DE102018110091B4

DE102018110091B4 - Festbettreaktor

Info

Publication number: DE102018110091B4
Application number: DE102018110091.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Schubert
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: DE102018110091A1

Abstract

Festbettreaktor mit einem rohrförmigen Reaktionsbehälter (2), der einen Rohrmantel (7), der einen Innenraum (14) begrenzt, und eine Längsachse (B) aufweist, die gegen die Horizontale geneigt ist und um die der Reaktionsbehälter (2) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (14) ein Verdrängungskörper (15) unter Ausbildung eines umlaufenden Spaltes (20) zwischen dem Verdrängungskörper (15) und dem Rohrmantel (7) angeordnet ist, wobei ein Festbett (13) aus einem Katalysatormaterial in dem Spalt (20) fixiert ist, das von zumindest einer Flüssigkeit (51) und zumindest einem Gas (52) durchströmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Festbettreaktor, der einen geneigten, um eine Längsachse drehbaren Reaktionsbehälter aufweist, sowie ein Verfahren zur Verwendung des Festbettreaktors.
Aus dem Stand der Technik bekannte Festbettreaktoren sind typischerweise vertikal angeordnete Rohrreaktoren, in denen Festbetten aus regellos gepackten Schüttkörpern eines Katalysatormaterials angeordnet sind, die von Gas- und/oder Flüssigphasen durchströmt werden. Solche Festbetten werden auch als Katalysatorschüttung bezeichnet. Üblicherweise werden die Festbettreaktoren in Abwärtsströmung betrieben. Derartige Festbettreaktoren werden vielfältig bei der heterogenen Gas-Flüssig-Katalyse eingesetzt. Dabei strömen zumindest eine Flüssigphase und zumindest eine Gasphase durch den Rohrreaktor. Solche Festbettreaktoren werden auch als Rieselbettreaktoren bezeichnet. Typische Prozesse, bei denen Festbettreaktoren eingesetzt werden, sind Entschwefelungsprozesse bei der Erdölaufbereitung, wasserstoffbasierte Synthesen, aber auch biotechnologische Anwendungen sowie Prozesse zur Schadstoffabtrennung und Abwasserreinigung. Darüber hinaus können Festbettreaktoren auch für Gasphasenprozesse verwendet werden, bei denen die Flüssigphase ausschließlich zur Abführung der Reaktionswärme dient.
Die durch den Festbettreaktor geführte Flüssigphase strömt durch die Katalysatorschüttung und bildet dabei Flüssigkeitsfilme und rinnsalähnliche Strukturen auf der Katalysatoroberfläche, die oft für die Gasphasenkomponenten eine Stofftransportbarriere darstellen, die durch Diffusion und Konvektion überwunden werden muss. Diese Stofftransportlimitierung kann die maximale Produktivität von Rieselbettreaktoren deutlich reduzieren. Weiterhin gibt es statische Flüssigkeitsanteile mit Reaktionskomponenten, die nicht effektiv am Stoffumsatz beteiligt sind. Um eine ausreichende Abfuhr der entstehenden Reaktionswärme sicherzustellen, ist ein minimaler Flüssigkeitsdurchsatz sicherzustellen. Damit verringert sich die Flexibilität bezüglich der Verweilzeit der Flüssigphasenkomponente. Zur Überwindung der Stofftransportlimitierung und zur verbesserten Abführung der Reaktionswärme wurden verschiedene Konzepte verfolgt.
US 5 011 675 A beschreibt eine Methode, bei der die Effizienz von Rieselbettreaktoren hinsichtlich Umsatz, Produktkonzentration und Reaktionsrate durch eine zeitlich periodische Variation des Flüssigkeitsdurchsatzes gezielt gesteigert werden kann.
US 4 526 757 A beschreibt eine Methode, bei der periodisch ein stark erhöhter Flüssigkeitsdurchsatz automatisch initiiert wird, um die Katalysatorschüttung komplett zu benetzen und thermische Hotspots zu dämpfen sowie am Katalysator anhaftende Produkte abzuspülen.
EP 0 002 568 B1 beschreibt rotierende Festbettreaktoren für Gas-Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Anwendungen mit Drehzahlen, so dass die Fluide mindestens einer mittleren Beschleunigung von 300 m/s² unterzogen werden, während sie durch die Poren der Katalysatorschüttung hindurchfließen. Der Festbettreaktor ist dabei so aufgebaut, dass ein Fluid von der Achse radial nach außen fließt. Ziel dieser Anordnung ist hier die Bewirkung eines Stoffübergangs zwischen den fluiden Phasen durch eine intensive Vermischung und Phaseninteraktion.
EP 0 237 039 B1 , DE 36 32 093 A1 und DE 37 10 328 A1 beschreiben horizontale Festbettdrehrohrreaktoren, die mit einer Schüttkörperfüllung gefüllt sind und dabei etwa 10 bis 35 % des Reaktorraumes freigelassen wurde. Die Festbettdrehrohrreaktoren sind dabei minimal geneigt. Ein solcher Festbettdrehrohrreaktor wird kontinuierlich oder intermittierend in eine Dreh- oder Schaukelbewegung um seine Längsachse versetzt. Der Flüssigkeitspegel im Festbettdrehrohrreaktor wird durch einen hochgezogenen Ablauf bestimmt. Diese Festbettdrehrohrreaktoren werden für biotechnologische Prozesse mit Gasentwicklung vorgeschlagen, bei denen durch die mechanische Einwirkung auf die Katalysatorschüttung der Zusammenschluss und die Ablösung von Gasblasen intensiviert werden sollen. Durch den Freiraum und die induzierte Rotation bzw. Bewegung wird die Katalysatorschüttung mit umgewälzt und durchmischt.
Bei den genannten Festbettreaktoren kann der Stofftransport durch eine zeitliche Variation der Flüssigkeitszuführung und durch eine schnelle Rotation einer Katalysatorschüttung verbessert werden. Damit wird jedoch nicht automatisch eine optimale Ausnutzung der kompletten Katalysatorschüttung garantiert. Weiterhin erlauben die bekannten Festbettreaktoren keine flexible Einstellung der Flüssigphasenverweilzeit.
Härting et al. beschreiben einen Festbettreaktor mit einem geneigten, rotierenden Reaktionsbehälter. Der Reaktionsbehälter enthält ein permeables Festbett einer Katalysatorschüttung, das in dem Festbettreaktor komplett fixiert ist (Härting, H.-U., Lange, R., Larachi, F., Schubert, M: A novel inclined rotating tubular fixed bed reactor concept for enhancement of reaction rates and adjustment of flow regimes. Chem. Eng. J., 281, 931-944; Härting, H.-U., Berger, R., Lange, R., Larachi, F., Schubert, M: Liquid backmixing in an inclined rotating tubular fixed bed reactor- Augmenting liquid residence time via flow regime adjustment. Chem. Eng. Process., 94, 2-10; und Härting, H.-U., Bieberle, A., Lange, R., Larachi, F., Schubert, M.: Hydrodynamics of co-current two-phase flow in an inclined rotating tubular fixed bed reactor- Wetting intermittency via periodic catalyst immersion. Chem. Eng. Sei., 128, 147-158). Die Fixierung des Festbettes kann durch eine Verspannung der Katalysatorschüttung erreicht werden.
Das von Härting et al. beschriebene Prinzip eines geneigten, rotierenden Festbettreaktors ist in den 1a und 1b schematisch veranschaulicht, wobei zur Vereinfachung der Darstellung das Festbett in den Figuren nicht gezeigt ist. Gezeigt ist nur der Reaktionsbehälter des Festbettreaktors, wobei der Reaktionsbehälter im Hinblick auf seine Funktion im Zusammenhang mit 1 als Festbettreaktor 101 bezeichnet wird. Es ist in 1a zu erkennen, dass der Festbettreaktor 101 um den Winkel θ, bezogen auf eine horizontale Ebene, geneigt ist. Diese Neigung des Festbettreaktors 101 führt zu einer Separation von Flüssigphase 102 und Gasphase 103. Die zusätzliche Rotation des Festbettreaktors 101 (Pfeil A), einschließlich der in ihm fixierten Katalysatorschüttung, mit der Drehzahl n um die Reaktormittelachse (B) führt zu einer periodischen Wiederbenetzung des Katalysators (1b) mit der separierten Flüssigphase. 1b veranschaulicht Strömungszustände in dem Festbettrektor 101 mit zunehmender Drehzahl n. Im Ausgangszustand (a) ist die Drehzahl n gleich 0. Die Flüssigphase 102 befindet sich im, bezogen auf den Querschnitt des Festbettreaktor 101, unteren Abschnitt des Festbettreaktors 101. Wird der Festbettreaktors 101 mit einer geringen Drehzahl n um seine Reaktormittelachse (B) gedreht, so verlagert sich die Flüssigphase 102 vom Ausgangszustand (a) in einen Zustand (b), in dem sich die Flüssigphase 102 aus dem unteren Abschnitt des Festbettrektors 101 in Richtung eines seitlichen Abschnittes des Festbettrektors 101 bewegt. Mit zunehmender Drehzahl n verteilt sich die Flüssigphase 102 über einen immer größeren Teil der inneren Mantelfläche des Festbettreaktors 101 (Zustände (c) und (d)), bis die Flüssigphase 102 die innere Mantelfläche des Festbettreaktors 101 vollständig bedeckt (Zustand (e)). Wird die Drehzahl n weiter erhöht, so verdichtet sich die Flüssigphase 102 in Richtung der inneren Mantelfläche des Festbettreaktors 101 (Zustand f). Mittels des in 1a gezeigten Festbettreaktors 101 ist ein verbesserter Stofftransport der fluiden Komponenten an der Katalysatoroberfläche prinzipiell möglich, wobei gleichzeitig eine effiziente Abfuhr der Reaktionswärme realisiert und damit die Gefahr thermischer Hotspots reduziert werden soll. Dieses Konzept funktioniert insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, bei denen eine ausreichende Separation der fluiden Phasen erfolgt.
Das von Härting et al. vorgeschlagene beschriebene Prinzip eines geneigten rotierenden Festbettreaktors ermöglicht zwar durch gezielte Einstellung von Reaktorneigung und -drehzahl eine flexiblere Einstellung der Verweilzeit, allerdings kann über die Reaktorneigung und -drehzahl ebenfalls nicht die Ausnutzung der kompletten Katalysatorschüttung realisiert werden. Damit ist eine periodische Benetzung und Entnetzung der kompletten Katalysatorschüttung nicht möglich. Die Ausnutzung der kompletten Katalysatorschüttung entspräche einer stratifizierten Strömung aus Flüssigphase und Gasphase, wobei die Flüssigphase, bezogen auf den Querschnitt des Festbettreaktor exakt 50 % der Querschnittfläche einnimmt.
Aus DE 24 32 425 A1 ist ein Drehofen mit einem um eine Längsachse des zylindrischen Drehrohrofens rotierbaren Strahlungskörper bekannt, wobei sich zwischen dem Strahlungskörper und dem Ofenzylinder ein Spalt erstreckt. US 2012/0226071 A1 offenbart ein zylinderrohrförmiges Festbett, das mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung rotiert wird und für den Dreiphasenbetrieb geeignet ist. In WO 2012/083636 A1 wird ein Reaktor beschrieben, der gleichfalls ein rotierendes Festbett aufweist. Aus DE 20 58 774 B1 ist ein Drehrohrofen mit einem innenliegenden Rohr bekannt, so dass sich zur Wand des Drehrohrofens ein Ringspalt erstreckt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Festbettreaktor angeben werden, der eine bessere Ausnutzung des Katalysatormaterials ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zur Verwendung des Festbettreaktors bei der Gas-Flüssig-Katalyse angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Festbettreaktor mit einem rohrförmigen Reaktionsbehälter vorgesehen, der einen Rohrmantel und eine Längsachse (B) aufweist, die gegen die Horizontale geneigt ist und um die der Reaktionsbehälter drehbar ist. In dem Reaktionsbehälter ist ein Verdrängungskörper unter Ausbildung eines umlaufenden Spaltes zwischen dem Verdrängungskörper und dem Rohrmantel angeordnet. Ein Festbett aus einem Katalysatormaterial ist in dem Spalt fixiert, das von zumindest einer Flüssigkeit und zumindest einem Gas durchströmt ist.
Der rohrförmige Reaktionsbehälter weist vorzugsweise eine obere Stirnseite und eine untere Stirnseite auf, die mittels des Rohrmantels miteinander verbunden sind. Der Rohrmantel umgrenzt mit seiner Innenseite einen Innenraum, in dem der Verdrängungskörper unter Ausbildung des umlaufenden Spaltes angeordnet ist. Der geneigte rohrförmige Reaktionsbehälter weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, geschnitten entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), auf. Dabei besitzt der Innenraum, bezogen auf diesen Querschnitt, einen am tiefsten liegenden Punkt und einem am höchsten liegenden Punkt. Vorzugsweise befinden sich der am tiefsten liegende Punkt und der am höchsten liegende Punkt auf einer Geraden, die in der Schnittebene liegt und die Längsachse (B) schneidet. Eine Gerade die sich durch den am tiefsten liegenden Punkt über die gesamte Länge des Innenraumes erstreckt, wird im Folgenden als unterer Rand des Innenraums bezeichnet, eine Gerade die sich durch den am höchsten liegenden Punkt über die gesamte Länge des Innenraumes erstreckt, wird im Folgenden als oberer Rand des Innenraums bezeichnet. Vorzugsweise liegen der untere Rand des Innenraumes, der obere Rand des Innenraums und die Längsachse (B) des Reaktionsbehälters in einer Ebene. Vorzugsweise verlaufen der untere Rand des Innenraumes und der obere Rand des Innenraums parallel zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters.
Der Durchmesser des Innenraumes ist vorzugsweise über seine gesamte Länge konstant. Der Innenraum hat vorzugsweise eine kreiszylinderförmige Grundform.
In dem Innenraum des rohrförmigen Reaktionsbehälters ist erfindungsgemäß der Verdrängungskörper angeordnet. Der Verdrängungskörper kann ein Hohlkörper sein. Vorzugsweise erstreckt sich der Verdrängungskörper über die gesamte Länge des Innenraumes, so dass sich der umlaufende Spalt zwischen dem Rohrmantel und dem Verdrängungskörper über die gesamte Länge des Innenraumes erstreckt. Der Verdrängungskörper ist somit vorzugsweise ein Längskörper, beispielsweise ein Körper mit einer kreiszylinderförmigen oder mit einer konischen Grundform. Der Verdrängungskörper weist vorzugsweise eine erste Stirnseite, die der oberen Stirnseite des Reaktionsbehälters zugewandt ist, eine zweite Stirnseite, die der unteren Stirnseite des Reaktionsbehälters zugewandt ist, und einen Mantel auf, der die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite miteinander verbindet. Der Verdrängungskörper weist vorzugsweise eine Längsachse auf, die auf der Längsachse (B) des Reaktionsbehälters liegt. Der Verdrängungskörper besitzt vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, geschnitten entlang einer Schnittebene quer zu seiner Längsachse. Der Durchmesser des Verdrängungskörpers kann über die gesamte Länge des Längskörpers konstant sein, das ist jedoch, wie nachstehend erläutert, nicht zwingend der Fall. Unter der Länge des Längskörpers wird dabei seine Ausdehnung zwischen seiner ersten Stirnseite und seiner zweiten Stirnseite entlang seiner Längsachse verstanden.
Der Verdrängungskörper verschließt den Innenraum nicht vollständig, vielmehr bewirkt er die Ausbildung eines umlaufenden Spaltes zwischen seinem Mantel und der Innenseite des Rohrmantels.
Vorzugsweise ist der Verdrängungskörper im Innenraum des Reaktionsbehälters derart angeordnet, dass die Längsachse des Verdrängungskörpers auf der Längsachse (B) des Reaktionsbehälters liegt. Der Verdrängungskörper ist in diesem Fall koaxial zum Reaktionsbehälter angeordnet. Das bedeutet, dass der Verdrängungskörper im gleichen Neigungswinkel zur Horizontalen geneigt ist wie der Reaktionsbehälter, jeweils bezogen auf deren Längsachsen. Der geneigte Verdrängungskörper weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, geschnitten entlang einer Schnittebene quer zu seiner Längsachse und damit zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters, auf. Dabei besitzt der geneigte Verdrängungskörper, bezogen auf seinen Querschnitt, einen am tiefsten liegenden Punkt und einem am höchsten liegenden Punkt. Vorzugsweise befinden sich der am tiefsten liegende Punkt und der am höchsten liegende Punkt auf einer Geraden, die in der Schnittebene liegt und die Längsachse des Verdrängungskörpers schneidet. Eine Gerade die sich durch den am tiefsten liegenden Punkt über die gesamte Länge des Verdrängungskörpers erstreckt, wird im Folgenden als unterer Rand des Verdrängungskörpers bezeichnet, eine Gerade die sich durch den am höchsten liegenden Punkt über die gesamte Länge des Verdrängungskörpers erstreckt, wird im Folgenden als oberer Rand des Verdrängungskörpers bezeichnet. Der untere Rand des Innenraumes und der obere Rand des Innenraums können parallel zur seiner Längsachse verlaufen, das ist jedoch, wie nachstehend gezeigt wird, nicht zwingend erforderlich. Vorzugsweise verlaufen der untere Rand des Innenraumes, der untere Rand des Verdrängungskörpers, der obere Rand des Innenraumes, der obere Rand des Verdrängungskörpers, die Längsachse (B) des Reaktionsbehälters und die Längsachse des Innenraumes in einer Ebene.
Der umlaufende Spalt wird von der Innenseite des Rohrmantels und dem Mantel des Verdrängungskörpers begrenzt. Die Länge, d. h. die Ausdehnung des Spaltes parallel zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters, entspricht der Länge des Verdrängungskörpers. Der umlaufende Spalt weist einen Innendurchmesser, der dem Durchmesser des Verdrängungskörpers entspricht, und einen Außendurchmesser, der dem Durchmesser des Innenraumes entspricht auf. Der Außendurchmesser des umlaufenden Spaltes kann über die gesamte Länge des Spaltes konstant sein. Der Innendurchmesser des Spaltes kann ebenfalls über die gesamte Länge des Spaltes konstant sein, was jedoch nicht zwingend ist. Die Ausdehnung des Spaltes in radialer Richtung zwischen seinem Innendurchmesser und seiner Außendurchmesser wird als Breite des Spaltes bezeichnet.
Der umlaufende Spalt kann, bezogen auf den Querschnitt des Reaktionsbehälter, geschnitten entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), einen ersten Abschnitt und einen zweitem Abschnitt aufweisen. Dabei liegt der erste Abschnitt unterhalb des zweiten Abschnittes. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt erstrecken sich über die gesamte Länge des Spaltes. Der erste Abschnitt wird von einem Bereich der Innenseite des Rohrmantels, der sich in Umfangsrichtung vom unteren Rand des Innenraumes in Richtung des oberen Randes des Innenraums erstreckt, und einem Bereich des Mantels des Verdrängungskörpers begrenzt, der sich in Umfangsrichtung vom unteren Rand des Verdrängungskörpers in Richtung des oberen Randes des Verdrängungskörpers erstreckt. Der zweite Abschnitt wird von einem Bereich der Innenseite des Rohrmantels, der sich in Umfangsrichtung vom oberen Rand des Innenraumes in Richtung des unteren Randes des Innenraumes erstreckt, und einem Bereich des Mantels des Verdrängungskörpers begrenzt, der sich in Umfangsrichtung vom oberen Rand des Verdrängungskörpers in Richtung des unteren Randes erstreckt. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Spaltes grenzen vorzugsweise aneinander.
Im umlaufenden Spalt ist das Festbett aus einem Katalysatormaterial angeordnet. Das Katalysatormaterial ist für die Flüssigkeit und das Gas permeabel. Vorzugsweise liegt das Katalysatormaterial als Schüttgut, beispielsweise in stückiger Form, in körniger Form, in Form von Formkörpern oder in Kombinationen davon vor. Das Katalysatormaterial kann eine aktive Komponente, die die katalytische Wirkung besitzt, und Trägerkörper aufweisen, auf die die aktive Komponente aufgebracht ist. Das als Schüttgut vorliegende Katalysatormaterial wird auch als Katalysatorschüttung bezeichnet. Das Festbett ist in dem Spalt fixiert. Wird der Reaktionsbehälter um seine Längsachse (B) gedreht, verändert sich die Lage des Festbettes, bezogen auf den Reaktionsbehälter, nicht. Das Festbett rotiert insbesondere ohne Schlupf zum Reaktionsbehälter mit. Das Festbett nimmt den Spalt vollständig ein. Damit wird verhindert, dass die Flüssigkeit und das Gas den Reaktionsbehälter passieren können, ohne in Kontakt mit dem Festbett zu gelangen. Die Fixierung des Festbettes in dem Spalt kann durch eine Verspannung der Katalysatorschüttung erreicht werden. Dazu können beispielsweise Gitterroste vorgesehen sein, die zwischen Flanschen des Reaktionsbehälters verbaut sind und die das Festbett verspannen.
Im Betriebszustand des Festbettreaktors durchströmt die Flüssigkeit den ersten Abschnitt, während der zweite Abschnitt von dem Gas durchströmt wird. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Flüssigkeit aufgrund der Neigung des Reaktionsbehälters unter Einwirkung der Schwerkraft in den ersten Abschnitt, der tiefer als der zweite Abschnitt liegt, strömt, während das Gas den zweiten, oberen Abschnitt einnimmt. Die Drehung des Reaktionsbehälters um seine Längsachse (B) verändert die Lage des ersten Abschnittes und des zweiten Abschnittes nicht. Das heißt, der von der Flüssigkeit durchströmte, erste Abschnitt des Spaltes liegt auch bei einer Drehung immer unterhalb des zweiten Abschnittes des Spaltes, durch den das Gas strömt. Die Flüssigkeit strömt somit immer unterhalb der Gasphase durch den Spalt und damit den Reaktionsbehälter. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können somit bei idealisierender theoretischer Betrachtung quasi oder nahezu als stationäre Abschnitte angesehen werden, weil sie ihre Lage mit Drehung des Reaktionsbehälters nicht verändern. Die Flüssigkeit verbleibt dabei unter Einwirkungen der Schwerkraft in dem ersten Abschnitt, der unter dem zweiten Abschnitt liegt, während das Katalysatormaterial aufgrund seiner Fixierung bei einer Drehung des Reaktionsbehälters von diesem mitgeführt wird, also selbst rotiert. Die Bewegung des Katalysatormaterials sorgt dafür, dass es in dem Spalt periodisch von der Flüssigkeit oder dem Gas kontaktiert wird. Dabei ist eine Periode eine Drehung des Reaktionsbehälters um seine Längsachse (B) um 360°.
Es ist bevorzugt, dass im Betriebszustand des Festbettreaktors die Flüssigkeit in dem Spalt, abgesehen von dem Katalysatormaterial, mit einer Füllhöhe ansteht, die zwischen einer minimalen Füllhöhe und einer maximalen Füllhöhe liegt. Der Ausdruck „Füllhöhe“ bezieht sich dabei auf die Ausdehnung der Flüssigkeit entlang einer zur Längsachse (B), radialen Achse, die bezogen auf den Querschnitt des Reaktionsbehälters, sich zwischen dem am tiefsten liegenden Punkt des Innenraumes und dem am höchsten liegenden Punkt des Innenraumes erstreckt. Bezogen auf die radiale Achse steht die Flüssigkeit mit einer minimalen Füllhöhe an, wenn sie den Bereich zwischen dem unteren Rand des Innenraumes und dem unteren Rand des Verdrängungskörpers, abgesehen von dem dort befindlichen Katalysatormaterial, vollständig einnimmt. Bezogen auf die radiale Achse steht die Flüssigkeit mit einer maximalen Füllhöhe an, wenn sie den Bereich zwischen dem unteren Rand des Innenraumes und dem oberen Rand des Verdrängungskörpers, abgesehen von dem dort befindlichen Katalysatormaterial, vollständig einnimmt. Die Füllhöhe der Flüssigkeit bestimmt die Ausdehnung des ersten Abschnittes in Umfangsrichtung des Spaltes und damit ebenso die Ausdehnung des zweiten Abschnittes in Umfangsrichtung.
Die Füllhöhe der Flüssigkeit hängt mit einer Vielzahl von Parametern zusammen. Dazu gehören insbesondere die Breite des Spaltes, die Volumenströme der Flüssigkeit und des Gases, mit dem diese in den Innenraum geführt werden, der Neigungswinkel des Reaktionsbehälters, die Drehzahl des Reaktionsbehälters, die Art des Katalysatormaterials und die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und des Gases. Abgesehen von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und des Gases können einer oder mehrere dieser Parameter verändert werden, um sicherzustellen, dass die Füllhöhe der Flüssigkeit zwischen der minimalen Füllhöhe und der maximalen Füllhöhe liegt. Im einfachsten Fall kann es ausreichend sein, die Volumenströme der Flüssigkeit und des Gases bei einer vorgegebenen Breite des Spaltes ausreichend groß zu wählen, so dass die Flüssigkeit zwangsläufig den gesamten Bereich zwischen der unteren Kante des Innenraumes und der unteren Kante des Verdrängungskörpers einnimmt. Ist die Breite des Spaltes über seine Länge nicht konstant, so muss die größte Breite des Spaltes als vorgegebene Breite des Spaltes bei der Bestimmung des Volumenstromes verwendet werden. Die Breite des Spaltes kann beispielsweise durch die Wahl eines Verdrängungskörpers mit einem geeigneten Durchmesser beeinflusst werden. Liegt der Füllstand unterhalb der minimalen Füllhöhe kann nicht sichergestellt werden, dass jeder Teil des Festbettes der gewünschten Periodizität, d. h. einer Benetzung mit Flüssigkeit und einer Entnetzung von der Flüssigkeit während einer Drehung des Reaktionsbehälters um 360° unterliegt.
Der in dem Reaktionsbehälter angeordnete Verdrängungskörper reduziert den Querschnitt des Innenraumes, den die Flüssigkeit durchströmen kann. Die Neigung des Reaktionsbehälters gegen die Horizontale bewirkt eine Separierung der Flüssigkeit, die durch den Innenraum strömt, von dem Gas, das durch den Innenraum strömt. Unter Einwirkung der Schwerkraft strömt die von dem Gas separierte Flüssigkeit derart in dem Spalt, dass mindestens der Bereich zwischen dem unteren Rand des Innenraumes und dem unteren Rand des Verdrängungskörpers komplett mit Flüssigkeit durchströmt wird. Durch die Rotation des Reaktionsbehälter unterliegt das im Spalt fixierte Festbett, das ohne Schlupf zum Reaktionsbehälter mitrotiert, vollständig einer periodischen Benetzung. Das ist für eine Reduzierung der Stofftransportlimitierung vorteilhaft.
Der Verdrängungskörper weist in einer ersten Ausführungsform einen über seine gesamte Länge konstanten Querschnitt auf. Das heißt, dass der Durchmesser des Verdrängungskörpers über seine gesamte Länge gleich bleibt. In diesem Fall hat der Verdrängungskörper eine kreiszylindrische Grundform.
In einer zweiten Ausführungsform weist der Verdrängungskörper einen Durchmesser auf, der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite, in Richtung der zweiten Stirnseite verringert. In einer dritten Ausführungsform weist der Verdrängungskörper einen Durchmesser auf, der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite, in Richtung der zweiten Stirnseite vergrößert. In der zweiten und dritten Ausführungsform hat der Verdrängungskörper eine konische Grundform.
In einer vierten Ausführungsform weist der Verdrängungskörper einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, die an einer Grenzfläche aneinander grenzen. Dabei erstreckt sich der erste Abschnitt von der ersten Stirnseite des Verdrängungskörpers bis zu der Grenzfläche, während sich der zweite Abschnitt von der Grenzfläche bis zur zweiten Stirnseite des Längskörpers erstreckt. Der erste Abschnitt weist einen Durchmesser auf, der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite des Längskörpers, in Richtung der Grenzfläche vergrößert. Der zweite Abschnitt weist einen Durchmesser auf, der sich ausgehend von der Grenzfläche in Richtung der zweiten Stirnseite des Längskörpers verringert. An der Grenzfläche haben die beiden Abschnitte des Verdrängungskörpers den gleichen Durchmesser. Die Grenzfläche liegt vorzugsweise in einer Ebene, die quer zur Längsachse des Längskörpers verläuft. Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt spiegelsymmetrisch zum ersten Abschnitt ausgebildet ist. Dabei kann die Grenzfläche die Spiegelebene sein. Der erste und der zweite Abschnitt können die gleiche Länge haben.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass sich der Durchmesser des Verdrängungskörpers auch in anderer Weise als den zweiten, dritten oder vierten Ausführungsformen verändern kann, d. h. der Verdrängungskörper kann auch andere Abfolgen von Durchmessern aufweisen. Der Durchmesser kann somit auf unterschiedliche Weise über die Länge des Verdrängungskörpers variieren. Die Veränderung des Durchmessers über die Länge des Verdrängungskörpers, wie dies beispielsweise in der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der Fall ist, ermöglicht es, die Ausdehnung des ersten Abschnittes in Umfangsrichtung zu verändern, wenn im Betriebszustand die Flüssigkeit durch den ersten Abschnitt strömt. Das gilt gleichermaßen für den zweiten Abschnitt, durch den Gas strömt. Auf diese Weise kann die Zeitdauer der Katalysatorbenetzung pro Umdrehung des Reaktionsbehälters beeinflusst und, falls erwünscht, variiert werden, die zwischen der Benetzung und Entnetzung eines beliebigen Teils des Katalysatormaterials, beispielsweise einer Struktureinheit des Schüttgutes oder eines Partikels des Katalysatormaterials, pro Umdrehung des Reaktionsbehälter um 360° liegt.
Der Verdrängungskörper kann somit einen über seine Länge veränderlichen Durchmesser aufweisen, wie das beispielsweise bei der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der Fall ist. Die Veränderung des Durchmessers über die Länge des Verdrängungskörper verändert die Zeitdauer der Katalysatorbenetzung pro Drehung. Das ist insbesondere dann interessant, wenn sich die Stofftransportlimitierung aufgrund des Fortschreitens einer chemischen Reaktion, die zwischen der Flüssigkeit und dem Gas in dem Reaktionsbehälter stattfindet, über die Länge des Innenraumes verändert. So kann sich beispielsweise die Stofftransportlimitierung in Bezug auf das Gas verstärken. Die chemische Reaktion kann zu einer Änderung der stofflichen Zusammensetzung der Flüssigkeit und/oder des Gases führen. Beispielsweise kann sich die Konzentration einer Komponente der Flüssigkeit oder des Gases ändern. Es ist möglich, dass sich die stoffliche Zusammensetzung der Flüssigkeit und/oder des Gases über die Länge des Innenraumes ändert. Dabei kann sich eine Stofftransportlimitierung in Bezug auf das Gas hin zu einer Stofftransportlimitierung in Bezug auf die Flüssigkeit verschieben. Diesem Umstand kann dadurch Rechnung getragen werden, dass ein Verdrängungskörper verwendet wird, dessen Durchmesser sich über seine Länge vergrößert. Ein größerer Durchmesser des Verdrängungskörpers ist mit einer Verringerung der Breite des umlaufenden Spaltes verbunden. Eine verringerte Breite des Spaltes sorgt dafür, dass durch die geringere durchströmbare Fläche der Bereich zwischen dem unteren Rand des Innenraumes bis zum oberen Rands des Verdrängungskörpers auszufüllt wird. Damit erhöht sich die Zugänglichkeit der Flüssigkeit an das Katalysatormaterial während der Drehung des Reaktionsbehälters, das heißt, die Zeitdauer der Katalysatorbenetzung erhöht sich.
Die Ausdehnung des ersten Abschnittes des umlaufenden Spaltes in Umfangsrichtung des Spaltes und die Ausdehnung des zweiten Abschnittes des umlaufenden Spaltes in Umfangsrichtung des Spaltes können durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst werden. Zu diesen Paramatern gehören beispielsweise die Größe des Volumenstromes an Flüssigkeit und die Größe des Volumenstromes an Gas, die in den Reaktionsbehälter geführt werden, die Reaktorneigung und Reaktordrehzahl. Der zweite Abschnitt grenzt unmittelbar an den ersten Abschnitt an. Um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit und das Gas als getrennte Ströme durch den Reaktionsbehälter strömen, sollte die Drehzahl einen maximalen Wert nicht übersteigen. Bei Drehzahlen oberhalb des maximalen Wertes besteht die Gefahr, dass die Flüssigkeit die maximale Füllhöhe übersteigt und/oder sich Strömungszustände einstellen, wie sie in 1b, Strömungszustände (c) bis (f), gezeigt sind. Eine Ausdehnung des ersten Abschnittes über den gesamten Umfang des Spaltes würde zu einer unerwünschten Schichtung des Flüssigkeit und des Gases unter Ausbildung einer Ringströmung führen, wobei die Flüssigkeit als umlaufende Schicht an der Innenseite des Rohrmantels und das Gas als umlaufende Schicht am Mantel des Verdrängungskörpers anliegen würde.
Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann eine oder mehrere Lagerungseinrichtungen aufweisen, an denen der Reaktionsbehälter um seine Längsachse (B) drehbar gelagert ist. Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann einen Antrieb aufweisen, um die Drehung des Reaktionsbehälters um seine Längsachse (B) zu bewirken. Der Antrieb kann einen Motor und ein Getriebe aufweisen. Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann eine Halterung aufweisen. Die Halterung kann die Lagerungseinrichtung(en) tragen. Die Halterung kann eine Neigungseinrichtung aufweisen, mit der die Neigung des Reaktionsbehälters gegen die Horizontale einstellbar ist.
Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann eine oder mehrere Zuleitungen für die zumindest eine Flüssigkeit und für das zumindest eine Gas aufweisen. Mittels der Zuleitungen werden die zumindest eine Flüssigkeit und das zumindest eine Gas zu dem Reaktionsbehälter geführt. Der Reaktionsbehälter kann Öffnungen in einer oder beiden seiner Stirnseiten aufweisen, durch die die Flüssigkeit und das Gas in den Reaktionsbehälter eintreten können. Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Festbettreaktor eine Zuleitung für die Flüssigkeit und eine Zuleitung für das Gas auf. Alternativ kann der erfindungsgemäße Festbettreaktor eine gemeinsame Zuleitung für die Flüssigkeit und das Gas aufweisen. In diesem Fall trennen sich die Flüssigkeit und das Gas in dem Reaktionsbehälter unter Einwirkung der Schwerkraft voneinander. Die Zuleitung oder die Zuleitungen müssen so ausgebildet sein, dass sie die Drehung des Reaktionsbehälters nicht behindern. Sie können beispielsweise konzentrisch zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters ausgebildet oder an der jeweiligen Stirnseite des Reaktionsbehälters gelagert sein.
Die Öffnung, über die die Flüssigkeit, und die Öffnung, über die das Gas in den Reaktionsbehälter eintreten können, sind vorzugsweise an der oberen Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet. In diesem Fall werden die Flüssigkeit und das Gas im Gleichstrom durch den Reaktionsbehälter geführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Öffnung, über die die Flüssigkeit in den Reaktionsbehälter eintreten kann, an der oberen Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet ist, während die Öffnung, über die Gas in den Reaktionsbehälter eintreten kann, an der unteren Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet ist. Dann werden die Flüssigkeit und das Gas im Gegenstrom durch den Reaktionsbehälter geführt.
Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann eine oder mehrere Ableitungen für die zumindest eine Flüssigkeit und für das zumindest eine Gas aufweisen. Mittels der Ableitungen werden die zumindest eine Flüssigkeit und das zumindest eine Gas vom dem Reaktionsbehälter weggeführt. Der Reaktionsbehälter kann Öffnungen in einer oder beiden seiner Stirnseiten aufweisen, durch die die Flüssigkeit und das Gas aus dem Reaktionsbehälter austreten können. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Festbettreaktor eine Ableitung für die Flüssigkeit und eine Ableitung für das Gas aufweisen. Alternativ und bevorzugt kann der erfindungsgemäße Festbettreaktor eine gemeinsame Ableitung für die Flüssigkeit und das Gas aufweisen. Die Ableitung oder die Ableitungen müssen so ausgebildet sein, dass sie die Drehung des Reaktionsbehälters nicht behindern. Sie können beispielsweise konzentrisch zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters ausgebildet oder an der jeweiligen Stirnseite des Reaktionsbehälters gelagert sein.
Die Öffnung, über die die Flüssigkeit, und die Öffnung, über die das Gas aus dem Reaktionsbehälter austreten kann, sind vorzugsweise an der unteren Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Öffnung, über die die Flüssigkeit aus dem Reaktionsbehälter austreten kann, an der unteren Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet ist, während die Öffnung, über die das Gas aus dem Reaktionsbehälter austreten kann, an der oberen Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet ist.
In der bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Festbettreaktor eine erste Zuleitung für die Flüssigkeit und eine zweite Zuleitung für das Gas auf, wobei die Flüssigkeit und das Gas über Öffnungen, die in der oberen Stirnseite des Reaktionsbehälters ausgebildet sind, in den Reaktionsbehälter eintreten. Ferner ist eine gemeinsame Ableitung für die Flüssigkeit und das Gas vorgesehen, in die die Flüssigkeit und das Gas über eine Öffnung in der unteren Stirnseite des Reaktionsbehälter eintreten können.
Der Festbettreaktor kann um einen Neigungswinkel θ, der in einen Bereich von größer 0° bis kleiner 90° liegt, gegen die Horizontale geneigt sein. Der Neigungswinkel θ beschreibt den Winkel zwischen der Horizontalen und der Längsachse (B) des Reaktionsbehälters. Der Neigungswinkel θ liegt vorzugsweise in einer Bereich von größer 0° bis 75°, stärker bevorzugt in einem Bereich von größer 0° bis 60° und besonders bevorzugt in einem Bereich von größer 0° bis 45°. Die Drehzahl n, mit der Reaktionsbehälter im Betriebszustand um seine Längsachse (B) rotiert, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 60 Umdrehungen pro Minute, stärker bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 30 Umdrehungen pro Minute und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 10 Umdrehungen pro Minute.
Bei der Flüssigkeit, die durch den Spalt geführt wird, kann es sich um einen Stoff oder ein Stoffgemisch handeln. Bei dem Gas, das durch den Spalt geführt wird, kann es sich um einen Stoff oder ein Stoffgemisch handeln. Die Flüssigkeit und das Gas, die in den Reaktionsbehälter eingeführt werden, müssen stofflich nicht identisch mit der Flüssigkeit und dem Gas sein, die den Reaktionsbehälter verlassen. Beispielsweise können sich die stoffliche Zusammensetzung der Flüssigkeit, des Gases oder von beidem bei einer chemische Reaktion, die von dem Katalysatormaterial beeinflusst wird, in dem Reaktionsbehälter verändern. Außerdem können sich das Mengenverhältnis und/oder das Volumenverhältnis von Flüssigkeit zu Gas, die in den Reaktionsbehälter eingeführt werden, einerseits und von Flüssigkeit zu Gas, die aus dem Reaktionsbehälter ausgeführt werden, anderseits bei einer chemischen Reaktion, die von dem Katalysatormaterial beeinflusst wird, verändern.
Das Katalysatormaterial, das sich in dem umlaufenden Spalt befindet, soll für eine chemische Reaktion zwischen der Flüssigkeit und dem Gas katalysieren. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Festbettreaktor für Hydrierungen, wobei die Gasphase Wasserstoff ist, oder Oxidationen, wobei die Gasphase ein gasförmiges Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, enthält, eingesetzt werden. Ein Beispiel einer Hydrierung ist die Umsetzung von α-Methylstyrol mit Wasserstoff zu Cumol unter Verwendung eines Katalysatormaterials, das als aktive Komponente Palladium aufweist.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Durchführung katalytischer Prozesse mittels eines erfindungsgemäßen Festbettreaktors vorgesehen. Dabei werden eine Flüssigkeit und ein Gas durch den um seine Längsachse (B) rotierenden Reaktionsbehälter geführt, wobei die Flüssigkeit unter Einwirkung der Schwerkraft durch einen ersten Abschnitt des Spaltes strömt und das Gas durch einen zweiten Abschnitt des Spaltes strömt. Dabei liegt der erste Abschnitt, bezogen auf einen Querschnitt des Reaktionsbehälter entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), unterhalb des zweiten Abschnittes.
Die Flüssigkeit sollte derart durch den ersten Abschnitt strömen, dass sie den Bereich zwischen einem unteren Rand des Innenraumes und einem unteren Rand des Verdrängungskörpers, abgesehen von dem dort befindlichen Katalysatormaterial, vollständig einnimmt. Vorzugsweise verändert das Katalysatormaterial bei der Drehung des durch den um seine Längsachse (B) rotierenden Reaktionsbehälter seine Lage, bezogen auf den sich drehenden Reaktionsbehälter, nicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass, bezogen auf einen Querschnitt des Reaktionsbehälters entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), ein Teil des Festbettes alternierend von der Flüssigkeit oder dem Gas kontaktiert wird. Vorzugsweise wird jeder Teil des Festbettes alternierend von der Flüssigkeit oder dem Gas kontaktiert. Bei einem Teil des Festbettes kann es sich um eine Struktureinheit, beispielsweise ein Element des Schüttgutes oder um einen Partikel des Katalysatormaterials, handeln. Besonders bevorzugt wird bei jeder Drehung des Reaktionsbehälters um 360° jeder Teil des Festbettes einmal von der Flüssigkeit und einmal von dem Gas kontaktiert. Eine Drehung des Reaktionsbehälters um 360° stellt eine Periode dar. Wird der Reaktionsbehälter kontinuierlich um seine Längsachse (B) rotiert, wird jeder Teil des Festbettes periodisch von Flüssigkeit und Gas kontaktiert. Unter dem Begriff „periodisch“ wird dabei verstanden, dass der Teil des Festbettes innerhalb einer Periode mit der Flüssigkeit benetzt und anschließend entsetzt wird. Dabei wird bei der Benetzung das Gas durch die Flüssigkeit von dem Partikel verdrängt, während bei der Entnetzung das Gas wieder in Kontakt mit dem Partikel gelangt. Der Verdrängungskörper, der im Innenraum des Reaktionsbehälters angeordnet ist, sorgt gemeinsam mit der Neigung und der Rotation des Reaktionsbehälters für eine Reduzierung der Stofftransportlimitierung. Das ist auf die periodische Be- und Entnetzung jedes Teils des Festbettes, also jedes Partikels des Katalysatormaterials, das das Festbett bildet, zurückzuführen. Somit wird im Gegensatz zum Stand der Technik die in dem Reaktionsbehälter befindliche Katalysatorschüttung komplett genutzt, um die Stofftransportlimitierung zu minimieren.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits im Zusammengang mit dem erfindungsgemäßen Festbettreaktor beschrieben worden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine schematische Ansicht des Reaktionsbehälters eines Festbettreaktors nach dem Stand der Technik (1a: Seitenansicht; 1b: Schnittdarstellungen)
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festbettreaktors mit der ersten Ausführungsform eines Verdrängungskörpers;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung des Reaktionsbehälters des in 2 gezeigten Festbettreaktors, wobei das Festbett, aber nicht Flüssigkeit und Gas gezeigt sind;
4 die schematische Querschnittsdarstellung des Reaktionsbehälters von 3 mit dem Unterschied, dass das Festbett nicht, aber Flüssigkeit und Gas gezeigt sind;
5 eine schematische perspektivische Teildarstellung des Reaktionsbehälters des in 2 gezeigten Festbettreaktors;
6 weitere schematische Querschnittsdarstellungen des Reaktionsbehälters des in 2 gezeigten Festbettreaktors mit einem ausgewählten Katalysatorpartikel (6a: Zeitpunkt t₁; 6b: Zeitpunkt t₂);
7 ein Diagramm, das die Sättigung des in 6 ausgewählten Katalysatorpartikels mit Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit zeigt;
8 eine weitere schematische perspektivische Teildarstellung des Reaktionsbehälters des in 2 gezeigten Festbettreaktors mit der ersten, kreiszylindrischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers;
9 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines Reaktionsbehälters mit der zweiten, konischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers;
10 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines Reaktionsbehälters mit der dritten, konischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers;
11 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines Reaktionsbehälters mit der vierten, spiegelsymmetrischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers;
12 eine weitere schematische perspektivische Teildarstellung eines Reaktionsbehälters mit der zweiten, konischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers unter Kennzeichnung von Schnittebenen K und L;
13 weitere schematische Querschnittsdarstellungen des in 9 gezeigten Reaktionsbehälters mit ausgewählten Katalysatorpartikeln (13a: Querschnittsdarstellung entlang Schnittebene K zum Zeitpunkt t₁; 13b: Querschnittsdarstellung entlang Schnittebene K zum Zeitpunkt t₂; 13c: Querschnittsdarstellung entlang Schnittebene L zum Zeitpunkt t₁; 13d: Querschnittsdarstellung entlang Schnittebene L zum Zeitpunkt t₂);
14 ein Diagramm, dass die Sättigung des in den 13a und 13b ersten ausgewählten Katalysatorpartikels und des in den 13c und 13d zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels mit Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit zeigt; und
15 weitere schematische Querschnittsdarstellungen des Reaktionsbehälters des in 2 gezeigten Festbettreaktors zur Veranschaulichung der Füllhöhe (15a: minimale Füllhöhe; 15b: maximale Füllhöhe).

Die in 2 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festbettreaktors 1 weist einen rohrförmigen Reaktionsbehälter 2 auf, der um eine Längsachse B drehbar in Lagerungseinrichtungen 3 des Festbettreaktors 1 drehbar gelagert ist (Pfeil A). Der Reaktionsbehälter 2 ist über die Lagerungseinrichtung 3 an einer Halterung 4 befestigt, die eine in einer horizontalen Ebene liegende Schwenkachse C aufweist. Durch Schwenken der Halterung um die Schwenkachse C kann der Neigungswinkel θ des Reaktionsbehälters 2 eingestellt werden. Mittels eines Fixierungsmittels (nicht gezeigt) kann die Halterung nach Einstellung eines vorgegebenen Neigungswinkels θ in dieser Lage fixiert werden. Die Halterung 4 ist auf einem Gestell 5 angeordnet, das auf einer horizontalen Ebene, dem Boden 6 steht.
Der Reaktionsbehälter 2 weist eine kreiszylindrische Grundform mit einem Rohrmantel 7 einer, in Bezug auf den Boden 6, oberen Stirnseite 8 und einer, in Bezug auf den Boden 6, unteren Stirnseite 9 auf. An der oberen Stirnseite 8 des Reaktionsbehälters 2 befindet sich eine Drehdurchführung 10, über die eine Flüssigkeit 51 und ein Gas 52 in den Reaktionsbehälter 2 geführt werden können. Die Drehdurchführung 10 ist eine Hohlwelle, in der koaxial zur Längsachse der Hohlwelle ein Rohr unter Ausbildung eines Spaltes zwischen dem Rohr und der Hohlwelle angeordnet ist. Durch das Rohr wird ein Gas, das über eine Zuleitung (nicht gezeigt) zu der Drehdurchführung 10 geführt wird, in den Reaktionsbehälter 2 geleitet. Durch den Spalt wird eine Flüssigkeit, die über eine Zuleitung (nicht gezeigt) zu der Drehdurchführung 10 geführt wird, in den Reaktionsbehälter 2 geleitet. An der unteren Stirnseite 9 ist der Reaktionsbehälter von einer Kappe 11 verschlossen, die fest mit der Halterung 4 verbunden ist. In der Kappe 11 ist der Reaktionsbehälter 2 über gegen die Umgebung abgedichtete Lager 12 drehbar gelagert. Die Kappe 11 weist an ihrem, in Bezug auf den Boden 6, am tiefsten liegenden Punkt, einen gemeinsamen Auslass 13 für die Flüssigkeit und das Gas auf. Der Auslass 13 kann mit einer Ableitung (nicht gezeigt) verbunden sein. Über die Ableitung können die Flüssigkeit und das Gas gemeinsam zu einem Separator (nicht gezeigt) geführt werden, an dem das Gas und die Flüssigkeit voneinander getrennt werden können.
Der Reaktionsbehälter 2 weist einen Innenraum 14 auf, der von dem Rohrmantel 7 begrenzt wird. In dem Innenraum 14 ist ein Verdrängungskörper 15 angeordnet. Der Verdrängungskörper 15 ist in dieser Ausführungsform ein Längskörper mit einer kreiszylindrischen Grundform. Der Verdrängungskörper 15 weist einen Mantel 16, eine erste Stirnseite 17, die der oberen Stirnseite 8 des Reaktionsbehälters 2 zugewandt ist, und eine zweite Stirnseite 18, die der unteren Stirnseite 9 des Reaktionsbehälters 2 zugewandt ist, auf. Der Verdrängungskörper 15 ist koaxial zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 in diesem angeordnet, d. h. die Längsachse des Verdrängungskörpers 15 liegt auf der Längsachse B des Reaktionsbehälters. Der Auslass 13 ist so ausgebildet, dass er den Füllstand der Flüssigkeit 51 und des Gases 52 in dem Innenraum 14 unabhängig von der Neigung des Reaktionsbehälters 2 und dessen Drehung um seine Längsachse B nicht beeinflusst.
Es ist in 2 zu erkennen, dass die erste Stirnseite 17 des Verdrängungskörpers 15 von der oberen Stirnseite 8 des Reaktionsbehälters 2 beabstandet ist. Damit wird ein Raum zwischen der ersten Stirnseite 17 und der oberen Stirnseite 8 erhalten, der eine Trennung der Flüssigkeit und des Gases, die über die Drehdurchführung 10 zugeführt werden, beim Eintritt in den Innenraum 14 ermöglichen. Die zugeführte Flüssigkeit und das zugeführte Gas bilden in dem Innenraum 14 eine Flüssigphase und eine Gasphase aus. Im Raum zwischen der ersten Stirnseite 17 und der oberen Stirnseite 8 kann eine Verteilerplatte 19 angeordnet sein, die die Trennung der Flüssigkeit und des Gases in eine Flüssigphase und Gasphase unterstützt und für eine definierte Phasentrennung sorgt. In 2 ist die Flüssigkeit durch Punkte gekennzeichnet. Die Flüssigphase und die Gasphase werden im Folgenden auch als Flüssigkeit und Gas bezeichnet. Auch das Bezugszeichen 51 wird sowohl für die Flüssigkeit als auch die Flüssigphase verwendet. Das Bezugszeichen 52 wird sowohl für das Gas als auch die Gasphase verwendet. Die zweite Stirnseite 18 des Verdrängungskörpers 15 ist von der unteren Stirnseite 9 des Reaktionsbehälter 2 ebenfalls beabstandet.
Es ist in 2 weiterhin zu erkennen, dass zwischen dem Mantel 16 des Verdrängungskörpers 15 und der Innenseite des Rohrmantels 7 ein umlaufender Spalt 20 ausgebildet ist. Um diesem Spalt 20 zu erhalten, weist der Verdrängungskörper 15 einen Durchmesser auf, der über die gesamte Länge des Verdrängungskörpers 15 geringer als der Durchmesser des Innenraumes 14 ist. Der Durchmesser des Innenraumes 14 entspricht dem Innendurchmesser des rohrförmigen Reaktionsbehälters 2. Die Länge des Verdrängungskörpers 15 ist seine Ausdehnung entlang seiner Längsachse, die auf die Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 liegt. Der Verdrängungskörper 15 ist in dem Reaktionsbehälter starr, beispielsweise mittels Haltestreben, befestigt, so dass er bei Drehung des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B mitrotiert.
Es ist in 2 außerdem zu erkennen, dass die Flüssigkeit 51 einen ersten Abschnitt 21 des Spaltes 20 einnimmt, der, bezogen auf den Querschnitt des Reaktionsbehälters 2 quer zu seiner Längsachse (B), unterhalb eines zweiten Abschnittes 22 des Spaltes 20 liegt, den das Gas einnimmt. Zusätzlich ist in dem Spalt 20 ein Festbett 23 aus einem Katalysatormaterial angeordnet (siehe 3), das für die Flüssigkeit und das Gas permeabel ist. Das Festbett 23 ist in den Figuren, mit Ausnahme von 3 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Das Festbett 23 ist in dem Spalt 20 fixiert, so dass es bei der Drehung des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B mitrotiert, und zwar ohne jeden Schlupf.
Die 3 und 4 zeigen einen Querschnitt des Reaktionsbehälters 2 entlang einer Schnittebene D--D quer zur Längsachse (B) des Reaktionsbehälters, wobei in 3 das Festbett 23, das in dem Spalt 20 fixiert ist, gezeigt ist, während die Flüssigkeit 51 und das Gas 52, die im Betriebszustand des Festbettreaktors 1 durch den Spalt 20 strömen, nicht gezeigt sind. In 4 ist das Festbett 23, das in dem Spalt 20 fixiert ist, nicht gezeigt, während die Flüssigkeit 51 und das Gas 52, die im Betriebszustand des Festbettreaktors 1 durch den Spalt 20 strömen, gezeigt sind. In 3 ist zu erkennen, dass das als Gitter dargestellte Festbett 23 den Spalt 20 vollständig einnimmt, wobei das Festbett 23 für die Flüssigkeit und das Gas permeabel ist.
Der Innenraum 14 besitzt, bezogen auf seinen Querschnitt, einen zum Boden 6 am tiefsten liegenden Punkt und einem zum Boden 6 am höchsten liegenden Punkt. Durch den am tiefsten liegenden Punkt erstreckt sich über die gesamte Länge des Innenraumes 14 eine Gerade, die als unterer Rand 24 des Innenraumes 14 bezeichnet wird. Durch den am höchsten Punkt erstreckt über die gesamte Länge des Innenraumes 14 eine Gerade, die als oberer Rand 25 des Innenraumes 14 bezeichnet wird. Der Verdrängungskörper 15 besitzt, bezogen auf seinen Querschnitt, einen zum Boden 6 am tiefsten liegenden Punkt und einem zum Boden 6 am höchsten liegenden Punkt. Durch den am tiefsten liegenden Punkt erstreckt sich über die gesamte Länge des Verdrängungskörpers 15 eine Gerade, die als unterer Rand 26 des Verdrängungskörpers 15 bezeichnet wird. Durch den am höchsten Punkt erstreckt sich über die gesamte Länge des Verdrängungskörpers 15 eine Gerade, die als oberer Rand 27 des Verdrängungskörpers 15 bezeichnet wird. Der untere und obere Rand 24, 25 des Innenraumes 14 sowie der untere und obere Rand 26, 27 des Verdrängungskörpers 15 verlaufen parallel zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2. In 5 sind die Ränder 24, 25, 26, 26 jeweils durch ein fette Linie hervorgehoben, um zu veranschaulichen, das sich diese Ränder über die gesamt Länge des Spaltes 20 erstrecken, wobei sich die Ränder 24, 25 darüber hinaus über die gesamte Länge des Innenraumes 14 erstrecken. Die Ränder 24, 25, 26, 27 verändern in der gezeigten Ausführungsform ihre Lage zum Boden 6 während einer Drehung des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B nicht, weil der Innenraum 14 des Reaktionsbehälters und der Verdrängungskörper 15 rotationssymmetrisch, bezogen auf Längsachse (B), sind. Etwas anderes kann jedoch gelten, wenn der Innenraum 14 des Reaktionsbehälters und Verdrängungskörper 15 nicht rotationssymmetrisch, bezogen auf Längsachse (B), sind. In beiden Fällen sind die Ränder durch ihre Lage zum Boden 6 charakterisiert, weil sie - wie erläutert - durch die jeweils am tiefsten bzw. am höchsten liegenden Punkte verlaufen.
Bezogen auf den Querschnitt des Reaktionsbehälters 2 liegen der zum Boden 6 am tiefsten liegende Punkt des Innenraums 14, durch den der untere Rand 24 des Innenraumes 14 verläuft, und der zum Boden 6 am höchsten liegenden Punkt des Innenraumes 14, durch den der obere Rand 25 des Innenraumes 14 verläuft, der zum Boden 6 am tiefsten liegenden Punkt des Verdrängungskörpers 15, durch den der untere Rand 26 des Verdrängungskörpers 15 verläuft, und der zum Boden 6 am höchsten liegenden Punkt des Verdrängungskörpers 15, durch den der obere Rand 27 des Verdrängungskörpers 15 verläuft, auf einer Achse F, die radial zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 verläuft.
Der Spalt 20 besitzt eine Breite E (sie 4). Die Breite E des Spaltes ist seine Ausdehnung zwischen dem Mantel 16 des Verdrängungskörpers 15 und der Innenwand des Rohrmantels 7 in radialer Richtung zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2. Der erste Abschnitt 21 des Spaltes 20 wird von der Flüssigkeit 51 durchströmt, der zweite Abschnitt 22 des Spaltes 20 von dem Gas 52. Der erste Abschnitt 21 und der zweite Abschnitt 22 erstrecken sich über die gesamte Länge des Spaltes 20, die der Länge des Verdrängungskörpers 15 entspricht. Der erste Abschnitt 21 grenzt an einer Grenzfläche 28 an den zweiten Abschnitt an. Die Grenzfläche 28 ist eine Ebene, durch die die Längsachse B des Reaktionsbehälters verläuft und die um einen Drehachse gegen die Horizontale gedreht ist, die parallel zur Schwenkachse C verläuft. Der erste Abschnitt 21, der zweite Abschnitte 22 und die Grenzfläche 28 verändern ihre Lage durch die Drehung des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B nicht.
Im Betriebszustand des Festbettreaktors wird die Flüssigkeit 51 so durch den Spalt geführt, dass die Flüssigkeit mindestens die gesamte Breite E des Spaltes 20 zwischen dem unteren Rand 24 des Innenraumes 14 und dem unteren Rand 26 des Verdrängungskörpers 15 einnimmt, d. h. das Festbett ist zwischen den beiden Rändern 24, 26 vollständig von der Flüssigkeit getränkt. Wird beispielsweise mehr Flüssigkeit durch den Spalt 20 geführt (oder vergrößert sich in einem anderen Beispiel der Durchmesser des Verdrängungskörpers 15 über seine Länge), so dehnt sich der erste Abschnitt 21 in Umfangsrichtung des Spaltes 20, ausgehend von dem Bereich zwischen den beiden Rändern 24, 26, zu den oberen Rändern 25, 27 hin aus, und zwar auf Kosten der Ausdehnung des zweiten Abschnittes 22, so dass sich dessen Ausdehnung in Umfangsrichtung des Spaltes 20 verringert. Dehnt sich der erste Abschnitt 21 in Umfangsrichtung des Spaltes aus, so steigt die Flüssigkeit in radialer Richtung, d. h. entlang der Achse F, über den unteren Rand 26 des Verdrängungskörpers 15 hinaus an (siehe auch 12 bis 14). Bezogen auf die Achse F steigt die Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Spalt 20 an.
Die 15a und 15b veranschaulichen die minimale und die maximale Füllhöhe. Die 15a und 15b entsprechen 4, außer dass in 4 die Füllhöhe H der Flüssigkeit zwischen der minimalen Füllhöhe und der maximalen Füllhöhe liegt. Die Füllhöhe H ist die Ausdehnung der Flüssigkeit entlang der zur Längsachse (B) radial verlaufenden Achse F. Bezogen auf die radiale Achse F steht die Flüssigkeit mit einer minimalen Füllhöhe H_min an, wenn sie den Bereich zwischen dem unteren Rand 24 des Innenraumes 14 und dem unteren Rand 26 des Verdrängungskörpers, abgesehen von dem dort befindlichen Katalysatormaterial, vollständig einnimmt (15a). Die Breite E des Spaltes 20 zwischen dem unteren Rand 24 des Innenraumes 14 und dem unteren Rand 26 des Verdrängungskörpers 15 entspricht der minimalen Füllhöhe H_min. Bezogen auf die radiale Achse F steht die Flüssigkeit mit einer maximalen Füllhöhe Hmax an, wenn sie den Bereich zwischen dem unteren Rand des Innenraumes 24 und dem oberen Rand 27 des Verdrängungskörpers 15, abgesehen von dem dort befindlichen Katalysatormaterial, vollständig einnimmt (15b). Der Füllhöhe sollte nicht unter der minimalen Füllhöhe Hmin und nicht über der maximalen Füllhöhe Hmax liegen. Die Füllhöhe H_min entspricht dem Bereich zwischen dem unteren Rand 24 des Innenraumes 14 und dem unteren Rand 26 des Verdrängungskörpers 15, den die Flüssigkeit, abgesehen vom dort befindlichen Katalysatormaterial, mindestens vollständig einnehmen soll.
Die 6 und 7 veranschaulichen den technischen Effekt des erfindungsgemäßen Festbettreaktors 1 im Betriebszustand, d. h. wenn der Reaktionsbehälter 2 um den Neigungswinkel θ zum Boden 6 geneigt ist, sich der Reaktionsbehälter 2 um seine Längsachse B mit einer Drehzahl n dreht, eine Flüssigkeit 51 durch den ersten Abschnitt 21 des Spaltes 20 und ein Gas 52 durch zweiten Abschnittes 22 des Spaltes 20 strömen. In den 6a und 6b ist Gas 52 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt, dafür aber der zweite Abschnitt 22, der von Gas ausgefüllt wird. Auch das Festbett 23 ist bis auf einen Katalysatorpartikel 23a der Katalysatorschüttung nicht gezeigt. Der Katalysatorpartikel 23a, der stark vergrößert dargestellt ist, ist ein beliebiger Katalysatorpartikel der Katalysatorschüttung. Das in 7 gezeigte Diagramm wird im Betriebszustand des Festbettreaktors 1 nicht nur für den ausgewählten Katalysatorpartikel 23a, sondern für jeden anderen Katalysatorpartikel der Katalysatorschüttung erhalten, wenn auch mit einem zeitlichen Versatz dazu.
6a zeigt die Lage des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a zum Zeitpunkt t₁; während 6b die Lage des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a zum Zeitpunkt t₂ zeigt. Die Lage des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a hat sich aufgrund der Drehung (Pfeil A) des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B aus dem zweiten Abschnitt 22, den das Gas 52 einnimmt, in den ersten Abschnitt 21, den die Flüssigkeit 51 einnimmt bewegt. Es ist zu erkennen, dass sich die Lage des ersten Abschnittes 21 und des zweiten Abschnittes 22 während der Drehung nicht verändern, weil deren Lage durch die auf die Flüssigkeit 51 einwirkende Schwerkraft bestimmt wird.
Das in 7 gezeigte Diagramm veranschaulicht die Benetzung und Entnetzung des ausgewählten Katalysatorpartikel 23a mit Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit. Auf der Abszisse ist die Zeit t dargestellt, auf der Ordinate die Sättigung des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a mit Flüssigkeit. Bei einer Sättigung von 0,0 ist der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a nicht mit Flüssigkeit benetzt. Bei einer Sättigung von 1,0 ist der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a vollständig mit Flüssigkeit benetzt. Befindet sich der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im zweiten Abschnitt 22, also in der Gasphase, wie dies in 6a für den Zeitpunkt t₁ gezeigt ist, so ist der Katalysatorpartikel 23a nicht mit Flüssigkeit benetzt und zwar für einen Zeitraum t₁ der sich vom Auftauchen des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a aus der Flüssigkeit bis zu seinem erneuten Eintauchen in die Flüssigkeit erstreckt. Taucht der ausgewählten Katalysatorpartikel 23a in die Flüssigkeit ein, so ist er nahezu ohne Übergang vollständig mit der Flüssigkeit benetzt und zwar bis zu seinem Auftauchen aus der Flüssigkeit. Der Zeitraum zwischen dem Eintauchen des ausgewählten Katalysatorpartikels 23a in die Flüssigkeit und dem Auftauchen aus der Flüssigkeit ist der Zeitraum t₂. Mit jeder vollständig Umdrehung des Reaktionsbehälters 2, also um eine Drehung um 360°, folgt auf einen Zeitraum t₁; in dem sich der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im zweiten Abschnitt 22, also der Gasphase, befindet, ein Zeitraum t₂, in dem sich der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im ersten Abschnitt 21, also der Flüssigphase, befindet. Eine Umdrehung des Reaktionsbehälters 2 entspricht einer Periode P_m, wobei jede Periode aus einem Zeitraum t₁ und einem Zeitraum t₂ besteht, wobei m die Anzahl der Perioden ist und beliebig gewählt werden kann, wobei sie vorzugsweise ein Ganzzahl größer 1 ist. Bei einem kontinuierlichen Betrieb des erfindungsgemäßen Festbettreaktors 1 ist die Zahl m der Perioden viel größer als 1. In 7 sind drei aufeinanderfolgende Perioden P₁ bis P₃ gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der ausgewählte Katalysatorpartikel 23a periodisch mit Flüssigkeit vollständig benetzt und ebenso periodisch von der Flüssigkeit vollständig entnetzt ist.
Die 8 bis 11 sind Teildarstellung von Verdrängungskörpern 15, die im Innenraum eines Reaktionsbehälters 2 angeordnet sind. Der in 8 gezeigte Verdrängungskörper 15 entspricht dem in den 2 bis 6 beschriebenen Verdrängungskörpers 15, der eine kreiszylindrische Grundform aufweist. Damit ist der Durchmesser des Verdrängungskörpers 15 über seine gesamte Länge konstant. Liegt die Längsachse des Verdrängungskörpers 15 auf der Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 so ist die Breite E des Spaltes 20 über seine gesamte Länge konstant. Das ist bei den in den 9 bis 11 gezeigten Ausführungsformen des Verdrängungskörpers 15, der sich ansonsten nicht von dem in den 1 bis 6 gezeigten Verdrängungskörper 15 unterscheiden nicht der Fall. Der in 9 gezeigte Verdrängungskörper weist eine konische Grundform auf, wobei sich sein Durchmesser von seiner ersten Stirnseite 17 in Richtung seiner zweien Stirnseite 18 vergrößert. Der in 10 gezeigte Verdrängungskörper 15 weist eine konische Grundform auf, wobei sich sein Durchmesser von seiner ersten Stirnseite 17 in Richtung seiner zweien Stirnseite 18 verringert. Der in 11 gezeigte Verdrängungskörper 15 weist einen ersten Abschnitt 31 und einen zweiten Abschnitt 32 auf, die an einer Grenzfläche 33 aneinander grenzen. Der erste Abschnitt 31 des Verdrängungskörpers 15 erstreckt sich von der ersten Stirnseite 17 des Verdrängungskörpers 15 bis zur Grenzfläche 33, während sich der zweite Abschnitt 32 des Verdrängungskörpers 15 von der Grenzfläche 33 bis zur zweiten Stirnseite 18 des Verdrängungskörpers 15 erstreckt. Der erste Abschnitt 31 des Verdrängungskörpers 15 weist einen Durchmesser auf, der sich, ausgehend von seiner ersten Stirnseite 17, in Richtung der Grenzfläche 33 vergrößert, und der zweite Abschnitt des Verdrängungskörpers 15 weist einen Durchmesser auf, der sich ausgehend von der Grenzfläche 33 in Richtung der zweiten Stirnseite des Längskörpers verringert. Der ersten Abschnitt 31 ist spiegelsymmetrisch zum zweiten Abschnitt 32 auf, wobei die Grenzfläche 33 die Spiegelebene ist.
In allen Ausführungsformen des Verdrängungskörpers 15 ist der Mantel 16 des Verdrängungskörpers 15 von der Innenseite des Rohrmantels 7 beabstandet, d. h. der Durchmesser des Verdrängungskörpers 15 ist in allen Ausführungsformen geringer als der Innendurchmesser des Rohrmantels 7 und damit dem Durchmesser des Innenraumes 14. Abgesehen von der Ausführungsform des Verdrängungskörpers 15 und den damit verbundenen Änderungen der Breite des Spaltes 20 entsprechen die in den 9 bis 11 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Festbettreaktors 1 der in den 2 bis 6 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festbettreaktors 1.
Weist der Verdrängungskörper 15 jedoch einen Durchmesser auf, der sich über seine Länge ändert, so beeinflusst diese die Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Spalt 20 (siehe auch 6 und 13a bis 13d). Wird die Breite E des Spaltes 20 größer, so nimmt die Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Spalt 20 und damit die Ausdehnung des ersten Abschnittes 21 des Spaltes 20 in Umfangsrichtung ab. Wird die Breite E des Spaltes 20 schmaler, so nimmt die Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Spalt 20 und damit die Ausdehnung des ersten Abschnittes 21 des Spaltes 20 in Umfangsrichtung zu. Das wird in den 12 bis 14 näher veranschaulicht.
12 zeigt einen Reaktionsbehälter 2, in dessen Innenraum 14 ein Verdrängungskörper 15 mit konischer Grundform angeordnet ist. Bei dieser, bereits in 9 gezeigten Ausführungsform des Verdrängungskörpers 15 vergrößert sich der Durchmesser von der ersten Stirnseite 17 des Verdrängungskörpers 15 bis zur zweiten Stirnseite 18 des Verdrängungskörpers 15. Gleichzeitig nimmt damit die Breite E des Spaltes ab. 13a und 13b zeigen den Querschnitt des Reaktionsbehälters 2 an der in 12 gekennzeichneten Schnittebene K, die quer zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 verläuft, und zwar zum Zeitpunkt t₁ und zum Zeitpunkt t₂. 13c und 13d zeigen den Querschnitt des Reaktionsbehälters 2 an der in 12 gekennzeichneten Schnittebene L, die quer zur Längsachse B des Reaktionsbehälters 2 verläuft, und zwar ebenfalls zum Zeitpunkt t₁ und zum Zeitpunkt t₂. Der Durchmesser des Verdrängungskörpers 15 ist aufgrund seiner konischen Grundform in der Schnittebene L größer als sein Durchmesser in der Schnittebene K.
13a zeigt die Lage eines ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a zum Zeitpunkt t_1, während 13b die Lage des ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a zum Zeitpunkt t₂ zeigt. Die Lage des ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a hat sich aufgrund der Drehung (Pfeil A) des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B aus dem zweiten Abschnitt 22, den das Gas 52 einnimmt, in den ersten Abschnitt 21, den die Flüssigkeit 51 einnimmt, verändert. Es ist zu erkennen, dass sich die Lage des ersten Abschnittes 21 und des zweiten Abschnittes 22 während der Drehung nicht verändern, weil deren Lage durch die auf die Flüssigkeit 51 einwirkende Schwerkraft bestimmt wird. 13c zeigt die Lage eines zweiten ausgewählten Katalysatorpartikel 23b zum Zeitpunkt t₁, während 13d die Lage des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b zum Zeitpunkt t₂ zeigt. Die Lage des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b hat sich aufgrund der Drehung (Pfeil A) des Reaktionsbehälters 2 um seine Längsachse B aus dem zweiten Abschnitt 22, den das Gas 52 einnimmt, in den ersten Abschnitt 21, den die Flüssigkeit 51 einnimmt, verändert. Die Lage des ersten Abschnittes 21 und des zweiten Abschnittes 22 haben sich während der Drehung nicht verändert. Abgesehen von der zweiten, konischen Ausführungsform des Verdrängungskörpers 15 und der daraus folgenden Änderung des Durchmessers des Verdrängungskörpers 15 über seine Länge entsprechen die 13a und 13c der 6a und die 13b und 13d der 6b.
Das in 14 gezeigte Diagramm veranschaulicht die Benetzung und Entnetzung des ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a und des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b mit Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit. Auf der Abszisse ist die Zeit t dargestellt, auf der Ordinate die Sättigung des jeweiligen Katalysatorpartikel 23a, 23b mit Flüssigkeit. Bei einer Sättigung von 0,0 ist der jeweilige Katalysatorpartikel 23a, 23b nicht mit Flüssigkeit benetzt. Bei einer Sättigung von 1,0 ist der jeweilige Katalysatorpartikel 23a, 23b vollständig mit Flüssigkeit benetzt.
Befindet sich der erste ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im zweiten Abschnitt 22, also in der Gasphase 52, wie dies in 13a für den Zeitpunkt t₁ gezeigt ist, so ist der erste Katalysatorpartikel 23a nicht mit Flüssigkeit benetzt und zwar für einen Zeitraum Δt_1a, der sich vom Auftauchen des ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a aus der Flüssigkeit bis zu seinem erneuten Eintauchen in die Flüssigkeit 51 erstreckt. Taucht der erste ausgewählte Katalysatorpartikel 23a in die Flüssigkeit 51 ein, so ist er nahezu ohne Übergang vollständig mit der Flüssigkeit 51 benetzt und zwar bis zu seinem Auftauchen aus der Flüssigkeit 51. Der Zeitraum zwischen dem Eintauchen des ersten ausgewählten Katalysatorpartikel 23a in die Flüssigkeit 51 und dem Auftauchen aus der Flüssigkeit 51 ist der Zeitraum Δt_2a. Mit jeder vollständigen Umdrehung des Reaktionsbehälters 2, also eine Drehung um 360°, folgt auf einen Zeitraum Δt_1a, in dem sich der erste ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im zweiten Abschnitt 22, also der Gasphase, befindet, ein Zeitraum Δt_2a, in dem sich der erste ausgewählte Katalysatorpartikel 23a im ersten Abschnitt 22, also der Flüssigphase, befindet.
Befindet sich der zweite ausgewählte Katalysatorpartikel 23b im zweiten Abschnitt 22, also in der Gasphase 52, wie dies in 13c für den Zeitpunkt t₁ gezeigt ist, so ist der zweite ausgewählte Katalysatorpartikel 23b nicht mit Flüssigkeit benetzt und zwar für einen Zeitraum Δt_1b, der sich von Auftauchen des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b aus der Flüssigkeit 51 bis zu seinem erneuten Eintauchen in die Flüssigkeit erstreckt. Taucht der zweite ausgewählte Katalysatorpartikel 23b in die Flüssigkeit 51 ein, so ist er nahezu ohne Übergang vollständig mit der Flüssigkeit benetzt und zwar bis zu seinem Auftauchen aus der Flüssigkeit. Der Zeitraum zwischen dem Eintauchen des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b in die Flüssigkeit und dem Auftauchen aus der Flüssigkeit ist der Zeitraum Δt_2b. Mit jeder vollständigen Umdrehung des Reaktionsbehälters 2, also eine Drehung um 360°, folgt auf einen Zeitraum Δt_1b, in dem sich der zweite ausgewählte Katalysatorpartikel 23b im zweiten Abschnitt 22, also der Gasphase 52, befindet, ein Zeitraum Δt_2b, in dem sich der zweite ausgewählte Katalysatorpartikel 23b im ersten Abschnitt 22, also der Flüssigphase 51, befindet.
Es ist im Vergleich zwischen den 13a und 13c, die beide den Festbettreaktor 1 im Betriebszustand zum Zeitpunkt t₁ zeigen, zu erkennen, dass die Flüssigkeit mit einer größeren Füllhöhe H (d.h in radialer Richtung) ansteht, wenn der Durchmesser des Verdrängungskörpers größer ist. Ist der Durchmesser des Verdrängungskörpers größer, so dehnt sich der erste Abschnitt 21 des Spaltes 20 in seiner Umfangsrichtung aus. Das wiederum hat zur Folge, dass der Zeitraum t_2b länger als der Zeitraum t_1b ist, während der Zeitraum t_1b kürzer als der Zeitraum t_1a ist. Das spiegelt sich in dem in 14 gezeigten Diagramm wieder. Die Sättigung des ersten ausgewählten Katalysatorpartikels 23a ist dort als Strichlinie, die Sättigung des zweiten ausgewählten Katalysatorpartikels 23b ist dort als Volllinie gezeigt. Es ist in 14 zu erkennen, dass sich durch die größere Füllhöhe H der Flüssigkeit im ersten Abschnitt 21 in den 13c und 13d im Vergleich zum ersten Abschnitt 21 in den 13a und 13b die Zugänglichkeit der Flüssigphase an den Katalysator während Reaktorumdrehung erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Festbettreaktor
2: Reaktionsbehälter
3: Lagerungseinrichtung
4: Halterung
5: Gestell
6: Boden
7: Rohrmantel
8: obere Stirnseite
9: untere Stirneite
10: Drehdurchführung
11: Kappe
12: Lager
13: Auslass
14: Innenraum
15: Verdrängungskörper
16: Mantel
17: erste Stirnseite
18: zweite Stirnseite
19: Verteilerplatte
20: Spalt
21: erster Abschnitt
22: zweiter Abschnitt
23: Festbett
23a: Katalysatorpartikel
23b: zweiter Katalysatorpartikel
24: unterer Rand des Innenraums
25: oberer Rand des Innenraums
26: unterer Rand des Verdrängungskörpers
27: oberer Rand des Verdrängungskörpers
28: Grenzfläche
31: erster Abschnitt
32: zweiter Abschnitt
33: Grenzfläche
51: Flüssigkeit
52: Gas
101: Festbettreaktor
102: Flüssigphase
103: Gasphase

Claims

Festbettreaktor mit einem rohrförmigen Reaktionsbehälter (2), der einen Rohrmantel (7), der einen Innenraum (14) begrenzt, und eine Längsachse (B) aufweist, die gegen die Horizontale geneigt ist und um die der Reaktionsbehälter (2) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (14) ein Verdrängungskörper (15) unter Ausbildung eines umlaufenden Spaltes (20) zwischen dem Verdrängungskörper (15) und dem Rohrmantel (7) angeordnet ist, wobei ein Festbett (13) aus einem Katalysatormaterial in dem Spalt (20) fixiert ist, das von zumindest einer Flüssigkeit (51) und zumindest einem Gas (52) durchströmt ist.
Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Spalt (20), bezogen auf einen Querschnitt des Reaktionsbehälters (2) entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), einen ersten Abschnitt (21) und einen zweiten Abschnitt (22) aufweist, wobei der erste Abschnitt (21) unterhalb des zweiten Abschnittes (22) liegt.
Festbettreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (15) eine Längsachse aufweist, die auf der Längsachse (B) des Reaktorbehälters (2) liegt.
Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (15) einen über seine Länge konstanten Querschnitt aufweist.
Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (15) eine erste Stirnseite (17) und eine zweite Stirnseite (18) aufweist, wobei der Verdrängungskörper (15) einen Durchmesser aufweist, der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite (179, in Richtung der zweiten Stirnseite (18) verringert oder der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite (17), in Richtung der zweiten Stirnseite (18) vergrößert.
Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (15) eine erste Stirnseite (17) und eine zweite Stirnseite (18) aufweist, wobei der Verdrängungskörper (15) eine ersten Abschnitt (31) und einen zweiten Abschnitt (32) aufweist, die an einer Grenzfläche (33) aneinander grenzen, wobei sich der erste Abschnitt (31) von der ersten Stirnseite (17) des Verdrängungskörpers (15) bis zur Grenzfläche (33) erstreckt, sich der zweite Abschnitt (32) von der Grenzfläche (33) bis zur zweiten Stirnseite (18) des Verdrängungskörpers (15) erstreckt, der erste Abschnitt (33) einen Durchmesser aufweist, der sich, ausgehend von der ersten Stirnseite (17) des Verdrängungskörper, in Richtung der Grenzfläche (33) vergrößert und der zweite Abschnitt (32) einen Durchmesser aufweist, der sich ausgehend von der Grenzfläche (33) in Richtung der zweiten Stirnseite (18) des Verdrängungskörpers (15) verringert.
Festbettreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (33) in einer Ebene liegt, die quer zur Längsachse des Verdrängungskörpers (15) verläuft.
Festbettreaktor nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (32) des Verdrängungskörpers (15) spiegelsymmetrisch zu seinem ersten Abschnitt (31) ausgebildet ist.
Verfahren zur Durchführung katalytischer Prozesse mittels eines Festbettreaktors (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit (51) und ein Gas (52) durch den um seine Längsachse (B) rotierenden Reaktionsbehälter (2) geführt werden, wobei die Flüssigkeit (51) unter Einwirkung der Schwerkraft durch einen ersten Abschnitt (21) des Spaltes (20) strömt und das Gas (52) durch einen zweiten Abschnitt (22) des Spaltes (20) strömt, wobei der erste Abschnitt (21), bezogen auf einen Querschnitt des Reaktionsbehälters (2) entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), unterhalb des zweiten Abschnittes (22) liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf einen Querschnitt des Reaktionsbehälters (2) entlang einer Schnittebene quer zur Längsachse (B), ein Teil des Festbettes (23) alternierend von der Flüssigkeit (51) oder dem Gas (52) kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Drehung des Reaktionsbehälters (2) um 360° der Teil des Festbettes (23) einmal von der Flüssigkeit (51) und einmal von dem Gas (52) kontaktiert wird.