DE102015209874A1

DE102015209874A1 - System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor

Info

Publication number: DE102015209874A1
Application number: DE102015209874.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Noll
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, umfassend ein statisches Mischelement 10 und ein innerhalb des Mischelements 10 angeordnetes Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente 18 in den Synthesereaktor.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Eindüsung einer gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, einen Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases enthaltend das erfindungsgemäße System sowie ein Verfahren zur Dehydrierung eines partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases unter Anwendung des erfindungsgemäßen Systems. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Eindüsung einer gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, wobei der Synthesereaktor vorzugsweise ein Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases ist.
Technischer Hintergrund
In einem Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases wird sequentiell in einem allothermen Reformer und anschließend in einem autothermen Oxyreaktor katalytisch ein Alkan überwiegend zu einem Alken dehydriert. Die Alkenselektivität spielt bezüglich der Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens eine zentrale Rolle. In den derzeit bekannten Anlagen zur Alkandehydrierung zeigt sich, dass zum einen unerwünschte Nebenprodukte gebildet und zum anderen die gewünschte Alkenselektivität nicht erreicht wird.
Derzeit existierende Systeme zur Eindüsung der gashaltigen Komponente in den Synthesereaktor, wie beispielsweise der aus der DE 103 59 744 A1 bekannte Ringverteiler, erlauben zwar die Einstellung der erforderlichen mittleren Verweilzeit durch Einstellung des Abstands zwischen dem System zur Eindüsung und der Katalysatoroberfläche sowie der Einströmgeschwindigkeit der gashaltigen Komponente, erzielen aber nicht die erforderliche Durchmischung, so dass es zur verstärkten Bildung von Nebenprodukten, u.a. sog. Oxygenaten kommt. Die Bildung von Nebenprodukten verursacht in den nachgeschalteten Kohlendioxidabsorbern jedoch erhebliche Probleme durch die Bildung von Schaumbildnern und Feststoffen und vermindert zudem die Wirtschaftlichkeit des Prozesses.
Der aus der DE 103 59 744 A1 bekannte Ringverteiler, besteht aus konzentrisch angebrachten Rohrleitungen, die jeweils viele einzelne Düsen umfassen. Da die Düsen einzeln an die Rohrleitungen angebracht werden müssen, ist die Herstellung eines solchen Ringverteilers sehr kostenaufwendig. Zudem bedarf dieser durch die starre Anordnung in dem Oxyreaktor einer aufwendigen Justierung, um die mittlere Verweilzeit zu Beginn eines Verfahrens als auch im Laufe des Verfahrens, beispielsweise durch Schrumpfung des Katalysatorbettes, einzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente bereitzustellen, mit dem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das System ein statisches Mischelement und ein innerhalb des Mischelements angeordnetes Mittel zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor umfasst. Die reaktive gashaltige Komponente wird dadurch, dass sie innerhalb des Mischelements austritt auf dem Weg zum Katalysatorbett durch das Mischelement mehrfach umgelenkt, so dass sie sich mit einem im Synthesereaktor befindlichem Prozessgas, welches das statische Mischelement auf dem Weg zum Katalysatorbett durchströmt, gleichmäßig durchmischt. Die gewünschte Verweilzeit für die reaktive gashaltige Komponente kann durch die Gasgeschwindigkeit der reaktiven gashaltigen Komponente und die Größe des statischen Mischelements, insbesondere durch den Abstand des Mittels zur Eindüsung zum Katalysatorbett eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das statische Mischelement aus mindestens drei Lagen, wobei die einzelnen Lagen aus gefalteten und mit zahlreichen Öffnungen versehenen Einzelelementen bestehen. Dadurch weist das Mischelement einen modularen Aufbau auf. Die Öffnungen in den Einzelelementen bewirken zum einen, dass der in den Reaktor eintretende Prozessgasstrom, in welchen die reaktive gashaltige Komponente eindosiert wird, beschleunigt und umgelenkt wird, um die Durchmischung zu intensivieren, und zum anderen, dass eine einheitliche Verweilzeit im Mischelement durch Verhinderung einer Rückströmung erreicht wird. Dabei können die Öffnungen kreisrund sein. Weitere geometrische Formen der Öffnungen sind ebenfalls denkbar, wie alle leicht stanzbare quadratisch, rechteckige, polygone Öffnungen oder auch einfache Schlitze. Die Faltungen bieten Hohlräume, in welche das Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente angeordnet ist. Die Höhe der Faltung kann unterschiedlich sein. Bevorzugt weisen die Faltungen eine Höhe im Bereich von 10 bis 100 mm auf. Besonders bevorzugt weisen die Faltungen eine Höhe im Bereich von 15 bis 50 mm und ganz besonders bevorzugt eine Höhe im Bereich von 15 bis 30 mm auf. Die Faltungen sind in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform rechtwinklig gebildet. Alternativ können die Faltungen auch rund oder polygon ausgebildet sein.
Die Faltungshöhe derjenigen Lage des Einzelelemente, in welcher das Mittel zur Eindüsung unterhalb oder oberhalb platziert wird, ergibt sich durch die Menge der zu dosierenden reaktiven gasförmigen Komponente. Die Faltungshöhen für die übrigen Lagen mögen variieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das statische Mischelement aus drei bis neun, in einer mehr bevorzugten Ausgestaltung aus drei bis sieben und in einer am meisten bevorzugten Ausgestaltung aus vier bis fünf Lagen eines Einzelelements. Denkbar sind auch weitere Zusammensetzungen oder Kombinationen der Lagen an Einzelelementen zu dem statischen Mischelement. Grundsätzlich sind diese abhängig von der Rückströmung und der Verweilzeit.
Die Einzelelemente können auf unterschiedliche Art zueinander gestapelt werden, um das Mischelement zu bilden. So können die Einzelelemente gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verschränkt übereinander gestapelt sein, so dass die Hohlräume, die durch die Faltungen der Einzelelemente gebildet werden, innerhalb einer Lage parallel zueinander und einer unterhalb oder oberhalb angeordneten Lage verschränkt zueinander verlaufen, so dass die Hohlräume einer Lage zu einer oberhalb oder unterhalb angeordneten Lage einen Winkel 0–90°, bevorzugt 60–90° einschließen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das Mittel zur Eindüsung oberhalb der ersten Lage des Mischelements angeordnet. Bei einem dreilagigen Aufbau des Mischelements bildet die erste Lage das zum Katalysatorbett zugewandte Einzelelement. Alternativ kann das Mittel zur Eindüsung unterhalb oder oberhalb der zweiten Lage des statischen Mischelements angeordnet sein. Bevorzugt kann das Mittel unterhalb oder oberhalb der zweiten bis vorletzten Lage des statischen Mischelements angeordnet sein.
Im allgemeinen gilt, dass die oberhalb des Mittels zur Eindüsung angeordneten Einzelelemente eine Rückströmung der einzudosierenden, reaktiven gashaltigen Komponente in den Gasraum oberhalb des Mischelements verhindern, so dass unerwünschte Nebenreaktionen, verursacht durch lange Verweilzeiten, unterbunden werden. Die Lagen unterhalb des Mittels zur Eindüsung dienen der schnellen und intensiven Durchmischung. Die maximal gewünschte oder zulässige Verweilzeit in der katalysatorfreien Mischzone limitiert die Anzahl der Lagen unterhalb des Mittels zur Eindüsung.
Bevorzugt bestehen die Einzelelemente aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe Nichtrostende Stähle, C-Stahl, Hastelloy, Monel, Aluminium, Cu-Bronze, Messing, Titan, Nickel, Niob, Kupfer, PP, PVC-C, PVDF, PTFE, PEEK oder Kohlenstoff (CFC). Besonders bevorzugt bestehen die Einzelelemente aus demselben Material wie der Reaktor.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße System weiterhin ein Fixierelement. Das Fixierelement dient zum Fixieren der obersten Lage der Katalysatorschüttung des Katalysatorbettes. Das Fixierelement kann in seiner einfachsten Ausführungsform ein Lochblech oder Metallgewebe sein.
Denkbar ist auch, dass das Mischelement selbst eine fixierende Eigenschaft auf die Katalysatorschüttung ausübt. In einer bevorzugten Variante liegt das Mischelement auf dem Katalysatorbett auf. Durch das Eigengewicht des Mischelements werden die Katalysatorpartikel niedergehalten, zudem wird auch eine Querbewegung dieser verhindert. Eine aufwendige Justierung ist durch den modularen Aufbau nicht notwendig, weil durch diesen die Verweilzeit bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Mittel zur Eindüsung ein perforiertes Rohr. Die Perforierung kann dabei in einem gleichmäßigen oder zufälligen Muster ausgeführt sein. Dabei kann die Perforierung kreisrund oder in Form von Schlitzen sein. Ein perforiertes Rohr ist die denkbar einfachste Ausführungsform und somit sehr kostengünstig.
Die Erfindung betrifft ferner einen Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases umfassend einen Reformer und einen Oxyreaktor enthaltend das erfindungsgemäße System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente.
Bevorzugt ist der Reformer ein allotherm betriebener Reformer und der Oxyreaktor ein autotherm betriebener Reaktor.
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße System in Strömungsrichtung des Prozessgases vor einem ersten Katalysatorbett eines Oxyreaktors angeordnet, so dass das teilweise im Reformer dehydrierte Prozessgas auf dem Weg zum Katalysatorbett zunächst das statische Mischelement durchströmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Oxyreaktor ein zweites System, das zwischen dem ersten Katalysatorbett und einem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dehydrierung eines partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases, umfassend die Verfahrensschritte:

– bereitstellen eines Oxyreaktors mit einem System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente,
– eindüsen der reaktiven gashaltigen Komponente,
– einleiten eines partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases in den Oxyreaktor, wobei das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas das im Oxyreaktor angeordnete Mischelement durchströmt, und
– Dehydrierung des partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases in ein dehydriertes Prozessgas.

Mit einem dehydrierten Prozessgas im Sinne der Erfindung ist ein Prozessgas gemeint, das im Vergleich zum partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgas einen höheren Anteil ungesättigter Kohlenwasserstoffe enthält.
Bevorzugt ist die reaktive gashaltige Komponente ein sauerstoffhaltiger Dampfstrom und das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas ein Gasgemisch, das Moleküle mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 3 oder 4 Kohlenstoffatomen umfasst. Ganz besonders bevorzugt ist das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas ein Propan/Propen bzw. ein Butan/Buten umfassendes Gasgemisch.
Weiter bevorzugt weist der sauerstoffhaltige Dampfstrom einen Sauerstoffgehalt von mindestens 1 Vol.-%, mehr bevorzugt von 10–30 Vol.-% und am meisten bevorzugt von 15–25 Vol.-% auf.
Auch betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, vorzugsweise eines Synthesereaktors zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1 das erfindungsgemäße System zur Eindüsung einer gashaltigen Komponente,
2 einen Oxyreaktor enthaltend das erfindungsgemäße System.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt das erfindungsgemäße System 1 zur Eindüsung einer gashaltigen Komponente. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das System 1 ein statisches Mischelement 10, das aus drei Lagen besteht. Die einzelnen Lagen werden durch gefaltete und mit Öffnungen 14 versehene Einzelelemente 12 gebildet. Die Öffnungen 14 sind in der vorliegenden Ausführungsform kreisrund. Durch die Faltungen der Einzelelemente 12 werden Hohlräume 16 gebildet, die sich kanalartig durch das Mischelement 10 erstrecken. In diese wird das Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente 18 eingeführt, das in der vorliegenden Ausführungsform ein perforiertes Rohr ist, aus dem das Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch ausströmen kann. Die Lagen sind dabei schräg zueinander angeordnet, so dass die Hohlräume 16 eines Einzelelements 12 zu einem oberhalb oder unterhalb angeordneten Einzelelement 12 einen Winkel von 90° bilden.
2 zeigt einen Oxyreaktor 20 enthaltend das erfindungsgemäße System 1. Der Oxyreaktor 20 weist einen Einlass 22 auf, über den das aus einem Reformer partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas einströmt. Innerhalb des Oxyreaktors 20 ist ein Katalysatorbett 28 sowie oberhalb des Katalysatorbetts 28 das erfindungsgemäße System 1 angeordnet. Das innerhalb des Mischelements 10 angeordnete Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente 18 ist an eine Versorgungsleitung 26 angeschlossen, über die die reaktive gashaltige Komponente in den Oxyreaktor 20 eingebracht wird. Dabei durchströmt das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas das System 1 und das Katalysatorbett 28. Über einen Auslass 24 verlässt sodann ein dehydriertes Prozessgas den Oxyreaktor 20.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Systeme der vorbeschriebenen Art werden zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor eingesetzt, wobei der Synthesereaktor vorzugsweise ein Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases ist.
Bezugszeichenliste

1: System
10: Statisches Mischelement
12: Einzelelement
14: Öffnungen
16: Hohlraum
18: Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente
20: Oxyreaktor
22: Einlass
24: Auslass
26: Versorgungsleitung
28: Katalysatorbett

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10359744 A1 [0003, 0004]

Claims

System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, umfassend: – ein statisches Mischelement und – ein innerhalb des Mischelements angeordnetes Mittel zur Eindüsung der reaktiven gashaltigen Komponente in den Synthesereaktor.
System nach Anspruch 1, wobei das statische Mischelement aus mindestens drei Lagen besteht und die einzelnen Lagen aus gefalteten und mit zahlreichen Öffnungen versehenen Einzelelementen bestehen.
System nach Anspruch 2, wobei das statische Mischelement aus drei bis neun, bevorzugt aus drei bis sieben und mehr bevorzugt aus vier bis fünf Lagen eines Einzelelements besteht.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittel zur Eindüsung oberhalb einer ersten Lage angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einzelelemente aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe Nichtrostende Stähle, C-Stahl, Hastelloy, Monel, Aluminium, Cu-Bronze, Messing, Titan, Nickel, Niob, Kupfer, PP, PVC-C, PVDF, PTFE, PEEK oder Kohlenstoff (CFC) oder Mischungen hiervon bestehen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, weiter umfassend ein Fixierelement.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mittel zur Eindüsung ein perforiertes Rohr ist.
Synthesereaktor zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases, umfassend: – einen Reformer und – einen Oxyreaktor enthaltend ein System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente.
Synthesereaktor nach Anspruch 8, wobei das System in Strömungsrichtung des Prozessgases vor einem ersten Katalysatorbett angeordnet ist, so dass das Prozessgas auf dem Weg zum Katalysatorbett zunächst das statische Mischelement durchströmt.
Synthesereaktor nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Oxyreaktor ein zweites statisches System umfasst, das zwischen dem ersten Katalysatorbett und einem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist.
Synthesereaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei das statische Mischelement auf dem Katalysatorbett aufliegt.
Verfahren zur Dehydrierung eines partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases, umfassend die Verfahrensschritte: – bereitstellen eines Oxyreaktors mit einem System zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente, – eindüsen der reaktiven gashaltigen Komponente, – einleiten eines partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases in den Oxyreaktor, wobei das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas das im Oxyreaktor angeordnete statische Mischelement durchströmt, und – Dehydrierung des partiell dehydrierten kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases in ein dehydriertes Prozessgas.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die reaktive gashaltige Komponente ein sauerstoffhaltiger Dampfstrom ist und das partiell dehydrierte kohlenwasserstoffhaltige Prozessgas 2 bis 6 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 3 oder 4 Kohlenstoffatome umfasst.
Verwendung eines Systems zur Eindüsung einer reaktiven gashaltigen Komponente in einen Synthesereaktor, vorzugsweise eines Synthesereaktors zur katalytischen Dehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Prozessgases.