DE1767033B2 - Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Verfahren. bei dem innerhalb eines Kesselmantels zwischen einer Zu- und einer Ablaufleiiung für das Reaktionsprodukt eine Gruppe von mit Katalysator gefüllten Kontaktrohren im Abstand von der Mantelwand angeordnet ist und der dabei gebildete Zwischenraum als Durchflußbereich für einen Zweiphasen-Wärmeträger dient, der im Kreislauf über ein außerhalb des eigentlichen Kessels liegendes Gefäß geführt wird.

Bei exothermen katalytischen Verfahren, beispielsweise der Dampfphasen-Oxydation von Alkoholen zu Aldehyden, ist es erforderlich, im Reaktionsofen möglichst gleichmäßige Bedingungen aufrechtzuerhalten, wobei es ferner wichtig ist, das System hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit, der Menge des Wärmeträgers, der Temperatur sowie der Kontaktzeit zu optimieren und so zu steuern, daß die physikalischen Bedingungen während des gesamten Reaktionsablaufes weitgehend gleich bleiben.

Es ist verhältnismäßig leicht, im Laboratorium mit einem einzigen Kontaktrohr oder einer kleinen Gruppe von Kontaktrohren die optimalen Bedingungen zu ermitteln und aufrechtzuerhalten. Dies geschieht entweder durch verstärkten Umlauf eines einzigen flüssigen Wärmeträgers oder durch ein Zweiphasen-System. In der Praxis werden aber eine Vielzahl von parallel angeordneten Kontaktrohren verwendet und die idealen Bedingungen, die im Laboratorium erreicht werden, können wegen der zwangsläufigen Nähe der einzelnen Kontaktrohre zueinander nicht erzielt werden. Es ist aber außerordentlich wichtig, jedes Kontaktrohr den gleichen und während des Reaktionsablaufes gleichbleibenden Bedingungen auszusetzen und zu vermeiden, daß durch höhere Widerstände an einzelnen Kontaktrohren bedingte höhere Siedetemperaturen auftreten, die eine frühere Oxydation hervorru- 6;i fen als in anderen Kontaktrohren.

Bei dem aus der DT-PS 8 64 394 bekannten Reaktionsofen wird ein Fördermittel, beispielsweise Luft verwendet, die durch Rohre eingeleitet wird und das Kühlmittel umpumpt, wobei das Prinzip der Gewichtsminderung von Flüssigkeitssäiilen durch Einbringen von Luft-, Gas- oder Dampfbl;;.sen verwendet wird. Das zum Umpumpen dienende Fördermittel wird nach Durchströmen des Kühlmittel·: durch einen Stutzen abgeführt. Ein Fördermittel für das Kühlmittel ist bei dieser Ausführung eines Reaktioni.ofens crforder lieh, da ohne ein solches der Kreislauf nur in einem bestimmten Bereich des Ofens und nicht in gleichmäßiger Verteilung im gesamten Ofen stattfinden würde. Daraus folgt, daß eine besondere Steuerung für das Fördermittel benötigt wird, die als zusätzliche Maßnahme ebenfalls die Gefahr von Fehlerquellen in sich birgt.

Eine weitere Ausführungsform eines Reaktionsofens ist aus der US-PS 19 00 382 bekannt, wo neben dem Kontaktofen eine Kühlkammer vorgesehen ist, in der das Bad durch einen motorgetriebenen Propeller in Umlauf gebracht wird. Hierzu ist eine in den Kontaktofen hineinführende und eine aus dem Kontaktofen herausführende Leitung vorgesehen. Die Zu- und Ableitungen sind an derselben Seite des Kontaktofens angeordnet. Bei einer solchen Ausführung ist aber die Druck- und damit die Kühlmittelverteilung im Ofeninneren unterschiedlich, und die der Kühlkammer zugekehrten, mit Katalysator gefüllten Rohre sind anderen Reaktionsbedingungen unterworfen als die von der Kühlkammer weiter entfernt liegenden Rohre. Dies wird a-jch durch den Propeller nicht ausgeschaltet.

Es war Aufgabe der Erfindung, einen Reaktionsofen einfacher Bauart zu schaffen, bei dem eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers ohne zusätzliche Einrichtungen gesichert ist und einmal ermittelte physikalische Bedingungen während des gesamten Verfahrens aufrechterhalten werden und damit ein gleichmäßiger und reibungsloser Reaktionsablauf gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Reaktionsofen der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß im unteren Teil des Kesselmantels ein Einlaß für den Wärmeträger im flüssigst! und gegenüber dieses Einlasses im oberen Teil des Kesselmantels ein Auslaß für den Wärmeträger im dampfförmigen Zustand vorgesehen und die Gruppe der Kontaktrohre derart näher am Einlaß als am Auslaß des Kesselmantels angeordnet ist, daß der für den Umlauf und die Verteilung sowohl des flüssigen als amch des dampfförmigen Wärmeträgers vorgesehene¹ Durchflußraum beim Einlaß enger ist als beim Auslaß.

Durch eine derartige exzentrische Anordnung der Kontaktrohre im Reaktionsofen wird eine solche Strömungsverteilung des Wärmeträgers erreicht, daß ein selbsttätiger Ausgleich während des Umlaufs des Wärmeträgers erfolgt. Durch die unterschiedlichen Wege, die der Wärmeträger am Einlaß einerseits und am Auslaß andererseits zurücklegen muß, stellt sich ein Gleichgewicht der Widerstände ein, wodurch gleichzeitig die Durchsatzmenge des Wärnieträgers geregelt wird. Durch entsprechende Bemessung der Raumquerschnitte am Einlaß und am Auslaß kann folglich das System optimiert und die für den Reaktionsverlauf erforderlichen Bedingungen eingestellt werden, die dann während des Reaktionsablaufes konstant bleiben. Der so ausgeführte Reaktionsofen eignet sich auch für große Anlagen zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen, so beispielsweise für die wichtige großtechnische Herstellung organischer Aldehyde aus Alkohol.

Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnun-

gen dargestellten Ausführungsbeispieles naher erlüuiert. Es zeigt

Fig. 1 eine waagerechte Schnittansicht durch einen Mehrröhrenreaktionsofen, im wesentlichen entlang der Linie 1-1 in Fig. 2, und

Fi g. 2 eine Axialschnittansicht du.ch den Reaktionsofen, im wesentlichen entlang der Linie 2 2 ir, Fig. !.

Der Reaktionsofen 10 bestem aus einem zylindrischen Kesselmantel 11, dessen Mitte in Fig. 1 mit 12 bezeichnet ist. Der Kesselmantel 11 weist Kopfstücke 13, 14 auf, von denen das Kopfstück 13 mit einer ZulaufUitung 15 für exotherme Gase und das andere Kopfstück 14 mit einer Ablaufleitung 16 für die Reaktionsprodukte versehen ist.

Im Kesselmaniel 11 ist eine Vielzahl von Kontaktrohren 17 untergebracht, von denen jedes mit einem Katalysatorbett 17' gefüllt ist. Die Kontaktrohre können in einem Kreis mit dem AuBenumfang 18 und dem Mittelpunkt 19 angeordnet sein (Fig. 1). Der Kesselmantel 11 des Reaktionsofens ist ferner mit einem Einlaß 20 für den Wärmeträger im flüssigen Zustand sowie mit einem Auslaß 21 für den Wärmeträger im dampfförmigen Zustand versehen. Der Auslaß 21 ist über eine Leitung mit einem Überlaufgefäß 22 verbunden, von dessen oberen Deckwand eine Dampfablaufleitung 23 zu einem Kondensator führt. Der Einlaß 20 ist im unteren Teil des Kesselmantels 11 angeordnet, während der Auslaß 21 gegenüber dem Einlaß 20, aber im oberen Teil des Kesselmantels 11 vorgesehen ist.

Der Boden des Überlaufgefäßes 22 ist mit einer Rücklaufleitung 24 für Flüssigkeit versehen, die an dem Flüssigkeits-Einlaß 20 angeschlossen ist. Noch eine weitere Flüssigkeitsleitung 25 ist mit der Rücklaufleitung 24 verbunden, die kälteren, flüssigen Wärmeträger vom Kondensator zurückführt.

Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers ist durch den Pfeil 26 angezeigt. Der lotrechte innere Dampfraum ist durch den Abstand 27 angegeben und charakteristische waagerechte Querschnitte von Vertikalbereichen des Raumes zwischen dem Kesselmantel 11 und dem Kreisumfang 18 der Kontaktrohranordnung einschließlich des darüberliegenden Dampfraumes sind durch die Bezugszeichen 28 und 29 verdeutlicht.

Zur Erläuterung wird der Ablauf an Hand eines nahe des Einlasses 20 für den flüssigen Wärmeträger angeordneten Kontaktrohres 17a und eines nahe des Auslasses 21 für den dampfförmigen Wärmeträger angeordneten Kontaktrohres 17h beschrieben. Es ist offensichtlich, daß dann, wenn die Abstände 28 und 29 zwischen Kreisumfang 18 und Kcsselmantel 11 gleich wären und der Mittelpunkt 19 des Kreises mit der Mitte 12 des Kessels des Reaktionsofens 19 zusammenfiele, ein Unterschied zwischen dem Widerstand des das Kontaktrohr 17a verlassenden Dampfstromes und dem Widerstand des das Kontaktrohr 176 verlassenden Dampfstromes auftrage. Der Dampfstrom vom Kontaktrohr 17a müßte nämlich einen weiteren Weg zurücklegen und würde gleichzeitig mit dem Dampfstrom aus den zwischen den Kontaktrohren 17a und 176 liegenden Rohren zusammengebracht. Sowie aber das vereinigte Volumen des Dampfes größer wird, steigt der Widerstand und daher ist es für die gleiche Menge Dampf viel schwieriger das Kontaktrohr 17a zu verlassen als für diejenige, die gleichzeitig aus dem (15 Kontaktrohr 176 heraustritt. Unter den gleichen Bedingungen, wenn kältere Flüssigkeit in den Einlaß eindringt, wird der Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung für das Kontaktrohr 176 größer als für das Kontaktrohr 17«!. Diese Bedingungen treten auf, gleichgültig ob eine oder mehrere Flüssigkeitseinlaß- und Dampfauslaßleitungen vorgesehen sind. Auch wenn der Raum zwischen dem Kesselmantel 11 und dem durch die Anordnung der Kontaktrohre gebildeten Kreis !8 vollständig offengelassen würde, beispielsweise durch eine durchgehende öffnung im Kcsselmantel oder durch Ausdehnen des Mantels, um den Widerstandsunterschied vernachlässigbar zu machen, würde die die inneren Kontaktrohre nahe der Mittelpunkte 12, 19 verlassende Dampf- und Flüssigkeitmenge einem größeren Widerstand begegnen als diejenige, die am Umfang des Kreises der Rohranordnung austritt. Dies hätte zur Folge, daß immer noch in einigen Bereichen des Reaktionsofens ein leichter Unterschied im Dampfund Flüssigkeitsstrom auftreten würde. Außerdem würde durch eine unverhältnismäßige Vergrößerung des Kesselmantels 11 die Flüssigkeitsverteilung durch einen sehr großen Außenraum weiter ungünstig beeinflußt, so daß die Kontaktrohre am Umfang des Kreises 18 kälter wären als diejenigen in der Nähe der Mittelpunkte 12, 19. Auf diese Weise würde der proportionale Umlauf des Wärmeträgers wieder beeinträchtigt werden.

Erfindungsgemäß werden die Schwierigkeiten der Strö-nungsverteihing dadurch ausgeschaltet, daß der Mittelpunkt 19 des Kreises 18, in dem die Kontaktrohre 17 angeordnet sind, seillich vom Mittelpunkt 12 des Kesselmantels 11 in Richtung des Einlasses 20 für den Wärmeträger im flüssigen Zustand und dadurch vom Auslaß 21 für den Wärmeträger im dampfförmigen Zustand weiter weg verschoben wird. Diese exzentrische Anordnung des Kreises 18 in bezug auf den Kesselmantcl 11 hat einen Unterschied im horizontalen Querschnitt des die Kontaktrohre 17 umgebenden Raumes zur Folge, wie durch die Abstände 28 und 29 ersichtlich ist. So ist beispielsweise der Raumquerschnitt bei 29 verhältnismäßig eng, wodurch der Dampfstrom und der gewünschte Flüssigkeilsstrom ebenfalls klein sind. Andererseits ist der Raumquerschnitt 28 verhältnismäßig groß, um in diesem Bereich einen größeren Dampfstrom aufzunehmen. Gleichzeitig wird der durch den Einlaß 20 eintretende flüssige Wärmeträger in den Raum mit dem kleinsten Querschnitt eingeführt, wodurch ein höherer Widerstand auftritt, der es gestattet, daß mehr Flüssigkeit vorzugsweise gegen das Kontaktrohr 176 fließt. Es wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, den Raumquerschnitt so auszubilden, daß eine konstante Geschwindigkeit gewährleistet ist, wodurch an jeder Stelle im gesamten Reaktionsofen ein gleichmäßigerer Widerstand des Flüssigkeits- ur.d des Dampfstromes entgegenwirkt.

Außerdem wurde gefunden, daß durch eine selbsttätige Strömung Vorteile erzielt werden können. Hierbei wird die Größe des Dampfraumes 27 aufrechterhalten, derart, daß der Flüssigkeitsspiegel des Wärmeträgers durch den Auslaß 21 und die daran anschließende Leitung im Überlaufgefäß 22 fortgesetzt wird. Der aus der Kondensationszone zurückgeführt kondensierte Dampf ist verhältnismäßig kalt, und nach Vermischen mit der verhältnismäßig heißen Flüssigkeit im Überlaufgefäß 22 erhöht er die Dichte der durch den Einlaß 20 in den Reaktionsofen eintretenden Flüssigkeit ausreichend, um eine hohe Thermosiphon-Umlaufgeschwindigkeit zu erzeugen. Auf diese Weise wird ein Fördermittel oder eine Umwälzpumpe für den Wärmeträger überflüssig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Verfahren, bei dem innerhalb eines Kesselmantels zwischen einer Zu- und einer Abiaufiehung für das Reaktionsprodukt eine Gruppe von mil Katalysator gefüllten Kontaktrohren im Abstand von der Mantelwand angeordnet ist und dei dabei gebildete Zwischenraum als Durchflußbereich für einen Zweiphasen-Wärmeträger dient, der im Kreislauf über ein außerhalb des eigentlichen Kessels liegendes Gefäß geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Kesselmantels (ti) ein Einlaß (20) für den Wärmeträger im flüssigen und gegenüber dieses Einlasses im oberen Teil des Kesselmantels ein Auslaß (21) für den Wärmeträger im dampfförmigen Zustand vorgesehen und die Gruppe der Kontaktrohre (17) derart näher am Einlaß (20) als am Auslaß (21) des Kesselmantels (il) angeordnet ist, daß der für den Umlauf und die Verteilung sowohl des flüssigen als auch des dampfförmigen Wärmetragers vorgesehene Durchflußraum (28, 29) beim Einlaß (20) enger ist als beim Auslaß(21).