DE1767347A1 - Tube reactor for catalytic reactions - Google Patents

Tube reactor for catalytic reactions

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DE1767347A1 DE19681767347 DE1767347A DE1767347A1 DE 1767347 A1 DE1767347 A1 DE 1767347A1 DE 19681767347 DE19681767347 DE 19681767347 DE 1767347 A DE1767347 A DE 1767347A DE 1767347 A1 DE1767347 A1 DE 1767347A1
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Description

B e s c h r e i b u n g "Röhrenreaktor für katalytische Reaktionen" Die Erfindung betrifft einen Röhrenreaktor für katalytische Reaktionen sowie chemische Verfahren. die mit Hilfe solcher Reaktoren durchgeführt werden.R e ctio n g "Tubular reactor for catalytic reactions" The invention relates to a tubular reactor for catalytic reactions as well as chemical ones Procedure. which are carried out with the help of such reactors.

@hemische Reaktionen werden oft unter kontinuierlichem 1)urchleiten der Reaktionsteilnehmer in einem Reaktor mit festem kataLytisch wirksamen Material durchgeführt.Chemical reactions are often carried out under continuous 1) the reactants in a reactor with solid catalytically active material carried out.

Die chemische Reaktion findet an dem festen Katalysator statt und es kann Wärme aus dem den katalysator enthaltenden Berci@l entwickelt oder absoroiert werden, wobei entsprechende Temperaturänderungen verursacht werden.The chemical reaction takes place on the solid catalyst and heat can be developed or absorbed from the berci @ l containing the catalyst be, with appropriate Temperature changes are caused.

Für die meisten chemischen Reaktionen gibt es in jedem Reaktorbereich optimale Bedingungen von Druck und Temperatur für die Reaktionsteilnehmer, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit und die Konzentration des gewünschten Produkts optimal oder wenigstens vertretbar sind. Bei einer katalytisch ablaufenden chemischen Reaktion ist es zwar möglich, den Druck der Reaktionsteilnehmer einigermaßen gut zu regeln, jedoch ist die Temperaturregelung schwieriger, da Wärme auf jeden das katalytische Material enthaltenden Bereich übertragen oder aus diesem abgezogen werden muß bei einer Geschwindigkeit, daß unter optimalen Bedingungen die Temperatur jedes Bereichs auf der optimalen Temperatur entsprechend der örtlichen Konzentration der Reaktionsteilnehmer und der Produkte gehalten wird.For most chemical reactions there are in every reactor area optimal conditions of pressure and temperature for the reactants at which the reaction rate and the concentration of the desired product optimal or are at least justifiable. In the case of a catalytic chemical reaction it is possible to regulate the pressure of the reaction participants reasonably well, however, temperature control is more difficult because heat is the catalytic one Material containing area must be transferred or withdrawn from it a rate that, under optimal conditions, the temperature of each area at the optimal temperature according to the local concentration of the reactants and the products are held.

Bei bekannten, festen teilchenförmigen Katalysator enthaltenasen Reaktoren wurde die Temperaturregelung in verschiedener Weise durchgeführt. Bezüglich exothermer Reaktionen können diese Temperaturregelungsverfahren wie folgtzusammengefaßt werden: 1) Der Reaktor wird ausreichend gekühlt, um die Reaktionstemperatur zwangsläufig auf die optimale Temperatur im Bereich der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit (der heißen Stelle") zu Dringen, Dies hat zur Folge, daß die Temperatur in anderen Bereichen des Reaktors unter dem örtlichen Optimum liegen kann und der Reaktor unnötig groß sein muß. Außerdem sind derartige Reaktoren empfindlich gegenüber Xnderungen der Reaktionsteilnehmer und kleine Abweichungen bei den Bedingungen der Reaktionsteilnehmer können zu großen Änderungen der örtlichen Temperaturen und der Konzentrationen der Produkte führen.In known solid particulate catalysts, bases contain reactors temperature control was carried out in various ways. Regarding exothermic Reactions, these temperature control methods can be summarized as follows: 1) The reactor is cooled sufficiently to necessarily keep the reaction temperature to the optimal temperature in Maximum response speed range (the hot spot ") to penetrate, this has the consequence that the temperature in others Areas of the reactor can be below the local optimum and the reactor unnecessary must be big. In addition, such reactors are sensitive to changes of the reactants and small deviations in the conditions of the reactants can cause large changes in local temperatures and concentrations of the Lead products.

Z.B. wurde in Journal of the American Institute of Chemical Engineers, Band 2, 1956, Seite 117 ff. ausgeführt, daß eine exotherme katalytische Reaktion erster Ordnung, die in einem Röhrenreaktor mit einer Eingangstemperatur von 340°K durchgeführt wird, unter den Ee-Bedingungen k1=3,94 x 1012exp(-11,400 400 und 4h = -0,2 DdB #H 146 (kl = Reaktionsgeschwindigkeitkonstante, h = Wärmeür rgangskoeffizient über die ganze Reaktorwand, D = Reaktordurchmesser, d = Schüttgewicht des Katalysators im Bett, = = Reaktionswärme pro Mol und T = Temperatur, in c.g.s.-Einheiten) oei einer Temperatur der Reaktorwand von 336°K die Maximaltemperatur im Bett etwas größer als 3400K ist, jedoch bei einer Wandtemperatur, die auf 3380K erhöht wird, die Maximal temperatur im Bett auf etwa 4200K ansteigt.E.g. in Journal of the American Institute of Chemical Engineers, Volume 2, 1956, page 117 ff. Stated that an exothermic catalytic reaction first order in a tubular reactor with an inlet temperature of 340 ° K is carried out under the Ee conditions k1 = 3.94 x 1012exp (-11.400 400 and 4h = -0.2 DdB #H 146 (kl = reaction rate constant, h = heat transfer coefficient over the entire reactor wall, D = reactor diameter, d = bulk density of the catalyst in bed, = = heat of reaction per mole and T = temperature, in c.g.s. units) oei a temperature of the reactor wall of 336 ° K the maximum temperature in bed is slightly higher than 3400K, but with a wall temperature that is 3380K is increased, the maximum temperature in the bed rises to about 4200K.

2) Der gleiche Reaktor wird in eine Anzahl kleinerer in Serie hintereinander geschalteter Unterreaktoren aufgeteilt und jeder Unterreaktor wird adiabatisch betrieben. Die Reaktionsprodukte in jedem Unterreaktor werden durch Wärmeaustausch indirekt oder direkt unter Zumischen von zusätzlichem kaltem Ausgangsmaterial (cold-shot) gekühlt, bevor sie in den nächsten Unterreaktor überführt werden. Da die Temperatur der Reaktionsteilnehmer in ungeregelter Weise durch jeden Unterreaktor hindurch schwankt, wurde diese Anordnung für Reaktionen verwendet, bei denen die Temperaturfolge nicht sehr wichtig ist.2) The same reactor is built in a number of smaller ones in series switched sub-reactors and each sub-reactor is operated adiabatically. The reaction products in each sub-reactor become indirect through heat exchange or directly with the addition of additional cold starting material (cold-shot) cooled before they are transferred to the next sub-reactor. Because the temperature the reactant in an unregulated manner through each sub-reactor fluctuates, this arrangement was used for reactions in which the temperature sequence is not very important.

5) Der Reaktor ist röhrenrörmig ausgebildet und besitzt einen Mantel für den Wärmeaustausch, wobei das katalytische Material in dem Mantel angeordnet ist. Die Reaktionsteilnehmer werden durch die Röhren in den Mantel eingeleitet und die Produkte aus dem Mantel in Gegenstrom zu den Ausgangsstoffen abgezogen. Dieser Reaktor ermöglicht eine ansteigende Temperaturdifferenz zwischen den Ausgangsstoffen in den Röhren und den Produkten in dem Mantel, während die Produkte sich dem Ausgang nähern wobei reversible exotherme Reaktionen etwas günstiger durchgeführt werden können, jedoch die Temperaturregelung der Produkte ziemlich kritisch von der Fließgeschwindigkeit durch den Reaktor abhängt. Diese Anordnung ist daher relativ wenig anpassungsfähig, wenn Durchsatzänderungen angestrebt werden.5) The reactor is tubular and has a jacket for heat exchange, wherein the catalytic material is arranged in the jacket is. The reactants are introduced into the jacket through the tubes and the products are drawn off from the jacket in countercurrent to the starting materials. This The reactor enables an increasing temperature difference between the starting materials in the tubes and the products in the jacket while the products approach the exit whereby reversible exothermic reactions are carried out somewhat more favorably However, the temperature control of the products can be quite critical of the flow rate through the reactor depends. This arrangement is therefore relative Not very adaptable if changes in throughput are sought.

4) Das katalytische Material wird durch die Ausgangsstoffe und Produkte in einer Wirbelschicht gehalten. Die Temperatur im Reaktor kann dann insgesamt ziemlich einheitlich sein, jedoch kann die Verweilzeit im Reaktor sehr breit verteilt sein, was eine schlechte Selektivität zur Folge hat; wenn Konkurrenzreaktionen statfinden. Au#erdem muß ein abriebfestes katalytisches Material verwendet werden und es wird einiger Katalysator während der Durchführung des Verfahrens verlorengehen.4) The catalytic material is created by the raw materials and products kept in a fluidized bed. The overall temperature in the reactor can then be quite be uniform, but the residence time in the reactor can be very broadly distributed, which results in poor selectivity; when competitive reactions take place. Also, an abrasion resistant catalytic material must be used and it will some catalyst is lost during the execution of the process.

Erfindungsgemäß wird die gewünschte Temperaturverteilung in einen Röhrenreaktor für katalytische Umsetzungen dadurch erreicht, daß das katalytische Material in FlieX-@ichtung der Reaktionsteilnehmer derart verteilt wird, aaL in jedem Reaktorabsehnitt die vorhandene Katalysatormenge ausreicht, da# die geMschte Temperatur im stationUren Zustand, die sich aus zeitz @omcurrierenden Geschwindigkeiten der Wärmeerzeugung (oder Wärmeabsorption) und des Wärmeübergangs in dem jeweiligen Reaktorabschnitt ergibt, erreicht wird. Dementsprechend wird die Menge an festen Katalysator pro Volumeinheit des Reaktors z. B. durch Vermischen des Katalysators mit katalytisch inertem teilchenförmigen festen Material eingestellt, indem beispielsweise Katalysatorpellets mit ähnlichen Pellets des inerten Materials gemäß der vorbestimmten Verteilung vermischt wird, damit das gewUnschte Temperaturprofil im Reaktor erreicht wird.According to the invention, the desired temperature distribution is in a Tubular reactor for catalytic conversions achieved in that the catalytic Material is distributed in the flow direction of the reactants, aaL in the amount of catalyst present in each reactor section is sufficient to Temperature in the steady state, resulting from time-changing velocities the Heat generation (or heat absorption) and heat transfer in the respective reactor section results is achieved. Accordingly, the amount of solid catalyst per Unit volume of the reactor z. B. by mixing the catalyst with catalytic inert particulate solid material adjusted by, for example, catalyst pellets mixed with similar pellets of the inert material according to the predetermined distribution so that the desired temperature profile is achieved in the reactor.

Da die Reaktionsgeschwindigkeit einer katalysierten Reaktion pro Volumeinheit des Reaktorraums von der Menge Katalysator pro Volumeinheit abhängt, wird die gewUnschte Temperatur in jedem Abschnitt des Reaktors dadurch erzielt, daß das katalytische Material in diesen Bereichen in solcher Menge eingebracht wird, daß die infolge der Reaktion erzeugte oder verlorene Wärme im wesentlichen ausgeglichen wird durch die Wärme, die oei der gewünschten Temperatur in diesen Bereich übergeht oder aus diesem Bereich abgeführt wird.As the reaction rate of a catalyzed reaction per unit volume of the reactor space depends on the amount of catalyst per unit volume, the desired Temperature in each section of the reactor achieved by the catalytic Material in these areas is introduced in such an amount that the as a result the heat generated or lost in the reaction is substantially offset by the heat that passes into or out of this area at the desired temperature this area is discharged.

Während nach der bisherigen Praxis die Temperatur bei einer katalytischen Reaktion durch Regeln der WErmeUbergangsgeschwindigkeit aus jeder Reaktionszone eingestellt wurde, wird erfindungsgemäß die Temperatur durch eine Regelung der neaktionsgeschwindigkeit der Reaktionsteilnehmer pro Volumeinheit eingestellt, indem der Katalysator mit inertem Material in Teilchenform in der notwendigen Menge vermischt wird.While according to previous practice, the temperature at a catalytic Reaction by regulating the rate of heat transfer from each reaction zone has been set, the temperature is according to the invention by a control the The reaction rate of the reactants per unit volume is set by the catalyst is mixed with inert material in particulate form in the necessary amount will.

Das VerdUnnungsmaterial in jedem Reaktorbereich dient ebenfalls zur Wärmetibertragung auf das katalytische Material oder von diesem weg im betreffenden Bereich, so daß im wesentlichen die gewünschte Temperatur während des Verfahrensablaufs über den Querschnitt des Katalysatorbetts beibehalten wird, senkrecht zur Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer gemessen.The dilution material in each reactor area is also used for Heat transfer to the catalytic material or away from it in the relevant Range so that essentially the desired temperature during the process flow is maintained across the cross section of the catalyst bed, perpendicular to the direction of flow of the respondents measured.

Die Bezeichnung"Bettn wird zur Bezeichnung von Anordnungen verwendet, bei denen der feste teilchenförmige Katalysator allein oder mit Verdtinnungsmaterial in eine Zone gepackt wird oder auch für Anordnungen, bei denen das katalytische Material allein oder mit Verditnnungsmaterial in einer Reihe im Abstand voneinander angeordneten getrennten Zonen angeordnet ist, s. B. in einer Anzahl voneinander entfernten Böden im Reaktor.The term "bed is used to denote arrangements, where the solid particulate catalyst alone or with diluent material is packed in a zone or for arrangements in which the catalytic Material alone or with thinning material in a row at a distance from each other arranged separate zones, e.g. in a number of one another remote floors in the reactor.

Die Verteilung des katalytischen Materials im Reaktor kann in der allgemeinen Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer durch den Reaktor schwanken, so daß im wesentlichen das gewünschte Temperaturprofil im Reaktor während des Arbeitens in dieser Richtung erreicht werden kann.The distribution of the catalytic material in the reactor can be in the general direction of flow of the reactants through the reactor fluctuate, so that essentially the desired temperature profile in the reactor during of working in this direction can be achieved.

Außerdem kann die Verteilung des katalytischen Materials in Querrichtung zur allgemeinen Fließrichtung der Reaktionsteinehmer schwanken, so daß im wesentlichen ein gewünschtes Temperaturprofil bei der Durchführung des Verfahrens in Querrichtung zur Strömungsrichtung erzielt wird.In addition, the distribution of the catalytic material can be in the transverse direction to the general direction of flow of the reaction stones fluctuate, so that essentially a desired temperature profile when performing the method in the transverse direction to the direction of flow is achieved.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Bett aus einer Anzahl von Böden bestehen, auf denen das katalytische Material abgelagert und verteilt ist, und die Böden können in der allgemeinen Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer im Abstand voneinander angeordnet sein.According to another embodiment of the invention, the bed can be made from consist of a number of floors on which the catalytic material is deposited and is distributed, and the trays can flow in the general direction of flow of the reactants be arranged at a distance from each other.

Vorzugsweise wird die Erfindung auf Reaktoren angewendet, die über eine Kühlung an der Wand verfügen, jedoch kann in Einzelfällen der Reaktor mit einem äußeren ringförmigen Raum mit Isoliermaterial versehen sein, wie mit einer engen gasgefüllten Spalte, die die Reaktorwand von einem Mantel trennt, der ein Wärmeübertragungsmedium enthält, z. B. einem Dampfmantel, womit der Reaktor auf hoher Temperatur gegenüber der des Dampfmantels gehalten werden kann, der Druck im Reaktor jedoch zweckentsprechend niedrig gehalten werden kann.Preferably, the invention is applied to reactors that have have a cooling on the wall, but in individual cases the reactor can be equipped with a outer annular space must be provided with insulating material, such as a narrow one gas-filled column that separates the reactor wall from a jacket that contains a heat transfer medium contains, e.g. B. a steam jacket, which means that the reactor is at a high temperature that of the steam jacket can be held, the pressure in the reactor however, can be kept appropriately low.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein Beispiel für die theoretische Durchrechnung eines Röhrenreaktors mit Strömungsregelung im folgenden angeführt.To explain the invention in more detail, an example of the theoretical Calculation of a tube reactor with flow control listed below.

In diesem Beispiel wird angenommen, daß der Wärmeübergangswiderstand an der Reaktorwand konzentriert ist und durch einen äquivalenten Gesamtwärmeübergangskoeffizienten ausgedrückt werden kann. Im Beispiel wird ferner angenommen, daß im Reaktor keine radialen Temperaturgradienten vorliegen. Dies trifft im wesentlichen zu bei hohen Fließgeschwindigkeiten der Reaktionsteilnehmer durch Reaktoren von kleinem Xquivalenzdurchmesser, da die radiale Äquivalenzleitfähigkeit innerhalb des Reaktors proportional durch Fließgeschwindigkeit ist, während der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Bett und der Reaktorwand proportional der Wurzel aus der Fließgeschwin digkeit ist, Ü:er eine differentiale Länge des Reaktors, indem die Fließgeschwindigkeit der Ausgagsstoffe und Produkte, bezogen auf deren asa, gleich F ist, ergibt sich ein Wärmegleichgewicht gemäß F.Cp .dT = F (-#H) dx + h(Tw - T) dA ........... (1), worin dT die Temperaturdifferenz ist, die durch den Umsatz dx hervorgerufen wird, Cp die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Materials ist, T die Temperatur an einem allgemeinen Ort darstellt, Tw die Wandtemperatur des Reaktors ist, h der Wärmeübergangskoeffizient an der Reaktorwand ist, dA die Fläche der differentialen Länge der Reaktorwand bedeutet und IH die Reaktionswärme ist.In this example it is assumed that the heat transfer resistance is concentrated on the reactor wall and by an equivalent total heat transfer coefficient can be expressed. In the example it is also assumed that none in the reactor radial temperature gradients exist. This is essentially the case at high Flow rates of the reactants through reactors of small equivalent diameter, because the radial equivalent conductivity within the reactor is proportional to Flow rate is while the heat transfer coefficient between the bed and the reactor wall is proportional to the root of the flow velocity, Ü: er a differential length of the reactor by dividing the flow rate of the starting materials and products for which asa is F, a thermal equilibrium results according to F.Cp .dT = F (- # H) dx + h (Tw - T) dA ........... (1), where dT is the temperature difference caused by the conversion dx, Cp the specific heat at constant pressure of the material, T is the temperature at one represents general location, Tw is the wall temperature of the reactor, h is the heat transfer coefficient on the reactor wall, dA means the area of the differential length of the reactor wall and IH is the heat of reaction.

Für einen Reaktionsteilnehmer A, dessen Molenbruch in der Einspeisung gleich NAO ist, ergibt das entsprechende Massengleichgewicht rdw = FNAodXA (2), worin w die Masse an Katalysatormaterial pro Volumeneinheit ist und XA der Umsatzbruchteil des Reaktionsteilnehmers A ist.For a reactant A whose mole fraction is in the feed equals NAO, the corresponding mass equilibrium results in rdw = FNAodXA (2), where w is the mass of catalyst material per unit volume and XA is the fraction of conversion of reactant A is.

Wenn erfindungsgemäß die Masse w an Katalysatormaterial verteilt wird, z.B. durch Zumischen eines Verdünnungsmaterials, und dabei ein Gesamtgewicht W erhalten wlrd, so daß der Verdünnungsfaktor Rt des Katalysatormaterials dargestellt wird durch R' = W, so wird Gleichung (2) zu w rdW = FNAO dXA = rdBdV ........... (3), R R' worin dß das Schtlttgewicht des Katalysatormaterials und des Verdünnungsmaterials in einer differentialen Länge des Reaktors ist und dV das Volumen der differentialen Reaktorlänge darstellt.If, according to the invention, the mass w of catalyst material is distributed, e.g. by admixing a diluent material, thereby obtaining a total weight W. wlrd, so that the dilution factor Rt of the catalyst material is represented by R '= W, then equation (2) becomes w rdW = FNAO dXA = rdBdV ........... (3), R R 'where dß is the bulk weight of the catalyst material and the Diluent material in a differential length of the reactor and dV is the volume represents the differential reactor length.

Für einen Röhrenreaktor des Durchmessers D gilt dV = D dA ........... (4).For a tube reactor of diameter D, dV = D dA ........... (4).

Durch Einsetzen der Gleichungen (3) und (4) in die Gleichung (1) ergibt sich und daraus wegen dx = NAo.dXA Beim isothermen Arbeiten ist dT = O und Gleichung (5) wird A zu r, = 4h (Tw - T) = konstant ............... (6) R #H.D.dB woraus sich ergibt, daß die Verteilung des Katalysatormaterials im Reaktor derart sein muß, daß die Reaktionsgeschwindigkeit pro Volumeinheit des Reaktorraums durch die Reaktorlänge die gleiche ist.Substituting equations (3) and (4) into equation (1) gives and from this because of dx = NAo.dXA When working isothermally, dT = O and equation (5) becomes r, = 4h (Tw - T) = constant ............... (6) R #HDdB from which results that the distribution of the catalyst material in the reactor must be such that the reaction rate per unit volume of the reactor space is the same through the length of the reactor.

Durch Kombination der Gleichungen (3) und (6) ergibt sich und daraus wobei e die Entfernung des Reaktoreingangs des betroffenen Reaktorabschnitts bedeutet und L den Reaktorausgang bezeichnet.Combining equations (3) and (6) gives and it where e denotes the distance from the reactor inlet of the reactor section concerned and L denotes the reactor outlet.

Für eine katalytische Reaktion der ersten Ordnung mit einer Reaktionsgeschwindigkeitskonstante kl ist r = k1 NAO (1-XA) (9) Durch Einsetzen der Gleichung (9) in Gleichung (8) erhält man Wenn klWL = NR (Anzahl der Reaktoreinheiten) und R' = 1 F fürt = L ergibt sich was das gleiche Ergebnis ist, wie es durch die Kinetik einer Reaktion erster Ordnung in einem kontinuierlich gerührtem Tankreaktor erhalten wird. Wird die Gleichung (11) in Gleichung (10) eingerührt, so erhält man wodurch die Art und Weise angegeben wird, in der das Katalysatormaterial als Funktion der Reaktorlänge verteilt werden mu#, wenn unverdun@tes Katalysatormaterial am Reaktorausgang vorgeseher, ist Am Reaktoreingang ist t/L = 0.For a first order catalytic reaction with a reaction rate constant kl, r = k1 NAO (1-XA) (9) Substituting equation (9) into equation (8), one obtains If klWL = NR (number of reactor units) and R '= 1 F fort = L results which is the same result as obtained by the kinetics of a first order reaction in a continuously stirred tank reactor. If equation (11) is introduced into equation (10), one obtains which specifies the manner in which the catalyst material must be distributed as a function of the reactor length, if undiluted catalyst material is provided at the reactor outlet, t / L = 0 at the reactor inlet.

Aus Gleichung (12) ergibt sich, daß wenn XAL = 0,5, R' 2 ist und wenn XAL = 0,9, R' = 10 ist.From equation (12) it follows that when XAL = 0.5, R 'is 2 and when XAL = 0.9, R '= 10.

Das Gesamtgewicht an VerdUnnungsmaterial im Reaktor kann wie folgtbestimmt werden: Aus der Definition von R' und Gleichung (10) ergibt sich und daraus WL = -F In(1 - XAL) ................ (13) durch Vergleich mit der Gleichung (11) wird der mittlere Verdünnungsfaktor 7 für das Katalysatormaterial durch die Gleichung also beispielsweise wenn XAL = 0,9, Rl = 4.The total weight of diluent in the reactor can be determined as follows: From the definition of R 'and equation (10) results and from this WL = -F In (1 - XAL) ................ (13) by comparison with the equation (11), the mean dilution factor 7 for the catalyst material is given by the equation for example if XAL = 0.9, Rl = 4.

Für katalytische Reaktionen der zweiten Ordnung, die isotherm durchgeführt werden, kann gezeigt werden, daß die zu den Gleichungen (12) und (14) analogen Gleichungen folgenden Ansatz ergeben: und R = 1 ............. (14a).For catalytic reactions of the second order, which are carried out isothermally, it can be shown that the equations analogous to equations (12) and (14) result in the following approach: and R = 1 ............. (14a).

1 - XAL hat Wenn z.B. XAL = 0,9 ist,/R' am Eingang des Reaktors den Wert 100 und R' den Wert 10. 1 - XAL has If e.g. XAL = 0.9, / R 'at the inlet of the reactor has the Value 100 and R 'the value 10.

Im folgenden wird gezeigt, daß ein Reaktor gemäß der rfindung im wesentlichen hinsichtlich Schwankungen der maximalen Bettemperatur stabil ist, die sich durch Änderungen der Reaktorwandtemperaturen ergeben.In the following it is shown that a reactor according to the invention essentially is stable with regard to fluctuations in the maximum bed temperature, which result from Changes in reactor wall temperatures result.

Unter Verwendung der Werte, die für den bekannten Reaktor (1) gemäß Gleichung (11) angegeben sind, ergibt sich: @o da@, wenn XAL = 0.75, WL = 276 ist.Using the values given for the known reactor (1) according to equation (11), the following results: @o da @ if XAL = 0.75, WL = 276.

F Aus Gleichungen (6) und (8) ergibt sich Da T = 3400K, Tw = 3380K und aus Gleichung (14) - - 3 = 2,2 ist, 7 1n1/4 zeigt sich, daß bei einer mittleren Verdünnung des Katalysatormaterials von 2,2 die Reaktion isotherm bei 340°K vor sich geht, wenn die Reaktorwandtemperatur 5580K ist. Falls gewünscht ist, einer nicht-isothermen optimalen Temperaturfolge gemäß zu arbeiten, muß die optimale Beziehung für dT abgeleitet und in Gleichung (5) eingesetzt werden, die dann unter Anwendung der geeigneten kinetischen thermodynamischen Daten gelöst wird, Für eine reversible exotherme Reaktion wurde gezeigt, daß die optimale Temperaturfolge durch gegeben ist, wobei To die optimale Reaktionstemperatur ist, Te die Gleichgewichtstemperatur bedeutet, E1 die Aktivierungsenergie der Reaktion und E2 die Aktivierungsenergie der rückläufigen Reaktion ist, wobei unter Verwendung der Vantt Hoff-Isochore die Gleichgewichtstemperatur den Wert Te = #H ............... (15a) hat, wobei R die Gaskonstante, C eine Konstante und K div Gleichgewichtskonstante der Reaktion bedeuten.F results from equations (6) and (8) Since T = 3400K, Tw = 3380K and from equation (14) - - 3 = 2.2, 71n1 / 4 shows that with an average dilution of the catalyst material of 2.2 the reaction isothermal at 340 ° K goes when the reactor wall temperature is 5580K. If it is desired to operate according to a non-isothermal optimal temperature sequence, the optimal relationship for dT must be derived and inserted into equation (5), which is then solved using the appropriate kinetic thermodynamic data. For a reversible exothermic reaction it has been shown that the optimal temperature sequence through where To is the optimal reaction temperature, Te is the equilibrium temperature, E1 is the activation energy of the reaction and E2 is the activation energy of the retrograde reaction, where using the Vantt Hoff isochore the equilibrium temperature is Te = #H ..... .......... (15a), where R is the gas constant, C is a constant and K div is the equilibrium constant of the reaction.

Eine Reihe von Beispielen soll im folgenden die Durchführung der Erfindung bei besonderen Anwendungen erlMutern.A number of examples are given below to illustrate the practice of the invention explain in the case of special applications.

1) Methanolsythese, Die chemische Gleichung für die Methanolsynthese wird gewöhnlich durch angegeben und die Reaktionsgeschwindigkeit pro Katalysatoreinheit in einer verallgemeinerten Reaktorzone wird durch die Geschwindigkeitsgleichung angegeben, die dem Buch "Catalysis", Herausgeber P. H. Emmet, Verlag Reinhold, New York, 19559 Seite 549 entnommen ist, wobei adie Aktivität Jeder Komponente und ein Wirkungsfaktor für den Katalysator darstellt.1) Methanol synthesis, The chemical equation for methanol synthesis is usually given by and the rate of reaction per unit catalyst in a generalized reactor zone is given by the rate equation given in the book "Catalysis", published by PH Emmet, Verlag Reinhold, New York, 19559, page 549 where a represents the activity of each component and an effect factor for the catalyst.

Für eine Einspeisung aus 12 % CO, 80 % H2 und 8 % inerten Stoffen bei 5950C und 280 atm ist A'= 125, B' = 1,0, C'= 0,125 und D'= 4,63. Weitere Werte sind : # = 0,67, #(Flüchtigkeit)CO,H2 = 1, #CH3OH = 0,52, Kp = 2,67 x 10-5 atm-2, #H = -24,450 g.mol, Cp = 7,6 cal/g.mol0C, ATAd (der adiabatische Temperaturanstieg für vollständigen Umsatz = = 386°C.For a feed of 12% CO, 80% H2 and 8% inert substances at 5950C and 280 atm, A '= 125, B' = 1.0, C '= 0.125 and D' = 4.63. Further values are: # = 0.67, # (volatility) CO, H2 = 1, # CH3OH = 0.52, Kp = 2.67 x 10-5 atm-2, #H = -24.450 g.mol, Cp = 7.6 cal / g.mol0C, ATAd (the adiabatic temperature rise for complete conversion = = 386 ° C.

Aus Gleichungen (6) und (8) ergibt sich Es ist hierbei berücksichtigt, daß bei Durchführung der Synthese an einem Katalysator aus ZnO/Cr2O3 die optimale Reaktionstemperatur 395°C und die maximale zulässige Umwandlung CO 30 ffi betragen sollte, damit eine wesentliche Methanbildung vermieden wird.From equations (6) and (8) results It is taken into account here that when the synthesis is carried out on a ZnO / Cr2O3 catalyst, the optimum reaction temperature should be 395 ° C. and the maximum permissible conversion of CO 30 ffi, so that substantial methane formation is avoided.

Unter Anwendung der Geschwindigkeitsgleichung für r gemäß Gleichung (17) und bei R' = 1>0 wenn XAL = 0,3 ergibt sich rb = 6,7 x 10-2 g Mol/g Katalysator . Stunde und WL = 0,556 g Std.Using the rate equation for r according to equation (17) and with R '= 1> 0 when XAL = 0.3 results in rb = 6.7 x 10-2 g mol / g catalyst . Hour and WL = 0.556 g hour

F g Mcl . F g Mcl.

Geht man aus von Zylindern von 9,5 mm in einer Katalysatorbettpackung gemäß Industrial and Engineering Chemistry, Band 23, 1931 (Seite 910), die als gleichwertig gegenüber dem Reaktorbettmaterial angenommen werden so ist h = 2 x 10-3 wenn die Fließgeschwindigkeit pro Querschnittsflächeneinheit des Betts den Wert G = 0,225 hat. Bei der Annahme, daß D = 5 cm und d3 = 0,8 ist (c.g.s.-Einheiten), dann ergibt sich beim Einsetzen dieser Werte in Gleichung (17) für Tw = 167°C, was die Temperatur des Dampfes bei 7,7 ata ist und WL = 1370 g, was 87 cm einer Röhre von 5 cm Durchmesser entspricht.Assuming cylinders of 9.5 mm in a catalyst bed packing according to Industrial and Engineering Chemistry, Volume 23, 1931 (page 910), which are considered equivalent compared to the reactor bed material, h = 2 x 10-3 if the The flow rate per unit cross-sectional area of the bed is G = 0.225 Has. Assuming that D = 5 cm and d3 = 0.8 (c.g.s. units), then gives Substituting these values in equation (17) for Tw = 167 ° C, which is the temperature of the steam is 7.7 ata and WL = 1370 g, which is 87 cm of a tube of 5 cm diameter is equivalent to.

Bei anderen Stellungen längs des Reaktors können die entsprechenden Werte von r in die Gleichung. (17) eingesetzt werden. Da XA = @ aus Gleichung (8), findet man - L X L bei (/L = O,R' = 2,6. Wenn @/L = 0,5 ist R' = 1,8 und wenn @/L = 1,0 ist, R' = 1 0, R' = 2,6 - 1,6 f'/L, was die Gleichung für eine optimale Verteilung von Katalysatormaterial entlang dem Reaktor ist. Es ergibt sich ferner, daß und WL = .536 = 0,3 g Std.At other positions along the reactor, the corresponding values of r can be included in the equation. (17) can be used. Since XA = @ from equation (8), one finds - LXL at (/ L = O, R '= 2.6. When @ / L = 0.5, R' = 1.8 and when @ / L = 1 , 0 is, R '= 10, R' = 2.6-1.6 f '/ L, which is the equation for optimum distribution of catalyst material along the reactor and WL = .536 = 0.3 g hrs.

F 1,8 g Mol ist, woraus sich ergibt, daß die Länge des Katalysatorbetts des Reaktors um 80 % höher wird gegenüber dem festen Bett von bekannten Reaktoren. Da jedoch das Reaktorbett nur 87 cm lang ist, ist dieser Ar. stieg unwesentlich. F is 1.8 g moles which indicates the length of the catalyst bed of the reactor is 80% higher than the fixed bed of known reactors. However, since the reactor bed is only 87 cm long, this is Ar. rose insignificantly.

Für einen Reaktor von 5 cm Durchmesser wird die Produktionsgeschwindigkeit von Methanol NAOFXAL # 3 kg pro Stunde betragen. Um daher eine Tonne pro Stunde Methanol zu erzeugen, würden 553 derartiger Reaktoren erforderlich sein und das Gesamtgewicht ihrer Betten würde etwa 1/2 Tonne betragen, wovon etwa 1/4 Tonne aus Katalysator besteht.For a reactor of 5 cm in diameter, the production speed becomes of methanol NAOFXAL # 3 kg per hour. So around a ton per hour To produce methanol would require 553 such reactors and that Total weight of their beds would be about 1/2 ton, About what consists of about 1/4 ton of catalyst.

Die verfügbare Wärme würde etwa 1 1/2 Tonnen Dampf bei etwa 7,7 ata erfordern.The available heat would be about 1 1/2 tons of steam at about 7.7 ata require.

Anstatt daß man Ausgangsstoffe einleitet und Produkte aus dem Reaktor abzieht unter Einhaltung einer Temperatur von 5950C, könnten die Produkte zum Vorwärmen der Ausgangsstoffe auf etwa 565 0C verwendet werden und ein kurzes adiabatisches Bett mit einem Gehalt von unverdünntem Katalysatormaterial könnte angewendet werden, um die Temperatur auf 395°C zu erhöhen. Die Umsetzung von CO würde etwa 8 % betragen, so daß die Reaktoren gemäß der Erfindung um das 30-8 - fache der berechneten 30 Länge vermindert werden könnte. Die optimale Verdünnung würde danach durch Rt = 2, - 1,6 ß und die mittlere L Katalysatorverdünnung durch ~ = 1,4 gegeben sein.Instead of introducing starting materials and products from the reactor removes while maintaining a temperature of 5950C, the products could be preheated of the starting materials to about 565 0C and a short adiabatic Bed containing neat catalyst material could be applied to raise the temperature to 395 ° C. The conversion of CO would be around 8%, so that the reactors according to the invention to 30-8 times the calculated 30 Length could be reduced. The optimal dilution would then be given by Rt = 2, - 1.6 ß and the mean L catalyst dilution given by ~ = 1.4.

R' Der Durchmesser des Reaktors und die Flie#geschwindigkeit der Ausgangsstoffe können natürlich so ausgewählt werden, daß die Ergebnisse von denen dieses Beispiels abweichen. Es könnte z.B. die Produktionsgeschwindigkeit des Reaktors gemäß dem Beispiel verdoppelt werden, indem sowohl die Reaktorlänge als die Fließgeschwindigkeit durch den Reaktor verdoppelt wird. Die Temperatur an der Reaktorwand würde darm 260 0C betragen, entsprechend einem WasserdamS von 46 ata. Die letztere Änderung entsteht dadurch, daii das Verhältnis zwischen dem Wärmeübergangskoeffizienten h und der Fiießgeschwindigkeit G gegeben ist durch hOC G0,75. Wenn der Durchmesser des Reaktors vermindert wird, erhöht sich die Wärmeübergangsfläche pro Volumeinheit des Reaktors und es muß eine höhere Temperatur der Reaktorwand eingehalten werden, damit die gewünschten Reaktionstemperaturen aufrechterhalten werden können. R 'The diameter of the reactor and the flow rate of the Starting materials can of course be selected so that the results of those differ from this example. For example, it could be the production speed of the reactor according to the example can be doubled by both the reactor length and the flow rate is doubled by the reactor. The temperature on the reactor wall would be poor 260 ° C, corresponding to a water dam of 46 ata. The latter change arises from daii the relationship between the heat transfer coefficient h and the flow rate G is given by hOC G0.75. When the diameter of the reactor is reduced, the heat transfer area per unit volume increases of the reactor and a higher temperature of the reactor wall must be maintained, so that the desired reaction temperatures can be maintained.

2) Ammoniaksynthese. Ammoniak wird katalytisch aus den Bestandteilen gemäß der Gleichung hergestellt. Die Reaktion ist exotherm und reversibel und hat daher eine abfallende optimale Temperaturfolge. Die Synthese wird gewöhnlich bei Drücken von etwa 300 atm ausgeführt und der Katalysator aus Eisen und Promotern verlangt eine obere Temperaturgrenze von etwa 560°C. Der gewöhnlich erreichte Umsetzungsgrad pro Durchgang liegt etwas niedriger als 0,1 Mol N2 pro Mol der Gaseinspeisung. Die optimale Ausgangstemperatur des Produkts ist ausreichend hoch um die Einspeisung vorerhitzen zu können und es kann ein adiabatischer Reaktor verwendet werden, die Temperatur der vorerhitzten Einspeisung auf 560°C oberhalb der Reaktoreinspeisung erfindungsgemäß anzuheben. In einem solchen Reaktor wird eine optimal abfallende Temperaturfolge eingehalten.2) ammonia synthesis. Ammonia becomes catalytic from the components according to the equation manufactured. The reaction is exothermic and reversible and therefore has a falling optimal temperature sequence. The synthesis is usually carried out at pressures of about 300 atm and the iron / promoter catalyst requires an upper temperature limit of about 560 ° C. The degree of conversion usually achieved per pass is somewhat less than 0.1 mole of N2 per mole of gas feed. The optimum starting temperature of the product is sufficiently high to be able to preheat the feed and an adiabatic reactor can be used to raise the temperature of the preheated feed to 560 ° C. above the reactor feed according to the invention. An optimally decreasing temperature sequence is maintained in such a reactor.

FUr eirien Molenbrueh z von Wasserstoff in der Einspeisung urid einem Verbrauch vor x Mol Stickstoff je lWlol Einspeisung wird gemäb feta Physiocochim, Band 12, (1940), beite 32( gezeigt, daß je cm3 Katalysator pro Sekunde verbraucht werden, wobei P den Druck in Atmosphären angibt und kl und k2 die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Hin- und Rückreaktionen angeben.For a molar bond of hydrogen in the feed and a consumption of x moles of nitrogen per lWol of feed, it is shown according to feta Physiocochim, Volume 12, (1940), page 32 (that per cm3 of catalyst are consumed per second, where P indicates the pressure in atmospheres and kl and k2 indicate the reaction rates for the back and forth reactions.

Unter Verwendung der folgenden Werte die dem "Jorunal of the American Chemical Society", Band 45 (1923), Seite 2918 und "Chemical Engineering Science", Band 1 (1952), Seite 145, entnommen sind, ist @ = 0,686, P = 245 atm, #H = = - 2,66 x 104 cal/g Mol, Cp = 7,0 cal/g Mol°C, Kp = exp 26,600 - 27,911 #(Leerteil des Reaktorbetts) = RTo und M (gemä# Gleichung (15) = 6,1939 x C (gemä# Gleichung (16) ) = -2'(,911.Using the following values taken from the Journal of the American Chemical Society, Volume 45 (1923), page 2918 and "Chemical Engineering Science", Volume 1 (1952), page 145, @ = 0.686, P = 245 atm, #H = = - 2.66 x 104 cal / g mol, Cp = 7.0 cal / g mol ° C, Kp = exp 26.600 - 27.911 # (empty part of the reactor bed) = RTo and M (according to # equation (15) = 6.1939 x C (according to # equation (16)) = -2 '(, 911.

Für die optimale Temperaturrolge ist die allgemeine Gleichgewichtstemperatur Te unter Verwendung von Gleichung (15a): wobei aus Gleichung (18) Der Verdünnungsfaktor R' für den Katalysator wird aus berechnet. Hieraus ergibt sich für den erfindungsgemä# und isotherm arbeitenden Reaktor bei 560°C To = Te = 560°C = 8550K.For the optimum temperature range, the general equilibrium temperature Te using equation (15a) is: where from equation (18) The dilution factor R 'for the catalyst becomes off calculated. For the reactor according to the invention and operating isothermally, this results in To = Te = 560 ° C = 8550K at 560 ° C.

1 + MTe Die Temperatur der Reaktorwand Tw wird so ausgewählt, daß eine Temperatur von 195°C in einem Mantel um den Reaktor herum erhalten wird, der für aufsteigenden Wasserdampf#von einem Druck von etwa 14 ata ausgelegt ist. 1 + MTe The temperature of the reactor wall Tw is selected so that a temperature of 195 ° C is obtained in a jacket around the reactor, the is designed for rising water vapor # from a pressure of about 14 ata.

Es kann berechnet werden, daß bei D = 10 cm und G = 0,04 g/cm2. Sek. die Gesamtlänge des Reaktorbetts einschließlich eines adlabatischen Abschnitts, wobei die Reaktionsteilnehmer auf 8220K erhitzt werden, und einem anschlleßenden isothermen Abschnitt von 833°K und schließlich einem Abschnitt einer optimalen Temperaturfolge bis zu einem Ausgang von 738°K 2, 15 In betragen würde. Die optimale Temperaturfolge liegt wie folgt: T°K 825 799 776 756 738 1 (cm) 52,8 92,6 133,2 174,8 214,0 Rt 10,8 5,5 2,99 1,7 1,0 X 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Zur Herstellung von 20 Tonnen Ammoniak pro T@g kann aus diesen Berechnungen abgeleitet werden, da# 210 Reaktoren benötigt werden, wobei jeder Reaktor einen adiabatischen, einen Lsothermen und einer Abschnitt cler optimalen Temperatufolge aufweisen.It can be calculated that with D = 10 cm and G = 0.04 g / cm2. Sec. the total length of the reactor bed including an adlabatic section, with the reactants being heated to 8220K, and one subsequent isothermal section of 833 ° K and finally a section of an optimal temperature sequence up to an output of 738 ° K would be 2.15 In. The optimal temperature sequence lies as follows: T ° K 825 799 776 756 738 1 (cm) 52.8 92.6 133.2 174.8 214.0 Rt 10.8 5.5 2.99 1.7 1.0 X 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 For production of 20 tons of ammonia per T @ g can be derived from these calculations, since # 210 Reactors are needed, each reactor having an adiabatic, an isotherm and have a portion of the optimal temperature sequence.

Damit der Mantel auf 195°C gehalten werden kann, mu# der Gesamtwärmeübergangskoeffizient h@ den Wert 0,0004 haberi anstelle des mgenommenen Werts von 0,002 in e.g.s.-Einheiten.So that the jacket can be kept at 195 ° C, the total heat transfer coefficient must be h @ the value 0.0004 haberi instead of the taken value of 0.002 in e.g.s.-units.

Dies wird dadurch erreicht, da# man einen Ringraum mL.t lsoliermaterial, wie einem Gas zwischen der Reaktorwand und dem darum befindlichen Mantel vorsieht. I)ie Weite dieses Raumes wird berechnet aus worin D der Durchmesser des Reaktorbetts, Do der Durchmesser des Mantels an der Außengrenze des Etirlgraums und A die Wärmeleitfähigkeit des MateriaLs im ringraum bedeuten. In diesem Beispiel wird gefunden, daß h+ = 0,0004, wenn der Ringraum eine Breite von 2 mm hat und Synthesegas enthält.This is achieved by providing an annular space mL.t of insulating material, such as a gas, between the reactor wall and the surrounding jacket. I) the width of this space is calculated from where D is the diameter of the reactor bed, Do is the diameter of the jacket at the outer boundary of the annular space and A is the thermal conductivity of the material in the annular space. In this example it is found that h + = 0.0004 when the annulus is 2 mm wide and contains synthesis gas.

Wenn die Reaktionsteilnehmer auf die maximal zulässige Temperatur im adiabatischen Reaktorteil eingespeist werden und anschließend die optimale Temperaturfolge im Reaktor gemäß der Erfindung eingehalten wird, braucht nur eine minimale Menge Katalysator verwendet zu werden.When the reactants to the maximum allowable temperature in the adiabatic reactor part are fed and then the optimal temperature sequence is adhered to in the reactor according to the invention, needs only a minimal amount Catalyst to be used.

Unter bestimmten Umständen kann vorgezogen werden, einen Isolierraum rund um den Reaktor als Mittel zur Temperatursenkung in einem diesen Raum umschließenden Mantel vorzusehell, anstatt daß der Durchmesser des Reaktors zur Erzielung der gleichen Wirkung vergrößert wird. Im letzteren I"all besteht die Wahrscheinlichkeit, daß radiale Temperaturgradienten gefördert werden, die zu einer schlechten Verfahrensdurchführung führen könnten, wenn die optimale Reaktionstemperatur kri tisch ist, , z z.B. bei Reaktionen zur katalytischen Oxydation von Kohlenwasserstoffen.In certain circumstances it may be preferred to have an isolation room around the reactor as a means of lowering the temperature in a space surrounding this Sheath rather than the diameter of the reactor to achieve the same Effect is increased. In the latter I "all there is a probability that radial temperature gradients are promoted, leading to poor performance of the process could lead if the optimal reaction temperature is critical, e.g. at Reactions for the catalytic oxidation of hydrocarbons.

Der Isolierraum ist auch preiswerter als die Verwendung beispielsweise von siedendem Quecksilber oder Bädern aus eutektischen Salzgemischell, die bisher bei Reaktoreninit festem Katalysatorbett für die Phthalsäureanhydridsynthese verwendet wurden, damit die notwendige hohe Reaktorwandtemperatur eingehalten werden kann.The isolation room is also cheaper than using, for example, boiling mercury or Baths made of eutectic salt mixture, which were previously used in reactors with a fixed catalyst bed for phthalic anhydride synthesis, so that the necessary high reactor wall temperature can be maintained.

Die angegebenen Berechnungen können auf andere katalytische chemische Reaktionen angewendet werden, wie z.B. auf die Herstellung von Schwefe ltrioxyd, Phthalsäureanhydrid und Oxydationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen.The calculations given can apply to other catalytic chemical Reactions are used, e.g. for the production of sulfur dioxide, Phthalic anhydride and oxidation reactions of hydrocarbons.

Die vorstellendell Berechnungen berücksichti gen nicht die Wirkung von radialcn Temperaturgradienten. Bei Reaktoren mit kleinen Durchmessern ist dieser Effekt im allgemeinen nicht von Bedeutung. Die radiale Wärmeübergangsgeschwindigkeit ist relativ groß bei Reaktoren gemäß der Erfindung, verglichen mit der Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung durch die Reaktion und dies kann dazu führen, daß Reaktoren mit ungewöhnlich großem Durchmesser angewendet werden. Um diesen Vorte@l zu erläutern, kann ein selbstoptimierendes (hill-climbing) Rechnerprogramm ausgearbeitet werden.The imaginary calculations do not take into account the effect of radial temperature gradients. For reactors with small diameters, this is Effect generally does not matter. The radial heat transfer rate is relatively large in reactors according to the invention compared to the speed the heat generated by the reaction and this can lead to reactors using unusually large diameter can be used. To explain this advantage, a self-optimizing (hill-climbing) computer program can be worked out.

Im Prinzip wird eine Dreiecksmatrix, die eine einzelne dicht gepackte Schicht von Teilchen darstellt, ausgearbeitet. Hexagonale Verbindungen werden auf die Matrix gesetzt, die einer Reaktordurchmesser definieren und es wird ein pseudo-zufallszahlengenerator verwendet, um einen bestimmten Teil der Partikel im Reaktorbett zu identifizieren, der als katalytisch aktiv abgenommen werden soll. Wärme-und Massengleichgewichte werden dann über jedes Teilchen in der Matrix gemacht, wodurch eine Reaktion durch die aktiven Teilchen und ein seitliches Vermischen aller benachbarten Ströme zwischen den Partikeln simuliert wird. An den Verbindungslinien der Matrix (der Reaktorwand) wird Material reflektiert und die Temperatur kann aus der bestimmten Manteltemperatur und dem Wärmeübergangskoeffizienten an der Wand gemä# "Advances in Chemical Engineering, Band 3 (1962), Seite 204 bestimmt werden. Der mittlere Umsatz über eine kleine Anzahl von Schlichten wird dann ausgerechnet.In principle it is a triangular matrix that is a single tightly packed Representing layer of particles, worked out. Hexagonal connections are on the matrix is set which define a reactor diameter and it becomes a pseudo-random number generator used to identify a specific part of the particles in the reactor bed, which is to be accepted as catalytically active. Heat and mass equilibria are then made over each particle in the matrix, causing a reaction to go through the active particles and a lateral mixing of all adjacent streams between the particles is simulated. At the connecting lines of the matrix (the reactor wall) material is reflected and the temperature can be determined from the specific jacket temperature and the heat transfer coefficient on the wall according to "Advances in Chemical Engineering, Volume 3 (1962), page 204. The mean turnover about one a small number of finishes is then calculated.

Das Verfahren wird für eine erhöhte Zahl von zufällig verteilten aktiven Teilchen wiederholt und die mittlere Umsetzung mit dem vorherigen Wert verglichen. Das Programm iteriert mit ansteigenden Mengen aktiven Katalysatormaterials bis die mittlere Umsetzung oder Temperatur einen gewünschten Wert erreicht, wenn die optimale Verdünnung des Katalysatormaterlals ausgedruckt wird und die Berechnung zur nächsten Gruppe von Partikelschichten überschaltet, wodurch man von innen nach außen durch den Reaktor fortschreitet. Das Programm kann ein allgemeines sei, in das kinetische und thermodynamische Daten für jede katalytische Reaktion eingespeist werden können. Für komplexe Reaktionsschemata können Variationsmethoden verwendet werden und es kann die Selektivität anstelle der Umsetzung optimiert werden, während die Wirkungen einer Änderung des Reaktordurchmessers und die Temperaturen des Mantels und des Reaktorinneren geprüft werden können.The procedure is active for an increased number of randomly distributed Particles repeated and the mean conversion compared with the previous value. The program iterates with increasing amounts of active catalyst material up to the mean conversion or temperature reaches a desired value when the optimal Dilution of the catalyst material is printed out and the calculation goes to the next Group of layers of particles superimposed on it, causing you to move through from the inside out the reactor progresses. The program can be general, in the kinetic one and thermodynamic data can be fed in for each catalytic reaction. For complex reaction schemes, methods of variation can be used and es the selectivity instead of the implementation can be optimized while the effects a change in the reactor diameter and the temperatures of the jacket and the Reactor interior can be checked.

Die Verteilung des katalytischen Materials im Reaktor gemäß der Erfindung und den vorstehenden berechneten Beispielen ist auf ein homogenes oder nicht-dlskoritinuierliches Heaktorbett bezogen. Das Matrixmodell im vorstehenden Rechnerprogramm verwendet eine histogrammartige Darstellurlg der Verteilung des katalytischen Materials und ist daher realistischer. Die Schrittlänge des Histogramms entspricht genau dem mittleren Durchmesser von Jedem Einzelkörper des Katalysatormaterials.The distribution of the catalytic material in the reactor according to the invention and the above calculated examples is to be homogeneous or discontinuous Heaktorbett related. The matrix model used in the above computer program a histogram-like display the distribution of the catalytic Material and is therefore more realistic. The step length of the histogram corresponds to exactly the mean diameter of each individual body of the catalyst material.

YhthalsäurearlEvdrldsynthese Die genannten Verfahren wurden zuin tudium der katalytischen Oxydation von O-Xylol zu Phthalsäureahydrid unter Anwendung der kinetischen Schemata und Werte in "Industrial and Engineering Chemistry" (Nr. 2), Band 59, Seite 18 (1967) verwendet. Der Verfasser benutzte ein zweidimensionales aber homogenes Modell, um die Empfindlichkeit der Parameter dieser Reaktion in einem gekühlten Röhren reaktor zu zeigen, mit der Bedingung, daß die Reaktorlänge nicht mehr als 7 m betragen sollte. Ythalic acid pearl synthesis The above processes were used to study the catalytic oxidation of O-xylene to phthalic anhydride using the kinetic schemes and values in "Industrial and Engineering Chemistry" (No. 2), Volume 59, page 18 (1967). The author used a two-dimensional but homogeneous model to show the sensitivity of the parameters of this reaction in a cooled tubular reactor, with the proviso that the length of the reactor should not be more than 7 m.

A = o-Xylol B = Phthalsäureanhydrid C = kombinierte Produkte.A = o-xylene B = phthalic anhydride C = combined products.

Es ist überschüssige Luft vorhanden. There is excess air.

(NO) = 0,208; (NO) = 0,00924 = 44 o-Xylol dB = 1,3 g/cm3; D - 2,5 cm; d = 0,3 cm; G = 0,13 g/cm2 Sek. d = der Teilchendurchmesser des Katalysators, G = die 1 lie#geschwindigkeit der Masse. Aus den genannten Aktivierungsenergien ist deutlich ersichtlich, daß die beste Ausbeute von i3 ei einer so niedrigen Temperatur erhalten wird, wie sie mit einer hohen Umsetzung von A in einem Reaktor brauchuarer Länge verträglich ist.(NO) = 0.208; (NO) = 0.00924 = 44 o-xylene dB = 1.3 g / cm3; D - 2.5 cm; d = 0.3 cm; G = 0.13 g / cm2 sec. D = the particle diameter of the catalyst, G = the 1st speed of the mass. From the mentioned activation energies it can be clearly seen that the best yield is from i3 at such a low temperature is obtained as it is more useful with a high conversion of A in a reactor Length is tolerable.

Für isotherme Bedingungen der Reaktion kann leicht gezeigt werden daß die nlaxi. male Ausbeute an Phthalsäureanhydrid durch die Gleichung gegeben wird und die entsprechende Reaktorlänge für die genannten Arbeitsbedingungen den Wert hat.For isothermal conditions of the reaction it can easily be shown that the nlaxi. male yield of phthalic anhydride by the equation is given and the corresponding reactor length for the working conditions mentioned the value Has.

Hieraus ergibt sich z.B. folgendes Schema: Temp. °C Ymax Z o(Selektivität) 555 0,739 3210 0,785 365 0,721 2340 0,769 575 0,715 1575 0,765 585 0,710 113Q 0,761 395 0,710 811 0,755 wobei gezeigt wird, daß Ausbeute und Selektivität nicht sehr temperaturabhängig sind und eine Temperatur von etwa 3900C einer Ausbeute von etwa 70,5 % in einem 3-m-Reaktor mit Katalysatorteilchen von 0,3 cm Durchmesser ergeben. Es scheint aus diesen Werten hervorzugehen, daß der wichtigste Faktor, der das Arbeiten des Reaktors bestimmt, ein Vermeiden von Temperaturinstabilitäten ist. Das Matrixprogramm des Katalysators wurde daher für verschiedene Temperaturen des Einspeisemantels ablaufen gelassen unter Verwendung von Katalysatorverdünnungen, die gerade die Reaktionstemperaturen auf verschiedene vorher gewählte Werte Tmax zwängte. Zu diesem Zweck und unter Berücksichtigung praktischer Erfordernisse wurde der Reaktor von 3 m Länge in 10 gleiche Abschnitte geteilt, von denen jeder Katalysator mit einem konstanten Verdünnungs faktor enthalten sollte. Der Rechner berechnete dann die maximale einheitliche Katalysatorkonzentration in jedem Abschnitt, die zwangsläufig die Temperatur jeder zufällig im Abschnitt verteilten Katalysatorteilchen auf das vorgewählte Maximum zwang. Durch Wiederholung der Berechnungen wurde eine gute Uberelnstimmung mit einer angemessenen Zufalisrate der Katalysatortellchen mit der Pseudozufallszahlbestimmung gezeigt, die angewendet wurde.This results in the following scheme, for example: Temp. ° C Ymax Z o (selectivity) 555 0.739 3210 0.785 365 0.721 2340 0.769 575 0.715 1575 0.765 585 0.710 113Q 0.761 395 0.710 811 0.755 showing that yield and selectivity are not very temperature dependent and a temperature of about 3900C a yield of about 70.5% in a 3 m reactor with catalyst particles 0.3 cm in diameter. It appears from these values that the most important factor that determines the functioning of the reactor, an avoidance of Temperature instabilities. The matrix program of the catalyst was therefore designed for various temperatures of the feed jacket are allowed to drain using of catalyst dilutions, which just adjust the reaction temperatures to different previously selected values Tmax forced. To this end and taking into account practical Requirements, the reactor of 3 m length was divided into 10 equal sections, each of which should contain catalyst with a constant dilution factor. The calculator calculated then the maximum uniform catalyst concentration in each section, the temperature inevitably randomly each in the section distributed catalyst particles forced to the preselected maximum. By repetition the calculations were in good agreement with a reasonable random rate of the catalyst pellets shown with the pseudo-random numbering applied became.

Es wurde gezeigt,daß eine Katalysatorverbindung die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid um etwa 10 % erhöht und die Schwankungen der Manteltemperatur verdoppelt, die ohne Durchgehen des Reaktors zugelassen werden können.A catalyst compound has been shown to reduce the yield of phthalic anhydride increased by about 10% and the fluctuations in jacket temperature doubled that without Runaway of the reactor can be allowed.

Es wurden ebenfalls die Ergebnisse bei Erhöhung des Reaktordurchmessers von 2,4 cm auf 7,2 cm geprüft.The results were also obtained when the reactor diameter was increased checked from 2.4 cm to 7.2 cm.

Große Reaktordurchmesser haben natürlich den Nachteil, daß, wenn der zentrale Kern der gewünschten Temperaturfolge gemäß aufgeheizt ist, ein flüssiger Strom an der Reaktorwand einer niedrigeren und weniger wirksamen Temperaturfolge gehorchen wird. Beim Erhöhen des Durchmessers müssen die radialen Temperaturgradienten auf einem Minimum gehalten werden, indem die effektive Wärmeleitfähigkeit des Betts so groß wie möglich gemacht wird.Large reactor diameters naturally have the disadvantage that if the central core is heated according to the desired temperature sequence, a liquid Current on the reactor wall of a lower and less effective temperature sequence will obey. When increasing the diameter, the radial temperature gradients must be kept to a minimum by increasing the effective thermal conductivity of the bed is made as big as possible.

Für das Arbeiten im stationären Zustand ist der Wert des Wärmeübergangskoeffizienteri der Wanct nicht kritisch, da ein niedriger Wert durch einen Abfall der Manteltemperatur kompensiert werden kann. DLese Situation ist jedoch gegenüber Störungen weniger stabil, als wenn der Wärmeübergangskoeffizien der Wand hoch ist und der Temperaturabfall an der Wand gering ist. Zur Verminderung der radialen Temperaturgradienten kann eine Katalysatorverdünnung durchgeführt werden, jedoch werden die in einer gegebenen Reaktorlänge erhaltenen Ausbeuten nicht so hoch sein, wie es bei Iicairtoren mit kleinerem Durchmesser der Fall ist, wo wenig oder keine Verdünnung notwendig ist.For working in the steady state, the value of the heat transfer coefficient is i the fluctuation is not critical, as a low value due to a drop in the jacket temperature can be compensated. This situation is however against disturbances less stable than when the heat transfer coefficient of the wall is high and the Temperature drop on the wall is small. To reduce the radial temperature gradients a catalyst dilution can be carried out, but the in a Given the reactor length, the yields obtained are not as high as those obtained with Iicairtoren smaller diameter is the case where little or no dilution is required is.

Dies wird erläutert uurch die Ergebnisse beim Reaktor von 7>2 cm Durchmesser und 5 m Länge, der Katalysatorteilchen von 9 mm Durchmesser enthält. Die Maxlmalausbeute von 57 ß wurde bei einer Manteltemperatur von 510 0C erhalten gegenüber 70 % beim Reaktor von 2,4 cm Durchmesser mit einer Manteltemperatur von 370°C. Durch Erhöhung der Teilchendurchmesser auf 1,2 cm wurde die Ausbeute auf 62 % erhöht, wobei angenommen wurde, daß die kinetischen Daten auf Teilchen dieser Größe anwendbar sind. (Die aktive Ooerfläche wurde als proportional zum Teilchengewicht angenommen). Der Effekt von Störungen der Manteltemperatur wurde nicht studiert, jedoch ist es wahrscheinlich, daß die Stabi@tät schlecht sein wird. Es wurde geschlossen, daß jeder Anstieg des Röhrendurchmessers nachteltig ist, wenn die Ausbeute von primärer Bedeutung ist und weriri die Katalysatorverdünnung in radlaler Richtung zufällig ist.This is explained by the results for the reactor of 7> 2 cm Diameter and 5 m in length, which contains catalyst particles of 9 mm in diameter. The maximum yield of 57 ß was obtained at a jacket temperature of 510 0C compared to 70% in the reactor with a diameter of 2.4 cm and a jacket temperature of 370 ° C. By increasing the particle diameter to 1.2 cm, the yield increased 62% increased, assuming that the kinetic data on particles of this Size are applicable. (The active surface area was considered proportional to the particle weight accepted). The effect of disturbances in jacket temperature has not been studied, however, it is likely that stability will be poor. It was closed that any increase in tube diameter is negligible if the yield of primary The importance of the catalyst dilution in radial direction is and was coincidental is.

Verbesserungen der Wirkung des Reaktors; sind iiatürtich dadurch möglich, daß mali eine radiale Verteilung des Katalysators vorsieht, so daß eine größere Menge des aktiven Katalysators näher an der Wand zu liegen kommt, um de Temperatur in diesem Bereich zu unterstüzen und das radiale Temperaturprofil abzuflachen. In der Praxis kann dies eiiifach dadurch durchgeführt werden, daß ein koaxialer Zylinder von Drahtnetz oder ausgewlztem Metall in den leereii Reaktor eingeföhrt und der äußere Zwischenraum mit reinem 1 Katalysator gefüllt wird, wobei der viel größere innere Raum mit verdünntem Katalysator wie vorher gefüllt wir.Improvements in the effectiveness of the reactor; are of course because of this possible, that mali provides a radial distribution of the catalyst, so that a larger one Amount of active catalyst to lie closer to the wall comes to de temperature to support in this area and to flatten the radial temperature profile. In in practice this can easily be done by using a coaxial cylinder introduced into the empty reactor by wire mesh or rolled-out metal and the outer space is filled with pure 1 catalyst, the much larger one inner space is filled with dilute catalyst as before.

Zur Herstellung eines Reaktorbetts zur Verwendung in einem erfi ndungsgemä#en Reaktor kann ein Verfahren angewendet werden, wobei das Bett aus einem Verdünnungsmaterial besteht, in dem Pellets von Katalysatormaterial verteilt sind und wobei das Bett in Flie#richtung in Schichten eingeteilt wird, die gleich dem mittleren Durchmesser j jedes Einzelteilchens des Katalysatormaterials siiid. Für jede Schicht wird dann ein Ansatz mit der berechneten Menge Katalysatormaterial und Verdünnungsmittel gründlich gemischt uiid in in der angenommene) Schicht des Katalysatorbetts angeordnet. Dieses würde nicht so schwierig sein, da irn Fall. der Ammoniaksynthese bei 210 Reaktoren im Konverter 210 Ansätze voii im wesentlichen identischen zubereitungen für jede angerlommene Konverterschicht vorliegen und jeder Ansatz etwa 12600 Pellets enthält, wenn das katalytische Material in Form von Pellets mit einem mittleren Durchmesser von 1 cm vorliegt. Iii diesem Fall wird angenommen, daß der Ammoninkkonverter mit Katalysator in etwa 2 Tagen pro Arbeitskraft gefüllt werden könnte.For the production of a reactor bed for use in an invention Reactor can be used a process wherein the bed of a diluent material consists in which pellets of catalyst material are distributed and where the bed is divided into layers in the direction of flow, which are equal to the mean diameter j each individual particle of the catalyst material siiid. Then for each shift an approach with the calculated amount of catalyst material and diluent thoroughly mixed and arranged in the assumed) layer of the catalyst bed. This Wouldn't be so difficult in the case. of ammonia synthesis at 210 Reactors in converter 210 batches of essentially identical preparations for each there is a partially limed converter layer and each batch contains about 12,600 pellets, when the catalytic material is in the form of pellets with a mean diameter 1 cm is present. III in this case it is assumed that the ammonine converter with Catalyst could be filled in about 2 days per worker.

Sollerl Reaktoren gemäß der Erfindung mit Betten von relativ großem Durchmesser zur Durchführung chemischer katalytischer Reaktionen verwendet werden, so können die angegebenen Berechnungen angepaßt oder modifiziert werden, um Anordnungen auszurechnen, bei denen die Verteilung des Katalysatormaterials quer zur Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer schwankt.Sollerl reactors according to the invention with beds of relatively large size Diameter are used to carry out chemical catalytic reactions, so the given calculations can be adapted or modified to accommodate arrangements calculate where the distribution of the catalyst material is transverse to the direction of flow the respondent fluctuates.

Das Bett im Reaktor müßte dann physikalisch in Zonen unterteilt werden, die sich parallel zur Querperiphery des Betts erstrecken, so daß eine Abstufung in Querrichtung bei der Verteilung des Katalysatormaterials bewirkt werden kann.The bed in the reactor would then have to be physically divided into zones, which extend parallel to the transverse periphery of the bed, so that a gradation can be effected in the transverse direction in the distribution of the catalyst material.

PATENTANSPRÜCHE: PATENT CLAIMS:

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: 1) Röhrenreaktor für katalytische Reaktion mit festem Katalysatormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß aas Katalysatormaterial in wechselnder Menge in Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer derart angeordnet ist, daß in jedem Reaktorabschnitt die vorhandene Katalysatormenge ausreicht, daß die gewünschte Temperatur im stationären Zustand, die sich aus den konkurrierenden Geschwindigkeiten der Wärmeerzeugung (oder Wärmeabsorption) und des Wärmeübergangs in dem jeweiligen Reaktorabschnitt ergibt, erreicht wird. PATENT CLAIMS: 1) Tubular reactor for catalytic reaction with solid Catalyst material, characterized in that aas catalyst material in alternating Amount in the direction of flow of the reactants is arranged so that in each Reactor section, the amount of catalyst present is sufficient that the desired temperature in the steady state, resulting from the competing speeds of heat generation (or heat absorption) and the heat transfer in the respective reactor section results is achieved. 2) Röhrenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Katalysatormaterial pro Volumeneinheit durch Vermischen des Katalysatormaterials mit katalytisch inertem teilchenförmigen Material eingestellt wird.2) tubular reactor according to claim 1, characterized in that the Amount of catalyst material per unit volume by mixing the catalyst material is adjusted with catalytically inert particulate material. )) Röhrenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Katalysatormaterials außerdem in Querrichtung zur Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer geändert wird.)) Tubular reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the distribution of the catalyst material also in the transverse direction to the direction of flow the respondent is changed. 4) Röhrenreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zirkulation eines Kühlmittels um die Reaktorwand vorgesehen sind.4) tubular reactor according to claim 1 to 3, characterized in that Means are provided for circulating a coolant around the reactor wall. 5) Verfahren zur Durchführung katalytischer IVeaktionen unter Verwendung eines Röhrenreaktors bei vorgewählter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Temperaturverteilung im Röhrenreaktor durch Einbringen einer solchen Menge Katalysatormaterial in Fließrichtung der Reaktionsteilnehmer eingestellt wird, daß die in Jedem Reaktorabschnitt vorhandene Katalysatormenge ausreicht, daß die gewünschte Temperatur im stationären Zustand, die sich aus den konkurrierenden Geschwindigkeiten der Wärmeerzeugung (oder Wärmeabsorption) und des Wärmeübergangs in dem jeweiligen Reaktorabschnitt ergibt, erzielt wird.5) Method of Performing Catalytic I-Reactions Using a tubular reactor at a preselected temperature, characterized in that the preselected temperature distribution in the tubular reactor by introducing such a The amount of catalyst material is adjusted in the direction of flow of the reactants, that the amount of catalyst present in each reactor section is sufficient that the Desired steady-state temperature resulting from the competing speeds heat generation (or heat absorption) and heat transfer in the respective Reactor section results is achieved. 6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatormenge pro Volumeinheit des Reaktors durch Tierinischen des Katalysatormaterials mit katalytisch inertem Teilchenmaterial eingestellt wird.6) Method according to claim 5, characterized in that the amount of catalyst per unit volume of the reactor by mixing the catalyst material with catalytic inert Particulate matter is adjusted. 7) zu Verfahren llach Anspruch 5 oder G, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Katalysatormaterials ebenfalls in Querrichtung zur Fließrichtung variiert wird, so daß im Reaktor in Querrichtung zur Flie#richtung ein Temperaturprofil eingestellt wird.7) to method llach claim 5 or G, characterized in that the distribution of the catalyst material also in the transverse direction to the direction of flow is varied so that in the reactor a temperature profile in the transverse direction to the direction of flow is set. 8) Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein KUhlmittei um die Reaktorwand zirkulieren gelassen wird.8) Method according to claim 5 to 7, characterized in that a Coolant is circulated around the reactor wall. 9) Verfahren nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytische Reaktion die Herstellung von Methanol aus Kohlendioxyd und Wasserstoff durchgeführt wird. io) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da# als katalytische Reaktion die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff durchgeführt wird.9) Method according to claim 5 to 8, characterized in that as catalytic reaction the production of methanol from carbon dioxide and hydrogen is carried out. io) Method according to claim 1 to 8, characterized in that because the catalytic reaction is the production of ammonia from nitrogen and hydrogen is carried out. 11) Verfahren nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytische Reaktion die Herstellung von Phthalsäureahydrid durch Oxydation von o-Xylol durchgeführt wird.11) Method according to claim 5 to 8, characterized in that as catalytic reaction the production of phthalic anhydride by oxidation of o-xylene is carried out.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2538265A1 (en) * 1982-12-23 1984-06-29 Kernforschungsanlage Juelich REACTION TUBE FOR CARRYING OUT A HETEROGENEOUS CATALYSIS GAS REACTION, IN PARTICULAR FOR EXECUTING A METHANIZATION REACTION

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FR2538265A1 (en) * 1982-12-23 1984-06-29 Kernforschungsanlage Juelich REACTION TUBE FOR CARRYING OUT A HETEROGENEOUS CATALYSIS GAS REACTION, IN PARTICULAR FOR EXECUTING A METHANIZATION REACTION

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