DE1767034C3 - - Google Patents
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- DE1767034C3 DE1767034C3 DE1767034A DE1767034A DE1767034C3 DE 1767034 C3 DE1767034 C3 DE 1767034C3 DE 1767034 A DE1767034 A DE 1767034A DE 1767034 A DE1767034 A DE 1767034A DE 1767034 C3 DE1767034 C3 DE 1767034C3
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- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
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- C07C45/27—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation
- C07C45/32—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen
- C07C45/37—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen of >C—O—functional groups to >C=O groups
- C07C45/38—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen of >C—O—functional groups to >C=O groups being a primary hydroxyl group
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Description
Gegenstand des Hauptpatents 17 67 033 ist elin 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 Rontaktrohren 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 ?u erwärmen und dann zu kühlen. Es ist dabei zu beachten,
daß die Tiefe des Katalysatorbett« 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 mathematisch 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 dem Hauptpatent 17 67 033 wird bereits eine gleichmäßige Verteilung
des Wärnieträgers 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 Reaktionsoiens verbessert werden, sondern dieser
wird auch wirtschaftlicher.
Bei einem aus der DE-PS 8 64 394 bekannten Reaktionsofen 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 Wärmeträgers 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 gleichmäßige Umlauf des Wärmeträgers ohne jedes zusätzliche
Hilfsmittel erreicht, und es erfolgt ein optimaler Siedefilmaustausch durch den kontimCerlichen 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 zurückzuführen. 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 aufströmende Flüssigkeit zwischen den sämtlichen Kontaktrohren auch einer großen Reaktionso/ϊη-anlage.
Die Wärmeübertragung wird in der gesamten Anlage, aber insbesondere in der Reaktionszone
optimiert, wo die gewünschte Menge der Wärmeabgabe 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 Kessel des Reaktionsofens befindlichen Flüssigkeit geschaffen und
auf diese Weise ein Flüssigkeitsumlauf bewirkt, dessen Strömung wesentlich größer ist als diejenige des
Kondensats.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 eine waagerechte Schnittansicht eines Reaktionsofens mit dem zugehörigen Thermosiphon, im
wesentlichen entlang der Linie /-/ in F i g. 2 und
F i g. 2 eine Axialschnittansicht, im wesentlichen entlang der Linie 2-2\n F ig. 1.
Der Reaktionsofen 10 besteht aus einem zylindrischen Kesselmantel 11, der mit Kopfstützen 13, 14
versehen ist. Das obere Kopfstück 13 weist 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 Rohre mit
Katalysator 17' gefüllt ist. Die Kontaktrohre sind vorzugsweise in einem Kreis mit einem Außenumfang
18 angeordnet (F i g. 1), der exzentrisch zum Kesselmantel 11 eingesetzt ist.
Der Kesselmantel 11 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 über 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 Reaktionsofens 10 und das daneben angeordnete Überlaufgefäß
22 bilden durch die Verbindungsleilungen 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 Rüssigkeit 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 d'jrch den Auslaß 21 in den
oberen 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. Gleichzeitig wird die Dichte der
Flüssigkeit im Reaktionskessel gesenkt da ihre Temperatur bis zum Siedepunkt erhöht wird und Dampfblasen
entweichen, die durch Aufsteigen 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 Flüs^igkeitsstromes
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 Dampfphasenoxydation
von Methanol unter Verwendung eines Zweiphasen-Wärmeuägers, wie das bekannte Gemisch
aus Diphenyl und Diphenyloxid.
Claims (1)
- Patentanspruch:Reaktionsofen zur Durchführung exothermer katalytischer Verfahren, 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 Gi tippe 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 Hauptpatent 17 67 033, 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 (Zl) zurückgeführt und in Höhe des Flüssigkeitsspiegels in diesem Gefäß mündet.
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