DE1767034B2 - Reaktionsofen zur durchfuehrung exothermer katalytischer reaktionen - Google Patents

Description

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung

P 17 67 033.6 ist ein Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen, bei dem innerhalb eines Kesselmantels zwischen einer Zu- und einer Ablaufleitung 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, wobei im unteren Teil des Kesselmantels ein Einlaß für den Wärmeträger im flüssigen 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 auch des dampfförmigen Wärmeträgers vorgesehene Durchflußraum beim Einlaß enger ist als beim Auslaß.

Eine solche Ausführung eines Reaktionsofens sichert eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers um die Kontaktrohre, so daß einmal ermittelte physikalische Bedingungen während des gesamten Verfahrens weitgehend aufrechterhalten werden können und damit ein gleichmäßiger und reibungsloser Reaktionsablauf gewährleistet ist

Bei katalytischen Verfahren, zu denen beispielsweise die Oxydation in der Dampfphase gehört, finden im Katalysatorbett mehrere Reaktionen statt, und es ist erforderlich, die durch den Reaktionsofen strömenden Reaktionsprodukte bis zur Reaktionstemperatur zu erwärmen und dann zu kühlen. Es ist dabei zu beachten, daß die Tiefe des Katalysatorbettes in drei Zonen

eingeteilt werden kann, und zwar

(1) die Vorheizzone, in der das Reaktionsgemisch auf die Reaktionstemperatur erwärmt wird

(2) die Reaktionszone, in der die exothermen Reaktionen Wärme erzeugen und

(3) die Lösch- oder Kühlzone, in der die Reaktionen aufhören oder langsamer werden und der Reaktionsfluß gekühlt wird.

Bei der Herstellung von Produkten aus einem

ίο Luft-Alkohol-Gemisch ist es schwierig, die Reaktionsbedingungen, wie Reaktionsgeschwindigkeiten, frei werdende Wärmemengen, erzeugte Gesamtwärme usw. zu berechnen, um das System inathematisch festzulegen und dadurch zu optimieren, denn es finden gleichzeitig mehrere sowohl endotherme als auch exotherme Reaktionen statt Dies trifft insbesondere in Großanlagen zu, da hier mit einer Vielzahl von Kontaktrohren gearbeitet wird, die weit schwieriger zu kontrollieren sind als bei Laboratoriumsbedingungen mit einem einzigen Kontaktrohr oder einer kleinen Gruppe von Kontaktrohren.

Bei dem Reaktionsofen nach der Hauptpatentanmeldung P 17 67 033.6 wird bereits eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers, bzw. Umspülung der Kontaktrohre mit Wärmeträger erreicht, so daß im wesentlichen konstante Bedingungen für den Reaktionsablauf geschaffen werden. Durch einen selbsttätigen Umlauf des Wärmeträgers kann nicht nur die Wirkung des Reaktionsofens verbessert werden, sondem dieser wird auch wirtschaftlicher.

Bei einem aus der DT-PS 8 64 394 bekannten Reakiionsofen wird zum Umlauf des Wärmeträgers ein Fördermittel, z. B. Luft, verwendet, das das Kühlmittel bzw. den Wärmeträger umpumpt. Hierzu ist demnach eine zweite Einrichtung erforderlich, um den Wärmeträger in Umlauf zu setzen.

In anderen bekannten Reaktionsöfen wird eine Pumpe oder ein motorgetriebener Propeller, wie beispielsweise bei der in der US-PS 19 00 382 beschriebenen Anordnung verwendet, um einen Umlauf des Wärnieträgers zu erzielen.

Aufgabe der Weiterbildung des Reaktionsofens nach dem Hauptpatent ist, den Reaktionsofen wirtschaftlicher zu gestalten und so zu verbessern, daß durch einen selbsttätigen Umlauf des Wärmeträgers nach dem Thermosiphonprinzip optimale Bedingungen und damit eine optimale Arbeitsweise im Reaktionsofen erreicht und während des gesamten Reaktionsablaufes aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Reaktionsofen der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kopfende des Überlaufgefäßes über eine Leitung mit einem Kondensator verbunden ist, von dem eine Siphonleitung in das Überlaufgefäß zurückführt und in Höhe des Flüssigkeitsspiegels in diesem Gefäß mündet.

Das Verfahren zur Bildung und Aufrechterhaltung eines selbsttätigen Umlaufs eines verdampfbaren Wärmeträgers verläuft derart, daß der Dampf des Wärmeträgers aus dem Kessel des Reaktionsofens durch einen im wesentlichen waagerecht liegenden Dampfdurchgang, der den Kessel mit dem außerhalb des Kessels liegenden Überlaufgefäß verbindet, in dieses Gefäß eingeleitet, von hier weiter durch eine Kondensationszone geführt und dabei kondensiert wird, der kondensierte Wärmeträger wieder in das Gefäß zurückgeführt und mit der darin befindlichen Flüssigkeit vermischt wird, wobei deren Dichte gegenüber derjeni-

gen der Flüssigkeit im Kessel erhöht und der flüssige Wärmeträger im selbsttätigen Umlauf aus dem Überlaufgefäß in den Kessel zurückgeführt wird.

Durch eine solche Vorrichtung wird der gleichmäßig¹; Umlauf des Wärmeträgers ohne jedes zusätzliche j Hilfsmittel erreicht, und es erfolgt ein optimaler Siedefilmaustausch durch den kontinuierlichen Umlauf des Wärmeträgers, der zudem eine im wesentlichen konstante Temperatur gewährleistet. Die für den selbsttätigen Umlauf erforderliche Kraft und Energie wird lediglich durch den Dichteunterschied zwischen den Flüssigkeiten im Kessel des Reaktionsofens und in dem außerhalb des Reaktionsofens angeordneten Überlaufgefäßes geliefert. Der ergänzende Flüssigkeitsstrom wird insbesondere in der Reaktionszone benötigt. wo der Temperaturunterschied zwischen dem Katalysator oder der Wand der Kontaktrohre und dem diese Kontaktrohre umgebenden Wärmeträger sowie die von der exothermen Reaktion herrührenden zusätzlichen Wärmemengen so sind, daß der Wärmefluß größer ist als durch einen normalen Siedefilm übertragen werden kann. Dies ist auf die Bildung eines Dampffilmes von geringer Wärmeleitfähigkeit auf der Außenseite der Kontaktrohre iurückzuführen. Durch den zusätzlichen Flüssigkeitsstrom wird die Bildung eines Dampffilmes verringert, und der erforderliche Wärmefluß wird aufrechterhalten Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt dies ohne jedes zusätzliche Hilfsmittel. Dabei wird ein ideales Temperaturprofil im gesamten Katalysatorbett aufgebaut und aufrecherhalten, und zwar durch aufstromende Flüssigkeit zwischen den sämtlichen Kontaktrohren auch einer großen Reaktionsofenanlage. Die Wärmeübertragung wird in der gesamten Anlage, aber insbesondere in der Reaktionszone optimiert, wo die gewünschte Menge der YVärmeabgabe pro Flächeneinheit oder Wärmefluß größer ist als durch einen nicht gestützten Siedefilmwert geliefert werden kann. Da in dem Überlaufgefäß außerhalb des Reaktionsofens kondensierte Flüssigkeit eingeführt wird, wird ein wesentlicher Dichteunterschied zwischen der hierin befindlichen und der im Kes.se! des Reaktionsofens lh«findlichen Flüssigkeit geschaffen und auf diese Weise ein Flüssigkeitsumlauf bewirkt, dessen Strömung wesentlich größer ist als diejenige des Kondensats.

Die Erfindung wird anhand ein^s in den Zeichnungen dargestellten Aus.führungsbeispieks näher eriäuten. Es zeigt

Fig. 1 eine waagerechte Schnittarsicht eines Reaktionsofens mit dem zugehörigen Trermosiphon, im wesentlichen entlang der Linie /-/ in F i j. 2 und

F i g. 2 eine Axialschnittansicht, im wesentlichen entlang der Linie 2-2'm F i g. 1.

Der Reaktionsofen 10 besteht aus ein^m zylindrischen Kesselmantel 11, der mit Kopfstützen 13, 14 versehen ist Das obere Kopfstück 13 veist eine Zulaufleitung 15 und das untere Kopfstück 14 eine Auslaßleitung 16 für das Reaktionsprodukt auf.

Der Kesselmantel 11 umgibt eine Vielzahl von Kontaktrohren 17, wobei jedes dieser Rohr' mit Katalysator 17' gefüllt ist. Die Kontaktrohre sind vorzugsweise in einem Kreis mit einem Außenumfang 18 angeordnet (F ig. 1), der exzentrisch zum Kesselimntel 11 eingesetzt ist

Der Kesselmantel U ist ferner mit einem Einlaß 20 für einen Wärmeträger im flüssigen Zustand versehen, der angrenzend an das untere Kopfstück 14 vorgesehen ist. Angrenzend an das obere Kopfstück 13 ist ein Auslaß 21 für den Wärmeträger im dampfförmigen Zustand angeordnet Dieser Auslaß 21 mündet uoer eine Leitung in einem außerhalb des Kessels vorgesehenen Überlaufgefäß 22, dessen Kopfseite über eine Leitung

23 mit einem Kondensator verbunden ist, von dem wiederum eine Siphonleitung 25 in das Überlaufgefäß 22 zurückführt. Vom Boden des Überlaufgefäßes führt eine Rücklaufleitung 24 zu dem Einlaß 20, der im Reaktionskessel mündet Der Kessel des Reaktionsot'ens iO und das daneben angeordnete Überlaufgefäß 22 bilden durch die Verbindungsleitungen kommunizierende Gefäße, so daß vor dem Eintritt der Reaktionsgase durch die Zulaufleitung 15 der Flüssigkeitsspiegel im Kessel der gleiche ist wie im Gefäß 22. Dieser Flüssigkeitsspiegel ist so bemessen, daß im Reaktionskessel ein innerer Dampfraum 27 (F i g. 2) verbleibt. Die Temperatur der Flüssigkeit im Kessel ist die gleiche wie die im Überlaufgefäß 22. Sobald die Reaktionsgase in den Reaktionskessel eintreten, wird die Flüssigkeit im Reaktionskessel bis zur Siedetemperatur erwärmt. Der dabei entstehende Dampf entweicht in den Dampfraum 27 und strömt von hier durch den Auslaß 21 in den oberer« Teil des Überlaufgefäßes 22 und dann durch die Leitung 23 in die Kondensationszone, wo er kondensiert wird. Die hierbei gebildete kalte Flüssigkeit wird durch die Siphonleitung 25 in das Überlaufgefäß 22 zurückgeführt. Hier vermischt sie sich mit der bereits im Überlaufgefäß 22 befindlichen Flüssigkeit, erhöht deren Volumen und kühlt sie unter die Temperatur der Flüssigkeit im Reaktionskessel, wobei die Dichte der Flüssigkeit erhöht wird. Gleicb7eitig wird die Dichte der Flüssigkeit im Reaktionskessel gesenkt, da ihre Temperatur bis zum Siedepunkt erhöht wird und Dampfblasen entweichen, die durch Aufsieigen zur Oberfläche der Flüssigkeit ebenfalls eine deutliche Erniedrigung der Dichte bewirken.

Auf diese Weise gibt es zwei untereinander verbundene Zonen unterschiedlicher Flüssigkeitsdichten, d. h. hohe Flüssigkeitsdichte im Überlaufgefäß 22 und geringe Flüssigkeitsdichte im Reaktionskessel. Da diese unterschiedlichen Flüssigkeitsdichten aufgrund des Flüssigkeitsgewichtes und des Flüssigkeitsoberflächendruckes in den beiden Zonen einen Ausgleich anstreben, erfolgt ein selbsttätiger Umlauf des Flüssigkeitsstromes vom Überlaufgefäß 22 durch die Leitung

24 zum Kessel des Reaktionsofens 10.

Die Geschwindigkeit des selbsttätigen Umlaufes kann durch Erhöhen der Senken des Flüssigkeitsspiegels im Reaktionskessel oder im Überlaufgefäß 22 gesteuert werden. Da die Wirkung des zusätzlichen Spiegels im Reaktionskessel insbesondere wegen der Anwesenheit vom Dampfblasen nicht so groß ist, bewirkt eine Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels einen größeren Unterschied in der scheinbaren Dichte und eine größere Umwälzung der Flüssigkeit vom Reaktionskessel zum Überlaufgefäß 22.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch für größere Anlagen ausgezeichnet zur wirtschaftlichen Herstellung von organischen Aldehyden aus Alkohol, insbesondere von Formaldehyd durch Dampfphasenoxy^ation von Methanol unter Verwendung eines Zweiphasen-Wärmeträgers, wie das bekannte Gemisch aus Diphenyl und Diphenyloxid.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Verfahren, bei dem innerhalb eines Kesselmantels zwischen einer Zu- und einer Ablauflehung 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, wobei im unteren Teil des Kesselmantels ein Einlaß für den Wärmeträger im flüssigen 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 auch des dampfförmigen Wärmeträgers vorgesehene Durchflußraum beim Einlaß enger ist als beim Auslaß, nach Hauptpatentanmeldung P 17 67 033.6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfende des Überlaufgefäßes (22) über eine Leitung (23) mit einem Kondensator verbunden ist, von dem eine Siphonleitung (25) in das Überlaufgefäß (22) zurückgeführt und ir; Höhe des Flüssigkeitsspiegels in diesem Gefäß mündet.