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Kontaktofen mit Fließbettkatalysator Die vorliegende erfindung befaßt
sich nit den Problem der thermischen Beeinflussung eines als Katalysator bei chemischen
Prozessen mitwirkenden Fließbettes, sei es bei exothermen Prozessen in Form von
Kühlen oder bei endothermen Prozessen in Form von Beheizen.
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In der Literatur sind zwar bereits Öfen beschrieben worden, bei denen
ein Wärmeaustauscher in das Fließbett, also direkt in die Reaktionszone eingebaut
ist, welcher aus eenkrecht und waagrecht angeordneten Rohren besteht, die ein umlaufendes
Kühlmittel führen. Damit war zwar ein Weg gefunden, das Wirbelbett auch bei größerem
Durchmesser des Reaktors thermisch zu beeinflussen, doch hat eine solche Methode
oder Vorrichtung noch so erhebliche Nachteile, daß eie für die groß technische Praxis
oft nicht durchführbar ist, Denn: Einerseit. störten die sowohl senkrecht wie waagrecht
angeordneten Rohre den Strömungsverlauf innerhalb des Bettes, zum anderen konnten
mit einer solchen Einrichtung einzelne überbeheizte und unjterkühlte Zonen
innerhalb
des Bettes nicht vernieden, eine Zwangsläufigkeit und Ausgeglichenheit der Temperierung
des Bettes also nicht erreicht werden0 Schließlich wäre - wenn überhaupt - eine
solche Binrichtung nur bei sehr hohen Betten einsatzfähig.
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Bei einer anderen Ausführung wurde vorgeschlagen, einen Wärmeaustauscher
vor dem Fließbett anzuordnen, einen Teil des Fließbttes hinter der Reaktionazone
abzuzweigen und diesen im Kreislauf außerhalb $des Ofens dem Kühler und von da der
Reaktionszone wieder zu uleiten; der Kühler ist hierbei außerhalb des Ofens angeordnet,
Als Abwandlung dieses Verfahrens schlung nan weiterhin vor, einen Teil des wirbellbettes
aus der Reaktionszone abzuzweigen und die einzelnen partikelchen des Wirbelbettes
nit denjenigen über einen Wärmeaustauscher zu schicken, die in der Schwebezone von
den austretenden Gasen abgeschieden werden können. Diese Fließbett-Partikelchen
werden außerhalb des Bettes und damit der Reaktionszone des Ofens gekühlt und der
Ofen an seiner tiefsten Stelle nit zusätzlicher Druckluft wieder zugeleitet. Die
übrigen Reaktionsteilnehme werden etwa in der Mitte, also oberhalbe der Zuleitung
der gekühlten Bett-partikelchen des verhältnismäßig hohen Ofens zugeführt.
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Diese Einrichtungen haben den großen Nachteil, daß nur jeweils ein
kleiner Teil des i'ließbettes über einen Wärmeaustauscher geleitet wird, so daß
die thernische Beeinflussung eine nur unvollkonnene ist. Dadurch, daß bei allen
diesen Methoden der Wärnieaustauscher vor der Reaktionszone liegt und die Reaktionsteilnehmer
zwischen beiden oder direkt in diese eingeleitet werden müssen, kann die Einleitung
der Reaktionsteilnehmer bei diesen Öfen nicht über Gasverteiler mit hohem Anströmwiderstand
erfolgen, weil das Fließbett ebenfalls durch diese Gasverteiler hindurch bewegt
werden müßte.
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Danach kann von diesen von der Wandkühlung abweichenden Methoden nicht
erwartet werden, daß sie eine intensivere Kühlung des Wirbelbettes erreichen. Sie
fanden deshalb auch keinen Eingang in die Praxis.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet alle diese Nachteile, und zwar
dadurch, daß in einem Kontaktofen mit Fließbettkatalysator zur Durchführung endothermer
oder exothermer Prozesse in der Gasphase zwischen der Reaktionszone und einer dieser
in iftehtung der abziehenden Gase folgenden Abscheidezone für das Fließbett ein
Wämeaustauscher angeordnet ist, durch welchen das Fließbett mit den abziehenden
Gasen hindurchgetrieben wird, wobei Rückleitungen für die abgeschiedenen Bett-Teilchen
in die Reaktionszone vorgesehen sind.
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Diese Rückleitungen brauchen nicht durch dne Wärmeaustauscher zu führen,
doch handelt es sich um eine bevorzugte Lusführungsforin der Erfindung, wenn auch
sie innerhalb des Wärmeaustauschers liegen, bzw. einen Teil des Wärmeaustauschers
bilden, so daß das in die Reaktionszone urückfließende Bett den Wärmeaustauscher
ein zweites Mal durchfließen muß. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, in denen
nur das absinkende Bett durch den Wärmeausutatscher geleitet wird0 Der einschneidende
Unterschied wischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik liegt darin,
daß bei dem bisherigen Verfahren eine zwangsläufige thermische Beeinflussung des
Fließbettes nicht gewährleistet ist, weil stets nur ein Teil des Fließbettes abgekühlt
wird und ein zwingender Austausch zwischen gekühlten und ungekühlten oder erwärmten
und kalten Partikelchen nicht erzielt werden kann, wogegen bei der voxliegenden
Erfindung die unter Druck oder unter Vacuum stehenden Reaktion teilnehmer das gesamte
Bett-durcheinanddewirbelnd-nach oben und durch den Wärmeaustauscher hindurchbewegen,
so daß das Bett in ständigem Kreislauf durch den Wärmeaustauscher bewegt wird, Bin
nicht minder wichtiger Unterschied zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden
Erfindung ist derjenige, daß die thermisch beeinflußten Bettpartikelchen unmittelbar
wieder der Reaktionszone zugeleitet werden0 Da mindestens einer der gasförmigen
Reaktionsteilnehmer unter Druck in den Einlauf des Reaktors eingeleitet
wird,
steht das ganze Gasgemisch unter'einer solchen aufwärtsgerichteten strömung, daß
das Dett aufgewirbelt wird, eine wallende Bewegung ähnlich der einer leicht bis
mittelstark kochenden Flüssigkeit ausführt. Die nach oben steigenden Gase erfahren
beim Verlassen des Bettes durch die Querschnittsver engungen in den aufsteigenden
Rohren eine Beschleunigung, reißen die Bettpartikelchen mit sich und führen sie
durch den Wärmeaustauscher hindurch in die Abscheidezone, wo sie sich vom Bett trennen
und abgeführt werden0 Hierdurch wir4 eine optimale Durchmischung sowohl des Bettes
wie 4ev Reaktionateilnehmer unter sich und mit 4em Bett erzielt, so daß eine gleichmäßige
Temperatur-Verteilung sowqhl über die Höhe wie den Durchmesser innerhalb der Hauptreaktionszone
und des der Hauptreaktionszone benachbarten Teiles des Wärmeaustauschers vorliegt;
diese Zonen sind vorzugsweise einbautenlos.
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Hieraus erhellt, daß die Reaktion einerseits und die thermische Beeinflußung
der Reaktion andererseits äußerst gleichmäßig verlaufen und sehr intenaiv sind.
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Die Höhe der Temperatur der Reaktionszone läßt sich demzufolge durch
entsprechende Demssung der Austauschflächen oder des Umlaufs des Austauschmediums
leicht und äußerst exakt regeln, Als weiterer Vorteil der Erfindung ist noch die
Möglichkeit anuzführen, daß bei Anlaufen eines exothermen Prozesses das Austauschmittel
zuerst als Heizung und nach Anlaufen als Kühlung benutzt werden kann, wenn man die
Temperatur dieses Hilfsmediums entsprechend variiert.
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Obzwar die Erfindung aucL n einem Ofen verwirklicht werden kann9 in
welchem die thermische Beeinflussung des Bettas nur auf einem Weg erfolgt, so. ie.
es zweifellos von besonderem Vorteil, wenn sich das Bett prakt; an im Kreislauf
durch den Wärmeaustauscher bewegt, d.h., nicht nur auf dem Weg aus der Reaktionszone
minaus oder in diese hinein, sondern auf beiden Wegen.
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Dies läßt sich nach einem die Erfindung weiterbildenden Merkmal dadurch
erreichen, daß auf Wärmeausstauscher aus einem das Fließbett und die Reaktionsteilnehmer
abc und das Bett wieder zurückführenden Rohrbündel besteht, das von einem Austauschmedium
umspült ist. Eine solche Konatruktion hat den nicht unerheblichen Vorzug, daß einschließlich
der Bettpartikelchen alle Reaktionsteilnehmer in ihrer Strömungsrichtung, ohne Hindernisse
überwinden zu müssen, aus der Reaktionszone abgeführt werden können, so daß der
Strömungsvrerlauf im Bett nicht gestört wird.
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Sind diese Rohre in ihrem Durchmesser entsprechend bemessen, dann
setzt sich die wallende bzw. kochende Bewegung des Bettes in den Rohren fert. so
daß sin besonders intensiver Wärmeaustausch stattfindet0 Bei einere solchen Konstruktion
ist also sowohl die Hauptresktionszone wie die Austauschzone praktisch ohne Einssuten,
die den Strömungsverlauf im Bett stören könnten. durch entspischende unordnung unter
Ausbildung des Bohrbündels läßt sich erreichen, daß das Pett immer
dieselben
Rohre zum Aufsteigen aus der R Reaktionszone benutzt, so daß der Zwangsuilauf des
Bettes durch den Wärmeaustauscher gewährleistet ist In überraschender Weise hat
es sich nämlich gezeigt, daß bei bestimmter Anordnung dieser Rohre Rückschlagventile
oder ähnliche zusätzliche, die Richtung des Bettflusses steuernde Einrichtungen
nicht benötigt werden. Man braucht nur die Rohre, in denen das Bett mit den Gasen
aufsteigt, an ihrem oberen £nde über die Rückflußrohre un einen geringen betrag
überstehen zu lassen, so daß sich nach tnlaufen des Prozesee der Kreislauf von unten
nach oben und von oben nach unten auch dann zwangsläfig einpendelt, wenn alle Rohre
in der Ruhelage der Einlage mit kontakt teilweise angefüllt sind.
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Die Erfindung offenbart neben einen neuen Kontaktofen auch eine neue
Verfahrenswiese, nämlich in der Form, daß bei eine Verfahren zur Durchführung eines
endothermen oder exothermen Prozesses im Fließbett in der Gasphase, bei welchem
Wärme zur oder abgeführt vird, so vorgegangen wird, daß das Fließbett in Richtung
der abziehenden Reaktionsteilnehmer durch einen Wärmeaustauscher hindurchgeleitet
und danach wieder in die Reaktionszone zurückgeführt wird. Vorzugsweise wird dieses
Verfahren so durchgeführt, daß das PlieLbett durch einen oder meh-oder unter Vacuum
angesaugte rere durckbeaufschlagte Reaktionsteilnehmer von der Reaktionszone über
einen Wä neaustauscher in eine Abscheide zone gedrückt, aort von den Gasen getrennt
und
ider in die Reaktionszone zurückgeleitet wrid; da sich hierbei
in der Regle dos Wärmeaustauscher oberhalb des Fließbettes befindet, kann die Zurückführung
dcs Tließbettes in : die Reationszone mittels der Schwerfkraft der Katalysatorpartikelchen
erfolgen, und zwar wird es vor zugsweise auch auf diesem Rückweg durch den Wärmeaustausc-he-r
geleitet.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen aus dem folgenden Beispiel
hervor, das eine Durchführung der Oxydation von Methanol zu Formaldehyd innerhalb
der Exploisonsgrenzen, also einen besonders extremen Fall der kühlung eines Fließbettes,
darstellt, beschreibt, es zeigen: Bigo 1 einen Längsschnitt durch einen kontaktofen
nach der Erfindung und Fig.2 einen Querschn-itt durch einen Wärmeaustauscher.
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Der Kontaktofen wiest vier Zonen 10 -13 unterschiedlichen Aufgabenbereiches
und Ausbildung auf. Alle Zonen stehen für den Durchsatz gasförmiger Medien leitend
miteinander in Verbindung.
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In die unterste Zone 10 werden bei 100 die gasfömrigen Reaktionsteilnehmer
eingeleitet; dies kann iti Form
eines Mischgases erfolgen, doch
ist es je nach Art des Prozesses auch möglich, die einzelnen Reaktionsteilneh mer
über voneinander getrennte Leitungen in den aammelraum 10 einzuleiten. Diese Zone
10 ist durch eine oiebplatte 2 oder dergleichen von der Reaktionszone 11 getrennt.
Im linken Teil der Zeichnung ist diese Platte 2 als gasdurchlässige Platte aus gesintertem
Material dargestellt, im rechten Teil der Zeichnung als gelochte Siebplatte. Beide
Ausführungsformen sind möglich, jedoch müssen bei der Ausbildung dieser latte 2
als Siebplatte die Bohrungen 20 so fein sein, daß die feinen Partikelchen des aufliegenden
Wirbelbettes, die einen Durchmesser von unter 0+1 mm haben können, nicht nach unten
fallen.
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Die darüberliegend Reaktionszone 11 ist - im Ruhezustand des Wirbelbettes
betrachtet- vollgefüllt mit feinem Kontaktmaterial. Sie ist einbautenlos ausgebildet,
so daß sich in dieser Zone ii eine Strömung nach Art einer leicht bis mittelstark
kochenden Flüssigkeit einstellen kann.
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Das Kontaktmaterial kann je nach Art des durchzuführenden Prozesses
aus einem trägerlosen Katalysator oder auf Trigern aufgebrachtem Kontaktmaterial
üblicher Große, also beispielsweise von etwa 0, - 1 mm bestehen.
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Über die Reaktionszone 11 ist die thermische Beeinflusaungszone 12
angeordnet; sie weist einen Wärmeaustauscher auf, welcher aus einer Anzahl von Rohren,
Taschen oder
dergleichen besteht, von denen ein Teil (Rohre 30)
für die teitung des Bettes nach oben und ein anderer Teil (Rohre 31) für die Zurückleitung
des Bettes aus der Abscheidezone 13 in die Reaktionszone 11 dient. Die Rohre sind
gerade und parallel zur Strömungsrichtung der Reaktionsteilnehmer angeordnet und
von einem Kühl- oder Heizmedium umflossen, welches bei 92 eingeleitet und bei 320
abgeführt wird. Im Regelfall wird dieses Eilfsmedium im Kreislauf geführt, wobei
es außerhalb des Ofens warme aufnimmt oder abgibt.
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Bei diesem Wärmeaustauscher wird also nicht das Kühl-oder Hezimedium
in Rohren geführt, wie dies sonst üblic 1st, sondern die Rohre des Wärmeaustauschers
führen die Reaktionsteilnehmer.
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Die Rohre 30 des Wärmeaustauschers 7 stehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung über den oberen Rand des Wärmeaustauschers 3 bzw. der abwärtsführenden
Rohre 31 hinaus, so daß das durch sie nach oben strömende Fließbett über und in
die Rohre 31 einlaufen kann. Die Rohre 31 ragen mit ihrem unteren Ende in die Reaktionszone
71 hinein, daß die therniach beeinflußten Bettpartikelchen tief in die Reaktionszone
hineinragen, wo sie ihrerseite die gerade an der Reaktion betetligten Bettpartikelchen
thermisch beeinflussen. Auf diese Art wird ein sehr intensive Umlauf des Fließbettes
und eine äußerst exakte Regelung der Temperatur in der Reaktionszone ermöglicht.
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Die EIndrigntiefe der Rohre 31 in die Zone 11 hängt daton ab, wo die
Hauptereaktion sich abspielt; denn das gekühlte Bett soll erfindungsgemäß mögichst
unmittelbar in dieser Zone in das Bett eingeleitet erden.
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Das Gesamtvelumen der Rohre 30 wird in der Regel größer sein als das
Voiumen der Rohre 31, weil mit dem Bett auch die abziehenden Gase durch diese Rohre
nach oben befördert werden0 Eine allgemeine Regel über das Verhältnis ovischen den
aufsteigenden und absinkenden Volumen kann nicht gegeben werden, doch wird das Volumen
der aufsteigenden Raktionsteilnehmere im allgemeinen etwa doppelt so groß sein wie
das des absinkenden Bettes, so daß pro abwärtsführende'm Rohr zwei aufwartsführende
Rohrs vorzusehen sind0 Zweckmäßig werden die Rohre nachdem jeweils richtigen Verhältnis
dosiert und abwechselnd so zueinander angeordnet, daß zwei aufsteigende Rohre neben
einem abwärtsführenden angeordnet sind. Zweckmäßig erfolgt die Anordnung der Rohre
entsprechend dem Grundriß, also kreisförmig bei zylindrischen Öfen und im Rechteck
bei rechteckigen Ofens Das berstehen der aufwärtsführenden Rohre bezweckt ein gutes
Überlaufen des Bettes in die abwärts gerichteten Rohre 9 doch läßt sich dies auch
in anderer Weise bewerkstelligen.
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Wie bereits erwähnt, dient die Zone 13 zur Abscheidung der feinen
Partikelchen des Fließ- oder Wirbelbettes von den abziehenden Gasen. Der Mantel
dieses Gefäßteiles kann sich nach oben konisch erweitern, so daß sich
die
Strönung im erweiterten Querschnitt von selbst beruhigt. Es können aber auch zur
Erzielung der hbscheidung der Betteilchen von den Gasen Einbauten oder der gleichen
vorgesehen sein.
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Ler gesamte Reaktionsmantel kann einstückig hergestellt sein. Zweckmäßig
ist es jedoch, ihn zonenweise herzustellen und die einzlenen Zonen dann miteinander
zu verbinden, wie dis auch in der Zeichnung durch Flansche angedeutet ist. Zur besseren
Auswechselbarkeit der Platte 2 ist es besonders empfehlenswert, die Zonen 10 und
11 in dieser Art voneinander zu trennen. Ebenso vorteilhaft ist es auch, die thermische
Beeinflussungszone als Gesantes herzustellen und dann auf den Mantel der Reaktionszone
aufzusetzen.
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Das erfindungsgemäßt Verfahren spielt sich nun folgendermaben abt
Soll mit einem Reaktor der geschilderten Konstruktion Formaldehyd aus Methanol und
Luft hergestellt werden, dann wird in die Zone 11 ein entsprechender Eatalysator
so eingefüllt, daß er im Ruhezustand die Zone 11 ganz und den unteren Teil der Rohre
des Wärmeaustauschers ausfüllt.
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Numnehr wird beim Anlåssen der Apparatur bei 32 ein wärmeabgebendes
Medium eingeleitet, so daß der Wärmeaustuscher 3 als eizun dient. Dann werden Luft
und Methnaol im bekannten Verhältnis bei 100 eingeleitet,
wobei
insbesondere die luft unter einem solchen Druck steht, daß das DIisehgas das Bett
aufwirbelt und durch die Rohre 30 nach oben führt. Die 1enge der Luft bzw. des Mischgases
soll so groß sein, daß das Wirbelbett nach Art leicht b4 mittelstark kochender Flüssigkeit
durcheinandergewirbelt wird. In diesen Halle fließt es naca Verlassen der Rohre
30 über und über die Rohre 31 in die Reaktionszone 11 zurück. Die feinsten Bestandteile
des Bettes sondern sich in der Zone 13 ab und werden über die Rohre 31 wieder dem
Bett zugeführt. Nach Anlaufen der Apparatur wird das bei 32 zufließende Medium gekült,
so daß es nunmehr bei der exothermen Proxzeßführung als kühlemdium wirkt.
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Die Reaktion findert zum größten Teil in der Zone 11 statt; gegebenenfalls
auch noch zu einem geringeren Teil in dem unteren Teil der Rohre 30, doch wird sie
schon sehr bald nach eintreten des Gemisches in die Röhre 50 durch die intensive
Kühlung abgebremst.
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Das Bett wird aber nicht nur beim Aufsteigen, sondern auch beim Absinken
in die Reaktionozone gekühlt, d.h. auf einer ganz bestimmten Temperatur gehalten,
die zur Durchführung des prozesses geeignet ist, Bei dieser intensiven Kühlung ist
es ahne weiteres möglich, auch in den Bereichen zu arbeiten, in denen örtliche Überhitzungen
möglich bzw. nicht zu vermeiden sind, also beim Arbeiten in der sogenannten Explosionsgrenze,
was bisher bei Festbettkatalysatoren ohne Gefahr nicht möglich war.