the thermoplates, which can be oriented both vertically and horizontally to the flow direction of the reaction medium), since a more homogeneous temperature profile can be generated overall.
Weiterhin kann jede Form von Wärmetransportmedium flüssiger oder gasförmiger Form verwendet werden. Bevorzugt ist aufgrund seiner zumeist höheren Wärmekapazität in der Regel ein flüssiges Wärmetransportmedium, ganz bevorzugt ein Medium, welches innerhalb der Thermobleche verdampft, wodurch die zusätzlich benötigte Verdampfungsenthalpie eine noch stärker isotherme Reaktionsführung ermöglicht wirdFurthermore, any form of heat transfer medium of liquid or gaseous form may be used. Due to its usually higher heat capacity, preference is given to a liquid heat transport medium, more preferably a medium which evaporates within the thermoplates, as a result of which the additionally required enthalpy of vaporization permits an even more isothermal reaction
Bevorzugt werden einzelne Bereiche der Reaktionsräume adiabatisch betrieben, wodurch der Umsatz weiter gesteigert werden kann. Preferably, individual regions of the reaction spaces are operated adiabatically, whereby the conversion can be further increased.
Schließlich ist es eine Ausführung der Erfindung, dass das Verfahren, welches in dem erfindungsgemäßen Reaktor durchgeführt wird, die wenigstens teilweise Umwandlung von Methanol zu Propylen ist, welches eine typische Reaktion im Festbett darstellt, die bei der bisherigen Reaktoranordnung einen sehr großen Reaktor mit den damit verbundenen Nachteilen erfordert. Finally, it is an embodiment of the invention that the process carried out in the reactor of the invention is at least partially conversion of methanol to propylene, which is a typical reaction in a fixed bed, which in the previous reactor arrangement is a very large reactor with the same associated disadvantages required.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen und den Beispielen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of the drawings and the examples. All described and / or illustrated features alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their back references.
Es zeigen:Show it:
Gleichzeitig ist es in nicht dargestellter Weise auch möglich, das Reaktionsmedium über Düsen in den Reaktor
Die Reaktionsräume
Der entstandene Produktstrom wird über die Leitung
Der Abstand zwischen je zwei benachbarten Wärmetransporträumen
Der Katalysator liegt auf wenigstens einer Haltevorrichtung
Indem das Thermoblech nicht nur an den Rändern von zwei übereinander gelegten Blechen miteinander verschweißt ist, sondern sich zusätzliche Schweißpunkte
Ausführungsbeispiele embodiments
Beispiel 1example 1
Beispiel 1 zeigt die Unterschiede in einer Reaktorausgestaltung vergleichend einen Reaktor nach dem Stand der Technik, wie in
Die Querschnittsfläche in der Horizontalen kann rund aber natürlich auch in jeder anderen Form ausgefüllt werden. Entscheidend ist, dass die Form des Reaktors eine gute Verteilung des Reaktionsmediums und eine einfache Handhabung des Katalysators ermöglicht. The cross-sectional area in the horizontal can be filled round but of course in any other form. It is crucial that the shape of the reactor allows a good distribution of the reaction medium and easy handling of the catalyst.
Es wird deutlich, dass die Dimensionen des erfindungsgemäßen Reaktors deutlich verringert sind, da durch die lokale Wärmeabfuhr auf die sehr großen Wärmetauscher letztendlich verzichtet werden kann. Das Verhältnis von Katalysator- zu Reaktorvolumen ist fast um das Dreifache erhöht. Die Raum-Zeit-Ausbeute in dem erfindungsgemäßen Reaktor ist damit drastisch verbessert. It is clear that the dimensions of the reactor according to the invention are significantly reduced, since the local heat removal on the very large heat exchangers can ultimately be dispensed with. The ratio of catalyst to reactor volume is almost three times higher. The space-time yield in the reactor according to the invention is thus drastically improved.
Beispiel 2Example 2
Beispiel 2 zeigt anhand einer mit Matlab® ausgeführten Simulation, dass die Propylenselektivität in dem erfindungsgemäßen Reaktor durch eine verbesserte Reaktionsführung, enger an einem isothermen Betrieb, um mindestens 2 % gesteigert werden kann. Dies steht in Korrelation damit, dass eine weitaus geringere Temperaturdifferenz über die Gesamtströmungsstrecke des Reaktionsmediums vorliegt. Die Daten für den Reaktor nach dem Stand der Technik sind jeweils zu 100 % ausgewiesen, während der erfindungsgemäße Reaktor in Relation dazu ausgewiesen ist. Tabelle 2: Vergleich der geometrischen Abmessungen eines Reaktors nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Reaktor.
Übliche Reaktorsysteme zeigen eine Abweichung von etwa 15 K und somit eine Propylenausbeute von 65 mol C-%. Das neue Reaktorsystem wird sich im Bereich 10 bis 0 K befinden, bevorzugt im Bereich 2,5 bis 0 K für die durchschnittliche Temperaturabweichung zur optimalen Reaktionstemperatur. Die Propylenausbeute ist damit deutlich erhöht.Conventional reactor systems show a deviation of about 15 K and thus a propylene yield of 65 mol C%. The new reactor system will be in the
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Reaktor nach dem Stand der Technik Reactor according to the prior art
- 111–116111-116
- Festbett fixed bed
- 121–126121-126
- Wärmetauscher heat exchangers
- 13, 131–13613, 131-136
- Methanolzufuhrleitung Methanol supply line
- 1414
- Produktabzugsleitung Product withdrawal line
- 2020
- erfindungsgemäßer Reaktor inventive reactor
- 21 21
- adiabatischer Bereich adiabatic area
- 2222
- Zuleitung supply
- 2323
- Verteilungskammer distribution chamber
- 241–247241-247
- Wärmetransportraum Heat transport space
- 24D24D
- Durchtrittsöffnung Through opening
- 251–256251-256
- Reaktionsraum reaction chamber
- 2626
- Ableitung derivation
- 2727
- Haltevorrichtung holder
- 2828
- Entnahmevorrichtung removal device
- 3030
- Thermoplatte thermal plate
- 30a, 30b 30a, 30b
- Blechsheet
- 311–319311-319
- Schweißpunkt WeldingSpot
- 321, 322321, 322
- Wärmetransportkanal Heat transport channel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2009/0124841 [0005] US 2009/0124841 [0005]
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