DE1077192B - Process for carrying out exothermic catalytic chemical reactions - Google Patents

Process for carrying out exothermic catalytic chemical reactions

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DE1077192B
DE1077192B DEG11221A DEG0011221A DE1077192B DE 1077192 B DE1077192 B DE 1077192B DE G11221 A DEG11221 A DE G11221A DE G0011221 A DEG0011221 A DE G0011221A DE 1077192 B DE1077192 B DE 1077192B
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung von exothermen, katalytisch-chetnischen Reaktionen mit relativ hoher Reaktionswärme und erstrebt den möglichst vollständigen Ausgleich von Temperaturschwankungen während der Reaktion. Durch die Erfindung kann die Temperatur der Reaktionszone über ihre ganze Länge zu einem solchen Grade konstant gehalten werden, wie dies bisher als unmöglich angesehen wurde.The invention relates to a process for the continuous implementation of exothermic, catalytic-chemical Reactions with a relatively high heat of reaction and strives to be as complete as possible Compensation of temperature fluctuations during the reaction. With the invention, the temperature the reaction zone can be kept constant over its entire length to such an extent as has been the case up to now was considered impossible.

Das in Frage stehende Verfahren zur Durchführung einer Reaktion unter isothermen Bedingungen ist besonders vorteilhaft bei katalytischen Reaktionen. Um besonders effektiv zu sein, erfordern die meisten Katalysatoren, daß die Temperatur innerhalb bestimmter enger Grenzen gehalten wird. Wenn die Temperatur allzu niedrig ist, wird die Reaktionsgeschwindigkeit unzureichend, und wenn sie allzu hoch ist, kann der Katalysator geschädigt oder zerstört werden, und es können auch unerwünschte Nebenreaktionen auftreten. Um isotherme Reaktionsbedingungen aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die ganze Reaktionswarme durch die Wandungen des Reaktionsgefäßes hindurch wegzuleiten. Mit »Wandungen« sind in der folgenden Beschreibung nicht nur die äußeren Wandungen des Apparates gemeint, sondern in erster Linie auch alle Kühlwände, die innerhalb des Reaktors selbst angeordnet sind, z. B. eingebaute Kühlrohre. Bezeichnet man die in der Zeiteinheit auftretende Reaktionswärme mit W und die in der Zeiteinheit fortgeführte Wärme mit q, so kann man als erste Bedingung für einen isothermen Reaktionsverlauf folgende Gleichung aufstellen :The method in question for carrying out a reaction under isothermal conditions is particularly advantageous in catalytic reactions. To be particularly effective, most catalysts require that the temperature be kept within certain narrow limits. If the temperature is too low, the reaction rate will be inadequate, and if it is too high, the catalyst may be damaged or destroyed, and undesirable side reactions may also occur. In order to maintain isothermal reaction conditions, it is necessary to dissipate all of the heat of reaction through the walls of the reaction vessel. In the following description, “walls” not only mean the outer walls of the apparatus, but primarily also all cooling walls that are arranged within the reactor itself, e.g. B. built-in cooling pipes. If the heat of reaction occurring in the unit of time is denoted by W and the heat continued in the unit of time as q, the following equation can be set up as the first condition for an isothermal course of the reaction:

W= -q (1) W = -q (1)

Diese Bedingung garantiert nur eine zureichende Gesamtkühlung, aber enthält keinerlei Angabe über die Geschwindigkeit, mit der die Wärme an jeder einzelnen Stelle auf der ganzen Länge des Reaktors weggeführt wird. Wenn der Reaktor aus Rohren oder Kanälen besteht, die die Reaktionskomponenten passieren, und wenn sich das Kühlmittel außerhalb der Rohrwandungen befindet, so gilt bei Betrachtung einzelner kleiner Abschnitte der Rohrlänge L gemäß (1) als zweite Bedingung folgende Gleichung:This condition only guarantees adequate overall cooling, but does not contain any information about the speed with which the heat is carried away at each individual point along the entire length of the reactor. If the reactor consists of pipes or channels through which the reaction components pass, and if the coolant is outside the pipe walls, the following equation applies as the second condition when considering individual small sections of pipe length L according to (1):

dg ~äLdg ~ äL

Es muß jedoch beachtet werden, daß es für die praktische Durchführung der Erfindung durchaus nicht notwendig ist, daß der Reaktor rohrförmig ist, sondern er kann jede beliebige Form haben.It must be noted, however, that it is by no means necessary for the practice of the invention it is necessary that the reactor be tubular, but it can have any shape.

Die Bedingung (1) schreibt nur vor, daß die Temperatur am Ausgang der Reaktionszone dieselbe sein Verfahren zur DurchführungCondition (1) only prescribes that the temperature at the exit of the reaction zone be the same Procedure for implementation

exothermer katalytischer chemischerexothermic catalytic chemical

ReaktionenReactions

Anmelder:Applicant:

Dr.-Ing. Herbert P.A. Groll,
Mölndal (Schweden)
Dr.-Ing. Herbert PA Grudge,
Mölndal (Sweden)

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. A. ν. Kreisler und Dr.-Ing. K. Schönwald,
Patentanwälte, Köln I7 Deichmannhaus
Dr.-Ing. A. ν. Kreisler and Dr.-Ing. K. Schönwald,
Patent attorneys, Cologne I7 Deichmannhaus

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 21. Januar 1953
Claimed priority:
Sweden from January 21, 1953

Dr.-Ing. Herbert P. A. Groll, Mölndal (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden
Dr.-Ing. Herbert PA Groll, Mölndal (Sweden),
has been named as the inventor

soll wie am Eingang, aber sie schließt nicht große lokale Abweichungen von der gewünschten Tempera-should be the same as at the entrance, but it does not exclude large local deviations from the desired temperature

tür während des Durchflusses der Reaktionskomponenten durch das Rohr aus. Die Bedingung (2) verbietet dagegen solche Abweichungen und dürfte daher, wenn sie erfüllt werden kann, gerade die idealen Reaktionsbedingungen geben. door during the flow of the reaction components through the pipe. Condition (2), on the other hand, prohibits such deviations and should therefore, if it can be met, just give the ideal reaction conditions.

Es ist allgemein bekannt, daß endotherme Reaktionen leichter zu regulieren sind als exotherme Reaktionen. Die ersterwähnten Reaktionen haben den erheblichen Vorteil, daß sie die Neigung haben, automatisch die Temperatur zu stabilisieren, wenn die Temperaturbedingungen gestört werden. Dies beruht darauf, daß die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur steigt und fällt und dadurch die Geschwindigkeit sich automatisch und effektiv dem Wärmeverbrauch je nach dem Wärmezugang anpaßt. Das erzielte thermische Gleichgewicht ist somit bei endothermen Reaktionen stabil. Bei exothermen Reaktionen muß dagegen ein an und für sich unstabiles thermisches Gleichgewicht durch genaue Kontrolle von außen aufrechterhalten werden. Wenn die Kühlung unzureichend ist, steigt sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die Wärmeentwicklung, so daß ein »circulus vitiosus« auftritt, indem die Temperatur und die Reaktionsgeschwindigkeit sich gegenseitig immer höher treiben und man ganz die Kontrolle über den Reak-It is well known that endothermic reactions are easier to regulate than exothermic reactions. The first-mentioned reactions have the significant advantage that they tend to be automatic to stabilize the temperature when the temperature conditions are disturbed. This is based on the fact that the rate of reaction rises and falls with temperature, and thereby the rate automatically and effectively adapts to the heat consumption depending on the heat input. That scored thermal equilibrium is therefore stable in endothermic reactions. For exothermic reactions on the other hand, an inherently unstable thermal equilibrium must be maintained through precise external control will. If the cooling is insufficient, the reaction rate will both increase also the development of heat, so that a "vicious circle" occurs in the temperature and the rate of reaction drive each other higher and higher and you have complete control over the reaction

90Ϊ 759/40190Ϊ 759/401

tionsverkis-fe verliert. Ein gerade entgegengesetzter Verlauf tritt ein, wenn die Kühlgeschwindigkeit allzu groß ist, da die Reaktion in diesem Fall nicht fortschreiten kann.loses all sales. Just the opposite Progression occurs when the cooling rate is too fast, since the reaction does not proceed in this case can.

In bezug auf die Kontroll- und Regulierungsschwierigkeiten können exotherme Reaktionen in folgende Klassen eingeteilt werden:Regarding the control and regulation difficulties, exothermic reactions can result in the following Classes are divided into:

Klasse I. Reaktionen, die kaum eine Temperaturregulierung erfordern, da sie gute Ausbeuten bei so hohen Temperaturen innerhalb eines so großen Temperaturbereichs und unter Anwendung eines wärmebeständigen Katalysators liefern, daß es nicht notwendig ist, die Reaktionszone von außen zu kühlen. Ein typisches Beispiel für Reaktionen dieser Klasse ist die Verbrennung von Ammoniak zu Stickoxyd. Die Materialtemperatur wird in diesem Fall durch die Kontrolle des Mischungsverhältnisses zwischen Ammoniak und Luft eingestellt.Class I. Reactions that hardly require temperature control as they have good yields at so high temperatures within such a wide temperature range and using a heat-resistant one Catalyst provide that it is not necessary to cool the reaction zone from the outside. A typical example of reactions in this class is the combustion of ammonia to form nitrogen oxide. The material temperature in this case is controlled by the mixing ratio between Ammonia and air adjusted.

Klasse II. Reaktionen, die auf Grund ihrer Natur und auf Grund der Natur des angewandten Katalysators innerhalb eines Temperaturbereichs durchgeführt werden müssen, in dem das chemische Gleichgewicht keine vollständige Umsetzung bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor gestattet, weswegen ein großer Teil der Reaktionskomponenten den Reaktor in unverändertem Zustand verläßt und im Kreislauf zurückgeführt werden muß. Wenn hierbei die Reaktionstemperatur durch unzureichende Fortleitung der Wärme steigt, wird das Gleichgewicht noch weniger günstig und verhindert somit das Fortschreiten der Reaktion, soweit nicht eine niedrigere Temperatur durch Kühlung wieder eingestellt wird. Dieser selbstregulierende Effekt ist äußerst vorteilhaft und trägt in erheblichem Maße dazu bei, die Durchführung der Reaktion zu erleichtern, da man auf diese Weise niemals die Kontrolle über den Reaktionsverlauf verliert. Class II. Reactions due to their nature and due to the nature of the catalyst used must be carried out within a temperature range in which the chemical equilibrium no complete conversion allowed in a single pass through the reactor, which is why a large part of the reaction components leaves the reactor in an unchanged state and in circulation must be returned. If here the reaction temperature is due to inadequate conduction As the heat rises, the equilibrium becomes even less favorable and thus prevents progress the reaction, unless a lower temperature is set again by cooling. This self-regulating effect is extremely beneficial and contributes significantly to the To facilitate the implementation of the reaction, as in this way one never loses control over the course of the reaction.

Ein typisches Beispiel für eine Reaktion, die dieser Klasse angehört, ist die Ammoniaksynthese, bei der das oben beschriebene Kreislaufprinzip angewandt wird. Eine weitere Reaktion dieser Klasse ist die Wassergasreaktion, die sogenannte Kohlenoxydkonvertierung, die angewandt wird, um Kohlendioxyd und Wasserstoff aus Kohlenmonoxyd und Wasserdampf zu gewinnen. In diesem Fall kann die Rezirkulation nicht angewandt werden, und in der Praxis wendet man statt dessen mehrere Katalysatorenschichten mit Zwischenkühlung an, um den Kohlenoxydgehalt der Reaktionsgase so effektiv wie möglich herabzusetzen. Die vom jedesmaligen Durchgang oder von jeder Schicht bei den oben beschriebenen Reaktionen erhaltenen Ausbeuten und die Kapazität des Apparates sind vollständig abhängig von der Effektivität, mit der die Wärme weggeleitet wird.A typical example of a reaction belonging to this class is the synthesis of ammonia, in which the cycle principle described above is applied. Another reaction from this class is that Water gas reaction, the so-called carbon oxide conversion, which is applied to carbon dioxide and to obtain hydrogen from carbon monoxide and water vapor. In this case, the recirculation can are not used, and in practice several catalyst layers are used instead with intermediate cooling to keep the carbon dioxide content of the reaction gases as effective as possible to belittle. The one from each pass or from each layer in the reactions described above yields obtained and the capacity of the apparatus are completely dependent on the effectiveness, with which the heat is conducted away.

Klasse III. Reaktionen, die mit besonders temperaturempfindlichen Katalysatoren durchgeführt werden und/oder geneigt sind, in nicht erwünschte Nebenreaktionen umzuschlagen. Dieser Reaktionstyp ist innerhalb der organischen Chemie ganz üblich. Typische Beispiele hierfür mit in der angegebenen Reihenfolge steigender Schwierigkeit in der Beherrschung der Reaktion sind Hydrierung, Oxoprozeß, die Synthesen von Methanol und Isobutanol, partielle Hydrierungen, selektive Oxydationen, die Fischer-Tropsch-Synthese, die Oxydation von Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid und die Oxydation von Äthylen zu Äthylenoxyd. Die Kontrolle der drei letzterwähnten Reaktionen wird in der Regel als so schwierig angesehen, daß diese bisher auf zufriedenstellende Weise nur durch besondere Maßnahmen, wie die Verwendung von thermostatischen, rasch gerührten und gekühlten Salzbädern, Kühlanordnungen mit kochenden Kühlflüssigkeiten, innere Kühlung oder Durchführung der Reaktion unter starker Verdünnung mit Gas, das im Kreislauf geführt wird, verwirklicht werden konnte.Class III. Reactions that are carried out with particularly temperature-sensitive catalysts and / or tend to turn into undesirable side reactions. This type of response is quite common within organic chemistry. Typical examples of this are given in the Order of increasing difficulty in mastering the reaction are hydrogenation, oxo process, the syntheses of methanol and isobutanol, partial hydrogenations, selective oxidations, the Fischer-Tropsch synthesis, the oxidation of naphthalene to phthalic anhydride and the oxidation of ethylene to ethylene oxide. The control of the last three reactions mentioned is usually considered to be so difficult that this has so far only been satisfactory through special measures, such as the use of thermostatic, rapidly stirred and cooled salt baths, cooling arrangements with boiling Cooling liquids, internal cooling or carrying out the reaction under strong dilution with gas, the is circulated, could be realized.

Die Erfindung kann mit besonders großem Vorteil bei allen Reaktionen der Klassen II und III angewandt werden. Gemäß der Erfindung kann man beiThe invention can be used with particularly great advantage in all reactions of classes II and III will. According to the invention you can at

ίο hierzu geeigneten Apparaten die Kühlgeschwindigkeit so einstellen, daß sie genau die Bedingungen gemäß den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) erfüllt, ohne daß man besonders kostspielige Spezialmaßnahmen, wie Kühlanordnung mit kochenden Kühlflüssigkeiten u. dgl., braucht. Tatsächlich ist letztere Methode lange nicht so effektiv, wie man sie im allgemeinen ansieht. Wenn man nämlich nur die Temperatur einer Kühlflüssigkeit thermostatisch konstant hält, so bedeutet dies keine Garantie dagegen, daß die Reaktionstemperatur selbst hoch über die Temperatur des Kühlmittels hinaus ansteigt, insbesondere an solchen Stellen, an denen die Reaktionsgeschwindigkeit am größten ist.ίο the cooling speed using suitable equipment set so that it exactly meets the conditions of equations (1) and (2) above, without having to take particularly expensive special measures, such as a cooling arrangement with boiling cooling liquids and the like. In fact, the latter method is far from being as effective as it is generally speaking looks at. If you only keep the temperature of a cooling liquid thermostatically constant holds, this is no guarantee that the reaction temperature itself will be high above the temperature of the coolant also increases, especially at those points where the reaction rate is greatest.

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration der Reaktionskomponenten in der Reaktionszone und von der Geschwindigkeitskonstanten k, die in der Regel eine Funktion der Temperatur ist, von der Reaktionsordnung und von der Aktivität des Katalysators. Die Reaktionsordnung ist von dem Reaktionsmechanismus abhängig, der in vielen Fällen nicht vollständig aufgeklärt ist, insbesondere wenn die Reaktion an festen Katalysatorsubstanzen durchgeführt wird. Die Geschwindigkeit kann jedoch bekanntermaßen durch Messung bestimmt werden, wodurch auch die Reaktionsordnung festgestellt werden kann. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die meisten katalytischen Reaktionen von erster oder zweiter Ordnung sind. Falls der Mechanismus kompliziert ist und die Geschwindigkeit von einer Mehrzahl gleichzeitig stattfindender Elementarprozesse bestimmt wird, kann das Meßresultat eine sogenannte gemischte Ordnung andeuten zwischen beispielsweise nullter und erster Ordnung oder zwischen erster und zweiter Ordnung. Auf Grund dieser durch Messungen und/oder Berechnungen gefundenen Werte kann man auch die Größe der Umwandlungsgeschwindigkeit während jedes Zeitpunktes der Kontaktzeit ermitteln, um hieraus mit zufriedenstellender Genauigkeit die Funktion für die Geschwindigkeit herzuleiten, mit der an den einzelnen Stellen im Reaktor Wärme gebildet wird. Mit anderenThe rate of the reaction depends on the concentration of the reaction components in the reaction zone and on the rate constant k, which is generally a function of the temperature, on the order of the reaction and on the activity of the catalyst. The order of the reaction depends on the reaction mechanism, which in many cases has not been fully elucidated, especially when the reaction is carried out on solid catalyst substances. However, as is known, the speed can be determined by measurement, whereby the reaction order can also be determined. Experience has shown that most catalytic reactions are of the first or second order. If the mechanism is complicated and the speed of a plurality of simultaneously occurring elementary processes is determined, the measurement result can indicate a so-called mixed order between, for example, zero and first order or between first and second order. On the basis of these values found through measurements and / or calculations, one can also determine the magnitude of the conversion rate during each point in time of the contact time in order to derive the function for the rate with which heat is generated at the individual points in the reactor with satisfactory accuracy. With others

Worten: Die Werte für -^=- können als eine FunktionWords: The values for - ^ = - can be used as a function

dL·dL

von L mittels einer Gleichung oder einer Kurve ausgedrückt werden.
Die Fig. 1 zeigt die für alle Reaktionen ähnliche
of L can be expressed by means of an equation or a curve.
Fig. 1 shows the similar for all reactions

d W
Kurve der Abhängigkeit des Wertes -j— von L. Die
d W
Curve of the dependence of the value -j- on L. The

besten Resultate bei der Kühlung werden erhalten.best results in cooling are obtained.

, wenn man, wie m dieser tigur, fur-rf- und-j—-gleich, if one, like m this tigur, for-rf- and -j —- the same

DO fitjL· CL L·, DO fitjL CL L,

große Werte mit entgegengesetzten Vorzeichen hat, so daß die Temperaturabweichungen entweder völlig vermieden oder wenigstens auf ein Minimum reduziert werden können. Die Reaktionstemperatur wird auf diese Weise bei dem optimalen Wert konstant gehalten. Die Kühlmethode, welche sich am besten an den im Hinblick auf die Funktion der Reaktionsgeschwindigkeit erforderlichen Intensitätsgradienten anpaßt, besteht darin, daß die Kühlung mit einem Kühlmittel durchgeführt wird, daß im Gleichstromhas large values with opposite signs, so that the temperature deviations are either completely avoided or at least can be reduced to a minimum. The reaction temperature is increased to this way kept constant at the optimal value. The cooling method that works best the intensity gradient required with regard to the function of the reaction rate adapts, consists in the fact that the cooling is carried out with a coolant that in cocurrent

5 65 6

und parallel mit der Strömungsrichtung der Re- abgeführten Wärmemenge in jedem Punkt gleich Null,and parallel to the direction of flow of the re-dissipated amount of heat at every point equal to zero,

aktionsmischung geführt wird. d. h., es bleibt keine unausgeglichene Restwärme nachaction mix is conducted. d. That is, there is no unbalanced residual heat left

Beispielsweise kann für eine ideale Gasreaktion der einen oder der anderen Richtung übrig, die dieFor example, for an ideal gas reaction one or the other direction can be left which the

zweiter .Ordnung für die an jeder Stelle des Re- Reaktionstemperatur von dem Sollwert abbringenSecond order for the reaction temperature at every point to deviate from the target value

, . , , „τ- dW . 5 könnte.,. ,, "Τ- dW. 5 could.

aktionsraumes abgegebenen Wärmemenge — eine Unter geeigneten konstruktiven Voraussetzungen,heat emitted from the action room - an Under suitable structural conditions,

komplizierte Gleichung ermittelt werden, die bekannt- die die Anwendung der Erfindung ermöglichen, kann lieh immer eine Exponentialfunktion ist und in welche die Gleichung (2) ganz einfach dadurch erfüllt als Veränderliche die Konzentrationen der Reaktions- werden, daß die Mengengeschwindigkeit des in einem teilnehmer α und b, die von der Natur des Kataly- io von dem Weg der Reaktionsmischung getrennten sators und von der Temperatur abhängige Geschwin- Kreislauf im Gleichstrom fließenden Kühlmittels und digkeitskonstante k und die die Reaktionsdauer be- seine Eintrittstemperatur (die beiden Variablen) stimmenden Größen der Gasgeschwindigkeit ν und der gleichzeitig derart geregelt werden, daß zum EinDimensionen des Reaktors eingehen. In der Praxis halten von vorausbestimmten Reaktionstemperatursind die Verhältnisse jedoch meist so kompliziert, daß 15 Sollwerten entlang dem Strömungsweg des Reaktionsdie Gleichung nicht theoretisch errechnet, sondern gemisches die jeweilige Änderung der Kühl wirkung höchstens mit halbempirischen Methoden der Wirk- an einem Rohrende durch Variation der einen Variablen lichkeit angenähert werden kann. Es können darin von einer Variation der anderen Variablen gefolgt auch noch weitere Veränderliche auftreten. Eine wird, wobei diese zweite Variation der Störung- der . . . . , T_ ... dW rr η j 20 Kühl wirkung am anderen Ende des Reaktionsrohres charakteristische Kurve fur -^- zeigt Kurve 1 der gegenläufig istComplicated equation can be determined, which is known- which enable the application of the invention, can always be an exponential function and in which equation (2) simply fulfills the concentration of the reaction as a variable, that the rate of flow of the in a participant α and b, the nature of the catalyst, which is separated from the path of the reaction mixture, and the temperature-dependent speed of the co-current flowing coolant and the constant k and the quantities of the gas speed that determine the reaction time at its inlet temperature (the two variables) ν and which are controlled at the same time in such a way that the dimensions of the reactor are included. In practice, if the reaction temperature is predefined, the conditions are usually so complicated that the equation does not calculate theoretically 15 setpoints along the flow path of the reaction, but rather a mixture of the respective change in the cooling effect, at most with semi-empirical methods of the effect at one end of the pipe by varying one variable possibility can be approximated. Other variables can also appear in it, followed by a variation of the other variables. One being, this second variation being the disorder- the. . . . , T _ ... dW rr η j 20 cooling effect at the other end of the reaction tube characteristic curve for - ^ - shows curve 1 which runs in the opposite direction

Fig. 1. Um eine -eazureichende Regulierung gemäß der P f~Fig. 1. In order to achieve sufficient regulation according to the P f ~

Es ist nun ganz offensichtlich, daß sich bei einer Kurven 1 und 2 der Fig. 1 herbeizuführen, muß alsoIt is now quite obvious that curves 1 and 2 of FIG. 1 must therefore be brought about

Veränderung auch nur einer der Variablen, beispiels- der parallele Gleichstrom des Kühlmittels auf solche weise α oder b oder k, durch Schwankungen der Kata- 25 Weise durchgeführt werden, daß die Strömungs-Change even only one of the variables, for example the parallel direct flow of the coolant in such a way α or b or k, can be carried out by fluctuations in the catalytic converter in such a way that the flow

lysatoraktivität, die bekanntlich meist gegen Spuren geschwindigkeit des Kühlmittels und seine Tempe-activity, which, as is well known, usually counteracts the trace speed of the coolant and its tempe-

von Verunreinigungen sehr empfindlich ist, der Ver- ratur beim Eintritt in den Kühler des Reaktors sehris very sensitive to impurities, the temperature on entry into the cooler of the reactor is very

, . , T_ ... dW . , , rr λ η ■ schnell, effektiv und unabhängig voneinander inner-,. , T _ ... dW. ,, rr λ η ■ quickly, effectively and independently of each other within

lauf der Kurve fur -^ sich unverhofft und stoßweise ]mlb der Bereiche für die Teraperatur und die Strö-run the curve for - ^ unexpectedly and intermittently ] mlb of the areas for the temperature and the currents

verändern kann. 30 mungsgeschwindigkeit, die bei der in Frage stehendencan change. 30 ming speed, the one in question

Die Erfindung beruht nun auf folgenden Feststel- Reaktion erforderlich sind, geregelt werden können,
lungen: Um dies erzielen zu können, ist es besonders zweck-
The invention is now based on the following detection reaction are required, can be regulated
lungs: In order to be able to achieve this, it is particularly

1. Auch die leichter zu errechnende Gleichung für mäßig, das Kühlmittel im Kreislauf zu führen, z. B. die von einem im Gleichstrom mit den reagierenden mittels einer Pumpe, eines Gebläses oder Injektors, Gasen strömenden Kühlmittel an jeder Stelle auf- 35 und ferner das Kühlmittel durch eine Kühlanordnung genommene Wärmemenge ist eine Exponential- mit ausreichender Kapazität zu leiten, um das im funktion, in welcher die Wärmeübergangszahl, die Kreislauf geführte Kühlmittel selbst bei der höchsten spezifische Wärme des Kühlmittels, die Dimension erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit noch auf des Kühlkanals und schließlich die Mengengeschwin- die niedrigste erforderliche Temperatur zu kühlen, digkeit und die Temperaturdifferenz zwischen der Re- 40 Gleichzeitig wird eine Umgehungsleitung für das eraktionstemperatur und der Eintrittstemperatur des wärmte Kühlmittel vorgesehen, die so trägheitsfrei Kühlmittels als Parameter eintreten. In dieser wie erwünscht mittels eines Ventils oder einer Drossel-Funktion jedoch sind die ersten drei der genannten klappe kontrolliert werden kann. Vorzugsweise wird Größen durch die konstruktive Ausgestaltung des Luft oder Kühlwasser direkt als Kühlmittel anApparates und die Wahl des Kühlmittels festgelegt. 45 gewendet. In diesem Fall kann es unnötig sein, das1. Also the easier to calculate equation for moderate to circulate the coolant, e.g. B. the one in direct current with the reacting means of a pump, a blower or an injector, Gases flowing coolant at each point 35 and further the coolant through a cooling arrangement The amount of heat taken is an exponential with sufficient capacity to conduct the im function in which the heat transfer coefficient, the circulated coolant even at the highest specific heat of the coolant, the required flow velocity dimension of the cooling duct and finally the volume rate to cool the lowest required temperature, speed and the temperature difference between the re- 40 At the same time, a bypass line is created for the action temperature and the inlet temperature of the warmed coolant is provided, which is so inertia-free Coolant as a parameter. In this as desired by means of a valve or a throttle function however, the first three of said flap can be controlled. Preferably will Sizes due to the structural design of the air or cooling water directly as a coolant on the device and the choice of coolant determined. 45 turned. In this case it may be unnecessary to use the

2. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß es Kühlmittel im Kreislauf zurückzuführen und zu allein durch die Variation der Mengenschwindigkeit kühlen und man kann sich damit begnügen, nur eine und der Eintrittstemperatur des Kühlmittels, d. h. Kreislaufleitung für das im Reaktor erwärmte Kühldurch die beiden zuletzt genannten Größen, die für die wasser bzw. die erwärmte Luft vorzusehen, um mit ■c> sjtj^uzcxi-ikfs da „ . . -, .. so erforderlicher Geschwindigkeit und Effektivität die ExjWiSirtalfunktion —von Bedeutung sind, mog- Temperatur des Kühlmittels, das in das System ein-2. Surprisingly, it has now been shown that it recirculates coolant and cools it solely by varying the rate of flow and one can be content with only one and the inlet temperature of the coolant, ie circuit line for the cooling heated in the reactor through the last two mentioned Sizes that are to be provided for the water or the heated air in order with ■ c> sjtj ^ uzcxi-ikfs da „. . -, .. as required speed and effectiveness, the ExjWiSirtal function - may be important, temperature of the coolant entering the system

lich ist, die Reaktionstemperatur in dem Reaktions- tritt, mittels der oben beschriebenen Drossel zu regu-it is possible to regulate the reaction temperature in the reaction occurs by means of the throttle described above.

raum auf einem konstanten Wert zu halten. Tatsäch- lieren.keep space at a constant value. Actualize.

lieh gelingt es, durch gleichzeitige Regulierung dieser Ein anderes zweckmäßiges Verfahren zum Ausfühbeiden Veränderlichen die Gestalt und die Neigung 55 ren der erfindungsgemäßen Methode besteht darin, der Kurve für die in jedem Punkt abgeführte Wärme- daß sowohl die Regulierung der Temperatur des da ._,..__ „. , , . Kühlmittels als auch die Regulierung der Strömungsmenge^ (Fig. 1, Kurve 2) der vorher besprochenen geschwindigkeit des Kühlmittels mit Hilfe automa-Another useful method for executing both variables, the shape and the inclination of the method according to the invention, consists in following the curve for the heat dissipated at each point - that both the regulation of the temperature of the da ._ ,. .__ ". ,,. Coolant as well as the regulation of the flow rate ^ (Fig. 1, curve 2) the previously discussed speed of the coolant with the help of automatic

-r-- ,.. dW . .. , _ . , . tischer Kontrollorgane vorgenommen wird. Deren-r--, .. dW . .., _. ,. control bodies. Whose

Kurve fur -^ mit genügender Genauigkeit anzu- 6o Impulsgeber werden an folgenden Stellen angebracht:Curve for - ^ to be applied with sufficient accuracy 6o pulse generator be installed at the following locations:

passen und hierdurch die Störungen, die in derfit and thereby the disturbances that are in the

Kurve 1 der Figur auftreten, durch entsprechende A. Innerhalb des Gebietes für die Maximumtempe-Veränderung der Kurve 2 abzufangen. Hierdurch wird ratur im Strom des Reaktionsgemisches durch den die Kurve 2 immer als Spiegelbild der Kurve 1 auf- Reaktor, ganz in der Nähe des Eintritts des Kühlrechterhalten, so daß also in dieser einfachen Weise 65 mittels in den Kühler des Reaktors. An dieser an jedem Punkt und jederzeit die in Gleichung (1) Stelle wird eine geeignete Temperaturkontroll-Curve 1 of the figure appear through corresponding A. Within the area for the maximum temperature change the curve 2 intercept. This is ratur in the flow of the reaction mixture through the the curve 2 always as a mirror image of the curve 1 is maintained on the reactor, very close to the inlet of the cooling, so that in this simple way 65 means in the cooler of the reactor. At this at any point and at any time in equation (1), a suitable temperature control

Sr, iiu -d j dW dq i /■■ 1 ,· 1 · anordnung vorgesehen, die an ein Instrument üb- Sr, iiu -d j dW dq i / ■■ 1, · 1 · arrangement provided, which is transferred to an instrument

aufgestellte Forderung -^ =-^f- tatsächlich mit Hcher ^ ang^schlossen istj weiches automatischestablished demand - ^ = - ^ actually automatically f- with Hcher ^ ^ ang joined ISTJ we i che s

praktisch genügender Genauigkeit erfüllt werden die Temperatur des Kühlmittels, das in den KühlerThe temperature of the coolant in the radiator can be met with sufficient accuracy

kann. Hierdurch ist die Summe der auftretenden und 70 des Reaktors eintritt, reguliert.can. This regulates the sum of the occurring and 70 of the reactor entering.

B. In oder in der Nähe der Austrittsleitung für das reagierte Gasgemisch aus der Katalysatorzone. An dieser Stelle wird eine ähnliche Vorrichtung angebracht, deren Impuls auf ein automatisches Kontrollinstrument wirkt, das die Mengengeschwindigkeit des Kühlmittels zu dem Kühler des Reaktors reguliert.B. In or near the outlet line for the reacted gas mixture from the catalyst zone. At At this point a similar device is attached, the impulse of which is transmitted to an automatic control instrument acts that regulates the flow rate of the coolant to the cooler of the reactor.

Das Regulierinstrument bei A muß zu Anfang der Lebensdauer des Katalysators vorzugsweise auf die Einhaltung der Maximaltemperatur eingestellt werden, die von dem Katalysator ertragen wird, ohne daß dieser durch Überhitzung geschädigt werden kann. Das Reguli er instrument bei B wird auf eine Temperatur eingestellt, die etwas höher ist als die untere Temperaturgrenze für die Erzielung eines zufriedenstellenden Umsatzes. In gewissen Fällen, insbesondere gegen Ende der Lebensdauer des angewandten Katalysators, kann es zweckmäßig sein, dieses Instrument auf einen Punkt nahe der oberen erlaubten Grenze einzustellen.At the beginning of the life of the catalytic converter, the regulating instrument at A must preferably be set to maintain the maximum temperature that can be endured by the catalytic converter without it being able to be damaged by overheating. The regulator instrument at B is set to a temperature which is slightly higher than the lower temperature limit for achieving a satisfactory conversion. In certain cases, especially towards the end of the useful life of the catalyst used, it can be useful to set this instrument to a point close to the upper permitted limit.

Unter den späteren Stadien der Lebensdauer des Katalysators kann die eingestellte Temperatur an dem genannten Punkt A erhöht oder gesenkt werden, und/ oder die Kontrollstelle kann weiter in den Reaktor hinein verschoben werden. Es ist unmöglich, etwas Definitives darüber auszusagen, welche der erwähnten Maßnahmen die zweckmäßigsten sind, um die besten Resultate zu erzielen, da dies in hohem Maß von der Natur der Reaktion, dem angewandten Katalysatortyp und dem Grund für die allmähliche Verschlechterung des Katalysators abhängt. Diese kann z. B. auf Vergiftung und/oder Sinterung oder anderen Veränderungen an der aktiven Oberfläche des Katalysators beruhen. Die optimalen Arbeitsbedingungen sind daher am besten empirisch zu bestimmen, jedoch innerhalb der angegebenen Grenzen.During the later stages of the life of the catalyst, the set temperature at said point A can be increased or decreased and / or the control point can be moved further into the reactor. It is impossible to be definite as to which of the measures mentioned are the most appropriate in order to obtain the best results, since this depends to a large extent on the nature of the reaction, the type of catalyst used and the reason for the gradual deterioration of the catalyst. This can e.g. B. due to poisoning and / or sintering or other changes to the active surface of the catalyst. The optimal working conditions are therefore best to be determined empirically, but within the specified limits.

Während der Lebensdauer des Katalysators kann man auch den Eintritt des Kühlmittels weiter in den Reaktor hinein verlegen, um auf diese Weise eine nicht erwünschte allzu starke Kühlung solcher Stellen des Katalysators zu verhindern, deren Aktivität gelitten hat.During the life of the catalytic converter, the coolant can also continue to enter the Relocate the reactor in order to avoid excessive cooling of such places of the catalyst, the activity of which has suffered.

Einen derartigen Schutz gegen nicht erwünschte Kühlung kann man auch dadurch zustande bringen, daß eine Schutzanordnung, z. B. eine isolierende Abschirmung, allmählich oder periodisch weiter zwischen das strömende Kühlmittel und die Teile des Katalysators, die geschützt werden sollen, eingeschoben wird. Man kann auch den Katalysator ganz in der Nähe des Eintritts der Reaktionskomponenten erhitzen, damit die Reaktion nicht totgekühlt wird. Eine besonders zweckmäßige Weise der Durchführung der Erfindung besteht darin, daß eine mit nicht oder zumindest nicht in nennenswertem Maß gekühltem Katalysator gefüllte Initialzone vorgesehen ist. Diese Arbeitsweise ist in solchen Fällen besonders zweckmäßig, in denen im Hinblick auf das Risiko von Zersetzungen es nicht erwünscht oder nicht möglich ist, die Reaktionsmischung bis ganz auf die gewünschte Reaktionstemperatur im voraus zu erhitzen. In der Initialzone reagieren die Reaktionskomponenten an dem Katalysator langsamer als bei der gewöhnlichen Reaktionstemperatur. Die Reaktionswärme erhitzt das Reaktionsgemisch auf die optimale Temperatur. Die Kühlung muß sofort an der Stelle einsetzen, an der die richtige Reaktionstemperatur erreicht ist. Man kann Organe zur Regulierung der Länge der Induktionszone vorsehen, z. B. Abschirmungen, die sich verschieben lassen, u. dgl., so, wie dies im vorangehenden beschrieben ist.Such protection against undesired cooling can also be achieved by that a protection arrangement, e.g. B. an insulating shield, gradually or periodically further between the flowing coolant and the parts of the catalytic converter that are to be protected is inserted. You can also heat the catalyst very close to the entry of the reaction components, so that the reaction is not chilled to death. A particularly convenient way of practicing the invention is that one with not cooled or at least not cooled to a significant extent catalyst filled initial zone is provided. This procedure is particularly useful in those cases in which in view of the risk of decomposition it is undesirable or impossible to heat the reaction mixture up to the desired reaction temperature in advance. In the initial zone the reaction components react on the catalyst more slowly than at the usual reaction temperature. The heat of reaction heats the reaction mixture to the optimal temperature. The cooling must start immediately at the point where the correct reaction temperature has been reached. One can use organs to regulate the length of the induction zone provide e.g. B. shields that can be moved, and the like., As in the preceding is described.

Eine andere zweckmäßige Weise zur Durchführung der Erfindung besteht darin, daß das Reaktionsgemisch und/oder eine oder mehrere seiner Komponenten als Kühlmittel angewendet werden.Another convenient way of carrying out the invention is that the reaction mixture and / or one or more of its components can be used as a coolant.

Beispielsweise kann man bei der Ammoniaksynthese das Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff oder auch nur den Stickstoff auf solche Weise durch den Kühler des Reaktors mit dem für die Synthese notwendigen Druck passieren lassen, daß die Mengengeschwindigkeit und die Temperatur des Kühlgases unabhängig voneinander und unabhängig von der Menge des Reaktionsgemisches, die durch den Katalysator strömt, geregelt werden.For example, in the synthesis of ammonia, a mixture of nitrogen and hydrogen can be used or even just the nitrogen in such a way through the cooler of the reactor with that for the synthesis necessary pressure let pass that the rate of flow and the temperature of the cooling gas independently of one another and regardless of the amount of the reaction mixture caused by the catalyst flows, to be regulated.

Bei der Synthese von Phthalsäureanhydrid durch Oxydation von Naphthalin mit Luft wird vorzugsweise Luft direkt zur Kühlung der Reaktionsrohre, in denen sich der Katalysator befindet, verwendet. Man kann auch den Katalysator zwischen den Rohren anordnen und die Luft durch Kühlrohre strömen lassen, die mit gleichen Zwischenräumen und parallel mit der Strömungsrichtung der Reaktionsgase verlaufen. Um eine bessere Verteilung des Kühlgases und eine bessere Wärmeüberführung zustande zu bringen, können die Kühlrohre in ihrem Innern mit Stäben versehen werden, die Streben oder spiralförmige Rippen besitzen. Durch diese Stäbe werden die Lineargeschwindigkeit und der Strömungswiderstand des Gases erhöht und dadurch die gleichmäßige Verteilung des Gases auf alle Rohre und die Wärmeüberführung erleichtert. Zu demselben Zweck kann man auch die Kühlrohre oder den Kühlraum um die Katalysatorrohre herum mit Füllkörpern füllen. Diese können vorzugsweise aus einem Material mit großem Wärmeleitvermögen bestehen und z. B. Kugeln oder Stücke aus Metall, wie Aluminium, sein. Die letzterwähnte Methode ist in solchen Fällen besonders zweckmäßig, in denen ein besonders hoher Wärmeüberführungskoeffizient erwünscht ist.In the synthesis of phthalic anhydride by oxidation of naphthalene with air is preferred Air is used directly to cool the reaction tubes in which the catalyst is located. Man can also place the catalyst between the pipes and let the air flow through cooling pipes, which run with the same gaps and parallel to the direction of flow of the reaction gases. Around to bring about a better distribution of the cooling gas and a better heat transfer, the cooling tubes can be provided with rods inside, the struts or spiral ribs own. The linear velocity and the flow resistance of the Gas increases and thereby the even distribution of the gas on all pipes and the heat transfer relieved. The cooling tubes or the cooling space around the catalyst tubes can also be used for the same purpose fill around with random packing. These can preferably be made of a material with high thermal conductivity exist and z. B. balls or pieces of metal, such as aluminum. The last one mentioned Method is particularly useful in those cases in which a particularly high heat transfer coefficient is desirable.

Damit das Kühlmittel parallel mit der Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches strömt, kann man erfindungsgemäß vorzugsweise Leitschienen und Verteiler parallel mit der Strömungsrichtung anordnen, um auf diese Weise Störungen durch Wärmekonvektion zu verhindern. Wenn man ein festes Katalysatorbett und ein schnell strömendes Reaktionsgemisch anwendet, so läßt man dieses in der Regel durch das Katalysatorbett in absteigender Richtung pasiseren, um eine nicht erwünschte Aufwirbelung des Katalysators zu verhindern, der dadurch leicht auf mechanischem Weg zerstört werden würde.So that the coolant flows parallel to the direction of flow of the reaction mixture, one can according to the invention, preferably arrange guide rails and manifolds parallel to the direction of flow, in order to prevent disturbances from thermal convection in this way. If you have a fixed bed of catalyst and a fast flowing reaction mixture is used, this is usually left pasiseren through the catalyst bed in descending direction in order to avoid an undesired swirling of the To prevent catalyst, which would be easily destroyed by mechanical means.

Wenn das Kühlmittel den Zwischenraum zwischen den Katalysatorrohren in absteigender Richtung passiert, was in diesem speziellen Fall notwendig ist, könnte die Wärmekonvektion die Strömungsrichtung störend beeinflussen und dadurch Anlaß zu nicht erwünschten Wirbelströmen geben. In diesem Fall ist es ganz besonders zweckmäßig, richtunggebende Organe u. dgl. anzuwenden. Für diesen Zweck kann man auch ungefähr auf die vorstehend angegebene Weise feste Füllkörper in dem erwähnten Zwischenraum anordnen. Die Füllung erhöht den Strömungswiderstand, und dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des Stromes über den ganzen Querschnitt des Kühlers erzielt.When the coolant descends the space between the catalyst tubes happens what is necessary in this special case, the heat convection could change the direction of flow disturbing influence and thereby give rise to undesired eddy currents. In this case it is it is particularly useful to use directional organs and the like. For this purpose can one also roughly in the manner indicated above solid packing in the mentioned space arrange. The filling increases the flow resistance, which makes it more uniform Distribution of the current achieved over the entire cross section of the cooler.

Man kann auch zweckmäßige Organe vorsehen, die die Stauung von Gasen oder Dämpfen in dem Kühler bei Anwendung eines nach unten gerichteten Stromes eines flüssigen Kühlmittels verhindern. Der Kühler des Reaktors kann beispielsweise gemäß dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße gebaut werden. WennAppropriate organs can also be provided to prevent the accumulation of gases or vapors in the cooler when using a downward flow of liquid coolant. The cooler of the reactor can for example be built according to the principle of communicating vessels. if

der Strömungswiderstand im Kühler einen hohen Differentialdruck erfordert, können Ventile zum Entweichen des Gases an dem oberen Ende des Kühlers vorgesehen sein. Die Ventile können automatisch mittels Schwimmerventilen od. dgl. reguliert werden. Schließlich kann man auch Vorrichtungen zur Ausnutzung der Reaktionswärme vorsehen. Wenn die ,!wärme nicht vollständig durch Erhitzung der Re- ^ktionsmischung auf die gewünschte Reaktionstemperatur aufgenommen werden kann, ist es möglich, die sonstyäusgenutzte Wärme zum Erhitzen von Abhitzekesseln, Ekonomisern usw. zu verwenden.The flow resistance in the cooler requires a high differential pressure, valves can be used to escape of the gas can be provided at the upper end of the cooler. The valves can be automatic by means of float valves or the like. Finally, one can also use devices for exploitation the heat of reaction. If the,! Heat is not completely ^ action mixture can be added to the desired reaction temperature, it is possible that the to use otherwise used heat to heat waste heat boilers, economizers, etc.

Die Anwendemöglichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf fest angeordnete Katalysatoren beschränkt, sondern die Erfindung kann auch auf sogenannte fixierte Wirbelschichtkatalysatoren angewandt werden, d. h. dann, wenn nur eine unbedeutende Menge des Katalysators von dem Gas bei seinem Austritt aus dem Reaktor mitgenommen wird. In diesem Fall ist es besonders zweckmäßig, daß das Reaktionsgemisch im Reaktor und das Kühlmittel im Kühler parallel miteinander nach oben gerichtet strömen, da der Temperaturgradient des Kühlmittels in der Höhenrichtung keine Gefahr einer Störung für den gleichmäßigen Strom des Kühlmittels durch unerwünschte Wärmekonvektion mit sich bringt.The method according to the invention can not be used on fixed catalysts limited, but the invention can also be applied to so-called fixed fluidized bed catalysts be, d. H. then if only an insignificant amount of the catalyst from the gas at his Exit from the reactor is taken. In this case, it is particularly advantageous that the reaction mixture in the reactor and the coolant in the cooler are directed parallel to each other upwards flow, since the temperature gradient of the coolant in the height direction no risk of disturbance for brings the steady flow of coolant through undesired heat convection with it.

In der Fig., 2 und 3 werden zwei Ausführungsbeispiele für Anlagen zur Durchführung von exothermen Reaktionen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.In FIGS., 2 and 3, two exemplary embodiments of systems for carrying out exothermic Reactions shown by the method according to the invention.

In der Anlage nach Fig. 2 ist die Reaktionspassage 1 als ein von einem Kühlmantel umgebener langgestreckter Kanal ausgebildet. Das Reaktionsgemisch wird durch die Leitung 2 einem Wärmeaustauscher 3 zugeführt, in dem es durch Wärmeaustausch mit dem von der Reaktionspassage abströmenden reagierten Gemisch erwärmt wird. Von dem Wärmeaustauscher 3 wird das Reaktionsgemisch durch eine Leitung 4 zum Eintritt 5 des Reaktionsgemisches in die Reaktionspassage geführt. Der erste Abschnitt 6 der Reaktionspassage 1 bildet die Initialzone für die Reaktion und ist zweckmäßigerweise justierbar, so wie dies im folgenden beschrieben werden wird. Das reagierte Gemisch verläßt die Reaktionspassage bei 7, um über die Leitung 8 dem Wärmetauscher 3 und der Entnahmeleitung 9 zugeführt zu werden.In the system according to FIG. 2, the reaction passage 1 is designed as an elongated channel surrounded by a cooling jacket. The reaction mixture is fed through line 2 to a heat exchanger 3, in which it is heated by heat exchange with the reacted mixture flowing out of the reaction passage. From the heat exchanger 3, the reaction mixture is passed through a line 4 to the inlet 5 of the reaction mixture into the reaction passage. The first section 6 of the reaction passage 1 forms the initial zone for the reaction and is expediently adjustable, as will be described below. The reacted mixture leaves the reaction passage at 7 in order to be fed to the heat exchanger 3 and the extraction line 9 via the line 8.

Der Kühlmittelkreislauf durch den Kühlmantel 10 wird mittels einer Kühlmittelpumpe 11 bewerkstelligt, von deren Druckseite eine Leitung 12 zu einem Regelventil 13 für die Kühlmittelmenge führt. Das Regelventil 13 ist mittels einer Leitung 14 mit dem Kühlmitteleintritt 15 in den Kühlmantel verbunden. Von der Kühlmittelentnahme 16 am anderen Ende des Kühlmantels wird das Kühlmittel über eine Leitung 17 zu einem Wärmeaustauscher 18 geleitet, in dem die von dem Kühlmittel aufgenommene Reaktionswärme auf irgendeine geeignete Weise ausgenutzt werden kann und der beispielsweise als Abgaskessel ausgebildet ist. Von dem Wärmeaustauscher 18 wird das Kühlmittel zu einer Ableitung 19 geführt; es ist indessen auch möglich, das Kühlmittel im Kreislauf zur Kühlmittelpumpe 11 zurückzuführen, in welchem Falle es über eine Rückführungsleitung 20 der Ansaugseite der Pumpe 11 zugeführt wird. Wenn das Kühlmittel nicht zirkuliert, sondern durch die Ableitung 19 weggeht, wird neues Kühlmittel von der Zufuhrleitung 21 der Ansaugseite der Pumpe 11 zugeführt. The coolant circuit through the cooling jacket 10 is brought about by means of a coolant pump 11, from the pressure side of which a line 12 leads to a control valve 13 for the amount of coolant. The control valve 13 is connected to the coolant inlet 15 in the cooling jacket by means of a line 14. from the coolant extraction 16 at the other end of the cooling jacket is the coolant via a line 17 passed to a heat exchanger 18 in which the heat of reaction absorbed by the coolant can be exploited in any suitable way, for example as an exhaust gas boiler is trained. The coolant is led from the heat exchanger 18 to a discharge line 19; it is however, it is also possible to recirculate the coolant to the coolant pump 11, in which If it is fed to the suction side of the pump 11 via a return line 20. If that Coolant does not circulate but goes away through the discharge line 19, new coolant is drawn from the supply line 21 is supplied to the suction side of the pump 11.

Von der Leitung 17, die von dem Kühlmittelaustritt 16 in dem Kühlmantel 10 ausgeht, ist eine Leitung 22, in der Strömungsrichtung gesehen, vor dem Wärmeaustauscher 18 abgezweigt. In der Zweigleitung ist ein Regulierventil 23 für die Regulierung der Kühlmitteltemperatur eingesetzt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht dieses Regulierungsventil aus einer Drosselanordnung, die bei zu hoher Temperatur geschlossen wird. Das Regulierventil 23 ist auf der Ablaufseite über eine Leitung 24 mit der Ansaugseite der Kühlmittelpumpe 11 verbunden. Mittels des Reguli er ventil s wird somit eine von der Temperatur abhängige Zumischung von warmem Kühlmittel zu dem der Ansaugseite der Pumpe 11 zugeführten frischen oder im Wärmeaustauscher 18 herabgekühlten Kühlmittel bewirkt.From the line 17, which starts from the coolant outlet 16 in the cooling jacket 10, there is a line 22, seen in the direction of flow, branched off in front of the heat exchanger 18. In the branch line a regulating valve 23 is used for regulating the coolant temperature. In the embodiment According to FIG. 2, this regulating valve consists of a throttle arrangement which, if too high Temperature is closed. The regulating valve 23 is on the drain side via a line 24 with the Suction side of the coolant pump 11 connected. Using the regulating valve, one of the Temperature-dependent admixture of warm coolant to that supplied to the suction side of the pump 11 causes fresh or cooled in the heat exchanger 18 coolant.

Die automatische Regulierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Impulsthermometer 25, das unmittelbar hinter der Induktionszone der Reaktionspassage 1 angeordnet ist. Die Länge der durch wärmeisolierende Abschirmung der Reaktionspassage gegen den Kühlmantel gebildeten Initialzone 6 ist einstellbar mit Hilfe eines in der Längsrichtung der Reaktionspassage verschiebbaren Wärmeschutzes 26. Dieser kann entweder nur wärmeisolierend wirken oder außerdem mit einer Kompensationsheizung versehen sein.The automatic regulation according to the present invention comprises a pulse thermometer 25, the is arranged immediately behind the induction zone of the reaction passage 1. The length of the through heat insulating Shielding of the reaction passage from the initial zone 6 formed by the cooling jacket is adjustable with the aid of a heat protection 26 which can be displaced in the longitudinal direction of the reaction passage. This can either only have a heat-insulating effect or it can also be provided with compensation heating be.

Auch das Impulsthermometer 25 ist in der Längsrichtung der Reaktionspassage verschiebbar, um leicht in jeder Stellung des Wärmeschutzes in die richtige Lage in bezug auf das Ende der Initialzone gebracht werden zu können. Die Impulse vom Impulsthermometer 25 werden über eine Leitung 28 einem Impulsrelais 29 zugeführt, welches seinerseits über eine Verbindung 30 das Regulierventil 23 für die Kühlmitteltemperatur steuert. Dadurch kommt eine automatische Anpassung des der Kühlmittelpumpe 11 zugeführten Gemisches von warmem mit frischem oder gekühltem Kühlmittel nach Maßgabe der Temperatur an der Meß stelle 25 zustande.The pulse thermometer 25 is also slidable in the longitudinal direction of the reaction passage to easily brought into the correct position in relation to the end of the initial zone in every position of the thermal protection to be able to. The pulses from the pulse thermometer 25 are transmitted via a line 28 to a pulse relay 29 supplied, which in turn, via a connection 30, the regulating valve 23 for the coolant temperature controls. This results in an automatic adaptation of the amount supplied to the coolant pump 11 Mixture of warm with fresh or cooled coolant depending on the temperature at the Measuring point 25 comes about.

Ein Impulsthermometer 27 ist weiterhin nahe dem Austrittsende der Reaktionspassage angeordnet. Die Impulse des Impulsthermometers 27 wirken über eine Leitung 31 auf ein Impulsrelais 32, welches über eine Verbindung 33 das Regulierventil 13 für die Kühlmittelmenge steuert. Dadurch kommt die erfindungsgemäß vorgesehene Regulierung der Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Reaktionsgemisches am Austrittsende der Reaktionspassage automatisch zustande, indem das Regulierventil 13 bei zu hoher Temperatur weiter geöffnet und bei zu niedriger mehr geschlossen wird und damit die dem Kühlmittelaustritt zugeführte Kühlmittelmenge gesteigert bzw. vermindert wird.A pulse thermometer 27 is also located near the exit end of the reaction passage. the Pulses of the pulse thermometer 27 act via a line 31 on a pulse relay 32, which via a Connection 33 controls the regulating valve 13 for the amount of coolant. This brings about the invention intended regulation of the amount of coolant depending on the temperature of the reaction mixture at the outlet end of the reaction passage comes about automatically by opening the regulating valve 13 further when the temperature is too high and when it is closed is closed lower more and thus increases the amount of coolant supplied to the coolant outlet or is reduced.

Fig. 3 zeigt eine Anlage zur Durchführung von exothermen Reaktionen des Typs, bei dem eine Mehrzahl von Kühlpassagen 10a in eine verhältnismäßig große Reaktionspassage 1 α eingelegt ist. Die Bedingungen für den Wärmefluß an jedem Punkt der Reaktionspassage zu dem nächsten Kühlrohr sind somit dieselben, als ob die Reaktionspassage in ebenso viele Teilpassagen 1 α aufgeteilt wäre, wie es Zwischenräume zwischen den Kühlpassagen gibt. Die Strömungsbahn des Reaktionsgemisches wird in diesem Ausführungsbeispiel nur durch den Zulauf 5 a und den Ablauf 7 a angedeutet, kann jedoch selbstverständlich auch in diesem Fall einen Wärmeaustauscher entsprechend dem Wärmeaustauscher 3 gemäß Fig. 2 für die Vorwärmung des Reaktionsgemisches umfassen.Fig. 3 shows a system for carrying out exothermic reactions of the type in which a plurality of cooling passages 10a is inserted into a relatively large reaction passage 1 α. The conditions for the heat flow at each point of the reaction passage to the next cooling tube the same as if the reaction passage were divided into as many partial passages 1α as there are spaces between the cooling passages. The flow path of the reaction mixture in this embodiment is only through the inlet 5 a and the outlet 7 a indicated, but can of course also in this case a heat exchanger accordingly the heat exchanger 3 according to FIG. 2 for preheating the reaction mixture.

Das Kühlmittel wird in diesem Ausführungsbeispiel ganz im Kreislauf geführt, wobei die Kühlmittelpumpe lic· unmittelbar nach dem KühlmittelaustrittIn this exemplary embodiment, the coolant is completely circulated, with the coolant pump lic · immediately after the coolant emerges

90? 759/40190? 759/401

16 α aus dem Kühlmittelraum 10 α angeordnet ist. Die Kühlmittelpumpe 11a pumpt das Kühlmittel durch die Leitung 17 a zu dem Wärmeaustauscher 18 a, in dem das Kühlmittel durch ein Sekundärkühlmittel, z. B. Luft oder Kühlwasser, herabgekühlt wird. Dieses Sekundärkühlmittel strömt von der Leitung 34 durch das Regulierventil 23 a über Leitung 35 zu dem Wärmeaustauscher 18 a und verläßt diesen durch den Auslauf 36. Durch Variation der Menge des Sekundärkühlmittels mit dem Regulierventil 23 α wird also auch die Temperatur des Kreislaufkühlmittels in dem Wärmeaustauscher 18 a reguliert. Das auf die gewünschte Temperatur herabgekühlte Kreislaufkühlmittel verläßt den Wärmeaustauscher 18 α durch die Leitung 12 a. Seine Menge wird mittels des Regulierventils 13 α reguliert, das die gewünschte Menge durch die Leitung 14 a zu dem verschiebbaren Verteilerkopf 38 rezirkulieren läßt, in welchen die mit der Isolierung 26 α umgebenen Rohre 39 einmontiert sind. In diesen Rohren strömt das Kühlmittel durch die Kühlmittelzuläufe 15 α zu den Kühlmittelpassagen 10 α. In diesen Kühlmittelpassagen befinden sich Stäbe 37, um die lineare Geschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen und die Wärmekonvektion zu verhindern.16 α is arranged from the coolant space 10 α. the Coolant pump 11a pumps the coolant through line 17a to heat exchanger 18a, in which the coolant through a secondary coolant, e.g. B. air or cooling water is cooled down. This Secondary coolant flows from line 34 through regulating valve 23 a via line 35 to the heat exchanger 18 a and leaves this through the outlet 36. By varying the amount of secondary coolant with the regulating valve 23 α is also the temperature of the circuit coolant in the Heat exchanger 18 a regulated. The circulation coolant cooled to the desired temperature leaves the heat exchanger 18 α through line 12 a. Its amount is controlled by means of the regulating valve 13 α regulates that the desired amount through line 14 a to the displaceable distributor head 38 can be recirculated, in which the pipes 39 surrounded by the insulation 26 α are installed. In The coolant flows through these tubes through the coolant inlets 15 α to the coolant passages 10 α. In These coolant passages have rods 37 to increase the linear velocity of the coolant and prevent heat convection.

Die automatische Regulierung für die Ventile 23 α und 13 α ist im Prinzip dieselbe wie gemäß Fig. 2, d. h., das nahe der Eintrittszone des Reaktionsraums angeordnete verschiebbare Impulsthermometer 25 a liegt hinter der Induktionszone 6 a. Die Induktionszone existiert in der Fig. 3 kaum, da die verschieb- bare Anordnung, welche den Verteilerkopf 38, das Thermometer 25 α, das mit dem Wärmeschutz 26 α umgebene Rohr 39, den Kuhlmitteleintritt 15 α und die Stäbe 37 umfaßt, in der höchstmöglichen Position gezeichnet sind. Wenn eine längere Induktionszone erwünscht ist, wird die ganze Anordnung nach unten verschoben. Die wärmegeschützte Reaktionszone kann unter der Betriebsperiode erheblich dadurch verlängert werden, daß die Anordnung zusätzlich nach unten in demselben Maß verschoben wird, wie durch Vergiftung od. dgl. die inaktive oberste Katalysatorzone allmählich wächst.The automatic regulation for the valves 23 α and 13 α is in principle the same as in FIG. 2, ie the displaceable pulse thermometer 25 a arranged near the entry zone of the reaction chamber is located behind the induction zone 6 a. The induction zone hardly exists in FIG. 3, since the displaceable arrangement, which comprises the distributor head 38, the thermometer 25 α, the pipe 39 surrounded by the thermal protection 26 α, the coolant inlet 15 α and the rods 37, is as high as possible Position are drawn. If a longer induction zone is desired, the whole arrangement is shifted downwards. The heat-protected reaction zone can be considerably lengthened during the operating period in that the arrangement is additionally shifted downwards to the same extent as the inactive uppermost catalyst zone gradually grows due to poisoning or the like.

Das Impulsthermometer 25 α wirkt über die Leitung 28 α auf ein Impulsrelais 29 α, das seinerseits über die Verbindung 30 α das Regulierventil 23 a für die Kühlmitteltemperatur steuert, während das nahe der Austrittsstelle des Reaktionsraums angeordnete Impulsthermometer 27a über eine Leitung 31 α auf ein Impulsrelais 32 α einwirkt, das seinerseits über die Verbindung 33 σ das Regulierventil 13 a. für die Kühlmittelmenge steuert.The pulse thermometer 25 α acts via the line 28 α on a pulse relay 29 α, which in turn controls the regulating valve 23 a for the coolant temperature via the connection 30 α, while the pulse thermometer 27a located near the exit point of the reaction chamber acts on a pulse relay via a line 31 α 32 α acts, which in turn via the connection 33 σ the regulating valve 13 a. controls for the amount of coolant.

Aus den zwei Ausführungsbeispielen dürfte hervorgehen, daß die automatische Regulierung gemäß der Erfindung unabhängig von der Ausgestaltung des Kühlsystems bei verschiedenen Anlagen ausgeübt werden kann..From the two embodiments it should be apparent that the automatic regulation according to the Invention exercised regardless of the design of the cooling system in different systems can be..

Besonders hervorgehoben soll noch werden, daß bei besonders schwer beherrschbaren Reaktionen oder bei solchen, in welchen die Lage des chemischen Gleichgewichtes keinen. quantitativen Umsatz gestattet, das Reaktionsgemisch ganz oder teilweise im Kreislauf geführt werden kann, eventuell nach Entfernung des gewünschten Produktes. Auch Verdünnung durch Inertgas oder Wasserdampf und andere in der Technik bekannte Mittel zur Herabsetzung der Intensität der Wärmeentwicklung am Katalysator können gleichzeitig mit und unabhängig von der Anwendung vorstehend, beschriebener Erfindung angewandt werden.It should be particularly emphasized that with reactions that are particularly difficult to control or with those in which the position of chemical equilibrium does not exist. quantitative turnover allows that Reaction mixture can be wholly or partially recycled, possibly after removal of the desired product. Also dilution by inert gas or steam and others in technology known means for reducing the intensity of the heat generation on the catalyst can simultaneously with and regardless of the application of the invention described above.

Beispielexample

Nach dem bisherigen Verfahren wurden zur Herstellung von Phthalsäure 150 kg Naphthalin je Stunde mit 30 bis 35 kg Luft je kg Naphthalin bei Reaktionstemperaturen zwischen 360 und 450° C oxydiert. Die abzuführende Reaktionswärme betrug 540000 kcal je Stunde. Die Oxydation wurde in dreitausend quadratischen Rohren durchgeführt, die cm lang waren und einen Querschnitt von mm2 hatten. Die Rohre waren in einer Höhe von cm mit Katalysator gefüllt, so daß der Katalysatorraum im einzelnen Rohr 300 cm3, insgesamt 9001, betrug. Es wurde bei 370° C mit 111 siedendem Quecksilber gekühlt. Die Lebensdauer des Katalysators betrug 9 Monate; die Ausbeute 90 bis 95% des eingesetzten Naphthalins.According to the previous process, 150 kg of naphthalene per hour were oxidized with 30 to 35 kg of air per kg of naphthalene at reaction temperatures between 360 and 450 ° C. to produce phthalic acid. The heat of reaction to be removed was 540000 kcal per hour. The oxidation was carried out in three thousand square tubes which were cm long and had a cross section of mm 2 . The tubes were filled with catalyst at a height of cm, so that the catalyst space in the individual tube was 300 cm 3 , a total of 9001. It was cooled at 370 ° C. with 111 boiling mercury. The life of the catalyst was 9 months; the yield 90 to 95% of the naphthalene used.

Erfindungsgemäß werden die gleichen Ausgangsstoffe in neunzig Rohren von 8 m Länge und 40 mm Durchmesser (1250 mm2 Querschnitt) umgesetzt. Als Kühlmittel wird Luft verwendet. Die Lebensdauer des Katalysators beträgt nach den noch laufenden Versuchen mehr als 18 Monate, die Ausbeute an reiner Phthalsäure 95 bis 100% des eingesetzten Naphthalins. According to the invention, the same starting materials are implemented in ninety tubes 8 m long and 40 mm in diameter (1250 mm 2 cross section). Air is used as the coolant. According to the ongoing tests, the life of the catalyst is more than 18 months, and the yield of pure phthalic acid is 95 to 100% of the naphthalene used.

Claims (3)

Patentansprüche.Claims. 1. Verfahren zum Durchführen exothermer, katalytischer Reaktionen in strömender Gas- oder Flüssigkeitsphase unter Abführen der Reaktionswärme durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, dessen Temperatur und Menge unabhängig voneinander geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum möglichst vollständigen Ausgleich von Temperatarschwankungen während der Reaktion sowohl die Eintrittstemperatur als auch die in der Zeiteinheit .durch die Kühlanordnung in einem von dem Weg der Reaktionsmischung getrennten Kreislauf im Gleichstrom fließende Menge des Kühlmittels (die beiden Variablen) gleichzeitig derart geregelt werden, daß zum Einhalten von. vorausbestimmten Reaktionstemperatur-Sollwerten entlang dem Strömungsweg des Reaktionsgemisches die jeweilige Änderung der Kühlwirkung an einem Rohrende durch Variation der einen Variablen von einer Variation der anderen Variablen gefolgt wird, wobei diese zweite Variation der Störung der Kühlwirkung am anderen Ende des Reaktionsrohres gegenläufig ist.1. Process for carrying out exothermic, catalytic reactions in flowing gas or Liquid phase with dissipation of the heat of reaction through indirect heat exchange with a coolant, the temperature and quantity of which are regulated independently of one another, thereby characterized in that for the most complete possible compensation of temperature fluctuations during the reaction both the inlet temperature and that in the unit of time .by the cooling arrangement in a circuit separate from the path of the reaction mixture, the amount of coolant flowing in cocurrent (the two Variables) are controlled at the same time in such a way that for compliance with. predetermined reaction temperature setpoints along the flow path of the reaction mixture, the respective change in the cooling effect at one end of the pipe followed by a variation of the other variable by variation of one variable, this second variation being the disturbance of the cooling effect is opposite at the other end of the reaction tube. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur in der Nähe des Eintritts der reagierenden Stoffe in die Reaktionszone und die Menge des Kühlmittels in Abhängigkeit von- der Reaktionstemperatur in der Nähe des Austritts der reagierenden Stoffe aus der Reaktionszone vorzugsweise automatisch geregelt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the inlet temperature of the coolant depending on the reaction temperature in the vicinity of the entry of the reacting Substances in the reaction zone and the amount of coolant depending on the reaction temperature in the vicinity of the exit of the reacting Substances from the reaction zone are preferably regulated automatically. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 564 042, 853 441, 241;
Considered publications:
German Patent Nos. 564 042, 853 441, 241;
schweizerische Patentschrift Nr. 145 140;Swiss Patent No. 145 140; Uli mann, Enzyklopädie der technischen Chemie,Uli mann, encyclopedia of technical chemistry,
3. Auflage,, Bd. 1, 1951, S. 267.3rd edition, Vol. 1, 1951, p. 267. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 909 759/401 3.60© 909 759/401 3. 60
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