DE1185590B

DE1185590B - Roehrenofen

Info

Publication number: DE1185590B
Application number: DEB70019A
Authority: DE
Inventors: Dr Guenter Poehler; Dr Anton Wegerich; Dr Otto Goehre; Dipl-Ing Hellmut Giehne
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1962-12-18
Filing date: 1962-12-18
Publication date: 1965-01-21
Also published as: US3285713A; GB1004234A

Description

Röhrenofen Für endotherme katalytische Reaktionen verwendete man früher hohe Schachtöfen mit eingebauten Heizschlangen. Es war sehr schwierig, die für die Reaktion notwendige Wärme in den Ofen einzubringen. Daher waren sehr große Öfen erforderlich, die im Verhältnis zum eingeführten Ausgangsstoff erhebliche Katalysatormengen faßten. Man ging dann zu Röhrenöfen über, bei denen man weniger Katalysator benötigte und wesentlich bessere Raum-Zeit-Ausbeuten erzielte. Damit die zugeführte Wärme bis in das Innere des Katalysatorrohres gelangt, wurden Rohre mit einer kleinen lichten Weite von z. B. 20 bis 60 mm gewählt. In diesen Rohren läßt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreichen. Um eine gute Raumausnutzung des Ofens zu erzielen, werden innerhalb des Ofens sehr viele Rohre, beispielsweise viertausend bis sechstausend, angeordnet. Die Füllung dieser vielen Rohre mit stückigem Katalysator ist mit großen Schwierigkeiten und einem erheblichen Zeitaufwand verbunden, insbesondere auch deshalb, da jedes Rohr nach Möglichkeit die gleiche Menge an Katalysator enthalten und den gleichen Widerstand für die passierenden Dämpfe bieten soll. Bei diesen Röhrenöfen muß man zwecks Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung eine Flüssigkeit, z. B. hochsiedende Öle, Diphenyl u. dgl., verwenden. Auf Grund der Gewichte dieser Füllungen ist eine besonders kostspielige konstruktive Ausbildung des unteren Rohrbodens erforderlich.
Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile bei einem Röhrenofen, insbesondere für die katalytische Dehydrierung paraffinischer und naphthenischer Kohlenwasserstoffe und deren Derivaten, bei dem die umzusetzenden Substanzen durch die mit dem Katalysator gefüllten Rohre, deren Mindestdurchmesser 70 mm beträgt, und das gasförmige Heizmedium im Gleichstrom mit diesen Substanzen durch den Ofenraum geführt werden, vermeiden kann, wenn die Rohre so über den Querschnitt des Ofens verteilt sind, daß der Mittelraum frei von Rohren ist und einen Querschnitt aufweist, der etwa 7 bis 25 0/o des gesamten Ofenquerschnitts ausmacht, wobei über die Höhe des Ofens jeweils abwechselnd im Mittelraum und entlang der Ofenwandung Schikanenbleche für die Umlenkung des gasförmigen Heizmediums angeordnet sind, und wenn das Verhältnis von Rohrdurch messer zu Rohrlänge von 12: 1000 bis 17: 1000 bei einem Rohrdurchmesser von 70 bis 120 mm beträgt.
Vorteilhaft weist der in der Mitte des Ofens von Rohren frei bleibende zylinderförmige Raum einen Querschnitt auf, der etwa 9 bis 20°/o des gesamten Ofenquerschnitts ausmacht.
An den beiden Enden des Ofens ist vorteilhaft jeweils ein Ringkanal für die Zu- und Abführung der Heizgase angeordnet, der mit dem Ofeninneren durch Öffnungen verbunden ist. Die Eintrittsstelle für die Heizgase ist zweckmäßig so ausgeführt, daß der Gasstrom in zwei Teile zerlegt wird, von denen jeder in eine andere Richtung des Ringkanals läuft.
Dies kann beispielsweise durch Anordnung einer Verteilervorrichtung, z. B. in Form eines Schiffsbugs, erreicht werden. Die Öffnungen für den Durchtritt in das Ofeninnere sind zweckmäßig als Schlitze ausgebildet, die sich in der Strömungsrichtung allmählich vergrößern. Der Querschnitt des Ringkanals soll etwa 5 bis 20°/o, insbesondere 7 bis 16 O/o, des Ofenquerschnitts betragen. Die Heizgase werden an dem Ende des Ofens eingeführt, an dem auch die zu behandelnden Substanzen in die mit Katalysatoren gefüllten Rohre eingebracht werden, so daß beide im Gleichstrom den Ofen passieren. Innerhalb des Ofens sind Schikanenbleche angeordnet, damit der Hauptstrom des Heizgases abwechselnd zur Mitte und zur Innenwand des Ofens geführt wird. Hierfür werden im Mittelteil des Ofens Schikanenbleche angeordnet, die zweckmäßig auch so groß sein können, daß sie über den freien Raum hinaus in den mit Rohren versehenen Teil des Ofens hineinragen. Die Schikanenbleche besitzen die Form von geschlossenen oder gelochten Scheiben. Zweckmäßig ist der im rohrfreien Raum angeordnete Teil weitgehend geschlossen, während der über die Rohre hinausragende Teil des Bleches gelocht ist. Die Größe der Scheiben soll vorteilhaft etwa 25 bis 60°/o des Ofenquerschnitts ausmachen. Entlang der Wandung des Ofens sind weitere Schikanenbleche angeordnet, die die Form von an den Wandungen anliegenden Ringen besitzen.
Ihr Querschnitt soll etwa 50 bis 750/0 des Querschnitts des Ofens betragen. Bevorzugt werden solche Bleche, die möglichst viele Löcher aufweisen, deren Durchmesser in Abhängigkeit von der Größe des Ofens etwa 3 bis 10 mm beträgt. Hierdurch wird erreicht, daß nicht der gesamte Gasstrom abgelenkt wird, sondern ein Teil durch die Schikanenbleche strömt. Dadurch werden die toten WinkeI vermieden. Die beiden Arten von Schikanenblechen werden abwechselnd in verschiedenen Höhen angeordnet. Es ist vorteilhaft, die Schikanenbleche so anzuordnen, daß der Heizgasstrom zunächst auf die entlang den Wandungen angebrachten Bleche auftrifft. Die Anzahl der in den Ofen einzubringenden Schikanenbleche richtet sich insbesondere nach der Länge des Ofens. Bei den in der Technik gebräuchlichen Öfen, die etwa 6 bis 15 m lang sind, werden die Bleche in einem Abstand von etwa 50 cm bis 2 m angeordnet.
Am anderen Ende des Ofens ist ein weiterer Ringkanal angeordnet, durch den die Heizgase abgeführt werden. Die Gase werden nach ihrer Aufheizung mittels eines Gebläses zum größten Teil wieder in den Ofen zurückgeführt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Röhrenofens wird die dem Heizmedium innewohnende Wärme gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der einzelnen Rohre verteilt, wodurch ein gleicher Umsatz je Rohr erzielt wird. Hierdurch ist es möglich, gegenüber den bekannten Röhrenöfen den Durchmesser der Röhren größer zu wählen, wobei als Heizmedium an Stelle einer Flüssigkeit ein Gas verwendet werden kann. Die für das Auswechseln der Katalysatoren erforderliche Zeit kann erheblich verkürzt werden. Ferner kann die Zahl der Rohre bei gleichem Reaktionsraum erheblich erniedrigt und die Menge des Katalysators erhöht werden. Je nach Länge des Ofens, die, wie oben bereits erwähnt, normalerweise etwa 6 bis 15m und dessen Durchmesser 1 bis 4 m beträgt, kommt man mit etwa siebzig bis zweihundertfünfzig Rohren aus. Das Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Rohrlänge soll, wie erwähnt, etwa zwischen 12: 1000 und 17: 1000 betragen, wobei der Durchmesser der Rohre vorteilhaft zwischen 7 und 12 cm, insbesondere 8 bis 12 cm, variiert wird. Die Länge der Rohre kann bei den genannten Abmessungen des Ofens zwischen 5 und 12 m variiert werden. Der Abstand der einzelnen Rohre voneinander beträgt 15 bis 60 mm, insbesondere 20 bis 50 mm.
Der erfindungsgemäß ausgestaltete Röhrenofen eignet sich insbesondere für die Dehydrierung von paraffinischen und naphthenischen Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten. Insbesondere eignet sich der Ofen für die Dehydrierung von temperaturempfindlichen Substanzen, wie Alkohole, z. B. Cyclohexanol, Propanol und Butanol. Die Alkohole können praktisch ohne intramolekulare Dehydratisierung in die entsprechenden Ketone übergeführt werden Die Rohre werden hierzu mit an sich bekannten, dehydrierend oder spaltend wirkenden Katalysatoren in Form von Stücken, z. B. Kugeln, Zylindern, Pillen und Kegeln, gefüllt. Sie bestehen aus Metallen der I. bis VIII. Nebengruppe des Periodischen Systems, z. B. Kupfer, Zink, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, insbesondere in Form ihrer Verbindungen, z.B. Oxyde, Phosphate oder Halogenide. Die genannten Katalysatoren kön- nen auf an sich bekannten Trägermaterialien, wie Bimsstein, Kieselsäure, Titanoxyd, Tonerde u. dgl., oder Trägern mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie eisenoxydhaltige Stoffe, insbesondere Bayermasse, aufgebracht sein.
In den F i g. 1 und 2 ist beispielsweise und schematisch ein Röhrenofen dargestellt. In Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch den Ofen und in Fig. 2 ein Schnitt in RichtungA-B wiedergegeben.
Die Heizgase werden durch Rohr 1 nach ihrer Zerteilung in zwei Teilströme durch den schiffsbugförmigen Zerteiler 9 in den Ringkanal 2 eingeführt und gelangen von dort durch die Öffnungen 3 in das Innere des Ofens. Durch die Schikanenbleche 4 werden sie in ihrer Richtung während des Durchganges durch den Ofen mehrmals umgelenkt. Am entgegengesetzten Ende des Ofens werden sie im Ringkanal 5 gesammelt und durch Leitung 6 abgeführt. Die zu dehydrierenden Substanzen werden durch den Stutzein 7 in den Ofen eingeleitet, während das Reaktionsprodukt den Ofen durch das Rohr 8 verläßt.
Beispiel 1 4000 kg eines reinen Cyclohexanols werden stündlich in einem Wärmeaustauscher mit Hilfe der heißen, den Röhrenofen verlassenden Dämpfe und Gase auf etwa 1800 C aufgeheizt und einer mit Raschigringen versehenen Kolonne, die mit einem Umlaufverdampfer verbunden ist, zugeführt. Der Flüssigkeitsspiegel am Boden der Kolonne wird konstant gehalten. 10 kg hochsiedende Anteile werden stündlich aus dem Sumpf entfernt. Die die Kolonne verlassenden Dämpfe werden dann in einen zweiten Wärmeaustauscher, der mit dem direkt aus dem Röhrenofen abziehenden Reaktionsprodukt beheizt ist, geleitet und gelangen mit einer Temperatur von 2600 C in den Röhrenofen. Der Ofen enthält hundertsiebzehn Rohre mit einer lichten Weite von jeweils 100 mm. Der Durchmesser des Röhrenofens beträgt 1,80 m und seine Höhe 9 m. Die Rohre sind jeweils 6 m lang und mit 5 m3 eines Katalysators gefüllt, der aus Bimsstein, auf den 10 Gewichtsprozent metallisches Kupfer aufgebracht sind, besteht. Der Abstand der Rohre voneinander beträgt 30 mm. Die Rohre sind parallel zur Ofenwand angeordnet. Der in der Mitte liegende rohrfreie Raum besitzt einen Querschnitt, der etwa 13 0/o des Ofenquerschnitts ausmacht. Am oberen Ende des Ofens ist ein etwa 1 m hoher Ringkanal angeordnet dessen Querschnitt etwa 10% des Ofenquerschnitts beträgt. In den Kanal werden stündlich 35000 Nm8 3900 C heißer Heizgase eingeführt. In Abständen von jeweils 1,5 m sind abwechselnd entlang den Innenwandungen und im Mittelraum des Ofens Schikanenbleche angeordnet. Der Querschnitt der an den Wandungen angeordneten Schikanenbleche macht jeweils etwa 600/e des Ofenquerschnitts aus. Das in der Mitte des Ofens angeordnete Schikanenblech ist im rohrfreien Raum geschlossen, während der in die Rohrbündel hineinragende Teil der Scheibe mit 5 5mm großen Löchern versehen ist. Die Gesamtgröße der Scheibe beträgt 45°/e des Ofenquerschnitts. Die Geschwindigkeit der Heizgase, deren Strömungsrichtung durch die Schikanenbleche innerhalb des Ofens mehrmals umgelenkt wird, beträgt 6,5 m/sec. Man erhält stündlich 3842 kg eines flüssigen Reaktionsproduktes, aus dem man durch Destillation 2998 kg Cyclohexanon und 734 kg Cyclohexanol gewinnt.
Beispiel 2 Führt man durch einen im Beispiel 1 beschriebenen Ofen unter sonst gleichen Bedingungen stündlich 3000 kg sekundäres Butanol, so erhält man hieraus 2600 kg Methyläthylketon.

Claims

Patentansprüche: 1. Röhrenofen, insbesondere für die katalytische Dehydrierung paraffinischer und naphthenischer Kohlenwasserstoffe und deren Derivaten, bei dem die umzusetzenden Substanzen durch die mit dem Katalysator gefüllten Rohre, deren Mindestdurchmesser 70mm beträgt, und das gasförmige Heizmedium im Gleichstrom mit diesen Substanzen durch den Ofenraum geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren so über den Querschnitt des Ofens verteilt sind, daß der Mittelraum frei von Röhren ist und einen Querschnitt aufweist, der etwa 7 bis 250/0 des gesamten Ofenquerschnitts ausmacht, wobei über die Höhe des Ofens jeweils abwechselnd im Mittelraum und entlang der Ofenwandung Schikanenbleche für die Umlenkung des gasförmigen Heizmediums angeordnet sind, und daß das Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Rohrlänge von 12: 1000 bis 17: 1000 bei einem Rohrdurchmesser von 70 bis 120 mm beträgt.
2. Röhrenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen und unteren Teil des Ofens Ringkanäle, die mit dem Ofeninneren durch Öffnungen verbunden sind, für die Zu-und Abführung der Heizgase angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 542 494; .Ullmann«,
3. Auflage, Bd. 1, S. 909/910.