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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Gasphaseprozesse
Es ist bekannt, daß katalytische Gasphaseprozesse, wie z. B. die hydrierende Raffination
von Erdöldestillaten, die Reformierung oder Isomerisierung von Benzinfraktionen,
die Entalkylierung von Aromaten, die Dehydrierung, Hydrocrackung oder Spaltung von
Kohlenwasserstoffen und die Hydrierung von Kohlenoxyd, um so schneller und vollständiger
ablaufen, je größer die zur Verfügung stehende Katalysatoroberfläche, bezogen auf
die Menge umzusetzender Reaktionsteilnehmer, ist.
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Um die Oberfläche für eine gegebene Katalysatormenge zu vergrößern,
wird allgemein eine möglichst geringe Katalysatorkorngröße angestrebt. Einer extra
men Verkleinerung des Katalysatorkorns steht aber der sich dabei stark vergrößernde
Strömungswiderstand des Katalysatorbettes inl Wege. Zur Herabsetzung dieses Widerstandes
wurden Reaktoren entwickelt, in denen, in Strömungsrichtung gesehen, ein möglichst
kurzes und breites Katalysatorbett angeordnet ist. In den modernen heterogenkatalytischen
Gasphas eprozes sen mit Festbettkatalysatoren werden aus diesen Gründen Katalysatoren
mit einer Korngröße von 1,0 bis 0,5 mm in Reaktoren mit einem Länge-BreiteVerhältnis
des Katalysatorbettes bis zu 0,1 1 und darunter angewendet.
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Für die konstruktive Ausführung solcher Reaktoren sind verschiedene
Lösungen bekannt. So gibt es z. B. stehende zylindrische Reaktoren, deren Durchmesser
gleich groß oder größer ist als ihre Höhe und in denen ein vertikal durchströmtes
Katalysatorbett mit einem HöheBreiteVerhältnis von 0,2 bis 0,4 1 angeordnet ist.
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Eine Abart dieser Konstruktion sind die kugelförmigen Reaktoren,
in denen sich im Bereich des größten Querschnittes ein ähnlich dimensioniertes Katalysatorbett
wie in den zylindrischen Reaktoren befindet.
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Eine weitere Lösung stellt der bekannte sogenannte Radialstromreaktor
dar. Er besteht beispielsweise aus einem zylindrischen, mit einem Isolierrohr ausgekleideten
Mantel, aus einem darin koaxial angeordneten zylindrischen, perforierten oder in
anderer Weise als Sieb ausgebildeten Kontaktrohr, dessen Abstand vom Isolierrohr
durch Abstandsrippen oder -nocken bestimmt und so gewählt ist, daß der Strömungswiderstand
dieses von Isolierrohr und Kontaktrohr gebildeten äußeren Ringraumes über die gesamte
Reaktorlänge im Vergleich zum Strömungswiderstand der Katalysatorschicht klein ist,
und aus einem ebenfalls koaxial eingefügten, perforierten oder in anderer Weise
als Siebl ausgebildeten Zentralrohr, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß es den
glei-
chen Strömungswiderstand hat wie der gebildete äußere Ringraum, wodurch. ein
durch zylindrische Siebflächen begrenzter Ringraum entsteht, der den Katalysator
aufnimmt. Das gasförmige Gemisch der Reaktionsteilnehmer tritt an einem Ende durch
das Zentralrohr in den Reaktor ein, gelangt durch die als Sieb ausgebildete Zentralrohrwand
in das Katalysatorbett, durchströmt dieses radial von innen nach außen, tritt durch
das als Sieb ausgebildete Kontaktrohr in den äußeren Ringraum ein, aus dem es an
dem dem Reaktoreingang entgegengesetzten Ende abgezogen wird.
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Ein derart ausgebildeter Radialstromreaktor erlaubt konstruktiv extreme
Länge-Breite-Verhältnisse des Katalysatorbettes. In der Praxis sind jedoch einer
Verkleinerung dieses Verhältnisses auf unterhalb 0,05 : 1 durch die dabei steigenden
Schwierigkeiten der gleichmäßigen Verteilung des Reaktionsgutes auf die gesamte
Katalysatorbettbreite Grenzen gesetzt.
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Ist es nun aus thermodynamischen oder reaktionskinetischen Gründen
wünschenswert, einen Reaktor bzw. ein Katalysatorbett besonders groß zu gestalten,
und ist man andererseits genötigt, unterhalb eines be stimmten maximalen Reaktordurchmessers
zu bleiben und eine möglichst kleine Katalysatorkömung zu verwenden, dann können
sich bei der Ausbildung dieses Reaktors als Radialströmer infolge ungleichmäßiger
Verteilung des Produktstromes im Katalysator die verschiedensten Schwierigkeiten,
z. B. Bildung von
Temperaturnestern, Kanalbildung, Nebenreaktionen
usw., einstellen. Die Ursache für diese Schwierigkeiten liegt darin, daß bei extrem
niedrigem Länge-Breite-Verhältnis der Katalysatorschicht die Druckdifferenz und
damit die lineare Strömuagsgeschwin digkeit im Katalysatorbett extrem niedrig werden,
woraus folgt, daß eine unbeabsichtigte, durch Verschmutzung oder andere Umstände
hervorgerufene zusätzliche örtliche Druckdifferenz an irgendeiner Stelle des Katalysatorbettes,
die in ihrer absoluten Höhe sehr gering, im Vergleich zur Grunddruckdifferenz des
Bettes aber schon beträchtlich sein kann, zu starken Störungen in der Katalysatordurchströmung,
im extremen Falle bis zum völligen Stillstand des Reaktionsgutes an dieser Stelle
führen kann. Die gleiche absolute zusätzliche Druckdifferenz würde sich bei einer
höheren Grunddruckdifferenz nur unbedeutend oder überhaupt nicht auswirken.
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In gleicher Weise wirken sich - im umgekehrten Sinne - negative Abweichungen
von der Grunddruckdifferenz aus.
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Es wurde nun gefunden, daß diese bei Verwendung eines großen Reaktors
auftretenden Schwierigkeiten überwunden werden, wenn der Strom der Reaktionsteilnehmer
innerhalb des Reaktors durch geeignete Vorrichtungen aus seiner Strömungsrichtung
abgelenkt und dadurch gezwungen wird, zweimal nacheinander das Katalysatorbett an
verschiedenen Stellen zu passieren.
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Dies wird erfindungsgemäß in der Weise durchgeführt, daß der Produktstrom
im ersten Teil des Reaktors von innen nach außen geführt, im mittleren Dnttel, vorzugsweise
in der Mitte der axial gemessenen Länge des Katalysatorbettes, aus seiner Strömungsrichtung
abgelenkt und im zweiten Teil des Reaktors von außen nach innen durch den Katalysator
geleitet wird.
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Durch diese Hintereinanderschaltung der ursprünglich parallel geschalteten
beiden Reaktorteile wird z. B. im Falle gleicher Größe dieser Teile die Grunddruckdifferenz
nahezu vervierfacht und die lineare Strömungsgeschwindigkeit im Katalysatorbett
verdoppelt, also der gleiche Effekt erzielt, den man durch Halbierung der Katalysatorbettbreite
bzw. der Reaktorlänge und gleichzeitige Verdoppelung der Bettlänge bzw. des Reaktordurchmessers
erreichen würde.
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Diese Hintereinanderschaltung der zwei Hälften eines Radialstromreaktors
kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Die Zeichnung (Fig. 1, 2 und 3)
stellt beispielsweise Schemata von drei erfindungsgemäßen Ausführungsformen des
Radialstromreaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im senkrechten
Schnitt dar.
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Der Reaktor nach Fig. 1 enthält in der Mitte der axial gemessenen
Länge des Katalysatorbettes 1 im perforierten Zentralrohr 2 eine fest eingefügte
Blindscheibe 3 sowie im Katalysatorbett 1 in gleicher Höhe mit der Blindscheibe
3 einem am Zentralrohr 2 dicht schließenden, horizontal eingebauten, den gesamten
Katalysatorraumquerschnitt bedeckenden Zwischenboden 4. Zweckmäßigerweise ist dieser
Zwischenboden 4 nicht fest eingebaut, sondern lose in das Katalysatorbett 1 eingelegt
und gegen das Zentralrohr 2 und eventuelle weitere vertikale Einbauten, wie z. B.
Thermohülsen, gleitend abgedichtet und gegebenenfalls zwecks Erleichterung der Montagearbeiten
in geeigneter, in Segmente teilbarer Form
ausgeführt, wobei gleichzeitig das Zentralrohr
zwecks einwandfreier Abdichtung zwischen oberem und unterem Teil des Katalysatorraumes
in demjenigen Höhenbereich, der für das infolge Zusammenrüttelns der Katalysatorfüllung
eintretende Gleiten des Zwischenbodens zugelassen ist, als unperforierter Abschnitt
5 ausgebildet ist.
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Der Weg der gasförmigen Reaktionsteilnehmer durch einen derart ausgebildeten
Reaktor ist durch die in Fig. 1 angebrachten Pfeile angedeutet.
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Die Produkte betreten den Reaktor am oberen Ende durch das Zentralrohr
2 und gelangen in diesem bis zur Blindscheibe 3, durchströmen dann den oberen Teil
des Katalysatorbettes 1 radial von innen nach außen, gelangen durch das perforierte
Kontaktrohr 6 in den äußeren Ringraum 7, der mit Reaktorein- oder -ausgang nicht
in Verbindung steht, strömen in diesem abwärts und passieren dabei die Höhe des
Zwischenbodens 4, wonach sie im unteren Teil des Reaktors das Katalysatorbett 1
abermals, jedoch jetzt von außen nach innen, radial durchströmen, um schließlich
den Reaktor am unteren Ende durch das Zentralrohr 2 zu verlassen.
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In gleicher Weise kann der Reaktor auch in umgekehrter Richtung,
d. h. von unten nach oben, durchströmt werden.
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Der Reaktor nach Fig. 2 enthält ebenfalls und in gleichartiger Anordnung
wie der Reaktor gemäß Fig. 1 eine Blindscheibe8 im Zentralrohr, jedoch keinen Zwischenboden
im Katalysatorbett. Die Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen den beiden Reaktorteilen
wird unter Vermeidung eines Kurzschlusses, der zwischen oberem und unterem Zentralrohrteil
durch die Perforation des Zentralrohres hindurch unmittelbar um die Blindscheibe
8 herum eintreten könnte, durch die Blindscheibe und einen sich unmittelbar an diese
anschließenden unperforiert ausgeführten Teilabschnitt 9 des Zentralrohres bewirkt,
wobei sich diese unperforierte Strecke beiderseits oder einseitig an die Blindscheibe
anschließt.
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Zweckmäßig ist die Gesamtlänge dieses unperforierten Teilabschnittes
des Zentralrohres so gewählt, daß der Strömungswiderstand des Katalysatorbettes
auf dem kürzesten Weg zwischen oberem und unterem unperforiertem Zentralrohrteil
genauso groß ist wie der : durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes
auf dem Weg über den äußeren Ringraum.
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Der Fluß der Reaktionsteilnehmer durch einen derart ausgebildeten
Reaktor ist durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet. Er kann ebensogut entgegen der Pfeilrichtung,
also von unten nach oben, erfolgen.
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Der Reaktor nach Fig. 3 enthält kein vom oberen bis zum unteren Ende
durchgehendes Zentralrohr, sondern zwei völlig voneinander getrennten Zentralrohrteile
10 und 11, deren jedes von je einem Ende des Reaktors bis in das mittlere Drittel
der axial gemessenen Länge in das Katalysatorbett hineinragt, wobei die innerhalb
des mittleren Drittels einander gegenüberstehenden Enden 12 der beiden Zentralrohrteile
sich in gleichem Abstand von der Mitte der axial gemessenen Katalysatorbettlänge
befinden und an ihren Stirnseiten perforiert ausgeführt sind, während sich zwischen
diesen beiden Stirnseiten das Katalysatorbett von allen Seiten des Umfanges bis
in die radial gemessene Mitte des Reaktors erstreckt.
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Dabei ist der Abstand zwischen den perforierten Stirnseiten der beiden
Zentralrohrteile so gewählt, daß
der Strömungswiderstand des Katalysatorbettes
auf dem kürzesten Weg zwischen den genannten Stirnseiten genauso groß ist wie der
durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem Weg über den
äußeren Ringraum. Man kann diesen Abstand auch so wählen, daß der Strömungswiderstand
des Katalysatorbettes auf dem kürzesten Weg zwischen den genannten Stirnseiten kleiner
ist als der durchschnittliche Strömungswiderstand des Katalysatorbettes auf dem
Weg über den äußeren Ringraum, wobei gleichzeitig die Perforation der erwähnten
Stirnseiten so ausgeführt ist, daß deren gegenüber dem Widerstand der Perforation
am Umfang des -Zentralrohres erhöhter Strömungswiderstand den gegenüber dem Widerstand
desWeges über den äußeren Ringraum verminderten Strömungswiderstand des Katalysatorbettes
zwischen den Stirnseiten ausgleicht.
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Der Weg der Reaktionsteilnehmer durch einen solchen Reaktor ist aus
den Pfeilen der Fig. 3 erkennbar, wobei er auch in diesem Fall ebensogut entgegen
der Pfeilrichtung gewählt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Verwendung einer der erfindungsgemäßen
Reaktoren ist besonders geeignet für die dritte und bzw. oder vierte Stufe in Festbett-Reformierungsprozessen,
bei denen vorteilhaft mehrere hintereinandergeschaltete Reaktoren steigender Größe
verwendet werden. Da in den letzten Reaktoren dabei aus Gründen reaktionskinetischer,
thermodynamischer und strömungstechnischer Art die Tendenz zur Abscheidung hochsiedender
Substanzen auf dem Katalysator besonders groß ist, wächst damit auch die Tendenz
zu ungleichmäßiger Strömungsverteilung im Katalysator und dadurch zu verstärkter
Bildung und Ablagerung hochsiedender Stoffe an Stellen geringer Strömungsgeschwindigkeit.
Die Aktivität des Katalysators wird hierdurch herabgesetzt, was wiederum die Neigung
zu unerwünschten Vorgängen steigert, so daß sich an einer solchen Stelle Temperatur,
Strömungswiderstand, Ablagerungen und Nebenreaktionen allmählich gegenseitig steigern,
bis es zu ernsten Störungen kommt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und die damit verbundene Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten werden die geschilderten
Schwierigkeiten weitgehend beseitigt.